超強寬幅圖像處理系統(tǒng)可以這樣設(shè)計，圖像存儲、壓縮與回放統(tǒng)統(tǒng)實現(xiàn)

項目背景及可行性分析

1. 項目名稱、項目的主要內(nèi)容及目前的進展情況

項目名稱：寬幅圖像存儲、壓縮與回放系統(tǒng)的研制與開發(fā)。本項目主要由兩部分構(gòu)成，包括編碼板和解碼板的開發(fā)與調(diào)試。編碼板主要完成拍攝數(shù)據(jù)的無損存儲和實時壓縮，解碼板主要完成壓縮數(shù)據(jù)的實時解碼和PC回放。目前，編碼板與解碼板可協(xié)同工作，完成圖像存儲、壓縮與解壓等基本功能，同時還能在PC上對解壓圖像進行回放。

2. 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

本項目關(guān)鍵技術(shù)之一是高速大容量存儲通道的設(shè)計，該設(shè)計摒棄了當前廣泛采用的由操作系統(tǒng)控制硬盤進行存儲的模式，轉(zhuǎn)而采用FPGA在硬件底層上直接對硬盤進行控制，同時輔以SDRAM作為大容量高速數(shù)據(jù)緩存，極大地提高了硬盤的存儲速率。本系統(tǒng)設(shè)計的另一亮點，即采用數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)壓縮并行工作的方式，實現(xiàn)壓縮碼流傳輸時間的復用，極大提高了系統(tǒng)效率。在該方式下，數(shù)據(jù)發(fā)送任務由FPGA實現(xiàn)，縮短了DSP在數(shù)據(jù)發(fā)送任務上的時間開銷，做到了圖像壓縮和數(shù)據(jù)傳送的并行操作，對相機拍攝間隔時間的縮短起到了主要的作用。

3. 技術(shù)成熟性和可靠性

在硬件設(shè)計上，本項目在設(shè)計之初便考慮了系統(tǒng)可靠性問題，對編碼板和解碼板采用鏡像設(shè)計方法，使得系統(tǒng)調(diào)試更為簡便，同時也增強了系統(tǒng)的可靠性。在軟件設(shè)計上，以FIFO為基礎(chǔ)的接口同步方案以及乒乓操作等數(shù)據(jù)緩存技術(shù)的使用，提高了軟件在數(shù)據(jù)處理方面的可靠性。同時，基于FPGA的SDRAM、ATA外圍存儲設(shè)備控制在本小組所在實驗室已是成熟技術(shù)。我們對系統(tǒng)連續(xù)進行200次拍照存儲壓縮試驗，所測數(shù)據(jù)完全正確，這從一個側(cè)面驗證了系統(tǒng)的可靠性。

項目實施方案

1. 方案基本功能框圖及描述

數(shù)據(jù)存儲、壓縮和傳輸部分：

① 數(shù)據(jù)存儲

寬幅圖像數(shù)據(jù)量龐大，單幅圖像約20MB，數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)采用ATA接口標準的固態(tài)硬盤。現(xiàn)行ATA接口標準在PIO模式下的存儲速率理論值為16.7MB/s，而CCD提供的數(shù)字接口速率約為25MHz，因此，系統(tǒng)采用SDRAM作為圖像緩存。在硬件結(jié)構(gòu)上，SDRAM和硬盤均由FPGA控制，該模塊實現(xiàn)了一條完整的高速大容量存儲通道，可在2秒內(nèi)完成單幅原始圖像數(shù)據(jù)的存儲。

② 數(shù)據(jù)壓縮

由于數(shù)據(jù)傳輸采用RS422接口，傳輸速率有限，不能直接將原始數(shù)據(jù)進行傳輸，因此需要進行圖像壓縮。系統(tǒng)采用專用JPEG2000壓縮芯片ADV202，在DSP控制下讀取硬盤數(shù)據(jù)，對圖像進行分塊壓縮。

③ 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用RS422接口，傳輸速率2Mb/s，在圖像壓縮比10:1的情況下，單幅圖像壓縮碼流傳輸時間約8s。本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)壓縮并行工作的方式，實現(xiàn)壓縮碼流傳輸時間的復用，極大提高了系統(tǒng)效率。在該方式下，DSP操做ADV202對圖像進行分塊壓縮，并將當前分割圖像壓縮數(shù)據(jù)快速傳達SRAM，隨后，F(xiàn)PGA操作SRAM從中讀出數(shù)據(jù)，并按RS422接口標準發(fā)送。事實上，在FPGA進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，DSP已經(jīng)開始下一分割圖像的壓縮。這其實是資源與速度互換原則的體現(xiàn)。

圖像回放部分：

① 數(shù)據(jù)接收

數(shù)據(jù)接收主要由FPGA控制完成，有兩大任務，一是將有效數(shù)據(jù)從傳輸幀結(jié)構(gòu)中提取出來，二是將壓縮圖像數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)分離。實現(xiàn)時，F(xiàn)PGA控制兩片SRAM乒乓操作實現(xiàn)壓縮數(shù)據(jù)的接收，其中每片SRAM負責存放一幅完整的圖像壓縮數(shù)據(jù)，保證輸入數(shù)據(jù)流和輸出數(shù)據(jù)流連續(xù)不斷，使得數(shù)據(jù)接收更加高效、穩(wěn)定。

② 數(shù)據(jù)解壓

數(shù)據(jù)解壓部分整體上同數(shù)據(jù)壓縮部分成鏡像關(guān)系，采用專用的JPEG2000壓縮芯片ADV202，在DSP的控制下讀取存儲在SRAM中的壓縮圖像數(shù)據(jù)，對圖像進行分塊解壓。

③ 數(shù)據(jù)回放

數(shù)據(jù)回放部分主要通過PCI接口將圖像解壓數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)傳至PC進行顯示。PCI接口由PCI9054實現(xiàn)，在PCI局部總線端采用Scatter/Gather DMA模式接收數(shù)據(jù)。PCI DMA傳輸時序和DSP并不兼容，因此，同步數(shù)據(jù)接口采用FIFO存取方法，通過FPGA實現(xiàn)從DSP到PCI數(shù)據(jù)接收端口的時序轉(zhuǎn)化。

2. 需要的開發(fā)平臺

以FPGA為樞紐的硬件平臺開發(fā)需要FPGA具有豐富的IO引腳和足夠的邏輯資源。本項目在Spartan3系列的FPGA下進行開發(fā)，開發(fā)軟件包括ISE8.2，ChipScope以及ModelSim等。

3. 方案實施過程中需要開發(fā)的模塊

主要開發(fā)模塊包括：高速緩存系統(tǒng)模塊、硬盤控制模塊、RS422發(fā)送控制模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、PCI接口模塊等。模塊開發(fā)主要由仿真和實測兩部分構(gòu)成。

4. 系統(tǒng)最終要達到的性能指標

系統(tǒng)最終在10秒內(nèi)完成一幅寬幅圖像的存儲、壓縮、傳輸和回放功能。