CN111698516A - 基于ccsds架构的飞行图像解码方法和系统 - Google Patents

基于ccsds架构的飞行图像解码方法和系统 Download PDF

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庄玮
刘伟
吴睫
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Abstract

本发明提供了一种基于CCSDS架构的飞行图像解码方法和系统，该方法包括：通过遥测地面站将飞行器在飞行过程中的图像压缩码流转发给图像处理器；其中，飞行器侧生成的所述图像压缩码流按照CCSDS标准信道码传输给所述遥测地面站；图像处理器对所述图像压缩码流进行解码处理，得到解码后的图像数据。从而可以有效地提升飞行器飞行图像解码的可靠性和时效性，提升解码图像的质量。

Description

基于CCSDS架构的飞行图像解码方法和系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体地，涉及基于国际空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)架构的飞行图像解码方法和系统。
背景技术
在深空飞行通讯领域，由于巨大的信号能量衰减，接收端输入信号将非常小，从而给针对接收信号的解调与信息恢复带来巨大挑战。因此对于火箭飞行通信而言，需寻找在功率受限信道条件下高可靠传输方法，高增益信道码是一种有效解决方法。高增益信道码通过优异的编译码算法设计可获得可观的信道增益，有效降低信号解调门限，进而抵消信号在长距离空间传播过程中带来的能量损失。为此，CCSDS建立了包括卷积码、RS码、级联码、TURBO码和LDPC码等在内的一系列信道码标准。
CCSDS架构因其卓越性能、良好经济效益和广泛适应性等特点，近年来越来越受到世界各国军事组织的关注。由于CCSDS架构的普适性，将其应用于军事领域无需太多技术更改，因此，研究CCSDS架构如何在军用航天领域中实施，对提高军用航天器效能以及促进军民融合产业发展和军用航天技术进步具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于CCSDS架构的飞行图像解码方法和系统。
第一方面，本发明提供一种基于CCSDS架构的飞行图像解码方法，包括：
步骤1：通过遥测地面站将飞行器在飞行过程中的图像压缩码流转发给图像处理器；其中，飞行器侧生成的所述图像压缩码流按照CCSDS标准信道码传输给所述遥测地面站；
步骤2：图像处理器对所述图像压缩码流进行解码处理，得到解码后的图像数据。
本实施例中，采用CCSDS架构可以为空间数据系统咨询委员会为深空飞行通信中遥控遥测及高级在轨系统(AOS)制定了一系列推荐性标准。其信道特点决定了低信噪比条件下信道码对飞行器飞行通信可靠性高。
在一种可能的设计中，所述步骤1包括：
所述遥测地面站将所述图像压缩码流通过UDP组播协议发送给所述图像处理器；所述图像压缩码流包括：信道标识、主导头、数据域；其中，
所述信道标识用于根据状态参数调用相应状态的控制逻辑；
所述主导头用于提供帧：版本号、航天器标识符，虚拟信道标识符、虚拟信道帧计数器中的任一或多项；
所述数据域用于记录工程遥测源包、数传数据帧，以及空闲数据帧；所述数据传输帧包括：监视摄像头图像数据、GNSSB原始测量数据，以及备用数据。
在一种可能的设计中，所述步骤2包括：
按照CCSDS架构提供的主导头中的虚拟信道标识符，顺次提取数据域中的数传数据帧，并将所述数据传输帧作为数据流存储；
按照CCSDS架构提供的虚拟信道计数器的数值，解码所述数据流中不定长的图像数据帧，得到解码后的图像数据。
本实施例中，图像处理器中的CCSDS码流提取模块从缓存中循环读取一帧数据，该数据应为由地基设备接收遥测飞行器飞行图像码流后封装的数据。图像处理器中的CCSDS码流解码模块，将每帧不定长的图像数据帧，解码还原为图像帧顺序的的图像数据。
在一种可能的设计中，还包括：
步骤3：播放所述解码后的图像数据。
本实施例中，图像处理器中装载有解码软件，运行该解码软件时，可以实时解析并播放图像，延迟时间不大于3s。因此，图像处理器可以直接读取本地存储的可播放文件，直接进行视频播放。
在一种可能的设计中，所述步骤3包括：
在单台或者多台显示器上显示所述解码后的图像数据；
调整任一台显示器上显示画面的大小，和/或显示时长。
本实施例中，图像处理器中装载的解码软件可以设置画面单台或多台同时播放监视摄像头视频，且显示画面大小可手动调节，以及可以显示当前图像播放时长。
第二方面，本发明提供一种基于CCSDS架构的飞行图像解码系统，包括：通信连接的遥测地面站和图像处理器；其中：
所述遥测地面站，用于将飞行器在飞行过程中的图像压缩码流转发给图像处理器；
所述图像处理器，用于对所述图像压缩码流进行解码处理，得到解码后的图像数据。
在一种可能的设计中，所述遥测地面站，具体用于：
将所述图像压缩码流通过UDP组播协议发送给所述图像处理器；所述图像压缩码流包括：信道标识、主导头、数据域；其中，
所述信道标识用于根据状态参数调用相应状态的控制逻辑；
所述主导头用于提供帧：版本号、航天器标识符，虚拟信道标识符、虚拟信道帧计数器中的任一或多项；
所述数据域用于记录工程遥测源包、数传数据帧，以及空闲数据帧；所述数据传输帧包括：监视摄像头图像数据、GNSSB原始测量数据，以及备用数据。
在一种可能的设计中，所述图像处理器，具体用于：
按照CCSDS架构提供的主导头中的虚拟信道标识符，顺次提取数据域中的数传数据帧，并将所述数据传输帧作为数据流存储；
按照CCSDS架构提供的虚拟信道计数器的数值，解码所述数据流中不定长的图像数据帧，得到解码后的图像数据。
在一种可能的设计中，还包括：
显示器，用于接收并播放所述解码后的图像数据。
在一种可能的设计中，所述显示器还用于：调整显示画面的的大小，和/或显示时长。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法和系统，通过遥测地面站将飞行器在飞行过程中的图像压缩码流转发给图像处理器；其中，飞行器侧生成的所述图像压缩码流按照CCSDS标准信道码传输给所述遥测地面站；图像处理器对所述图像压缩码流进行解码处理，得到解码后的图像数据。从而可以有效地提升飞行器飞行图像解码的可靠性和时效性，提升解码图像的质量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一示例实施例提供的一种应用场景示意图；
图2为本发明一示例实施例提供的一种CCSDS协议的图像压缩码流格式示意图；
图3为本发明一示例性实施例提供的一种基于CCSDS协议的压缩图像格式示意图；
图4为本发明一示例性实施例提供的解码软件可配置画面示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法和系统，可以广泛应用在火箭、飞艇、热气球等深空探测领域。
图1为本发明一示例实施例提供的一种应用场景示意图；如图1所示，可以包括：飞行器10、遥测地面站20、图像处理器30、显示器40，飞行器10向遥测地面站20发送下行数据(即飞行器在飞行过程中的图像压缩码流)，该下行数据按照CCSDS标准信道码传输给遥测地面站20。遥测地面站20将下行数据通过LAN发送给图像处理器30，由图像处理器30对下行数据进行解码处理，得到解码后的图像码流。最后，该图像码流被投放的一个或者多个显示器40上进行播放。
本实施例中，图像处理器30包括至少一种物理接口，接口内设置有通信协议和/或底层驱动，以适配不同的数据输入装置。可选地，图像处理器30通过LAN网络与遥测地面站20连接。遥测地面站20将处理完成的图像压缩码流采用UDP组播协议发送给图像处理器30。图像处理器30接收到图像压缩码流后，利用装载的图像处理软件调用码流提取模块进行工作。具体地，先判断图像压缩码流格式的“虚拟信道标识符”，区分监视摄像头图像A数据，监视摄像头图像B数据或者其他监控摄像头；码流提取完成后，对两/多路监视摄像头地基遥测格式独立进行解码，判断图像压缩码流格式的“虚拟信道计数”。同时，判断图像压缩码流格式的“回放标志”，以区分实时图像和延时图像，延时图像不显示只存储。
示例性的，图像处理器30解析解码完的视频流通过标准的VGA通道连接到基地的IPTV(Intemet Protocol Television，互联协议电视)系统。
应用本发明实施例提供的基于CCSDS架构的火箭飞行图像解码方法，能够解决火箭飞行图像应用行业缺少高效可靠架构协议的问题。
以下结合图2至图4对本申请做进一步阐述。结合图2，图2为本发明一示例实施例提供的一种CCSDS协议的图像压缩码流格式示意图。该实施例的CCSDS架构数据协议包括4个字节的同步标识，6个字节的主导头，1012个字节的数据域，和2个字节的CRC校验。其帧格式采用了CCSDS建议的数据帧格式，每帧总长1024字节。具体帧结构见表1所示。
表1图像压缩码流帧结构
Figure BDA0002547483860000051
同步标识：在本发明具体实施例中固定为1ACFFClDH。
主导头：在本发明具体实施例中主导头具体见表2所示。主导头用于提供帧版本号，航天器标识符，虚拟信道标识符，虚拟信道帧计数器等。数据域用于记录工程遥测源包、数传数据帧及空闲数据帧。数传数据帧包括监视摄像头图像数据、GNSSB原始测量数据和备用等外部5路数传输入数据，分别对应相应的虚拟信道。
表2图像压缩码流帧主导头
Figure BDA0002547483860000052
本发明实施例中图像压缩码流域长度为1012Byte，用于填充三类数据帧：工程遥测源包、数传数据帧、GNSSB原始测量数据帧和备用通道数据帧。
其中，数传数据帧包括监视摄像头图像数据、GNSSB原始测量数据和备用等外部5路数传输入数据，分别对应相应表3中的虚拟信道标识符。
表3图像压缩码流帧虚拟信道标识符
Figure BDA0002547483860000061
图像压缩码流帧虚拟信道标识符用于根据所述状态参数调用相应状态的控制逻辑，占4字节(32位)。
结合图3，本发明具体实施例的监视摄像头图像压缩图像由16字节的包头与不定长的H.264编码的一幅图像信息数据组成。其中16字节的包头包括4个字节的帧标识，4个字节的帧计数，4个字节的时间码，3个字节的帧长，1个字节的编码类型；图像信息数据由不定长的图像信息字节和1个字节的图像NAL头引导头组成。
本发明具体实施例的实际操作流程如下：
步骤S10l，监视摄像头A/B产生的图像数据源码按地基遥测格式统一组帧打包后下行到地面站。
步骤S102，地面站接收下行图像压缩码流帧，并通过LAN口发送给图像处理器。
步骤S103，运行在图像处理器上的地面图像处理显示软件接收图像压缩码流，首先图像处理软件的码流提取模块识别主导头中的虚拟信道帧计数器，按照帧计数器的顺序依次提取图像数据码流。提取后数据码流转交到码流解码模块，码流解码模块通过识别虚拟信道标识符，若虚拟信道标识符为000010，码流解码模块即开始解码监视摄像头A图像数据。同理，若虚拟信道标识符为000011，码流解码模块即开始解码监视摄像头B图像数据。
步骤S104，可以实时异步解析多路图像数据。
步骤S105，解码后的图像数据通过VGA接口发送给图像监视器显示。
本申请提供的图像处理器采用工控机为基础，开发了图像处理应用软件，同时配备了图像监视器。
本申请采用了多路图像数据异步解码显示技术，结合图4，实现了多界面图像数据的在同一软件界面上同时解码显现，可配置多路图像同时显示、图像放大缩小，图像回放的功能。
在一个示例性实施例中，图像处理器中配置一个图像接收卡、一个图像处理工控机和一个图像监视器。
图像接收卡负责完成具体的图像压缩码流接收，并将接收的码流存储到图像处理工控机。
图像处理工控机负责提供图像压缩码流存储、图像数据解码处理和图像输出的硬件基础。图像处理器软件运行在图像处理工控机上。
图像监视器负责显示图像处理工控机输出的解码后图像数据。
本实施例还提供了备用设备，该备用设备具有和原设备相同的组件以及连接方式，在原设备不能正常工作时，可以快速切换到备用设备，有效地保证了火箭飞行过程中图像显示的稳定性。
本发明实施例提供的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法提高了图像解码效率和火箭飞行过程中图像显示的稳定性和实时性。
需要说明的是，本发明提供的所述基于CCSDS架构的飞行图像解码方法中的步骤，可以利用所述基于CCSDS架构的飞行图像解码系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于CCSDS架构的飞行图像解码方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过遥测地面站将飞行器在飞行过程中的图像压缩码流转发给图像处理器；其中，飞行器侧生成的所述图像压缩码流按照CCSDS标准信道码传输给所述遥测地面站；
步骤2：图像处理器对所述图像压缩码流进行解码处理，得到解码后的图像数据。
2.根据权利要求1所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法，其特征在于，所述步骤1包括：
所述遥测地面站将所述图像压缩码流通过UDP组播协议发送给所述图像处理器；所述图像压缩码流包括：信道标识、主导头、数据域；其中，
所述信道标识用于根据状态参数调用相应状态的控制逻辑；
所述主导头用于提供帧：版本号、航天器标识符，虚拟信道标识符、虚拟信道帧计数器中的任一或多项；
所述数据域用于记录工程遥测源包、数传数据帧，以及空闲数据帧；
所述数据传输帧包括：监视摄像头图像数据、GNSSB原始测量数据，以及备用数据。
3.根据权利要求2所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法，其特征在于，所述步骤2包括：
按照CCSDS架构提供的主导头中的虚拟信道标识符，顺次提取数据域中的数传数据帧，并将所述数据传输帧作为数据流存储；
按照CCSDS架构提供的虚拟信道计数器的数值，解码所述数据流中不定长的图像数据帧，得到解码后的图像数据。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法，其特征在于，还包括：
步骤3：播放所述解码后的图像数据。
5.根据权利要求4所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码方法，其特征在于，所述步骤3包括：
在单台或者多台显示器上显示所述解码后的图像数据；
调整任一台显示器上显示画面的大小，和/或显示时长。
6.一种基于CCSDS架构的飞行图像解码系统，其特征在于，包括：通信连接的遥测地面站和图像处理器；其中：
所述遥测地面站，用于将飞行器在飞行过程中的图像压缩码流转发给图像处理器；
所述图像处理器，用于对所述图像压缩码流进行解码处理，得到解码后的图像数据。
7.根据权利要求6所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码系统，其特征在于，所述遥测地面站，具体用于：
将所述图像压缩码流通过UDP组播协议发送给所述图像处理器；所述图像压缩码流包括：信道标识、主导头、数据域；其中，
所述信道标识用于根据状态参数调用相应状态的控制逻辑；
所述主导头用于提供帧：版本号、航天器标识符，虚拟信道标识符、虚拟信道帧计数器中的任一或多项；
所述数据域用于记录工程遥测源包、数传数据帧，以及空闲数据帧；所述数据传输帧包括：监视摄像头图像数据、GNSSB原始测量数据，以及备用数据。
8.根据权利要求7所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码系统，其特征在于，所述图像处理器，具体用于：
按照CCSDS架构提供的主导头中的虚拟信道标识符，顺次提取数据域中的数传数据帧，并将所述数据传输帧作为数据流存储；
按照CCSDS架构提供的虚拟信道计数器的数值，解码所述数据流中不定长的图像数据帧，得到解码后的图像数据。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码系统，其特征在于，还包括：
显示器，用于接收并播放所述解码后的图像数据。
10.根据权利要求9所述的基于CCSDS架构的飞行图像解码系统，其特征在于，所述显示器还用于：调整显示画面的的大小，和/或显示时长。
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