基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器設計*

薛 松 曹寧生 沈寶成

(1.中國艦船研究院 北京 100192)(2.清華大學 北京 100084)

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基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器設計*

薛 松1曹寧生1沈寶成2

(1.中國艦船研究院 北京 100192)(2.清華大學 北京 100084)

論文提出了基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器的組成結構與工作原理,分析了以黑板組件為基礎的數據通信方法,設計了基于FPGA和光電編碼器的雙通道光電視頻信號仿真卡,給出了光電仿真軟件設計框架及三維視景仿真方法,驗證了基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器的仿真效果。

劇情; 光電; 模擬器

Class Number TP391.4

1 引言

光電視頻信號模擬器是艦船光電設備調試、在艦訓練、故障診斷中的必要設備,除極少數光電一體設備配備了專用信號模擬器外,大量的光電信號、信息處理設備只配備簡易的信息級數據模擬器,且功能有限,不能滿足網絡化、低成本、可復用、可靈活設置的使用需求。

基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器可將設定海區內的戰場態勢與交互信息作為劇情輸入,通過三維視景仿真生成戰場態勢視頻,可根據不同的任務需求對現場環境和目標交互關系進行逼真模擬,實現具有網絡化、信息化、集成化特點的光電視頻信號模擬器,可有效滿足光電設備在調試、訓練、故障診斷中對信號級光電視頻模擬器的使用需求[1～2]。

2 模擬器功能與設計原理

2.1 模擬器功能

1) 劇情仿真:通過模擬艦船光電設備的戰場環境與態勢,提供典型的作戰環境、目標想定、環境要素、作戰事件等信息作為信息輸入,通過不同的劇情設定,可在不同場景下艦船光電設備及其信息處理設備的工作性能,為其調試、在艦訓練、故障診斷提供場景支撐。

2) 視景仿真:使用三維視景仿真方法對劇情仿真內容進行視景合成,并接收外部控制命令,集成典型光電設備的工作模式,可模擬光電設備在可見光、紅外等工作模式下的凝視、搜索、跟蹤、掃描、變焦等,能夠實現預定戰場環境下多批次目標的三維視景動態視頻顯示與控制。

3) 信號轉換:對視景仿真視頻按幀進行圖像處理,并生成兩路模擬視頻信號,提供給光電信息處理設備使用。

2.2 模擬器組成與工作原理

雙通道光電視頻信號模擬器的架構如圖1所示。其中,劇情仿真部件、導航信息仿真部件、環境信息仿真部件各自運行于單獨的仿真計算機,通過黑板組件[3～4]與主板模塊進行以太網通信,光電信息仿真控制軟件運行于工控機主板模塊,通過CPCI總線與光電信號仿真卡進行通信。在模擬器運行時,首先,劇情仿真部件、導航信息仿真部件、環境信息仿真部件各自載入仿真配置信息,將仿真戰場環境、態勢信息通過黑板組件進行以太網廣播;光電視頻仿真控制軟件工作參數配置為某型光電設備;接收劇情數據(環境圖像特征信息、目標圖像特征信息、天氣、海況參數)動態仿真光電目標及環境圖像,并對上述信息進行信息融合,解算本艦與成像方位上目標的相對位置,匹配目標和環境圖像,動態合成所指方向的圖像,并調用VegaPrime視景仿真組件對視場與目標進行三維可視化仿真,將仿真生成的動態視頻顯示信息按照25幀/秒的速率進行時戳標記并保存,將保存的信息按照相應的場景進行圖像處理(如生成紅外圖像、標識疊加等),將處理后的仿真場景進行界面顯示,同時將信息融合數據、仿真圖像信息、界面輸入參數以視頻幀為單位進行封裝,通過CPCI總線的DMA方式傳輸給光電信號仿真卡;光電信號仿真卡將接收到的數據包解析為圖像信息與控制信息,將圖像信息緩存后送視頻編碼器1、視頻編碼器2進行信號輸出。

圖1 模擬器架構

2.3 模擬器仿真流程

按照視頻連續顯示的要求,基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器以25幀/秒的視頻處理速度進行仿真,此處一幀圖像的仿真與處理工作為一個仿真節拍,其仿真流程如圖2所示。

圖2 模擬器仿真流程

3 硬件設計

3.1 設計思路

雙通道光電視頻仿真卡的設計核心是強實時、高帶寬、高精度設計;雙通道光電信號仿真卡采使用FPGA進行板上系統的數據處理與接口控制,利用大容量動態存儲器作為緩存模塊,能夠有效滿足視頻圖像傳輸和處理過程中對硬件強實時與大帶寬的要求;采用了高精度的基準時鐘源,提供系統中各模塊使用,能保證視頻圖像數據處理與傳輸時的精度與速度。

3.2 原理框圖

圖3為光電信號仿真卡的硬件原理框圖;選用了Xilinx公司生產的Virtex-5 FPGA芯片作為主控芯片,同時采用兩簇共四片容量為256MB的DDR2作為外部緩存,采用NXP公司的SAA7129H作為光電視頻編碼器,采用200MHz的外部時鐘源提供系統基準時鐘,采用PEX8111作為PCI橋接芯片。

圖3 信號模擬卡原理框圖

在系統上電后,FPGA進行寄存器初始化配置,并通過向主板模塊申請中斷操作,主板模塊將仿真得到的視頻圖像數據幀以25幀/秒的速度發送給FPGA,FPGA根據解析得到的圖像數據依據乒乓操作的原則以幀為單位在四片DDR2中進行緩存,并根據控制命令對其依次處理,將處理之后的圖像數據寫入到兩路視頻編碼器中,實現視頻信號的連續輸出。

3.3 視頻編碼模塊設計

視頻編碼芯片采用NXP公司生產的SAA7129H數字編碼器,可進行I2C配置,支持主從模式,可將輸出信號配置為PAL、NTSC等標準制式,具有高穩定性的特點。一路視頻編碼控制電路如圖4所示,采用27MHz晶振作為其基準時鐘,并通過I2C配置為從模式下的CVBS方式輸出,輸出格式為PAL制式,輸出通過BNC接口,阻抗匹配設置為75Ω[4]。

圖4 視頻編碼芯片電路原理圖

4 軟件設計

4.1 劇情仿真軟件

劇情仿真[5～6]是本模擬器的核心組成部分,可模擬艦船光電設備的戰場環境與態勢,提供典型的作戰環境、目標想定、環境要素、作戰事件等,通過以太網黑板組件進行通信。

劇情模擬軟件的主要功能有:完成劇情平臺及其航跡設置,完成平臺位置、速度、姿態信息的動態生成;按照仿真更新周期輸出劇情平臺的位置和姿態等信息。

劇情模擬軟件由劇情生成部件和劇情輸出部件構成,具有開始、暫停、停止、凍結等控制命令,可以按照軟件仿真周期采集仿真平臺的ID、平臺類型、位置、速度和姿態等信息,適配轉換為劇情真值目標信息格式,并打上時戳,在當前仿真周期輸出。

劇情模擬軟件功能模塊間的信息流程如圖5所示。

圖5 劇情仿真部件運行流程圖

4.2 黑板組件

黑板組件[7～8]是一種應用程序進行通信時的基礎網絡組件,使應用程序和具體通信接口之間實現了隔離,用戶無需再去關心與接口相關的協議封裝,只需要往邏輯上的共享黑板上寫入編輯的數據,在此使用的是以太網黑板組件。以太網黑板組件可完成UDP(點對點、廣播、組播)、TCP等以太網收發通信功能,可以通過參數設置選擇通信方式。它提供報文讀、寫和報文到達事件函數接口,以動態庫方式供應用程序選擇使用,應用程序對黑板和協議動態庫進行加載、初始化、卸載、接口查詢等。

4.3 光電仿真控制軟件

基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器使用了VegaPrime三維視景仿真軟件[9～11]來生成動態三維視頻。VegaPrime[8]是基于VSG(Vega Scene Graph——MPI)公司跨平臺場景圖形API、底層(OpenGL)、Lynx Prime GUI(用戶圖形界面)的三維視景仿真工具,讓用戶既可以用圖形化的工具進行快速配置,又可以用底層場景圖形API來進行應用特定功能的創建。

在視景仿真時,首先使用VegaPrime視景仿真軟件生成仿真場景,并根據劇情載入地圖信息、目標信息,按照時戳標記截取視頻圖像幀數據,并將數據打時戳;然后根據控制命令對每幀視頻圖像數據進行圖像處理,灰度處理、彩色調節、角標疊加、縮放控制、目標跟蹤、目標重置、目標凝視、旋轉掃描等;最后將仿真和處理之后的視頻圖像數據進行界面顯示,并按照界面中設定的工作模式、運動方式、縮放控制、跟蹤控制等參數對圖像進行顯示控制。

視景仿真界面主控界面顯示內容如下:

1) 顯示各個探測器的視頻及跟蹤視頻;

2) 顯示目標的方位角、高低角、距離;

3) 實現對光電設備工作模式的控制模擬:可見光模式開關機控制、變焦控制、聚焦控制、透霧控制等;紅外模式開關機、變焦、校正控制等;隨動模式定位控制、自動掃描控制、手動搜索控制、跟蹤控制等。

5 測試驗證

通過工控計算機搭建雙通道光電信號模擬器仿真平臺,并將工控機與劇情仿真計算機、導航信息仿真計算機、環境信息仿真計算機通過以太網相連,分別設置并運行劇情仿真軟件、導航信息仿真軟件、環境信息仿真軟件,在工控機主機運行光電仿真控制軟件,選定工作模式為跟蹤模式,跟蹤目標1,可實現的主控界面以及電視通道、紅外通道模擬視頻信號輸出如圖6所示,從上述仿真效果可看出,光電視頻信號模擬器可根據劇情設置將動態視頻完整的生成模擬視頻信號,實時模擬戰場態勢環境。

圖6 仿真軟件與雙通道顯示效果

6 結語

基于劇情的雙通道光電視頻信號模擬器可在劇情信息驅動下,通過黑板組件的數據交互,并經過一系列的信息處理與視景仿真,最終利用具備強實時高帶寬特性的光電信號仿真板生成逼真的雙通道光電視頻信號,可模擬連續的電視/紅外等光電設備視頻信號,可廣泛應用于艦船光電信息處理設備的調試、故障診斷及艦員訓練任務。

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Design of Dual-channel Electro-optical Video Simulator Based on Plot

XUE Song1CAO Ningsheng1SHEN Baocheng2

(1. China Ship Research and Development Academe, Beijing 100192)(2. Tsinghua University, Beijing 100084)

The constitute structure and work principle of the simulator based on plot are proposed, the communication method based on the blackboard is analyzed, the dual-channel electro-optical video emulator based on the FPGA and electro-optical encoder are designed, the structure of electro-optical simulate software and the simulate method of the 3D video simulation are proposed, the simulating effect of the simulator is verified.

plot, electro-optical, simulator

2015年2月2日,

2015年3月28日

薛松,男,碩士,助理工程師,研究方向:信號與信息處理,內場仿真系統設計。曹寧生,男,研究員,研究方向:雷達與電子戰總體設計,內場仿真總體設計。沈寶成,男,碩士研究生,研究方向:雷達信號處理。

TP391.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.042