数字媒体技术舰船视频处理系统研究

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摘要:当前的舰船视频处理系统通过对视频采用直接编解码的方式来保证视频质量，应用于高清大尺寸视频处理时，存在效率低、传输丢包率高的缺陷。为优化上述缺陷，将研究设计数字媒体技术的舰船视频处理系统。选用2片DSP和FPGA结合的方式，搭建处理系统硬件架构。对舰船视频图像预处理，确定视频处理边界。依据HEVC编码标准，对舰船视频进行压缩编码，降低系统存储传输压力，完成系统设计。系统测试结果表明，设计的系统丢包率低于2.4%，压缩比大于100∶1，视频处理耗时短，性能明显提升。

关键词：数字媒体技术；舰船视频；视频处理；系统设计；DSP；HEVC

舰船航行时搭载的各项设备会实时采集不同的视频图像，用以对舰船航行环境、搭载设备运行监控、远程信息交流等。由此，对舰船视频处理系统的设计性能也提出了更高的要求。当前的视频处理系统从视频编码角度处理视频，虽然保证了视频高清分辨率，但是无法满足系统实时处理的要求[1]。在FPGA基础上加入APU处理器能够提升浮点操作造成的视频失真，但是该系统对大量视频同时处理时，效率低，存在较为明显的缺陷[2]。根据上述分析内容，借助数字媒体技术的优势，设计了基于数字媒体技术的舰船视频处理系统，以提高舰船视频处理的效率、降低处理视频时对视频质量的损坏程度，确保舰船视频的正确传输与存储。

1硬件部分设计

以DSP和FPGA为核心进行硬件设计，图1为系统的整体框架。DSP处理器选用TMS320C6416芯片，该芯片的编解码率为1080fps和多个接口，能够以较低比特率处理视频图像。FPGA选用功耗低、I/O接口数量大的XC7K325T芯片[3]。DSP1的VP接口用以导入舰船视频，由FPGA对视频进行编解码处理。编解码后的视频数据通过VP接口传输至DSP2中进行压缩处理。DSP2将压缩的视频通过SATA接口传输至存储模块进行存储。各模块之间通过RS232接口通信，DSP处理器通过VPX总线与存储器进行通信。

2软件部分设计

2.1舰船视频图像预处理

舰船视频采集器采集的视频图像在存储前，需要进行预处理。按照RGB通道转换格式，由AD转换器将视频图像统一转换为RGB格式。采用Sobel算子对视频进行边缘检测，以确定视频处理的边界。Sobel算子在x，y方向的卷积模板，如下式：使用上述模板对舰船视频每一帧图像的x和y方向进行卷积运算：IxIyA式中，和分别为视频图像x和y两个方向边缘检测的灰度值；为图像亮度通道矩阵，最终的边缘检测矩阵的每个灰度值计算公式如下：由上式确定舰船视频处理的边缘后，以检测边缘为界，利用数字媒体技术压缩舰船视频。

2.2数字媒体技术压缩舰船视频

以数字媒体技术中的HEVC视频编码标准为依据，对舰船视频进行压缩处理。cs为降低视频压缩时，HEVC帧内预测的复杂度，本文将以拉格朗日率失真值为HEVC帧内预测模式的选择标准。若压缩时，预测进行重构的视频块为，其对应的原始视频宏块为，则该视频块的拉格朗日率失真值的计算公式如下。式中：M×N为原始视频宏块的大小。(i,j)为对应视频图像的像素点坐标。利用上述帧间预测结果去除视频中的冗余信息后，生成原始视频图像像素值与预测压缩重构后视频图像像素值之间的残差。按照下式计算视频图像中真实视点像素值对应压缩后的合成虚拟视点。C(x,y)kdcl(x1,y1)cr(x2,y2)式中：为压缩后的合成虚拟视点；为左右真实视点与虚拟视点之间的距离比值；为视点的深度；和分别为左右视点的坐标。以视点像素为参考，对舰船视频进行分层处理。按照HEVC熵编码过程对帧内预测的残差进行变换，输出压缩后的舰船视频码流，即得到压缩后的舰船视频。将视频按照通信协议传输至存储位置，实现一次舰船视频处理全过程。按照以上分析内容，在系统软件部分实现了利用数字媒体技术处理舰船视频，以上文设计的系统硬件为架构支撑，完成了对数字媒体技术的舰船视频处理系统的设计研究。

3系统测试

3.1测试内容

首先在开发环境下对系统软件部分进行调试，确认在当前开发环境下系统各模块功能正常后，对系统进行软硬件联合调试。将系统软硬件联合调试作为系统测试的第一环节。通过该环节的测试，来认证系统整体运行情况。系统测试的第二环节为对系统进行功能性对比测试，以对比的形式验证系统是否在功能上实现优化。选用基于APU+FPGA的视频处理系统为对比，通过比较2个系统处理相同视频时，系统处理视频图像的耗时、系统处理视频图像的压缩比、以及传输处理视频时的丢包率3个指标，综合验证系统的视频处理系统的性能。

3.2测试结果及分析

图2为系统在软硬件联合调试过程中，系统压力测试结果。分析可知，随着系统中处理视频的线程数量增加，系统的平均响应时间增加。但是整体上系统的平均响应时间与系统处理线程的增长幅度之间的关系波动较为稳定。同时系统处理的视频无明显失真情况出现，表明本文设计的系统具有较好的稳定性。选用具有不同分辨率的视频数据集作为系统功能对比性测试的测试集，分别使用本文系统和传统系统对测试集中的视频进行处理。图3为2个系统处理视频图像时的耗时对比，图中曲线分别代表系统处理视频耗时、传输显示视频耗时情况。分析可知，本文系统的处理和传输显示视频的耗时要少于对比系统。并且随着视频尺寸的增加，对比系统的处理耗时增加幅度逐渐变大，而本文系统的处理耗时则以一种相对平稳的状态小幅度缓慢增加。从处理视频的耗时来讲，本文系统需要的时间更少，在对相同量视频处理时，本文系统的效率更高。同时从传输视频耗时来讲，本文系统仍少于对比系统，其主要原因在于本文系统对视频处理时有效压缩了视频尺寸，减少了传输耗时，提高了系统的实时性。表1为2个系统对测试集中视频进行处理时，系统的丢包率以及视频的压缩比数据。分析可知，对相同数量不同分辨率视频进行处理时，本文系统的丢包率远低于对比系统；视频分辨率相同、数量不同条件下，对比系统的丢包率随着视频数据的增加而增加，而本文系统的丢包率则整体保持在低于2.4%的情况。系统对于不同分辨率的视频进行处理时，本文系统处理的所有视频压缩比均大于100∶1，而对比系统则相反。本文系统对视频处理的压缩比高于100∶1，表明系统节省了视频存储的空间，同时也降低了系统处理视频实时传输时对通信通道的压力。

4结语

视频处理系统对于舰船自动化设备远程监控、目标识别等十分重要。随着船舶自动化水平的提升，对于舰船视频处理系统的要求也越来越高。针对当前视频处理系统存在的问题，本文设计了数字媒体技术的舰船视频处理系统，利用数字媒体技术在DSP和FP-GA的硬件支撑下，提升了系统的性能。

作者：王禾 单位：浙江长征职业技术学院 计算机与信息技术系