视频集成范文（精选5篇）

视频集成 第1篇

随着通信网络的高速化,视频业务在运营商提供的服务中占据了越来越大的份额。而服务提供者最为关注的是用户的体验。因此有必要对视频业务质量进行评估。视频质量评估的方法包括主观评价和客观评价。主观评价中,试验者观察数据库中的原始视频与失真视频,并依据主观感受对所有失真视频评分。因为需要大量的视频样本与试验者,整个评估过程浪费了大量的时间人和精力。而客观评价的方法依据一系列视频质量的影响因素来建立数学计算模型,自动感知图像质量。根据失真图像的质量评价对原始图像的依赖程度,客观评价方法分为全参考型(FR),无参考型(NR)和半参考型(RR)[1]。常用的全参考方法包括均方误差(MSE)和峰值信号噪声比(PSNR)[2]。这些方法的特点是计算简单,有明确的物理意义,并且容易使用数学方法对他们进行优化。然而,在这些方法中图像的各个元素被看作是独立的,没有考虑到元素间的联系,所以准确性不够理想。最近几年,Zhou Wang等认为人眼视觉系统最为重要的特点是提取视觉场景中的结构信息[3,4],并在文献[3]中提出了结构相似度(SSIM)质量评价方法。仿真结果显示这种基于结构信息的方法优于传统的PSNR方法。虽然SSIM质量评价算法在计算机数字系统中实现简单、并且预测精度较好,但是对于较为模糊图像性能欠佳。而人眼视觉系统的许多特性与视频质量评价密切相关[5]。到目前为止,相关学者详细研究了许多人眼视觉特性,如对比灵敏度(CSF)、视觉掩盖效应、多通道结构、视觉非线性定律等。鉴于此,本文从人眼视觉特性出发,结合结构相似性算法,提出了一种改进的基于HVS的视频质量评价方法。

1 结构相似性方法(SSIM)及其特点

Zhou Wang提出基于结构失真测量视频质量评估方法,称为结构相似性(SSIM)。该方法根据人眼会提取观察到景象的结构信息,认为结构信息和图像质量之间有很大联系。对于原始图像和失真图像,亮度,对比度以及结构越相似,表示失真图像的质量越高。

设l(x,y)是亮度函数,c(x,y)是对比度函数,s(x,y)是结构函数,分别定义为:

其中,σx,σy是亮度的标准差,σxy是亮度的协方差,C1,C2,C3是较小的常数,避免分母为零。

将以上分量综合考虑,则将结构相似性可以定义为:

2 基于HVS的结构相似性方法

由于结构相似性算法考虑到图像的空域结构,它在主客观质量评价一致性上的表现比峰值信号噪声比好。但结构相似性只是模拟了图像的空域特性,没有利用其它的人眼视觉特性。本文提出了基于HVS的改进结构相似性算法,将人眼视觉特性,如视觉对比灵敏度,视觉遮掩,多通道结构以及对边缘信息的敏感性集成到结构相似性算法中。人眼视觉系统对不同空域方向和频率的失真敏感度不同。而图像经过小波变换(DWT)后,被分解为若干个对应于不同方向和空间频率的子带图像。结合小波分析理论[6],将参照信号和失真信号分别进行小波变换来模拟人眼视觉系统。详细流程如图1所示:

2.1 对比敏感度与CSF遮掩

人眼观察景象时,对不同频率信号的亮暗对比度具有不同的敏感性。对比敏感度(CSF)正是用来描述这一特性。人眼对比灵敏度是空间频率的函数,在中频上有最大值,并分别向高频与低频递减,呈现带通性质。Mannos通过大量实验给出了一种常用的CSF函数表达[7]:

空间频率,fx与fy分别代表水平和垂直方向的空间频率,定义如下:

图2描绘了归一化后的CSF函数响应曲线。横坐标为空间频率,纵坐标为人眼对比灵敏度。

由于小波分解,原图像被划分为多个子带,对应于空间频率。可以利用空间频率上的CFS函数来模拟人眼视觉系统的灵敏度。这个过程称为CSF掩蔽,利用小波变换的多分辨率性质,将参考图像和失真图像分别进行DWT,根据人眼对相应空间频率的灵敏度,对小波系数进行加权。

文本使用峰值CSF掩蔽[8]。首先计算亮度灵敏度函数(CSF)的离散小波变换。再取CSF曲线在其相应的倍频子带的最大值作为权重。最后将所有的权重进行标准化,使得最小的是单位1。而根据HVS特性,人眼对图像失真的辨别能力落在一个范围之中,恰可察觉变化(JND)正是描述了此效应。对小波系数进行CSF加权后,对于系数较小的子带,其对人眼的影响可以忽略。因此设置一个门限,仅使用大于此门限的系数重构图像。门限大小应与各子带系数差异性有关。若各子带系数相差悬殊,则较小系数的子带被人眼忽略。反之则门限较大,重构图像时各子带将被保留。首先求得子带系数标准差:

其中,M为子带数目,Ni为第i个子带的系数个数,xi,j为第i个子带的第j个系数,为第i个子带的系数均值。人眼对系数的敏感度可以近似为对数关系。门限R定义为:

其中α取0.25。

2.2 改进的SSIM

许多研究结果显示,人眼对与的图像的边缘和轮廓信息非常敏感。边缘和轮廓信息包含了人眼捕捉到的场景中最重要的结构信息。另外,人眼还具有掩盖效应,当一个原本可感知的激励,由于另一个可感知的激励的存在而变得不容易被感知。在人眼的边缘敏感性中也存在掩盖效应,若一幅图像某些部分的边缘信息非常丰富,那么其他部分对人眼的刺激就会减弱。基于以上思想,本文提出一种结构相似性的改进算法GSSIM。将图像分为若干个图像块,分别对每个图像块进行结构相似性计算。将图像块的边缘信息量大小作为权值来对图像块的结构相似性指数进行加权。获得边缘信息量的方法有很多,例如简单的边缘检测算法和局部梯度等。考虑到算法效率,本文中,使用Sobel算子用于取得的边缘信息。图1为本文使用Sobel算子,包括垂直和水平算子。

首先得到每个像素的边缘向量,定义为Di,j={dxij,dyij},其中dxij,dyij分别通过垂直和水平算子求得。边缘向量同时也能被表示为它的幅度和方向:

图像中,每个像素的边缘向量包括它的幅度和方向,所有像素的边沿向量组成图像的边缘映射集合。

边缘映射集合反映了图像块包含的边缘信息。利用该集合中的边缘信息可以度量此图像块在整幅图像中重要程度。对于某个像素点,若其边缘向量的幅值大于阈值T,则划定此点为边缘点。统计边缘映射集合中边缘点的个数作为该图像块的边缘信息量。把各个图像块的边缘信息量归一化,作为图像块的权重iw,则图像的结构相似性指数可以表示为:

其中,M为分块数,本文中将图像分为64个子图像块,ssim(x i,y i)为图像块i的结构相似性指数。

2.3 模拟HVS的多通道结构

人眼对于有特定空间位置,方向,颜色和频率的激励具有不同的灵敏度。研究者发现,这是由于人类视觉系统在不同的通道处理视觉激励造成的。人眼的多通道的特性可以用线性滤波把图像分解到多个频带来模拟。原始图像经过小波变换后,得到不同空间频率与方向的子带图像对应于人眼的多通道特性。在本文中,我们应用小波变换来模拟多通道结构。

对原始图像与失真图像分别进行离散小波变换。根据DWT的多分辨率特性,将产生多个子带图,包括低频子带图和高频子带图。低频子带图集中了图像的主要能量,是对原图像的接近。而高频细节子图体现了原图像垂直,水平以及对角方向的纹理以及边缘细节。分别对各原始图像与失真图像对应的子带图进行改进的结构相似性运算,得到每组子带图对应的gssim值,分别用gssim(i,θ)表示,其中i代表小波分解级数,θ代表每层小波分解后子图的对应方向。由于各子图包含的能量不同,对原图像的影响程度也不同,频率越低的子图中包含的能量越多。将上一步得到的所有gssim(i,θ)按不同的权值加权,即得到原始图像与加权图像的GSSIM值。然而,从HVS中的对比敏感度函数呈现带通状,人眼对中频信号的敏感度最大,响应向低频和高频部分递减。所以子带图的加权系数应该由其包含的能量大小与CFS曲线的频率响应共同决定。其中各子图的权值由下式计算得到:

其中,fxy(i,θ)为子图的小波系数,wiCFS为子图频带的CSF权值。M,N分别为对应子带图的长与宽。

归一化后子图权值为

得到归一化的权值之后,按下述公式计算原始图像和失真图像的结构相似度GSSIM

3 实验结果分析

实验选取LIVE视频数据库[9]测试本文提出的基于HVS的视频质量评价算法的性能。该数据库来源于美国德州大学图像视频工程实验室(LIVE,laboratory for image and video engineering)[10]。数据库包括10个原始视频。又通过MERG-2压缩,H.264压缩,有线IP网络传输以及无线网络传输四种方法对每个原始视频创建15个失真视频。实验针对不同失真类型测试了3种视频质量评价算法的性能,分别是PSNR,多尺度结构相似性MS-SSIM和本文提出的考虑了HVS的结构相似性算法GSSIM。本文选用Spearman等级次序相关系数(SROCC),相关系数(CC)和均方根误差(MAE)来评价算法性能。Spearman等级次序相关系数是相关度指标,较大的SROCC代表较好的精度。相关系数(CC)指示主客观评价的相关度,CC值越大代表预测精度越高。RMSE指示预测的一致性。RMSE的值越小,预测的一致性越高。

表1,表2,表3以及图4分别列出了4种失真条件下各算法的SROCC系数,相关系数和平均绝对误差。图5分别描绘了从中可以看到MS-SSIM算法在各性能指标上远高于PSNR算法,说明MS-SSIM算法相比于PSNR,在预测精度以及主客观相关性上有很大提高。而相对于MS-SSIM,基于HVS的结构向相似性的SROCC指标在MPEG-2压缩,H.264压缩和有线传输失真类型下分别提高了6.3%,4.2%,和3.7%,整体上提高了3.9%。相关系数在MPEG-2压缩,H.264压缩失真下分别提高了4.4%和5.9%,整体上提高了2.1%。RMSE在MPEG-2压缩,H.264压缩,有线传输和无线传输失真类型下分别提高了3.2%,5.3%,5.5%和2.8%,整体上提高了3%。相比于MS-SSIM,本文提出的算法对于MPEG-2压缩与H.264压缩失真的性能较好,在预测性与精度有一定提高。相对于传输失真,压缩失真引起图像的失真在区域分布上更均匀。而边缘区域的失真对视觉的影响更大。本文算法对图像分块,对边缘信息丰富的图像块给予较大的权值,实验结果也验证了本文算法有效性。

4 结语

基于结构相似性(SSIM)的概念与人眼的视觉特性,本文提出一种新的视频质量评价方法。实验结果表明,与结构相似度算法相比,本文提出的方法与主观质量评价具有更好的相关性和更高的预测精度,也更符合人眼的主观感受。另外,在实验结果中还发现,在MPEG-2压缩,H.264压缩,有线传输和无线传输四种失真类型下,本文提出的算法对于MPEG-2与H.264压缩产生的失真有更好的的预测性。如何区别失真类型并将失真类型考虑到视频质量评价中将是视频质量评价继续研究的一个方向。

摘要：目前,视频业务在网络服务中所占比重越来越大。对视频业务质量进行评估有助于服务提供商改善用户体验,具有重要研究意义。在客观视频质量评价方法中,基于结构相似性的视频评价算法(SSIM)性能良好,计算简单,因此得到了广泛应用与研究。然而这种方法在评价某些模糊失真时性能不佳。针对于此,本文提出一种考虑人眼视觉特性的视频质量评价算法。本文根据人眼视觉特性(HVS),在结构相似性算法中集成了对比敏感度,多信道结构,以及边缘效应等特性。实验结果表明,与结构相似度算法相比,本文提出的方法与主观视频质量评价具有更好的相关性和更高的预测精度,也更符合人眼的主观感受。特别是对于视频压缩失真的评价性能具有明显的提高。

关键词：SSIM,人眼视觉特性,视频质量评价

参考文献

[1]Wang z,Sheikh H R,Bovik A C.Objective Video Quality Assessment,The Handbook of Video Databases:Design and Applications[M].Austin,USA:CRC Press,2003:1041—1078.

[2]杨琬,吴乐华,范晔.数字图像客观质量评价方法研究[J].通信技术,2008,41(07):244-246.

[3]Wang Z,Bovik A C,Sheikh H R,et al.Image Quality Assessment:From Error Visibility to Structural Similarity[J].IEEE Transactions on Image Processing,2004,13(04):600-612.

[4]Wang Z,Lu L G,Bovik A C.Video Quality Assessment using Structural Distortion Measurement[J].2002International Conference on Image Processing,2002,3(24-28):65-68.

[5]佟雨兵,胡穗薇,杨东凯视频质量评价方法综述.[J]计算机辅助设计与图形学学报.2006,18(5):735-741.

[6]周伟.MATLAB小波分析高级技术[M].西安电子科技大学版社,2006.

[7].Mannos J L;Sakrison D J The effect of a visual fidelity criterion on the encoding of images,1974(02).

[8]Beegan,A.P.,Iyer,L.R.,Bell,A.E.,et al.:Design and evaluation of perceptual masks for wavelet image compression.Proceedings of2002IEEE10(13-16),88-93(2002).

[9]LIVE Video Quality Database,2009[Online].Available:http://live.ece.utexas.edu/research/quality/live_video.html.

视频集成 第2篇

中国音响行业协会

2010.6

3.项目经理具有大专以上学历，并具有3年以上从事专业音视频智能系统集成工程项目的管理经历或具有相关专业中级以上技术职称； 4.财务负责人具有中级以上会计职称； 5.工程技术人员不少于30人；其中，具有相关专业8年以上从业经历或具有相关专业高级技术职称的人员不少于5人，此外具有相关专业5年以上从业经历或具有相关专业中级技术职称的人员不少于10人；

（三）企业工程业绩要求：

企业近3年内的工程业绩应符合下列条件之一，且至少有一项以上工程属于专业音视频智能系统集成工程项目：

1.承担过2项合同金额大于等于800万元的专业音视频智能系统集成工程项目，质量合格且每项工程项目均有验收报告；

2.承担过4项合同金额小于500万元且大于等于300万元的专业音视频智能系统集成工程项目，质量合格且每项工程项目均有验收报告。

（四）企业设备及技术要求：

1.企业具有与承包工程范围相适应的施工及检测设备； 2.企业具有对相应工程的深化设计能力。

3.企业必须设有维修维护专职人员不少于三人的维修站，并有至少三年的维修记录。

4.企业必须具有近年完成工程的技术档案。

（五）企业设备及管理要求：

1.企业具有完善的质量、安全管理体系； 2.企业具有人事、财务等档案管理制度； 3.售后服务优良。

音视频智能系统集成工程二级资质

（一）企业基本资信：

1.企业注册资金大于等于300万元；

2.通过当地工商部门年检，经营符合国家有关法律规定。

（二）企业人员要求：

1.企业负责人应具备大专以上学历，并具有3年以上从事企业管理工作经历；

2.企业技术负责人具有大专以上学历，并具有5年以上从事专业音视频智能系统集成工程施工技术管理工作经历或具有相关专业高级技术职称； 3.项目经理具有大专以上学历，并具有2年以上从事专业音视频智能系统集成工程项目的管理经历或具有相关专业中级以上技术职称； 4.财务负责人具有中级以上会计职称；

5.工程技术人员不少于15人；其中，具有相关专业6年以上从业经历或具有相关专业高级技术职称的人员不少于2人，此外具有相关专业

3-3于专业音视频智能系统集成工程工程项目：

1.承担过2项合同金额大于等于100万元的专业音视频智能系统集成工程项目，质量合格且每项工程项目均有验收报告；

2.承担过4项合同金额小于50万元且大于等于20万元的专业音视频智能系统集成工程项目，质量合格且每项工程项目均有验收报告。

（四）企业设备及技术要求：

1.企业具有与承包工程范围相适应的施工及检测设备； 2.企业具有对相应工程的深化设计能力。

3.企业必须具有承接相关规模工程的售后服务保障能力，有专职技术支持或售后服务人员1人以上。

（五）企业设备及管理要求：

1.企业具有完善的质量、安全管理体系； 2.企业具有人事、财务等档案管理制度； 3.售后服务优良。

第七条 在评审过程中被发现有下列行为之一的，将不予受理：

（一）违反国家工程建设强制性标准；

（二）发生过重大工程质量安全事故；

（三）企业未根据设计要求进行工程施工；

（四）企业违反合同规定的产品规格、型号；

（五）为其他企业提供图章、代签合同；

第八条

专项资质证书分为正本和副本，由协会统一制作、颁发。

第九条

专项证书有效期为四年，每四年进行一次年检。年检费用为1000元。第十条

申报音视频智能系统集成工程企业专项资质的企业需缴纳相应的评定

颁证费。一级4万元、二级3万元、三级2万元。

第十一条 在获得专项资质证书、且持有证书时间两年以上的企业，可以申请晋

升等级。

第十二条 所有获得专项资质证书的企业在中国音响行业协会官方网站

（）统一发布查询。

第十三条 持有专项资质证书的企业遗失证书的，应当向协会申领新的资质证书，并在相关媒体上刊登原资质证书遗失的声明。

第十四条 本规定由由中国音响行业协会音视频智能系统集成工程专业委员会负

责解释。

视频集成 第3篇

当前的数字广播系统都具有标准、特定的硬件、需要高成本的存储系统, 或者使用外部系统。目前由帝国理工研制的低成本数字视频广播 (DVB systems) 软件集成技术, 可充分实现在不同标准之间、硬件平台之间的切换, 同时具有直接的便携式存储介质和互联网互动功能。

该项技术的主要潜在市场是电视和机顶盒生产制造商, 可实现当前可获得数字广播的所有功能, 而不用进行特定硬件和软件的设计, 可节省大量成本。

技术成熟度:小规模生产

视频集成 第4篇

计算机辅助教学(Computer Assisted Instruction,CAI)是计算机与教育相结合的产物,它是将计算机所具有的特殊功能用于教学的一种教学形态。在教学活动中,利用计算机技术传递教学过程中的信息,达到实现教学目的,完成教学任务的目标。目前制作CAI主要采用Authorware作为开发工具。Authorware在素材的组织方面具有其独到之处,所提供的多种交互方式模块可以使用者觉得方便的形式来实现。然而Authorware中影像不能非窗口播放,且国外对多媒体创作工具以及数据库有规定,就是多媒体创作工具本身不可以带数据库功能,只有和数据库的接口,对数据库的支持较弱。

本文就解决如何在Authorware中实现音视频的再压缩及数据库集成问题进行探讨,使Authorware制作出的教学辅助软件真正起到大容量存储各种信息的目的。

2音视频再压缩技术

2.1 音视频再压缩原则

在Authorware中,对导入的音视频格式是有限定的,不是所有的音视频文件都能识别和灵活应用,对wav,mp3,avi,mpg等格式的文件识别较容易,但对流媒体rm,rmvb,wmv等格式的文件识别较困难,需要借助控件来对其进行播放,且控制不够灵活。因此对音视频文件再压缩的原则是既要使音视频文件大幅度再压缩,但又要保证在Authorware中播放视听质量不受损失,控制方式和未压缩文件相同。

2.2 音频文件的再压缩

mp3已经是对wav文件的压缩了,且压缩幅度在几倍到几十倍,但一般情况下,播放1 min的mp3仍然占据1 MB的磁盘空间。

Cool edit是一种音频制作软件,可通过该软件对mp3格式的文件进行再压缩,并且大幅度压缩后播放质量基本不受损失。制作方法是,打开要再压缩的mp3文件,在另存为时调整播放比率,如图1所示。将以前的128 kb/s,44 100 Hz,Stereo(11.0∶1)调整为40 kb/s,22 050 Hz,Stereo(35.3∶1)格式。保存后文件大小比如图2所示。在cool edit中2种音频质量的播放对比如图3所示。

从播放的波形图对比,可见波形改变微小,对音质的衰减也是很小的,人耳基本不能分辨。将“小白船1”音频文件插入Authorware中,基本听不出任何音频质量的下降。可见,通过这种方法,对音频文件的再压缩还有压缩的空间。

2.3 视频文件的再压缩

视频文件的再压缩相比音频文件的再压缩要难一些。一方面视频文件容易损失视频质量,视觉效果差异大;另外视频在压缩过程中存在比例改变的问题,因为有些视频为制作者抓屏而成,可能并不符合视频4∶3的格式,因此如将其盲目压缩为mpg文件,则改变了其真实的比例关系,插入Authorware后演示比例失调;再者在压缩过程中,即使视频文件经压缩后Authorware能识别,但音频文件有时改变比率后软件不再识别,使得压缩失败。笔者在经过若干测试后,总结出比较稳定和有效的方法是:先将抓屏后的avi文件转换成可调整大小的rm格式的文件,但因该文件在Authorware中播放需要控件,且交互操作不灵活,因此还需将该软件再转换为压缩后的avi文件格式,则在Authorware的播放中比例不改变、视频质量基本得到保证,文件压缩为1 min 1 MB左右,大大压缩了视频文件的存储空间。

具体压缩步骤为:

(1) 将抓屏后的视频文件avi导入网络梦工场real2002 v3.31中(也可是网络梦工场real的其他版本),将该文件添加到要转换的窗口内,并调整转换码率,见图4所示。转换码率越小,形成的rm文件也就越小。该软件的优点是转换后视频文件长宽比例不变,播放的音视频质量都较高,且压缩后文件比原avi文件小几十甚至上百倍。

(2) 将转换成功的rm格式文件再转换成avi文件。因为rm格式的文件Authorware再播放和控制中均不方便,因此需要再将该rm格式文件转为Authorware运行和控制方便的avi文件。转换软件可用全能MP4/3GP视频转换通2008。将已转换好的rm格式文件导入全能MP4/3GP视频转换通2008,并进行相应的视频和音频设置,如图5所示。设置完成后单击开始转换,即在C盘上得到转换完成后的avi文件,它们的大小比较如图6所示。

完成转换后视频演示界面抓图如图7所示。若清晰度要求不高,还可以对该视频进行进一步压缩。

3数据库集成技术

由于Authorware本身不带数据库功能,只有与数据库的接口,对数据库的支持较弱。因此要再设置的课件中实现对数据库的查询功能就必须先制作好一个数据库,然后在Authorware中调用数据库。解决的方法如图8所示。实现步骤如下:

(1) 将要查询的数据内容做成网页群,将它们单独存放在Authorware的根目录下。

(2) 在Authorware中设置模糊查询界面,可最大化设置模糊条件关键词。

(3) 在Authorware程序设计中,一般命令只能是调用外部数据库,且多采用链接方式,这将影响整个程序的设计效果和交互操作,使用者必须熟悉另外的界面,但若在本程序中调用数据库则使程序运行很慢,笔者在设计该数据库调用时,将要查询的内容全部处理成网页格式,在程序中只是将要查找的关键词和网页调入到相应的程序窗口中,如图9所示样式。这样给程序进行了大大的减肥,在运行时,完全感觉不到上千条搜索信息的数据库的庞大。

模糊查询计算图标的源程序如下:

4结语

本文就Authorware中音视频的压缩及数据库集成技术做了一些探讨,解决计算机辅助教学中不能容纳大容量的音视频文件技术,经本文所研究的压缩技术,在教学光盘中能同时容纳300 min以上的音频文件、200 min以上的视频文件、上千条数据库文件的查询、上千张jpg格式的图片和大量文字资料及交互操作信息。使教学光盘真正达到了声、图、文并茂的教学过程,丰富了教学知识、扩展了教学内容,使教学光盘有较高的性价比。

摘要：在讨论Authorware的不足之处后,重点探讨音频文件的再压缩技术和视频文件的再压缩技术及实现方法,并对Authorware对音视频文件的压缩的引用做了进一步的分析与研究。另外对数据库在Authorware中的引用做了较为深入的研究,并用程序描述在Authorware中怎样实现对外部数据库的调用。

关键词：音频再压缩,视频再压缩,数据库集成技术,外部数据库

参考文献

[1]陈丽.远程学习的教学交互模型和教学交互层次塔[J].中国远程教育,2004(3):24-28.

[2]冯乃光.从交互的重要性谈网络课程的后台管理方法[J].中国远程教育,2006(11):55-58.

[3]戴心来,陈其容.网络课程的教学交互及其设计探究[J].网络教育与远程教育2005(9):69-72.

[4]刘淳,章强.交互式网络教学平台的研究与实现[J].南京大学学报:自然科学版,2006,42(1):29-37.

视频集成 第5篇

CCD遥感相机视频电子系统主要包括焦平面电路、信号处理电路和积分时间电路3部分。其中焦平面电路的功能是为CCD提供驱动时序，确保CCD正常工作；信号处理电路的功能是将CCD输出的模拟信号转换为数字信号，并进行信号的合成处理；积分时间电路的功能是为信号处理电路提供工作所需的主时钟、行同步等信号，并向信号处理电路发送指令信息[1,2,3]。

在传统设计方法中，3部分电路具有各自的FPGA作为核心处理器控制实现相应功能，焦平面电路FPGA软件为CCD器件提供具有严格相位关系的时序驱动信号，并调整CCD的级数，使CCD工作在满足要求的状态下；信号处理电路FPGA软件驱动A/D转换器完成A/D转换，接收数字图像信号并按照要求的格式转换成数据传输格式后输出给数传分系统；积分时间电路FPGA软件主要功能是将数据管理系统的指令解析后发送给信号处理电路，并生成主时钟和行同步信号提供给信号处理电路。采用传统设计方法实现的视频电子系统框图如图1所示[4,5]。

传统设计方法中，由于每部分电路采用单独的FP-GA进行控制，使得软硬件集成度不高的同时，增加了研制成本，同时由于FPGA设计的降额要求，造成一定程度的逻辑资源浪费。为提高视频电子系统的集成度以满足相机小型化的需要，本文研究并设计了一种新的视频电子系统软件架构，在传统视频电子系统的基础上，只保留信号处理电路的FPGA，将焦平面电路和积分时间电路FPGA软件的功能集成到信号处理电路的FPGA中，实现软件集成化设计，以达到提高集成度节约软硬件资源的设计目的。

1 集成化设计实现

1.1 集成化方案设计

集成化设计后的视频电子系统框图如图2所示。焦平面电路简化为只有CCD的工作电路，工作时序由信号处理电路FPGA提供；主时钟和行同步信号由信息处理器发送，信号处理电路FPGA接收到主时钟和行同步信号后自己产生内部工作所需要的各种时钟信号和内部行同步信号。

与传统设计相比，集成化设计后的视频电子系统只保留了信号处理电路的FPGA作为核心处理器，减少了FPGA的使用数量，但相比较而言，集成化设计后的FP-GA设计复杂度比传统设计有所增加。

1.2 软件集成化设计

积分时间FPGA软件主要包括时钟行同步产生和指令解码两部分，时钟行同步产生部分根据外部输入的主时钟和行同步信号产生内部工作所需要的各种时钟和内部行同步信号，指令解码部分接收外部遥控三线指令，并对指令进行解码，按照指令要求实现相应功能；焦平面FPGA软件主要包括水平驱动信号生成和垂直驱动信号生成两部分，分别产生CCD工作所需的水平驱动时序信号和垂直驱动时序信号；信号处理FPGA软件主要包括A/D驱动和数据合成两部分，A/D驱动部分产生A/D转换器的驱动信号，确保A/D转换器正确实现A/D转换，数据合成部分对接收到的图像数据进行合成处理，并按照要求的格式将合成后的图像数据输出。在集成化设计中，三部分软件在一片FPGA中实现，软件集成化设计的软件架构如图3所示。

集成后的FPGA软件工作流程如图4所示。上电或复位后，对复位信号延时以确保复位信号稳定有效，之后根据信息处理器发送的主时钟和行同步信号生成内部工作需要的各类时钟信号和行同步信号。时钟和行同步信号生成之后软件工作流程按照积分时间软件、信号处理软件和焦平面软件三部分软件的功能分为3个主要流程：

(1）接收三线指令并对指令进行解译，将解译后的指令输出到相应模块进行响应；

(2）产生A/D转换器的配置驱动信号，驱动A/D转换器对图像模拟信号进行A/D转换，并接收转换后的图像数据，按照相应格式将数据合成之后输出；

(3）产生CCD正常工作所需的水平驱动时序信号和垂直驱动时序信号，驱动CCD正常工作，为A/D转换器提供正确的像元信号。

2 集成化设计难点分析

2.1 多时钟域设计

集成化设计将积分时间软件、焦平面软件和信号处理软件的功能集成在一片FPGA中，集成后的软件各个功能模块工作在多个时钟域下。积分时间功能模块工作在主时钟域，焦平面功能模块工作在像元时钟域和二倍像元时钟域，信号处理软件工作在主时钟域、像元时钟域和数传时钟域。数传时钟为主时钟二分频，二倍像元时钟为主时钟四分频，像元时钟为主时钟八分频。主时钟从信息处理器发送到信号处理FPGA，数传时钟、像元时钟和二倍像元时钟通过对主时钟分频计数产生，由于FPGA内部布局布线产生的延时，在逻辑设计过程中，4种时钟并不按照同源时钟来处理，而是按照异步时钟进行逻辑设计，在跨时钟域进行数据传输时，通过2次采样操作或者通过存储器隔离的方式完成。

图像数据从像元时钟域向数传时钟域的传输设计如图5所示。利用FPGA的内部存储资源开辟二倍每行像元数深度的双端口SRAM，写入端开放给像元时钟域，读出端开放给数传时钟域。写入端利用像元时钟产生写地址，将A/D转换后的像元数据写入到SRAM中。读出端利用数传时钟生成读地址，将像元数据在数传时钟域读出，之后在数传时钟域下完成数据的合成与输出。

2.2 数据处理乒乓设计

数据处理要求在一个行周期内将图像数据接收完毕并按照数据传输格式发送完毕。若采用当前行数据在当前行实时合成输出的处理方式，需要等待一行数据全部写入存储器后才能够进行读出操作，写入和读出操作顺序进行，需要更快地处理速度或更长的行周期时间，如图6所示。

为保证在处理速度和行周期时间不变的情况下一行的数据能够在一行内完全发送完毕，采用乒乓处理的方式完成数据的读写操作，如图7所示，首先要开辟二倍像元数据深度的SRAM，在第个N行周期将第N行数据写入SRAM的高半地址，同时从SRAM的低半地址读出第N-1行的数据；在第N+1行，将第N+1行数据写入SRAM的低半地址，同时从SRAM的高半地址读出第N行的数据。乒乓处理后读出与写入操作互不影响，可以并行进行，从而保证在行周期不变的情况下，完成一个行周期内整行数据的完整输出。

2.3 软件标准化设计

软件集成化设计将积分时间软件、焦平面软件和信号处理软件集成在信号处理电路的FPGA中，与分别利用三个FPGA实现各自的功能相比较，其软件复杂度更高，FPGA资源占用率更高，对逻辑的优化设计要求也更高。

为了使软件更优化，减少资源的占用率，软件集成化不是简单地将3部分软件以3个单独模块的形式例化在同一个顶层逻辑中，而是通过软件标准化设计，在保证积分时间软件、焦平面软件和信号处理软件各部分的功能正确实现的前提下，将具有相同逻辑功能的逻辑模块在一个模块中实现，减少逻辑的设计冗余，使实现相同功能所需要的逻辑资源尽量少。比如，3部分软件都需要对主时钟进行分频，在集成化设计中，采用标准化的分频模块，在一个模块中实现对主时钟的分频，分频后的时钟再送给各部分功能模块使用，从而实现逻辑的优化。

经过标准化模块的采样和逻辑功能的整合，使得3部分软件更好地成为一个逻辑整体，在确保功能实现的同时，使软件的可读性更强，软件架构更加清晰明确，有利于后期的软件维护。

3 测试与分析

视频电子系统软件功能测试方案如图8所示。将视频电子系统与视频转接电路相连，再通过视频转接电路与上位机相连，视频转接电路模拟信息处理器为视频电子系统提供主时钟、行同步以及遥控三线信号，同时接收视频电子系统输出的数传数据，转换为Cameralink数据格式，通过Cameralink接口将图像数据传输到上位机，在上位机上通过图像采集软件观察图像数据输出是否正确。示波器用来观察各接口时序波形，以确定各输入输出信号时序关系是否正确。

利用示波器观察FPGA输出给CCD的垂直转移驱动信号图9(a）和水平转移驱动信号图9(b）所示。与CCD所要求的时序关系相比较，FPGA所产生的水平转移信号和垂直转移信号满足CCD的驱动要求，能够驱动CCD正常工作，CCD输出的像元信号如图10所示，能够满足设计要求。

利用示波器观察信号处理电路输出的数传格式数据和同步信号波形如图11所示，其中同步信号低电平对应有效数据，数传输出满足功能和性能要求。

图像数据经过视频转接电路发送到上位机，通过上位机图像采集软件观察图像数据，从而确定数据传输是否正确。通过上位机发送级数和增益调整指令，观察图像变化，从而判断指令响应是否正确。上位机图像如图12所示，（a）是增益0 dB,CCD级数为3级时两个谱段的图像；（b）是增益0 dB,CCD级数为5级时两个谱段的图像；（c）是增益6 dB,CCD级数为3级时两个谱段的图像。从图12中图像的比较可见，增益指令与级数指令能够正确响应，随着增益与级数提高，图像数据的值增大，图像变亮。通过上位机图像采集软件和示波器波形的观察，可以确认集成化设计之后的视频电子系统软件满足各项功能要求。

利用Matlab图像处理软件对上位机的图像进行处理，计算出图像的信噪比，如图13所示。

从图中可见，随着级数从1～5级的增加，图像的信噪比也随之增加，在级数为1级时信噪比为46 dB，在5级时信噪比达到52 dB，软件性能能够满足要求。

4 结语

通过对CCD遥感相机视频电子系统各部分软件的集成化处理，实现了视频电子系统的小型化与集成化设计。将传统视频电子系统中的积分时间软件、焦平面软件和信号处理软件集成在同一片FPGA中，简化了系统设计复杂度。通过采用跨时钟域信号处理和标准模块的使用，使得集成后的软件工作更加稳定可靠，效率更高。通过对硬件输出信号的观测与分析，以及对上位机图像的信噪比等指标的分析，本文提出的FPGA软件集成化设计方法能够满足CCD遥感相机对视频电子系统的功能与性能上的要求，具有很高的工程应用价值。

参考文献

[1]陈瑞明,吴淞波,王建宇,等.对地观测高分相机视频电子学集成化技术[J].航天返回与遥感,2013,34(3):34-40.

[2]达选福,王怀义,李涛,等.基于集成信号处理芯片的CCD相机视频电子学系统设计[J].航天返回与遥感,2008,29(4):30-35.

[3]贾建军,舒嵘,王斌永.无人机大面阵CCD相机遥感系统[J].光电工程,2006,33(8):90-93.

[4]郑亮亮,张贵祥,金光.高速多光谱TDI CCD成像电路系统[J].中国光学,2013(6):939-944.

[5]胡君,王栋.空间光学遥感器的多光谱TDI CCD信号检测与生成[J].光学精密工程,2009,17(8):1810-1818.

[6]李爱玲,张伯珩,张健,等.多光谱CCD相机图像采集系统的设计[J].微计算机信息,2011,27(15):15-16.

[7]宁永慧,马天波,郭永飞.基于TDI CCD的成像FPGA系统软件设计与应用[J].现代电子技术,2011,34(2):167-169.

[8]武奕楠,吕增明,张宇,等.基于FPGA的多通道面阵CCD成像系统设计[J].光机电信息,2011,28(6):39-43.

[9]李红梅,陈敏聪,陈子瑜,等.线阵CCD数据获取方法研究与设计[J].电子测量技术,2008,31(6):124-126.

[10]刘蕾,江洁,张广军.基于CPLD的线阵CCD的驱动及数据采集[J].电子测量与仪器学报,2006,20(4):107-110.