（信号与信息处理专业论文）zzco1光学侦察车系统软件的研制.pdf

电 子 塑丝全巫丝连一一一一一 a b s t r a c t b a t t l e f i e l d a r mo r e d r e c o n n a i s s a n c e t a n k s y s t e m , i s a n i n f o r m a t i o n r e c o n n a i s s a n c e z z c 0 3履带式装甲 侦察情报处理车系统 ( 以 下简称情报处理车) 也已研 制完成， 进人系统测试阶段。 整个系统将很快装备部队， 它将是我国数字化装 甲 部队的重要侦察和信息获取手段， 是对未来战争高技术要求的积极响应。 我的硕士生期间的 研究课题有幸对 z z c o l 光学侦察车的系统软件进行了升 级工作，为第三代光学侦察车的研制尽一份菲薄之力。 经过重新改进研制的光 学侦察车现在已经交军方使用。 论文所涉及的问题和完成的工作 战场装甲侦察系统是一个复杂的系统工程， 它的设计开发涉及到多个领域、 多个学科的有机结合，多家研发单位的协调有序的工作。参加研发的单位除电 子科技大学图像传输和处理教研室从事系统软件研发外，还有国内数家车辆、 雷达、光学和g p s 的重点科研院校和工厂。 战场装甲侦察系统的研制，从 1 9 9 0 年开始，至今已有十个春秋了。光学侦 察车系统也经过了从最初的 d o s单任务黑白系统和彩色系统到现在的 wind o ws多任务版本的三代变迁。 作者在此工作中的主要贡献是: 1 . 完成了 我国 第三代光 学侦察车系 统软件的研制。 该侦察车已 于2 0 0 0 年1 0 月通过总参组织的评审鉴定， 并已投人批量生产， 交军方使用; 2 . 基于j p e g和小波压缩的两 套图像采集卡的二次开发; 3 . o r a c l e 数据库的应用开发; 4 .并行多串口 通信的应用开发; 5 . 序列图像压缩技术的研究， m p e g压缩方式的实现， 提出了 一种改进的 运动补偿搜索算法。 电子科技大学硕士论文 论文将在各章分别涉及上述问 题的 讨论。 第一章介绍整个战场装甲侦察系 统的组成和电气系统性能指标。 第二章介绍 wi n d o ws 平台下光学侦察车系统 软件的设计和组成结构。 第三章讨论侦察车系统软件的关键技术，包括图像采 集卡二次开发、静态图像压缩、o r a c l e数据库应用开发、 并行多串口 通信和 v c的多线程编程。第四章讨论对本系统改进的研究，主要是序列图像的压缩 技术。 电子科技大学硕 卜 论义 第一章战场装甲侦察系统 1 . 1 任务背景和需求 根据总参、装甲兵部预研局和装甲兵装备技术研究所的要求，为提高代军 装甲部队在未来战争中积极主动的掌握战场情报信息的能力， 完成c i 指抨系 统，国内几个研究所、工厂和大专院校从 9 0年代初开始了 我国装甲乓部队的数 字指挥系统的研制。 1 . 2 战场装甲 侦察系统总体介绍 我军装甲机械化部队坦克师的战场装甲侦察系统由两级组成:侦察情报网和 指挥网，如图 1 - 1 所示: 1 1 型车 侦察分队 指挥网 图1 - 1战场装甲侦察系 统 在情报侦察网中，师团一级前端配备三辆通用型 ( i型) 光学侦察车和两辆 雷达型 ( i i型) 雷达侦察车， 构成一个侦察分队，而后端设计一辆履带式装甲 侦察情报处理车， 作为侦察分队的 指挥车 光学侦察车利用电 视摄像机、 红外 摄像机、无人驾驶侦察机等对前沿战场情报进行收集存储经过压缩、纠错编 码后，传送给后方情报处理车进行进一步的数据加工处理它足前洽战场的上 要侦察手 段:而雷达侦察车则辅助用于隐蔽目 标侦察及夜晚、大雾天气等下 利 于光学侦察的条件下_ 作。每辆装甲侦察情报处理车 将负责接收和处理来自 几 辆光学侦察车和两辆甫达侦察车共五个 传感(ivt ”的 标情报，井给前沿的各 电子科技大学硕士论文 侦察车发送上级的命令和指示信息。 指挥网 则由 装甲侦察 情报处理车和后方 指 挥系统来构成，由装甲侦察情报处理车给后方指挥系统发送分组整理后的侦察 目 标情报，接收指挥系统的命令指示。 在这个情报信息网络中， 通信方式以 无线通信为主、有线通信为辅，并要 求具有运动中通信的功能。在敌我双方对阵之际， 通常后方指挥系统距敌前沿 侦察车有 4 0 - 6 0公里的 距离， 两者难以 直接通信。 并且前方收集的 情报错综复 杂，如果所有侦察车的信息直接发往指挥系统，则该系统负担过重。因此，在 两者之间引人情报处理车组成一级情报处理， 完成对侦察情报的传输中继和预 处理， 并作为侦察分队的指挥车 战场情况下很多不可预知的因素，如果某一方向的装甲侦察情报处理车被 毁或损坏时， 该分支就可能瘫痪。为了提高系统的冗余度，增强抗毁性，在实 际应用中可由邻近的其它情报处理车代行其职能;当 后方指挥系统被毁时， 情 报处理车也能部分替代其职能。 此外，采用两级情报处理结构降低了情报处理的复杂性， 缓解了师情报中 心的情报处理压力，单级处理速度加快，总的情报处理速度能够满足要求，从 而提高了 侦察情报的时效性。 因此，采用两级的侦察结构，可以有效地提高坦克师战场装甲侦察系统对 战场信息的反应能力、 处理能力和快速传递能力。 装甲侦察情报处理车和装甲 侦察车相结合，可以形成完整的具有快速反应能力的侦察体系，以达到最佳的 战场效能，满足部队作战和训练的需要。 1 . 3侦察系 统中电 气系 统的 组 成 按总师设计要求，战场装甲侦察车系统分为电气分系统、车辆分系统、光 学分系统、 雷达分系统、 g p s 定位分系统和无人驾驶侦察机分系统。各分系统由 国内相关单位进行研制。 电气分系统的核心是系统软件，同时它又是整个系统的核心。因为除车辆 分系统较独立外，其他分系统均与电气分系统紧密相关，电气分系统协调各分 系统工作，共同完成情报侦察任务 我们的工作集中在系统软件的研发，是侦察车系统各个设备的控制中心和 情报信息的管理中 心。 电子科技大学硕上论文 各个分系统在硬件选择时， 原则上均采用 9 0 年代以 来国产最新军川定型产 品，国内目 前无法提供的军用设备，则采用合适的国外进口产品或国内的民用 产品，但要求进行严格的后天加固和电磁兼容测试，以保证系统能在较恶劣的 环境中正常工作。 下面分别介绍装甲 情报侦察系统各侦察车和处理车的电气设备 组成情况。 1 . 4 光学侦 察车电 气系 统 设备 组 成 光学侦察车系统是一个多功能的图像采集、 传输与处理系统，其核心是车 载加固计算机。它控制整个光学侦察车系统情报的采集、压缩、存储和传输， 并控制各种外围设备协调工作。与之相连的外围设备有图像采集系统 包括摄 像机、热像仪、 无人飞行器、激光测距仪、微波接收发射机和录像机) 、 通信系 统 ( 军用电台和军用传真机) 、全球定位系统( g p s / g l o n a s s组合定位) ，系统软 件内部的模块划分为图像采集、电子地图、数据库管理和无线通信。 由摄像机、热像仪和无人飞行器来的视频信号可直接通过微波发射机向后 方情报处理车发送，同时也可由录像机进行录像保存。 由激光测距仪获取采集情报的坐标和距离信息， 通知系 统采集图像 车载无线电台是具有调频及压扩数传功能的先进电台，可以传送模拟的活 音信号，也可以传送数字信号进行数据通信。 传真机用于在侦察车与侦察车之间或侦察车与情报处理车之间传送传真数 据文件。 整个系统支撑环境如图1 - 2 所示。 图1 - 2光学侦察车设备组成示意图 电子科技大学硕士论文 1 . 5 雷达侦 察车电 气系 统设 备组 成 雷达侦察车采用国产的地面活动目 标侦 察、校射雷达 l l p 3 3 型雷达， 进行探测和跟踪目 标，其作战任务是在进攻和防御作战中，侦察敌方的活动目 标，如人员、装甲和机动车辆、 低空飞机等。可侦察和跟踪 2 5 k m距离的车辆 和 l o k m距离的单兵。图 1 - 3示出雷达侦察车的系统组成，雷达系统提供给主 机以目 标的坐标参数、目 标属性等信息。最后，由电台数字通道向后方传输。 雷达系统与主机之间由r s 4 2 2口连接， 该串口允许最大以每秒 l o mb 的波 特率传输信息。 _ p c 显不 器 p c主机电台 图1 - 3 雷达侦察车设备组成示意图 1 . 情报处理车电 气系统的组 成 按照战场装甲侦察系统的总体设计要求， 情报处理车是整个侦察系统的情 报一级处理中心和传输枢纽，具有较复杂的信息处理和传输能力。同时， 它还 可以主动完成情报采集，实现二次采集功能。 情报处理车是这样一个核心:是 数据接收的中心，是数据分组归类的整理中心，是承上启下的信息情报转发中 心，也是前沿侦察车的指挥中心。 它在整个战场装甲侦察系统中起着重要的作 用。 处理车系统分为三个部分: 情报接收分系统、 情报处理分系统和情报发送 分系 统。 三台军用计算机作为处理工作站， 通过集线器连接组成w i n d o w s n t 局域网。 情报发送工作站兼做网络服务器，系统软件通过运行o r a c l e数据库 管理系统将各主机有机地联系在一 起。其中整个系统设备组成如图1 - 4 所; l 情报处理车通过微波接收机和电台接收前沿光学侦察车和雷达侦察车传送 回 来的 情报信息、 友邻部队 传送的 情报信息 ( 包括: 活动 视频信号， 数字图像， 文本文件，传真文件和语音通信) ，同时又通过电台向前沿侦察乍 辆下达作战指 令，传送数据参数大u的前沿侦察情报信息经过两级处理，t y 电子地图 诌 电子科技大学硕士论文 合，形成战场态势图 图 1 - 4 装甲侦察情报处理车设备组成示 光学侦察车系统、雷达侦察车系统和情报处理车系统都是在多信息源、多 处理方式的环境下工作的，系统软件必须设计为一个多任务，多进程的处理系 统。 互 1 .7国 际同 类武器发展现 状及趋势 信息优势是新军事革命的 核心和支柱， 在未来战争中 能否在以 接近实时的 速度收集、处理和应用大量的信息，将是能否获得战争优势的关键目 前， 我 国 军队 信息 化建设相对 滞后， 情报收集处理手段低效， 现 代化技术应用较少。 所谓 “ 知己知彼，百战不殆” ，我们应对外军发展现状和发展趋势有充分 的了解。从海湾战争和科索沃战争中可以看到，西方军事强国的信息化程度已 经相当高了，他们仍然把加强军队信息化建设作为当前军队发展的重点。例如 美军，为谋求军队的信息优势，将采取的措施有: 进一步加强信息化建设的领 导与协调:组建网络战联合特遣部队:加强对信息战人才的培养 进一步明确 空间作为战略制高点和信息优势基础的地位，积极开发空间战武器系统。美陆 军将将积极建设数字化部队， 计划在2 0 0 0 年建成1 个数字 化师的基础上， 2 0 0 4 年建成几个数字化军。 情报处理能力是数字化部队战斗力重要标志之一，世界各军事强国都在致 力于研制新一代情报处理设备， 使其向 着自 动化程度高、 信息传输速度快、信 息量大、目 标识别能力强和高可靠 性方向发展，主要趋势是以下儿个方面: ( ! ) 研制和发展数字化、 抗干扰性强的通信设备，大量使用微处理机， 提.佰 通信设备的自动化和实时性 电子科技大学硕士论文 z )广泛采用高分辨率、 智能化的电子地图系统; ( 3)提高情报信息的可视、可听度， 增加成像和直观感; ( 4) 开发先进的数据处理技术，提高对各种情报信息的综合处理能力 ( 5 ) 情报处理设备向智能化、 积木化、 模块化、系列化方向发展 电子科技大学硕士论文 第二章光学侦察车系统 通用型光学侦察车系统是 “ 八. 五” 装甲兵部重点预研项目，其主要任务是 战场实时侦察，具有数据、语音、图像的传输和处理功能。侦察手段来源于微 波传送的实时电视图像，是一种主动/ 被动的多功能、多手段的侦察系 统 系统研制分为三个阶段: 1 ) 1 9 9 0 年一1 9 9 4 年， 基于d o s 平台的黑白侦 察系 统设 计及定型 2 ) 1 9 9 5 年一1 9 9 8 年， 基于d o s平台的 彩色侦 察系统设计及定型， 并 投人 生产和使用; 3 ) 1 9 9 9 年一 2 0 0 0年， 基于w ind o w s平台的 彩色侦察系 统设 计及定型， 并投人生产和使用; 2 . 1 基于d o s 的黑白 侦察系 统 1 ) 系统指标 1 9 9 0年开始的第一代产品的 研究，由于当时设备和器件的限制，系统性能 指标较低。功能简单。 其主要指标为: 1 )中 央 计 算机 选用意大 利o l v e t t i m 3 0 0 0 ( 3 8 6 s x ) , 2 )通过电视系统通道，传送一路实时活动电视信号和伴音: 3 )使用黑白图像采集卡， 采集的图像上可以加注目 标属性; 4 )采集图像可以由电台和电视通道同时传送; 5 )系统可以传送传真机的文件内容; 6 )系统可以接收全球定位系统 ( g p s ) 的定时坐标报告以确定车体的当前 位置和运动轨迹; 7 )系统可以接收无人飞 行器发回的电视信号; 8 )系统输出信号可以录像、 存人硬盘或显示; 9 )系统输出信号可以经中间站或无人飞行器进行中继 1 0 ) 输出 信号便于加密， 并有较高的 抗干扰能力; 环境条件: 1 )系统工作温度一 4 3 0c - 5 5 0c ; 2 )系 统冲 击 1 5 g ; 3 ) 系统设计及工艺满足g j b国军标; k 电子科技大学硕士论文 4 )系统满足e m c电磁兼容要求; 图2 - 1 原始方案系统配置 3 ) 方案的不足 1 )系统中存在大量的数据需要进行高速处理，而 8 0 3 8 6系 列计算机的运算 速度和存储容量不能满足要求。 2 )前端摄像头和后端显示设备都是彩色的，仅采集部分采用的是黑白采集 卡，因而限制了整个系统工作在黑白 方式下。 这就造成信息通道上的瓶 颈，丢掉了由色彩所表示的大量图像信息，影响观察质量，特别不利于 对伪装目 标的识别。 3 ) 显式设备采用图像监视器，它工作在隔行扫描方式下， 当同时显示字符和 图像时，不可避免地存在字符闪烁问题， 影响操作员的长时间观察:系 统菜单阻挡了活动视频，可能掩盖重要目 标。同时也使整个系 统的用户 界面不友好、 操作不方便。 4 ) 采集的图 像情报缺乏有效的 管理方法， 难以 使用各种 情报信息。 2 . 2 基于d o s 的 彩色侦察系统 针对上述不足之处，结合后来技术发展的实际情况，1 9 9 5年1 9 9 8仃 光学侦察车进行了以下改进， 完成了 第一次升级换代。 1 ) 选用更高性能的计算机，提高整个侦察系统的战术指标因为战场的特 殊环境，在主机的选择上还要考虑系统有一定的防尘、 防震、 高低洲性能 和便于加固等，因此选择5 8 6 系列军用计算机 电子科技大学硕士论文 2 ) 随着多媒体技术的长 足发展，出现了 许多先 进的多 媒体设备.1 囚此系 统 选用高分辨率彩色图像采集卡，打破原有瓶颈， 使整个系统工作在彩色方式 下 3 ) 所选用的彩色图像采集卡 c a 6 3 0 。可设置逐行/ 隔行两种输出方式，可以 把活动视频信号和系统菜单叠加在计算机 c r ?上一起显示输出，替代了隔 行扫描的图像监视器，从而消除字符闪烁:重新设计系统菜单，采用半透 明层和隐藏的方式来实现最大化的侦察图像观察，使整个系统界面更加友 好 4 )文件系统采用链表方式， 实现采集图像情报的有效存储和管理。同时， 引人电子地图技术， 将采集情报在电子地图上进行直观的显示，结合周围 的地理位置、地形地貌和上级指示命令等，可形成战场态势， 特别是以电 子地图为索引的数据库建立， 更加便于操作员的数据检索。 2 . 3基于w i n d o w s 的 彩色 侦 察系 统 经过上述改进，第二代光学侦察车系统的性能指标大幅度提高， 适应了当 时的实用要求。但是随着计算机技术的进一步发展， 特别是 w i n d o w s 9 5推出后 风靡全球，为应用程序提供了资源丰富、 性能卓越的开发环境 对于光学侦察车系统，其战场使用的要求也越来越高。为了有效提高装甲 侦察系统对战场信息的反应能力、处理能力和快速传递能力。使装甲 侦察情报 处理车和装甲侦察车相结合， 形成完整的 具有 快速反应能力的侦察体系， 达到 最佳的战场效能。另外，出于对系统稳定性和安全性的考虑，以及使用 。 r a c l e 数据库和电子地图对系统的要求， 我们选用了 w i n d o w s n t 4 . 。作为新一代侦察 车系统软件的操作系统。 2 . 3 . 1 转向w i n d o w s 的原因 对于侦察车系统，使用d o s 和w i n d o w s 的优劣十分明显: 1 ) d o s中，内 存资源十 分有限， 应 用程序 要突破 6 4 0 k b的限制需要 进行复 杂的 扩展内存编程: 而 在w i n d o w s 中， 可以支 持高 达4 g 的内 存， 而且 编程简单， 容易实现 2 ) d o s作为单用户、非网络、 实模式、 非多任务的操作系 统，在某一 时 刻，只能运行一个应用程序， 独占整个系统资源， 包括硬盘、端门、 屏幕、 键 电子科挂人学硕士论文 盘、 打印机和其它资源。 新一代侦察车系统应该是一个多任务的应用程序， 单 纯的顺序执行方式已经不能满足要求，多 线程是理想的解决方案。 w i n 3 2是一 个多 线程和抢先型多任务操作系 统， 支持多 线程程序设 计。 3 ) w i n d o w s 内 存管理器、 调度器和 进程管理器都是3 2 位的， 能够充分利用 奔腾机的优越性能。 4 ) d o s系统中 存在视频和菜单的遮挡现象，在 w i n d o w s中这个问题迎刃而 解， 使用标准的 w i n d o w s界面， 和 情报处理车界面统一。 人机界面 友好，色彩 丰富，电子地图 具有更强的表现力。而且操作简便， 不需专门学习。 5 ) w i n d o w s编程， 具有丰 富的类库资源， 对于降低开发难度， 提高开 发效 率十分有利。 并且，使用标准的w i n d o w s 程序设计， 便于将来的维护和升级 6 ) w i n d o w s中， 程序员通过对 所有硬件的虚拟化， 把硬件隔离开每个物理 硬件仅仅通过虚拟驱动程序进行访问。当一个应用程序要使用某个设备时，它 通过a p i 为调用这个设备， 并产生操作系 统请求， 然后操作系统验证这个请求， 并把它传递给设备驱动程序，它再处理与这个设备的实际通讯。 不再像d o s 环 境下需对底层硬件进行访问控制，因而开发方便快捷。 7 ) 为了情报数据的保密、 安全和规范化管理，新一代侦察车系统软件采用 o r a c l e 数据库 ( w i n d o w s n t 环境下运行) 进行情报数据 管理， 并和电子地图模 块紧密结合，采集的情报人库后立即 在电子地图上标注， 使情报得到有效利用。 2 . 3 . 2 系统软件平台 及硬件环境 wi n d o w s 版光学侦察车系统进行了一系 列升级改进， 它的软件平台是: 1 . 操作系统: wi n d o w s n t 4 .0 2 . 数据库系统: o r a c l e 8 . 0 . 5 3 . 开发环境二v c 十 + 6 .0 硬件环境是: 1 . 高性能的军用计算机， c p u : p ii 3 5 0 ; r a m: 1 2 8 m b ; h d : 6 .5 g b mo n i t o r : 1 0 2 4 x 7 6 8 s v g a; 2 . 彩色图 像采集卡: c a - c p e - 3 0 0 0 和h y p e r v i d e o : 3 . t c r - 9 6 a电台一部 含数据适配器) ，与主机通过r s - 2 3 2 - c串l i 连接 4 . t c z - 5 0 1 型军用传真机一部。与主机通过r s - 2 3 2 - c串l i 连接: 5 .微波电视接收机， 提供模拟视频， 输出端连接图像采集卡; 电子科技大学硕士论文 6 .国营4 5 9 厂激光测距仪 ins ) 一台，测距误 差 0 . i %: 7 . g g 2 4 型g p s / g l o n a s s 组合定位 仪一台，与激光测距仪连接 2 . 3 . 3 系统功能及指标 操作系统的改变，使得侦察车系统发生了根本性的变革，采用的技术都是 当前最先进的，系统性能指标如下: 1 )数据采集部分 可实时采集动态电视图像， 采集容量达x 幅: 单 帧 采集 时 间 6 4 ，v a r o r v a r 时为帧内 模式 2 . 前向、 后向和双向的判定 前向、后向和双向的判定是针对b帧的运动补偿而言的。在运动估计中，b 帧的预测需要对三种情况求出其相应准则 ( 如最小均方误差) 的最小值，然后 在三个最小值中 再找出最小的，以确定宏块的类型。 还有一种方式，不是以最小均方误差等准则来判定，而是以三种预测方式 的编码长度作为判定准则的。两者方式各有优劣，我们的实验表明，第一种方 法虽然不能保证每一个宏块的编码都是最短的，但是运算量要低得多， 综合性 能较高，所以我们的方案中选用的是第一种方法。 4 . 3 . 4 预测 编码 为了最大限度的减少传送的比 特数，运动矢量传送的是差分的 h u f f m a n编 码，即以最近传送的矢量做为预测，当前运动矢量对其计算差分后再传送 在 解码端，应把前一运动矢量做为预测值，再与解码得到的差分值相加才是真正 的当前运动矢量。 4 . 3 . 5 实验和 结论 表4 . 2 是本文实现的序列图像编解码程序的实验数据。实验样本是国际视 频 标准序列图像( 乒乓 球活动图像序列) 电 子 科 技 大 学 趁 士 雌 立一 - 一 - 一 一 一 一 致 谢 首先，作者衷心感谢导师刘钊教授， 作者的成长与导师的指导和培养息息 相关。导师渊博的科学知识，海人不倦的育人态度指导作者在学业上取得较大 进步，并且他的严谨求实的工作作风， 勤奋进取的工作态度也使作者深受感染 和激励。在以后的工作学习中，我也将以他为榜样来追求一名科技工作者的素 质和品质。本文是在刘老师悉心指导下完成的， 在此论文完成之际， 特向刘老 师表示最真诚的感谢和由衷的敬意。 感谢在刘老师带领下的课题组的支持和帮助。作者在硕士生阶段这两年 多时间里，得到了课题组成员无私的支持和帮助，课题组的各位老师和同学为 作者提供了一个良 好和谐的工作氛围和学习环境，作者将永远珍惜与他们在共 同学习和工作中所结下的深厚友谊。 在此， 我要特别感谢肖 忠博士、 刘捷硕士 陈侵然硕士，他们对作者的影响和帮助非常大，同时还要感谢吴刚硕士，黄艳 硕士，何志华硕士，王蓓蓓硕士，陈平硕士给予作者的大力帮助 作者的成长，离不开电子科技大学以及信息产业部零八一基地各位老师 的指导。我感谢曾经给予作者知识和帮助的各位老师以及与作者一起学习成长 的各位学友。 最后，深深地感谢我的父母和小妹，作者永远感谢他们的鼓励和无微不 至的关怀，同时还要感谢许文静同学给予的理解、关心和支持 一 - 一t 4 1r t 塾 l t * t一 一一 一一一 参 考 文 献 1 . 通用型 ( 工 型)光学侦察车系统设计资料，0 8 1 总厂，1 9 9 8 . z z c0 1 . z z c5 1 型履带式装甲 侦察车系 统软件升级说明 0 8 1 总厂， 1 9 9 9 . 1 1 型履带式装甲 侦察车系 统数据库设计说明 。 8 1 总厂 1 9 9 9 . 1 c a - c p e - 3 0 0 。 彩色图像采集卡用户手 册 g . k . w a l l a c e , t h e j p e g s t i l 卜p i c t u r e 中国科学院自 动化研究所