本發(fā)明涉及一種用于高速飛行目標(biāo)觀測(cè)的相機(jī)觸發(fā)和圖像傳輸方法及裝置，尤其涉及一種高速相機(jī)精確觸發(fā)和高速圖像準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸方法和裝置。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，武器裝備也在不斷更新，武器裝備的更新就對(duì)相應(yīng)的武器裝備試驗(yàn)和觀測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。高速飛行目標(biāo)是一類(lèi)典型被觀測(cè)目標(biāo)，對(duì)其飛行狀態(tài)的觀測(cè)對(duì)于鑒定和評(píng)估目標(biāo)性能起著十分關(guān)鍵的作用，是目標(biāo)測(cè)量任務(wù)的核心內(nèi)容之一。高速圖像攝錄測(cè)量設(shè)備是一類(lèi)典型的高速飛行目標(biāo)觀測(cè)設(shè)備，我們需要其能夠?qū)崿F(xiàn)鑒定武器系統(tǒng)的射擊或制導(dǎo)精度、記錄遭遇實(shí)況、測(cè)量起爆時(shí)刻等具體任務(wù)。由于飛行目標(biāo)的高速性、機(jī)動(dòng)性以及觀測(cè)環(huán)境的惡劣等不利因素的制約，均要求高速圖像攝錄測(cè)量設(shè)備必須具備對(duì)快速飛行目標(biāo)典型飛行時(shí)刻的檢測(cè)能力。因此，研究實(shí)現(xiàn)高速相機(jī)精確觸發(fā)和高速圖像準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)，具有典型的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要從高速圖像觸發(fā)技術(shù)和傳輸技術(shù)兩個(gè)方面入手，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速飛行目標(biāo)關(guān)鍵圖像的攝錄與傳輸。

與常速攝像相比，高速攝像機(jī)所采集的數(shù)據(jù)量十分龐大，實(shí)時(shí)圖像壓縮率低。為降低高速圖像存儲(chǔ)難度，同時(shí)節(jié)約存儲(chǔ)成本和方便海量數(shù)據(jù)檢索，在無(wú)人值守環(huán)境下的精確自動(dòng)觸發(fā)是高速攝像首先必須考慮的問(wèn)題。常用的高速攝像自動(dòng)觸發(fā)方式包括圖像識(shí)別觸發(fā)和外界信息觸發(fā)，其中圖像識(shí)別觸發(fā)利用攝像機(jī)視場(chǎng)內(nèi)圖像發(fā)生變化的原理達(dá)到觸發(fā)目的，多適用于靜止場(chǎng)景發(fā)生突變時(shí)的情況。這種方式誤觸發(fā)率較高，不能滿足外部環(huán)境使用要求。常用的基于外界信息的觸發(fā)手段為雷達(dá)觸發(fā)、紅外觸發(fā)以及聲觸發(fā)等，其中聲觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)便，且可靠性較高。

本發(fā)明基于聲壓信號(hào)來(lái)對(duì)高速攝像機(jī)進(jìn)行觸發(fā)。聲壓觸發(fā)利用高速飛行目標(biāo)所產(chǎn)生的遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于背景環(huán)境噪聲的聲音壓強(qiáng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。聲壓觸發(fā)方法采用均方根值算法來(lái)消除環(huán)境噪聲和尖峰引起的誤觸發(fā)。均方根值算法通過(guò)計(jì)算一組數(shù)據(jù)的總聲壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，P_i為單次測(cè)量得到的聲壓，n為一組測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)目，于是其平均聲壓即為平均聲壓級(jí)為其中L_i＝20lg(P_i/P₀)為單次實(shí)測(cè)聲壓級(jí)，總聲壓級(jí)L＝20lgP＝L_a+20lgn。比較總聲壓級(jí)與事先預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)總聲壓級(jí)大于事先預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則認(rèn)為目標(biāo)到達(dá)，啟動(dòng)聲壓觸發(fā)信號(hào)，標(biāo)識(shí)觸發(fā)時(shí)間和對(duì)應(yīng)圖像，并將該觸發(fā)時(shí)間信息無(wú)線傳輸至遙控端，作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臅r(shí)間參考點(diǎn)，高速相機(jī)由循環(huán)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為順序存儲(chǔ)，由標(biāo)清圖像采集切換到高清圖像采集，并將采集的高速圖像由車(chē)載端無(wú)線傳輸?shù)竭b控端，當(dāng)總聲壓級(jí)小于事先預(yù)設(shè)閾值時(shí)，高速相機(jī)采用循環(huán)存儲(chǔ)和標(biāo)清圖像采集模式，采集的圖像只存儲(chǔ)于本地，不進(jìn)行無(wú)線傳輸。聲壓觸發(fā)方法中聲壓比較的事先設(shè)定閾值設(shè)為50dB，n一般取200。本發(fā)明循環(huán)存儲(chǔ)和順序存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)記錄示意圖如圖1所示。聲音觸發(fā)和存儲(chǔ)示意圖如圖2所示。

上述的聲觸發(fā)過(guò)程由聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括聲壓采集傳感器和信號(hào)均衡處理器兩部分。根據(jù)觀測(cè)需求，聲壓采集傳感器的最大響應(yīng)聲壓級(jí)不小于100dB；同時(shí)設(shè)計(jì)中還要考慮環(huán)境噪聲、雜波、尖峰脈沖對(duì)聲信號(hào)的影響，因此需利用信號(hào)均衡處理器完成聲壓級(jí)數(shù)據(jù)的平滑算法。信號(hào)均衡處理器對(duì)聲壓采集傳感器所采集的每一組測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算平均聲壓級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑，平均聲壓級(jí)的計(jì)算公式為其中L_i＝20lg(P_i/P₀)為單次實(shí)測(cè)聲壓級(jí)，n為一組測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)目，總聲壓級(jí)與平均聲壓的關(guān)系為L(zhǎng)＝20lgP＝L_a+20lgn。

聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)循環(huán)采集聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。為保證足夠的程序處理時(shí)間，實(shí)際工作中一般設(shè)定聲壓傳感器的采樣頻率為5KHz。聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)每n組數(shù)據(jù)計(jì)算一次總聲壓級(jí)，比較總聲壓級(jí)與事先預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)總聲壓級(jí)大于事先預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則認(rèn)為目標(biāo)到達(dá)，啟動(dòng)聲壓觸發(fā)信號(hào)，聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)標(biāo)識(shí)觸發(fā)時(shí)間和對(duì)應(yīng)圖像，并將該觸發(fā)時(shí)間信息傳輸至遙控端，作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臅r(shí)間參考點(diǎn)，高速相機(jī)由循環(huán)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為順序存儲(chǔ)，由標(biāo)清圖像采集切換到高清圖像采集，并將采集的高速圖像由車(chē)載端無(wú)線傳輸?shù)竭b控端，當(dāng)總聲壓級(jí)小于事先預(yù)設(shè)閾值時(shí)，高速相機(jī)采用循環(huán)存儲(chǔ)和標(biāo)清圖像采集模式，采集的圖像只存儲(chǔ)于本地，不進(jìn)行無(wú)線傳輸。聲壓觸發(fā)方法中聲壓比較的事先設(shè)定閾值設(shè)為50dB，為保證達(dá)到預(yù)定的測(cè)試精度，一組測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)目n一般取200。

常用高速相機(jī)均可設(shè)置前、中、后三種觸發(fā)方式，其中，中觸發(fā)方式的觸發(fā)控制可靠性相對(duì)高，且便于圖像檢索和快速回放。中觸發(fā)方式是指，事后根據(jù)錄取導(dǎo)彈速度，選取中觸發(fā)時(shí)刻前后一定數(shù)量的圖像輸出給遙控端進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)回放和查看。

待記錄過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)記錄觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)的方式對(duì)高速視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行快速檢索。具體做法是，視頻圖像數(shù)據(jù)以流文件格式存儲(chǔ)，定義數(shù)據(jù)流文件的名稱(chēng)采用當(dāng)前開(kāi)始采集的系統(tǒng)時(shí)間，有效避免了流文件采集時(shí)間的重名問(wèn)題，例如流文件為YYYY-MM-DD-HH-MM-SS(即年-月-日-時(shí)-分-秒)，文件后綴定義為dat。每個(gè)dat文件的前512字節(jié)為文件頭，存儲(chǔ)相關(guān)信息。幀圖像保存時(shí)，采集到的幀圖像緊隨文件頭，按照順序保存在dat文件中。通過(guò)這種方式，在每幀記錄圖像中標(biāo)明了時(shí)間標(biāo)記，便于圖像的快速檢索。檢索過(guò)程可以根據(jù)需要進(jìn)行跳躍式查找，從而節(jié)約帶寬，提高檢索圖像的傳輸效率。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明裝置作進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明，但不構(gòu)成對(duì)發(fā)明裝置的限制。

圖1是本發(fā)明循環(huán)存儲(chǔ)和順序存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)記錄示意圖；

圖2是聲音觸發(fā)和存儲(chǔ)示意圖；

圖3是存儲(chǔ)后的圖像文件時(shí)間序列；

圖4是用于高速飛行目標(biāo)觀測(cè)的相機(jī)觸發(fā)和圖像準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸裝置基本組成及信息流圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本裝置包括高速視頻記錄系統(tǒng)、聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)和無(wú)線圖像傳輸模塊三部分，其中，高速視頻記錄系統(tǒng)采用高速視頻相機(jī)和高速存儲(chǔ)裝置來(lái)構(gòu)建，聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)利用聲壓采集傳感器和信號(hào)均衡處理器來(lái)構(gòu)建。其中，聲壓采集傳感器的最大響應(yīng)聲壓級(jí)不小于100dB；聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)循環(huán)采集聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，為保證足夠的程序處理時(shí)間，實(shí)際工作中一般設(shè)定采樣頻率為5KHz；信號(hào)均衡處理器對(duì)聲壓采集傳感器所采集的每一組測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算平均聲壓級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑，平均聲壓級(jí)的計(jì)算公式為其中L_i＝20lg(P_i/P₀)為單次實(shí)測(cè)聲壓級(jí)，n為一組測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)目，總聲壓級(jí)與平均聲壓的關(guān)系為L(zhǎng)＝20lgP＝L_a+20lgn。聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)比較所采集聲信號(hào)的總聲壓級(jí)與事先預(yù)設(shè)閾值，當(dāng)總聲壓級(jí)大于事先預(yù)設(shè)閾值時(shí)，則認(rèn)為目標(biāo)到達(dá)，啟動(dòng)聲壓觸發(fā)信號(hào)，聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)標(biāo)識(shí)觸發(fā)時(shí)間和對(duì)應(yīng)圖像，并將該觸發(fā)時(shí)間信息無(wú)線傳輸至遙控端，作為準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臅r(shí)間參考點(diǎn)，高速相機(jī)由循環(huán)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換為順序存儲(chǔ)，由標(biāo)清圖像采集切換到高清圖像采集，并將采集的高速圖像通過(guò)無(wú)線圖像傳輸模塊由車(chē)載端傳輸?shù)竭b控端；在未檢測(cè)到超過(guò)閾值的聲音時(shí)，高速相機(jī)采用循環(huán)存儲(chǔ)和標(biāo)清圖像采集模式，采集的圖像只存儲(chǔ)于本地，不進(jìn)行無(wú)線傳輸。聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)中聲壓比較的事先設(shè)定閾值設(shè)為50dB。為保證達(dá)到預(yù)定的測(cè)試精度，聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)每200組數(shù)據(jù)計(jì)算一次總聲壓級(jí)，即n＝200。

根據(jù)目標(biāo)與聲傳感器的位置，確定目標(biāo)到達(dá)時(shí)刻。設(shè)目標(biāo)在距離聲傳感器位置D米處觸發(fā)聲壓信號(hào)，高速目標(biāo)到達(dá)該位置點(diǎn)的時(shí)刻為T(mén)1，聲音觸發(fā)時(shí)刻為T(mén)，則高速目標(biāo)到達(dá)時(shí)刻T1＝T-D/V，V為聲音傳播速度。為了獲得完整的目標(biāo)飛行信息，高速相機(jī)順序存儲(chǔ)的信號(hào)起點(diǎn)應(yīng)在聲音觸發(fā)時(shí)刻T前L1個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度，且L1應(yīng)滿足L1>D/V。確定順序存儲(chǔ)開(kāi)始時(shí)刻的工作示意圖如圖2所示。

從聲音觸發(fā)時(shí)刻T開(kāi)始，高速相機(jī)按照固定時(shí)間長(zhǎng)度L2進(jìn)行順序存儲(chǔ)，最后將觸發(fā)時(shí)刻前L1個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度和后L2個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度的圖像流寫(xiě)入高速存儲(chǔ)裝置中。存儲(chǔ)后的圖像文件序列如圖3所示。由圖3可知，為了獲取準(zhǔn)確的目標(biāo)到達(dá)時(shí)間點(diǎn)，需要已知目標(biāo)觸發(fā)點(diǎn)距離聲壓傳感器的距離，這里通過(guò)事先測(cè)量得到。

無(wú)線圖像傳輸模塊通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸：該模塊將高速存儲(chǔ)裝置所存儲(chǔ)的圖像，按照1/N的采樣率抽取，N＝2～10，對(duì)抽取后的圖像進(jìn)行H.264/H.265壓縮編碼并通過(guò)無(wú)線鏈路傳輸至遙控端接收處理系統(tǒng)。無(wú)線圖像傳輸模塊中抽取采樣率通過(guò)人為設(shè)置方式得到。

假設(shè)L1＝0.25秒，L2＝0.25秒，N＝2，則以聲觸發(fā)時(shí)刻T為中心，向前取0.25秒視頻，向后也取0.25秒視頻，高速存儲(chǔ)裝置共存儲(chǔ)0.5秒的圖像流，按照1000fps的采集速率，則得到500張圖像，并對(duì)其進(jìn)行1/2采樣抽取，得到250張圖片，并降分辨率采樣變?yōu)?12×512分辨率，則不壓縮情況下，其數(shù)據(jù)量為62.5MB，設(shè)對(duì)其按照H.264/H.265協(xié)議進(jìn)行壓縮，按照壓縮率為40％計(jì)算，則實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)量為25M，設(shè)傳輸帶寬為4Mbps/s，其信道利用率50％，則所需時(shí)間為(25×8)/(4×0.5)＝100秒。遙控端接收處理系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解壓縮，對(duì)視頻存儲(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)觸發(fā)信號(hào)到達(dá)時(shí)間進(jìn)行檢索，并采用跳躍式抽幀方式提高查找效率。

以某目標(biāo)飛行過(guò)程為例，聲觸發(fā)前高速相機(jī)獲取的圖像每10幀抽1幀，N＝10，并將原始1920×1080位圖圖像轉(zhuǎn)換為640×512的JPG格式圖像，可壓縮約100倍，則1s產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不足2Mbps，壓縮后的圖像傳輸至遙控端以滾屏方式顯示；若高速飛行目標(biāo)出現(xiàn)，聲壓信號(hào)達(dá)到閾值后觸發(fā)，立即記錄觸發(fā)時(shí)刻圖像，根據(jù)目標(biāo)飛行速度和視場(chǎng)角，其中約200幀圖像包含目標(biāo)有用信息，提前設(shè)定觸發(fā)前、后連續(xù)抽取圖像數(shù)目，之后將圖像轉(zhuǎn)換為基于H.264/H.265編碼的視頻，可將信息量壓縮200倍以上，最終編輯為25fps的約12MB的常速視頻圖像，經(jīng)無(wú)線圖像傳輸模塊傳輸至遙控端接收處理系統(tǒng)。經(jīng)準(zhǔn)確觸發(fā)和大幅度編碼壓縮，實(shí)現(xiàn)有用視頻的快速查詢(xún)和傳輸。

準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸是將包含目標(biāo)信息的若干幀高幀率圖像在聲信號(hào)觸發(fā)后以盡可能短的時(shí)間傳輸至遙控端。為了能夠快速的檢索目標(biāo)飛行核心視頻，定義數(shù)據(jù)流文件的名稱(chēng)采用當(dāng)前開(kāi)始采集的系統(tǒng)時(shí)間，有效避免了流文件采集時(shí)間的重名問(wèn)題，例如流文件為YYYY-MM-DD-HH-MM-SS(即年-月-日-時(shí)-分-秒)，文件后綴定義為dat。每個(gè)dat文件的前512字節(jié)為文件頭，存儲(chǔ)相關(guān)信息。幀圖像保存時(shí)，采集到的幀圖像緊隨文件頭，按照順序保存在dat文件中。聲信號(hào)觸發(fā)后，根據(jù)系統(tǒng)記錄的觸發(fā)時(shí)刻，在數(shù)據(jù)DAT文件中能夠快速定位需要傳輸?shù)囊曨l圖像。

用于高速飛行目標(biāo)觀測(cè)的相機(jī)觸發(fā)和圖像準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸裝置由高速視頻記錄系統(tǒng)、聲壓信號(hào)采集處理系統(tǒng)和無(wú)線圖像傳輸模塊三部分組成，其各部分之間的信號(hào)流及與遙控端關(guān)系如圖4所示。圖中虛線表示無(wú)線鏈路，實(shí)線表示有線鏈路。