引言

無人機廣泛應用于軍事偵察以及民用測繪等領域，其中的機載視頻圖像系統是機載電子系統中的重要環節之一。無人機在高空飛行中對地面景物攝像，所得圖像幀內目標像素小且目標數量大，這要求增大圖像分辨率以提高目標物體的辨識度。此時數據量隨之顯著增加，與有限的無線帶寬資源成為矛盾，故要求應用高效的視頻編解碼技術。在偵察等特殊應用領域要求視頻傳輸的實時性，此時需要保證實時的視頻編解碼以及較小的圖像延遲。在需多路視頻傳輸且總數據率固定的情況下，可通過降低單路視頻分辨率或提高單路壓縮比來實現，故系統應可動態切換分辨率和壓縮比，具備較大的靈活性。無人機與地面的通信中，除了要回傳視頻數據以外，還要向地面傳輸飛行器本身的下行遙測數據，若采用兩個獨立信道會導致傳輸效率較低，此時設計一個包括傳統遙測數據和視頻數據的廣義遙測系統成為必需。

本文設計并實現了一種基于FPGA和DSP的機載高清視頻圖像系統，包括機載設備端和地面站端兩部分，最高支持分辨率為1 280× 720，每秒25幀的MPEG-4實時視頻編解碼，碼速率在5 Mbps以下。并可通過上行遙控指令動態切換圖像分辨率和視頻碼率，同時實現了視頻數據與遙測數據的組幀傳輸。

本文首先對機載視頻圖像遙測系統進行概述，提出了系統的總體實現結構。然后具體給出系統的設計，分為硬件平臺和程序算法兩部分。硬件平臺設計包括機載端視頻采集、FPGA和DSP處理器和地面端CPCI總線接口的設計，程序算法設計包括視頻編解碼算法、機載端DSP程序和地面端上位機軟件的設計。文章最后給出了系統掛飛實驗的結果并作以總結。

1 系統概述

機載視頻圖像系統主要由機載設備端和地面站端兩部分組成，系統總體結構圖如圖1所示。

1)機載設備端

視頻AD將影像傳感器輸出的高清視頻模擬信號進行模數轉換傳遞給FPGA，FPGA將預處理后的原始數字視頻數據傳遞給DSP進行實時視頻編碼，DSP完成視頻編碼后將壓縮碼流回傳給FPGA，在FPGA 中，壓縮視頻碼流與下行遙測數據組幀后進入調制部分;同時上行遙控指令進入FPGA，對圖像分辨率、視頻碼率進行控制。

2)地面站端

解調后的數據進入FPGA，FPGA將視頻數據與遙測數據分離，其中遙測數據進入后續的分析處理，視頻數據經PCI9054，通過CPCI接口上傳給上位機，上位機完成對視頻壓縮碼流的實時解碼播放以及存儲回放。

2 系統設計

2.1 硬件平臺

2.1.1 機載端視頻采集

高清模擬視頻信號為保證信號質量，常采用分量輸出格式，如亮度信號(Y)和色差信號(Cr、Cb)三分量輸出，同時場同步和行同步信號可采取疊加在分量信號上的內同步方式輸出。本系統中高清視頻信號采用720 P(1 280×720)格式，25幀/秒，選用TI公司的視頻ADC芯片TVP70025I完成該高清模擬視頻的模數轉換，采樣精度及方式選取為8位，4：2：2(Y：Cb：Cr)采樣。TVP70025I與外部器件連接關系如圖2所示。TVP7OO25I輸出數字化視頻分量(Y、Cb和Cr)、數據時鐘(DATACLK)、場同步(VS0UT)和行同步(HSOUT)信號給FPGA，DSP通過I C總線對TVP70025I內部寄存器進行初始化設置，并啟動模數轉換過程。

2.1.2 機載端DSP+FPGA處理器

機載端處理部分主要完成數字視頻信號獲取、視頻壓縮編碼和遙控遙測接口功能，考慮到DSP強大的數字信號處理能力和FPGA 的大規模邏輯設計能力，系統采用FPGA+DSP的硬件架構。

FPGA 選用Altera 公司StratixII 系列芯片EP2S30F672C5，該芯片有豐富的邏輯資源和嵌人式存儲器，支持LVTTL、LVDS等接口電平標準。主要功能設計如圖3所示。

包括以下3個方面：

1)數字視頻獲取

FPGA通過TVP70025I輸出的場同步和行同步信號判斷一場和一行視頻的起始，接收原始視頻數據(Y/Cb/Cr)并存人FPGA 內部開辟的FIFO之中，考慮到數據傳輸的高效性，需緩存若干行圖像并一次性傳遞至DSP，由于FPGA內部存儲器有限，故外掛SRAM 作為數據緩沖。

2)DSP與FPGA間數據傳輸

DSP與FPGA之間通過DSP的EMIFA 接口連接，FPGA內開辟FIFO 或者寄存器，DSP通過EMIFA讀寫FIFO或寄存器內的數據實現數據傳輸。本系統中分別開辟原始視頻FIFO(Y/Cb/Cr 3個)、壓縮視頻FIFO和遙控指令寄存器，對應于DSP中的5個地址空間，以地址線的最高3位進行區分。考慮到最大數據吞吐率為原始視頻的傳遞，EMIFA 數據寬度設為32位，數據時鐘選取4O M Hz。

3)遙控及遙測

本系統中可接受地面測控站傳遞的上行遙控指令，通過改變采樣方式，對視頻分辨率進行切換，包括QCIF(176×144)、CIF(352×288)、標清(720×576)和高清(1 280×720)4種模式。同時可根據遙控指令改變編碼算法中的參數，進而實現視頻數據的碼率控制，分為最高至最低5個碼率等級。