一种双路水下电视的关键技术

张 辉 ，黄明辉 ，李洪佳 ，顾荣鑫

（1.91366部队，天津 300042；2.中国船舶重工集团公司七五O试验场，云南 昆明 650051；3.中国人民解放军海司航保部，天津 300042）

一种双路水下电视的关键技术

张 辉1，黄明辉2，李洪佳2，顾荣鑫3

（1.91366部队，天津 300042；2.中国船舶重工集团公司七五O试验场，云南 昆明 650051；3.中国人民解放军海司航保部，天津 300042）

介绍了一种新型双路水下电视的双路视频干扰排除、双路视频数字记录、双路音视频录制、双路摄像机控制及数据采集实现、双路音视频双绞线远距离传输等技术，为同类产品的研发和海洋工程中的水下作业提供技术借鉴。

海洋工程设备；水下作业；水下电视

水下电视在水下作业和海洋工程领域得到了广泛应用。经过多年发展，水下电视不断采用新技术，从最早的同轴线水下电视到双绞线水下电视[1]；从键盘输入英文字符叠加、硬盘数字录像到汉字键盘输入叠加；从普通水下电视到浑浊水下电视；从一般水下摄像机到阵列式水下摄像机、高速水下摄像机、云台水下摄像机、大深度深海水下摄像机等，水下电视已经历了五代的发展，当前已成为海洋工程和水下作业的必备装备。

随着技术进步和国家海洋开发步伐的加快，海洋工程的规模不断加大，水下作业的精度和难度也在不断提高，对于水下电视的技术要求也提高到了更高的水平。为了适应海军、公安、水利、交通、海上石油等用户的需要，我们在继承传统水下电视成熟技术的基础上，通过理论研究和试验验证，对水下电视的水下摄录方式、音视频信号的远距离传输和记录、双路信号的处理等关键技术进行了深入的研究和改进，集合了多项专利和新技术，研发成功了新型双路视频水下电视。该型产品还可以根据不同的用户需求，合理调整配置，能适应各种使用环境下完成水下观测任务。

双路水下电视设计为双通道同时工作，可供两名潜水员同时协调作业，具备数字硬盘录像，两路电视及音频同时单独记录、两路潜水电话、两路调光水下辅助照明、屏上中英文输入等功能，将能大大提高水下作业的效率和安全性。该型水下电视采用新型数字硬盘记录技术，并通过集成信号处理，对两路视频信号进行信号发送、接收、放大、叠加中英文字幕处理，具备两路潜水电话通讯，视频信号与音频信号最终以数字的形式记录在硬盘中以供后处理。

1 系统功能及工作原理

1.1 系统功能及组成

系统功能如下：

（1）两路水下摄像视频信号处理；

（2）时间/日期、GPS信息字幕叠加。主机录像及显示时，可同时叠加显示时间/日期、GPS位置信息，并可在视频回放时同步回放显示；

（3）屏上中英文字符输入。主机具备通过键盘输入中英文信息功能，并显示在主屏幕上，随录像一同记录，该功能实现常用汉字、大小写英文字母、数字、常见符号、特殊符号的输入识别，视频叠加显示；

（4）数字硬盘录像/回放。该功能将模拟音视频信号转换成数字音视频信号，并编码压缩打包成媒体文件，记录存储在硬盘上，媒体文件能通过主机本身或者通用计算机进行播放；

（5）两路摄像机深度测量显示。主机能同时获取两路水下摄像机的深度数据，并实时显示在主屏幕上，随视频记录在录像中，记录摄像机的实时工作深度；

（6）两路潜水电话。两名潜水员同时作业时，能提供主机与两名潜水员的实时语音通讯，以及潜水员之间的语音通讯，兼容国内及国外各型潜水头盔；

（7）音/视频输出、音/视频输入。主机提供模拟音视频输出功能，可使用外部的视频设备进行显示或录像，同时外部的音视频能输入到主机，录制到硬盘中；

（8）浑浊水下摄像。配置手持式水下摄像机具有浑水近距离观测功能，配置清水箱专用水下摄像机具有能见度极低水下环境中进行观测的功能；

（9）LED水下辅助照明/灯光连续调整。水下摄像机的水下辅助照明全部使用大功率高亮度LED灯来完成，并具备连续调光功能。

系统组成如图1所示。

水面主机由数字硬盘录像机、视频信号处理电路、调光电路、潜水电话电路、电源、液晶显示器、防水机箱等组成；水下摄像机由水密壳体、水密接插件、摄像机芯、信号采集电路、深度传感器、电源、水下光源（含驱动电路）组成；水下电缆由水面过渡缆、电滑环、缆车、水下电缆、水密接插件、水下连接器组成。

1.2 系统工作原理

双频水下电视的工作由水面主机、水下电缆、一台或任意两台水下摄像机共同完成。水面主机通过水下电缆为水下摄像机/水下灯提供电源，水下摄像机将拍摄到的图像经过信号采集电路转换成平衡共模差分视频信号，并进行放大增强，以适合长距离传输，经过水下电缆传输到水面主机后，由视频信号处理电路将平衡共模差分视频信号转换成单端视频，并进行信号放大补偿，以消除信号经长距离传输所引起的信号衰减，然后进行视频字符叠加处理，在两路视频信号上叠加上各自的深度数据，以及通过PC键盘输入的字符，两路视频信号处理完后输出至数字硬盘录像机，录像机同时对两路视频信号进行采集，模数转换，编码压缩打包，存储；水面主机视频信号处理电路以RS485数字信号形式同时向两台水下摄像机发出深度请求命令或者摄像机控制命令，水下摄像机信号采集电路收到水面主机发出的命令后，分析识别命令类别，若是深度请求命令，则立即从深度传感器采集深度数据，经处理后以RS485数字信号形式通过水下电缆返回给水面主机，若是摄像机控制命令，则执行主机对水下摄像机的聚焦、变倍、深度校正等命令；潜水电话电路根据用户在水面主机面板的接线定义可实现两路潜水电话的全双工或者半双工通信，当全双工工作时，两名潜水员以及水面主机操作员之间都能实时无限制的语音通信，当半双工工作时，两名潜水员的电话语音能实时地传回水面主机，水面主机与潜水员通信时需要PTT按键控制，潜水员之间的电话通信需要水面主机操作员通过按键调控，不管是使用哪种工作方式，潜水电话获得的音频信号经过处理后都会输出给数字硬盘录像机，并采集编码合并入视频信号一同记录。

2 双路水下电视的关键技术

2.1 数字硬盘水下录像机[2]

在研制任务中，首要解决的问题是数字硬盘录像机的技术实现，数字硬盘录像机要求两路音视频输入，输出一路模拟音视频，同时实现数字硬盘录像。录像系统由CPU内核、视频解码芯片、视频编码芯片、SDRAM、HDD硬盘、音频编解码芯片、USB2.0控制芯片、串口收发器等组成，系统原理框图如图4所示。录像系统处理单路音视频原理如图5所示。

数字硬盘录像机采用ARM9作为核心CPU，处理频率高达400 MHz，以此构建Linux处理系统，外围搭载高速音视频解码、编码芯片，支持FAT32格式的HDD管理系统；USB 2.0 Host接口允许移动存储，键盘，鼠标等人体输入设备的接入；系统录像驱动程序支持H264视频压缩，视频最大分辨率为D1（720x576 PAL），支持 mp3音频压缩，音频质量为 16 kb/s；支持图像亮度、对比度、饱和度、色度调整；支持大容量SD卡及热插拔；支持软件OSD字符叠加；文件格式支持第三方播放器，可将录像文件转移到其他PC上使用暴风影音、VLC、Media Player等播放器播放；使用串口可连接云台、GPS等外围设备；系统使用图形界面，方便管理、升级录像机。

2.2 水下摄像机技术综合解决方法

水下摄像机均采用数字化控制技术，水面主机与摄像机的通信都是以数字信号的形式进行，故水下摄像机内部加入数字MCU芯片来实现这一功能，引入MCU使得水下摄像机具备更多的功能，通过MCU的高级语言软件编程，众多技术难题迎刃而解，主要实现的功能有：控制命令以及深度数据数字信号实时传输，以往的摄像机使用模拟信号传输，可靠性低，深度数据精确度差；在程序中采用通信校验技术，确保数据传输可靠，误码率低；系统引入RS485总线通信技术[3]，使得主机能同时控制多台摄像机，总线采用多机通信，主从应答通信，地址广播通信机制，这些技术确保多设备之间通信可靠，总线无冲突；MCU在采集深度数据方面，采用了过采样技术，软件滤波技术以及软件线性补偿技术，使得深度数据更加平稳，无跳跃，线性达到3‰深度测量精度要求，使得摄像机之间的深度个体差异减少到最低，深度测量的一致性达到标准；MCU编程采用模块优化汇编设计，程序结构合理，易于移植、扩展，使用高级中断管理系统，降低了系统资源的消耗，以及能耗，使得MCU芯片充分发挥处理优势；摄像机整体进行了线路优化，电源接地连续性得到重视，信号地与电源地之间以及模拟地与数字地之间明确分开处理，摄像机壳体绝缘处理，杜绝壳体因电位差异产生的电解腐蚀，降低了数字信号、模拟信号及电源三者之间的干扰，提高了信号质量。

2.3 屏上中英文OSD实现方法[4]

操作者通过PC键盘输入字符，主机MCU经识别，获得相应的字符ASCII码，若是处于英文输入状态，将所输入的字符ASCII码转换成OSD显示芯片的显示码，送至OSD芯片，从字库中读取相应的字符点阵数据，OSD芯片根据视频信号的场同步信号及行同步信号，将字符点阵数据叠加到视频信号的指定行及每一帧上；若处于汉字输入状态，则MCU在屏幕上叠加显示出操作员输入的拼音字符，当拼音正确时，主机MCU程序将会判断所输入的拼音声母以及韵母，得出该拼音所处在的拼音区域，算出拼音区位码地址范围，再根据区位码地址算出对应汉字的机内码范围，根据机内码指引汉字库中对应的汉字地址，最终将字库中对应的汉字点阵数据读出，同步叠加显示在屏幕上，形成拼音汉字选择列表，汉字列表由数字序号标注，操作者通过数字键选择所需的汉字，最终将所选择的汉字显示在指定的位置；同时处于汉字输入状态时，主机MCU程序具有智能判断输入功能，当操作者输入数字、标点符号、空格时，MCU程序自动筛选过滤，将这些字符归类为英文输入字符。

2.4 大功率LED驱动实现

LED灯采用直流降压型驱动方式[5]，驱动电路由PWM大功率DC/DC控制芯片，大功率储能元件等组成，PWM控制器提供高频开关信号，控制大功率开关元件进行开关动作，当开关元件接通时，电路对储能元件进行充电，控制器检测到储能元件充电达到饱和时，控制开关元件关闭，当开关元件关闭，储能元件对LED回路放电，驱动LED发光。同时PWM控制器实时检测开关回路的电流信息，并根据反馈电流信号控制开关频率及占空比，从而实现电路恒功率驱动LED，使得LED的发光功率不随电源输入电压的波动而波动，满足LED恒功率驱动要求。

LED的调光是通过外部给PWM控制器输入不同占空比的PWM信号实现控制LED的点亮时间，进而实现控制LED灯的总功率，而且实际上LED的瞬时功率是恒定的，这样既满足LED的恒功率驱动要求，又可以实现调光。

LED芯片散热铝基片紧贴安装在水下灯筒体内部，并使用高效导热处理，使得LED的热量迅速扩散到筒体之外，LED保持正常温度，有效保护LED。驱动电路主要的发热器件也采用同样方法处理，因此整个水下灯的热性能达到最佳，有效延长LED使用寿命。

3 结论

新型双路水下电视系统采用硬盘录像机技术，实现了控制、显示、记录、回放一体化，简化了系统操作，减少了系统作业时设备的数量，缩减了系统及其单台设备的体积。为水下摄像机增设液晶取景器，使得操作人员在水下拍摄更为方便。水下照明灯使用高亮度LED，提高了工作可靠性和使用寿命；实现了两路水下电视功能，可满足两名潜水员同时协调作业，能提供实时作业录像资料，大大提高了水下作业的效率和安全性。

[1]杨磊，李锋，等.闭路电视监控系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]徐诚，高莹婷，等.Linux环境C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]范逸之.Visual Basic与分布式监控系统——RS-232/485串行通信[M].北京：清华大学出版社，2002.

[4]戴佳.戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.

[5]周志敏，周纪海，等.LED驱动电路设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2006.

Key Technique of Double-circuit Underwater Video

ZHANG Hui1,HUANG Ming-hui2,LI Hong-jia2,GU Rong-xin3
(1.91366 Troops,Tianjin 300042,China;2.750 Test Site,CSIC,Kunming Yunnan 650051,China;3.The Navigation Guarntee Department of the Chinese Navy Headquarters,Tianjin 300042,China)

A new kind of double-circuit(DC)underwater video was introduced,whose key technique includes DC video-frequency(VF)disturbance removing,DC VF digital recording,DC camera console and data collection,audio and video remote transfer with double cable.The underwater video can support the other device’s research and give a reference for marine engineering equipments.

marine engineering equipment;underwater operation;underwater video

P715.5

B

1003-2029（2013）01-0036-04

2012-07-10

张辉（1971-），男,硕士，主要研究方向为海上防险救生。