基于FPGA的速率自適應(yīng)圖像抽取算法 - 全文

　　載荷圖像可視化是深空探測任務(wù)中的重要需求，但受信道帶寬的限制，無法實時傳輸所有載荷數(shù)據(jù)，因此星載復(fù)接存儲器中圖像的抽取下傳是實現(xiàn)任務(wù)可視化的關(guān)鍵。

　　本文設(shè)計了一種載荷圖像抽取方法，適用于深空探測航天器載荷自主管理和可視化應(yīng)用。通過圖像幀識別、指針管理和數(shù)據(jù)篩選實現(xiàn)圖像抽幀回放算法，具有圖像完整、實時，速率自適應(yīng)的特點。該方法在某探測器工程項目中采用FPGA進(jìn)行了實現(xiàn)，經(jīng)測試、試驗驗證，滿足工程可視化要求。

　　0 引言

　　隨著深空探測任務(wù)需求的發(fā)展，星上數(shù)據(jù)流呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化，對在軌數(shù)據(jù)處理的需求迅速增長，地面可視化是深空探測工程任務(wù)的重要需求之一，在軌圖像的存儲和實時抽取下傳是解決可視化需求的關(guān)鍵。實際工程中，圖像數(shù)據(jù)量與下行速率之間存在矛盾，工程應(yīng)用上需要獲取高分辨率的載荷圖像導(dǎo)致了數(shù)據(jù)速率的增加，而深空探測受數(shù)傳信道距離和速率的限制，無法實時下傳全部數(shù)據(jù)。因此需要在星載復(fù)接存儲器中對圖像進(jìn)行處理，存儲圖像數(shù)據(jù)的同時對圖像進(jìn)行整幀抽取，下傳最新的圖像，實現(xiàn)任務(wù)可視化。星載復(fù)接存儲器的功能是將多路不同格式的載荷數(shù)據(jù)按照高級在軌系統(tǒng)協(xié)議格式形成一路數(shù)據(jù)流，經(jīng)過切分、組幀形成多個虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），存入大容量存儲芯片（FLASH），同時將大容量存儲芯片中的數(shù)據(jù)按照選定地址進(jìn)行回放，并根據(jù)需求對回放數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

　　針對上述需求，在星載復(fù)接存儲器的存儲回放過程中通過圖像幀識別、指針管理、數(shù)據(jù)篩選實現(xiàn)抽取速率自適應(yīng)的載荷圖像抽取方法，并通過FPGA進(jìn)行實現(xiàn)和驗證，可為后續(xù)深空探測載荷數(shù)據(jù)管理任務(wù)提供技術(shù)參考。

　　1 抽幀回放算法

　　星載復(fù)接存儲器的功能為復(fù)接多路載荷圖像數(shù)據(jù)，將復(fù)接后的數(shù)據(jù)流存入大容量存儲器，根據(jù)回放指令將固存中數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行信道編碼后輸出至數(shù)傳。

　　抽幀回放的過程應(yīng)結(jié)合復(fù)接存儲器的工作過程，由于一幅圖像數(shù)據(jù)量較大，復(fù)接器入口無法緩存整幅圖像，因此綜合考慮軟硬件開銷，設(shè)計在記錄時進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，抽取在存儲之后的回放過程中完成。

　　抽取方法如圖1所示，圖像通過LVDS接口以串行形式輸入，在接口預(yù)處理模塊，將一幅圖像切分并填充為多個虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），用于存儲和下傳。

　　同時利用跟隨的門控信號判定圖像數(shù)據(jù)的頭尾，產(chǎn)生圖像幀頭、幀尾標(biāo)識信號，以標(biāo)識一幅完整的圖像。信息附加模塊將頭尾標(biāo)識信號組織成附加信息，填入數(shù)據(jù)內(nèi)。

　　為了保證回放的圖像總是最新的圖像數(shù)據(jù)，需要知道最新圖像的幀頭VCDU 地址及幀尾VCDU 的存儲地址。因此在記錄過程中，使用一個最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器來記錄存儲器中最新圖像的幀頭幀尾VCDU地址，每收完一幅完整的圖像數(shù)據(jù)立即更新最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中的地址信息，保證最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中的地址為最新圖像數(shù)據(jù)的幀頭幀尾VCDU地址。

　　回放時，收到數(shù)據(jù)請求信號，回放控制模塊從最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中加載最新圖像地址，從此地址處依次回放，直到遇到了有尾幀標(biāo)記字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，完成一幅圖像的抽取回放，之后繼續(xù)加載最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器，進(jìn)行下一幅圖像回放。

　　由于采用數(shù)據(jù)復(fù)接設(shè)計，多路圖像會同時進(jìn)入存儲器，以多種VCDU 的形式存在，F(xiàn)LASH 的頁操作導(dǎo)致每次回放出的數(shù)據(jù)為兩個VCDU，因此在備用符號域中設(shè)計附加信息，通過對附加信息的判讀濾除多余數(shù)據(jù)，保證回放數(shù)據(jù)中充滿有效抽取圖像。

　　回放的速率取決于下行信道的速率，工程中由上級的回放請求信號控制。在每次請求到來時，均加載預(yù)先存入的最新圖像地址，既保證了圖像實時性，又達(dá)到了抽取速率自適應(yīng)的要求。

　　抽幀回放算法主要考慮三個方面：抽取圖像為完整的載荷圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)前抽取出的圖像為最新數(shù)據(jù)；抽取算法對抽取速率自適應(yīng)。

　　1.1 完整性設(shè)計

　　輸入圖像數(shù)據(jù)由接口模塊生成VCDU，不同載荷數(shù)據(jù)通過VCID 被區(qū)分為不同類的VCDU，由于FLASH 采用頁操作模式，一頁的大小為2 KB，設(shè)計中一頁包含兩個VCDU.

　　FLASH的讀寫都基于頁進(jìn)行操作，讀出一頁的兩個VCDU中，有多種可能性，數(shù)據(jù)處理過程如圖2 所示，圖2中給出三種可能，一是前一個是需要抽取的頭數(shù)據(jù)，后一個是需要抽取的中間數(shù)據(jù)；二是前一個是需要抽取的圖像數(shù)據(jù)，后一個是不需要抽取的其他 VCDU 數(shù)據(jù)；三是前一個是需要抽取的尾數(shù)據(jù)，后一個是下一幅圖像的頭，但不需要抽取。

　　可見，在抽取回放中必須濾除一定數(shù)據(jù)，保證抽取圖像的完整性和正確性，因此在存儲時增加附加信息，以解決圖像完整性問題。

　　附加信息設(shè)計為6 b，格式定義見表1.

　　附加信息與數(shù)據(jù)一起被存到存儲芯片中。在回放時，讀取附加信息，解析出高VCDU有效/無效信號和低VCDU有效/無效信號。由回放請求模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)濾除，保證僅回放有效數(shù)據(jù)，并且為完整圖像。

　　附加信息與有效標(biāo)志映射關(guān)系見表2.對輸入數(shù)據(jù)的各種情況，按照表2中映射關(guān)系解析出有效/無效信號。

　　數(shù)據(jù)過濾模塊設(shè)置緩存，根據(jù)高低VCDU有效標(biāo)示控制緩存地址，為1進(jìn)行讀取，為0跳過無效的VCDU數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的濾除。

　　1.2 實時性設(shè)計

　　方法中必須獲取到幀頭VCDU 信息和幀尾VCDU信息才會更新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器，即在收到一整幅圖像之后才能進(jìn)行回放。

　　抽取的延時計算一幅圖像第一比特輸出和輸入時間之差，最壞情況時第N 幅圖像已經(jīng)寫入，第N + 1 幅圖像尾部沒有寫完，即在第N 幅圖像頭寫入后兩幅圖像時間才開始回放。抽取過程中延遲時間=兩幅圖像時間+數(shù)據(jù)回放時間。工程中，圖像生成速率為10幅/s，一幅圖像的生成時間按 100 ms計算。

　　回放數(shù)據(jù)的時間為數(shù)據(jù)從FLASH芯片中讀出時間和數(shù)據(jù)緩存時間，每頁2 KB，讀取時間約320 μs;其余處理路徑上的寄存時間《10 μs.因此，抽取過程中延遲時間約為200.33 ms ，完全可以滿足圖像的回放觀看需要。

　　1.3 速率自適應(yīng)設(shè)計

　　圖像抽取的比例（即抽取圖像的間隔）與輸入速率和回放速率相關(guān)，在工程應(yīng)用中，輸入圖像速率為 13.33 Mb/s，回放速率為50 Kb/s，其中圖像有效數(shù)據(jù)率為41.808 Kb/s，一幅圖像大小為131 080 B，每幅圖像形成149個VCDU幀，下行共149×1 024 B=152 576 B.

　　以50 Kb/s 速率進(jìn)行回放，回放一幅圖像需要152 576×8/41 808=29.19 s，此過程中記錄圖像29.19×10=291.9，約292幀，即間隔約292幀抽取一幅圖像。

　　實現(xiàn)速率自適應(yīng)的關(guān)鍵是抽取方法的各個環(huán)節(jié)和輸入速率、回放速率均沒有耦合。

　　輸入數(shù)據(jù)通過幀頭尾識別，劃分為標(biāo)識出頭尾的VCDU，輸入數(shù)據(jù)速率改變，僅影響VCDU 的數(shù)據(jù)間隔。

　　VCDU 的數(shù)據(jù)間隔實際影響寫控制模塊對FLASH 芯片操作的頻繁程度。因此在輸入速率符合入口速率的要求時，數(shù)據(jù)可以被正常存儲并產(chǎn)生附加信息，輸入速率對方法沒有影響。

　　回放數(shù)據(jù)從FLASH讀出后，解析附加信息，進(jìn)行緩存、濾除無效數(shù)據(jù)后輸出回放?；胤潘俾实母淖儯瑢?dǎo)致回放控制模塊加載頭尾寄存器的間隔改變?；胤潘俾蕼p慢，加載間隔增長，頭尾地址寄存器將被寫控制模塊刷新多次，即抽取圖像的間隔自動增大。回放速率加快，加載間隔減小，由于在算法設(shè)計中考慮只有新的頭尾地址被存入時，回放模塊才能正確加載新地址，否則回放模塊會停止在當(dāng)前地址繼續(xù)等待新圖像。因此抽取圖像的間隔會自動減小，當(dāng)沒有新圖像時，抽取模塊會等待新數(shù)據(jù)進(jìn)入。

　　速率的自適應(yīng)有利于算法的穩(wěn)定性和通用性，在輸入、回放速率改變時不需要改變抽取程序即可實現(xiàn)抽取回放功能。

　　2 工程實現(xiàn)與驗證

　　在工程中采用Xilinx 公司300 萬門FPGA，XQR2V3000［10］進(jìn)行實現(xiàn)，占用資源（Slices）27%，經(jīng)仿真和測試驗證滿足需求。

　　2.1 仿真情況

　　FPGA仿真情況如圖3所示，在抽取回放過程中，回放指針關(guān)系正確，間隔相等，符合分析情況。

　　2.2 工程驗證情況

　　在下行速率50 Kb/s時，按前述計算，間隔292幀抽取一幅圖像。實際測試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續(xù)，抽取的圖像號為 0，291，581，872，1 167，1 457，1 749，2 040，2 334，2 627，2 917，3 209，3 500，3 793，4 083，4 377，4 668，4 961，5 251，5 543，5 837，6 128，6 421，6 711，7 003，圖像號、圖像間距的測試結(jié)果與理論值對比如圖4（a），（b）所示，實際測試圖像間隔與計算值符合，誤差小于3幅圖像。

　　在下行速率250 Kb/s時，有效數(shù)據(jù)率為241.808 Kb/s，按上文計算方式計算，間隔約50幀抽取一幅圖像。實際測試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續(xù)，抽取的圖像號為 0，50，100，151，201，251，302，353，403，453，504，555，605，655，706，757，807，857，908，959，1 009，1 059.圖像號、圖像間距的測試結(jié)果與理論值對比如圖4（c）、（d）所示，實際測試圖像間隔與計算值符合，誤差小于1幅圖像。

　　兩種速率下，實際測試圖像間隔與計算值符合，驗證了方法的功能性能符合需求，且具有速率自適應(yīng)特點。

　　3 結(jié)語

　　本文設(shè)計實現(xiàn)了一種速率自適應(yīng)的載荷圖像抽取方法，適用于深空探測器載荷自主管理和地面可視化應(yīng)用，實現(xiàn)了完整載荷圖像實時抽取。采用FPGA實現(xiàn)算法，經(jīng)過測試，抽取圖像完整，等間距，可適用于不同下傳速率，滿足可視化要求?？梢宰鳛楹罄m(xù)深空探測載荷自主管理的技術(shù)參考。（作者：裴楠，李珂，趙蕾）