基于剧情的双通道光电视频信号模拟器设计*

薛 松 曹宁生 沈宝成

(1.中国舰船研究院 北京 100192)(2.清华大学 北京 100084)



基于剧情的双通道光电视频信号模拟器设计*

薛 松1曹宁生1沈宝成2

(1.中国舰船研究院 北京 100192)(2.清华大学 北京 100084)

论文提出了基于剧情的双通道光电视频信号模拟器的组成结构与工作原理,分析了以黑板组件为基础的数据通信方法,设计了基于FPGA和光电编码器的双通道光电视频信号仿真卡,给出了光电仿真软件设计框架及三维视景仿真方法,验证了基于剧情的双通道光电视频信号模拟器的仿真效果。

剧情; 光电; 模拟器

Class Number TP391.4

1 引言

光电视频信号模拟器是舰船光电设备调试、在舰训练、故障诊断中的必要设备,除极少数光电一体设备配备了专用信号模拟器外,大量的光电信号、信息处理设备只配备简易的信息级数据模拟器,且功能有限,不能满足网络化、低成本、可复用、可灵活设置的使用需求。

基于剧情的双通道光电视频信号模拟器可将设定海区内的战场态势与交互信息作为剧情输入,通过三维视景仿真生成战场态势视频,可根据不同的任务需求对现场环境和目标交互关系进行逼真模拟,实现具有网络化、信息化、集成化特点的光电视频信号模拟器,可有效满足光电设备在调试、训练、故障诊断中对信号级光电视频模拟器的使用需求[1～2]。

2 模拟器功能与设计原理

2.1 模拟器功能

1) 剧情仿真:通过模拟舰船光电设备的战场环境与态势,提供典型的作战环境、目标想定、环境要素、作战事件等信息作为信息输入,通过不同的剧情设定,可在不同场景下舰船光电设备及其信息处理设备的工作性能,为其调试、在舰训练、故障诊断提供场景支撑。

2) 视景仿真:使用三维视景仿真方法对剧情仿真内容进行视景合成,并接收外部控制命令,集成典型光电设备的工作模式,可模拟光电设备在可见光、红外等工作模式下的凝视、搜索、跟踪、扫描、变焦等,能够实现预定战场环境下多批次目标的三维视景动态视频显示与控制。

3) 信号转换:对视景仿真视频按帧进行图像处理,并生成两路模拟视频信号,提供给光电信息处理设备使用。

2.2 模拟器组成与工作原理

双通道光电视频信号模拟器的架构如图1所示。其中,剧情仿真部件、导航信息仿真部件、环境信息仿真部件各自运行于单独的仿真计算机,通过黑板组件[3～4]与主板模块进行以太网通信,光电信息仿真控制软件运行于工控机主板模块,通过CPCI总线与光电信号仿真卡进行通信。在模拟器运行时,首先,剧情仿真部件、导航信息仿真部件、环境信息仿真部件各自载入仿真配置信息,将仿真战场环境、态势信息通过黑板组件进行以太网广播;光电视频仿真控制软件工作参数配置为某型光电设备;接收剧情数据(环境图像特征信息、目标图像特征信息、天气、海况参数)动态仿真光电目标及环境图像,并对上述信息进行信息融合,解算本舰与成像方位上目标的相对位置,匹配目标和环境图像,动态合成所指方向的图像,并调用VegaPrime视景仿真组件对视场与目标进行三维可视化仿真,将仿真生成的动态视频显示信息按照25帧/秒的速率进行时戳标记并保存,将保存的信息按照相应的场景进行图像处理(如生成红外图像、标识叠加等),将处理后的仿真场景进行界面显示,同时将信息融合数据、仿真图像信息、界面输入参数以视频帧为单位进行封装,通过CPCI总线的DMA方式传输给光电信号仿真卡;光电信号仿真卡将接收到的数据包解析为图像信息与控制信息,将图像信息缓存后送视频编码器1、视频编码器2进行信号输出。

图1 模拟器架构

2.3 模拟器仿真流程

按照视频连续显示的要求,基于剧情的双通道光电视频信号模拟器以25帧/秒的视频处理速度进行仿真,此处一帧图像的仿真与处理工作为一个仿真节拍,其仿真流程如图2所示。

图2 模拟器仿真流程

3 硬件设计

3.1 设计思路

双通道光电视频仿真卡的设计核心是强实时、高带宽、高精度设计;双通道光电信号仿真卡采使用FPGA进行板上系统的数据处理与接口控制,利用大容量动态存储器作为缓存模块,能够有效满足视频图像传输和处理过程中对硬件强实时与大带宽的要求;采用了高精度的基准时钟源,提供系统中各模块使用,能保证视频图像数据处理与传输时的精度与速度。

3.2 原理框图

图3为光电信号仿真卡的硬件原理框图;选用了Xilinx公司生产的Virtex-5 FPGA芯片作为主控芯片,同时采用两簇共四片容量为256MB的DDR2作为外部缓存,采用NXP公司的SAA7129H作为光电视频编码器,采用200MHz的外部时钟源提供系统基准时钟,采用PEX8111作为PCI桥接芯片。

图3 信号模拟卡原理框图

在系统上电后,FPGA进行寄存器初始化配置,并通过向主板模块申请中断操作,主板模块将仿真得到的视频图像数据帧以25帧/秒的速度发送给FPGA,FPGA根据解析得到的图像数据依据乒乓操作的原则以帧为单位在四片DDR2中进行缓存,并根据控制命令对其依次处理,将处理之后的图像数据写入到两路视频编码器中,实现视频信号的连续输出。

3.3 视频编码模块设计

视频编码芯片采用NXP公司生产的SAA7129H数字编码器,可进行I2C配置,支持主从模式,可将输出信号配置为PAL、NTSC等标准制式,具有高稳定性的特点。一路视频编码控制电路如图4所示,采用27MHz晶振作为其基准时钟,并通过I2C配置为从模式下的CVBS方式输出,输出格式为PAL制式,输出通过BNC接口,阻抗匹配设置为75Ω[4]。

图4 视频编码芯片电路原理图

4 软件设计

4.1 剧情仿真软件

剧情仿真[5～6]是本模拟器的核心组成部分,可模拟舰船光电设备的战场环境与态势,提供典型的作战环境、目标想定、环境要素、作战事件等,通过以太网黑板组件进行通信。

剧情模拟软件的主要功能有:完成剧情平台及其航迹设置,完成平台位置、速度、姿态信息的动态生成;按照仿真更新周期输出剧情平台的位置和姿态等信息。

剧情模拟软件由剧情生成部件和剧情输出部件构成,具有开始、暂停、停止、冻结等控制命令,可以按照软件仿真周期采集仿真平台的ID、平台类型、位置、速度和姿态等信息,适配转换为剧情真值目标信息格式,并打上时戳,在当前仿真周期输出。

剧情模拟软件功能模块间的信息流程如图5所示。

图5 剧情仿真部件运行流程图

4.2 黑板组件

黑板组件[7～8]是一种应用程序进行通信时的基础网络组件,使应用程序和具体通信接口之间实现了隔离,用户无需再去关心与接口相关的协议封装,只需要往逻辑上的共享黑板上写入编辑的数据,在此使用的是以太网黑板组件。以太网黑板组件可完成UDP(点对点、广播、组播)、TCP等以太网收发通信功能,可以通过参数设置选择通信方式。它提供报文读、写和报文到达事件函数接口,以动态库方式供应用程序选择使用,应用程序对黑板和协议动态库进行加载、初始化、卸载、接口查询等。

4.3 光电仿真控制软件

基于剧情的双通道光电视频信号模拟器使用了VegaPrime三维视景仿真软件[9～11]来生成动态三维视频。VegaPrime[8]是基于VSG(Vega Scene Graph——MPI)公司跨平台场景图形API、底层(OpenGL)、Lynx Prime GUI(用户图形界面)的三维视景仿真工具,让用户既可以用图形化的工具进行快速配置,又可以用底层场景图形API来进行应用特定功能的创建。

在视景仿真时,首先使用VegaPrime视景仿真软件生成仿真场景,并根据剧情载入地图信息、目标信息,按照时戳标记截取视频图像帧数据,并将数据打时戳;然后根据控制命令对每帧视频图像数据进行图像处理,灰度处理、彩色调节、角标叠加、缩放控制、目标跟踪、目标重置、目标凝视、旋转扫描等;最后将仿真和处理之后的视频图像数据进行界面显示,并按照界面中设定的工作模式、运动方式、缩放控制、跟踪控制等参数对图像进行显示控制。

视景仿真界面主控界面显示内容如下:

1) 显示各个探测器的视频及跟踪视频;

2) 显示目标的方位角、高低角、距离;

3) 实现对光电设备工作模式的控制模拟:可见光模式开关机控制、变焦控制、聚焦控制、透雾控制等;红外模式开关机、变焦、校正控制等;随动模式定位控制、自动扫描控制、手动搜索控制、跟踪控制等。

5 测试验证

通过工控计算机搭建双通道光电信号模拟器仿真平台,并将工控机与剧情仿真计算机、导航信息仿真计算机、环境信息仿真计算机通过以太网相连,分别设置并运行剧情仿真软件、导航信息仿真软件、环境信息仿真软件,在工控机主机运行光电仿真控制软件,选定工作模式为跟踪模式,跟踪目标1,可实现的主控界面以及电视通道、红外通道模拟视频信号输出如图6所示,从上述仿真效果可看出,光电视频信号模拟器可根据剧情设置将动态视频完整的生成模拟视频信号,实时模拟战场态势环境。

图6 仿真软件与双通道显示效果

6 结语

基于剧情的双通道光电视频信号模拟器可在剧情信息驱动下,通过黑板组件的数据交互,并经过一系列的信息处理与视景仿真,最终利用具备强实时高带宽特性的光电信号仿真板生成逼真的双通道光电视频信号,可模拟连续的电视/红外等光电设备视频信号,可广泛应用于舰船光电信息处理设备的调试、故障诊断及舰员训练任务。

[1] 戴哲,田颖,石岩.光电模拟器的设计及在半实物仿真实验中的应用[J].光电技术应用,2010,25(2):68-70.

[2] 李保中,韩邦杰,李艳晓.光电系统半实物仿真系统技术概述[J].电光与控制,2010,17(4):30-37.

[3] Xilinx. Xilinx Virtex-5 DataSheet. USA,2007:1-42.

[4] NXP. SAA7129H DataSheet. Netherlands,2000:1-9.

[5] 吕迎迎,张耀中,张安.基于stage平台的模型扩展方法[J].火力与指挥控制,2012,37(3):65-173.

[6] 万立德,陈家庆.Stage战术仿真软件的研究与扩展[J].电子对抗技术,2005,20(6):37-40.

[7] 王刚.用黑板式结构统一封装多种计算机通信接口[J].舰船电子工程,2009,29(9):38-41.

[8] 王刚,曹宁生.一种实时仿真系统黑板式网络架构[J].舰船电子工程,2007,27(4):148-150.

[9] 龚卓蓉,朱衡君.Vega程序设计[M].北京:国防工业出版社,2002:22-81.

[10] 徐理德,孙文涛.基于Vega光电对抗视景仿真的研究与实现[J].微计算机信息,2009,25(3-1):201-203.

[11] 白彬,李文生,王国民.基于Vega的光电制导武器电子对抗视景仿真技术[J].四川兵工学报,2013,34(5):35-37.

Design of Dual-channel Electro-optical Video Simulator Based on Plot

XUE Song1CAO Ningsheng1SHEN Baocheng2

(1. China Ship Research and Development Academe, Beijing 100192)(2. Tsinghua University, Beijing 100084)

The constitute structure and work principle of the simulator based on plot are proposed, the communication method based on the blackboard is analyzed, the dual-channel electro-optical video emulator based on the FPGA and electro-optical encoder are designed, the structure of electro-optical simulate software and the simulate method of the 3D video simulation are proposed, the simulating effect of the simulator is verified.

plot, electro-optical, simulator

2015年2月2日,

2015年3月28日

薛松,男,硕士,助理工程师,研究方向:信号与信息处理,内场仿真系统设计。曹宁生,男,研究员,研究方向:雷达与电子战总体设计,内场仿真总体设计。沈宝成,男,硕士研究生,研究方向:雷达信号处理。

TP391.4

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.042