基于FPGA的速率自適應(yīng)圖像抽取算法

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

　　本文設(shè)計(jì)了一種載荷圖像抽取方法，適用于深空探測(cè)航天器載荷自主管理和可視化應(yīng)用。通過圖像幀識(shí)別、指針管理和數(shù)據(jù)篩選實(shí)現(xiàn)圖像抽幀回放算法，具有圖像完整、實(shí)時(shí)，速率自適應(yīng)的特點(diǎn)。該方法在某探測(cè)器工程項(xiàng)目中采用FPGA進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，經(jīng)測(cè)試、試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足工程可視化要求。

　　0 引言

　　隨著深空探測(cè)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(duì)在軌數(shù)據(jù)處理的需求迅速增長(zhǎng)，地面可視化是深空探測(cè)工程任務(wù)的重要需求之一，在軌圖像的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)抽取下傳是解決可視化需求的關(guān)鍵。實(shí)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(cè)受數(shù)傳信道距離和速率的限制，無法實(shí)時(shí)下傳全部數(shù)據(jù)。因此需要在星載復(fù)接存儲(chǔ)器中對(duì)圖像進(jìn)行處理，存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行整幀抽取，下傳最新的圖像，實(shí)現(xiàn)任務(wù)可視化。星載復(fù)接存儲(chǔ)器的功能是將多路不同格式的載荷數(shù)據(jù)按照高級(jí)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(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)，存入大容量存儲(chǔ)芯片(FLASH)，同時(shí)將大容量存儲(chǔ)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(duì)回放數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

　　針對(duì)上述需求，在星載復(fù)接存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)回放過程中通過圖像幀識(shí)別、指針管理、數(shù)據(jù)篩選實(shí)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(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，可為后續(xù)深空探測(cè)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(jì)在記錄時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，抽取在存儲(chǔ)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(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)單元(VCDU)，用于存儲(chǔ)和下傳。

　　同時(shí)利用跟隨的門控信號(hào)判定圖像數(shù)據(jù)的頭尾，產(chǎn)生圖像幀頭、幀尾標(biāo)識(shí)信號(hào)，以標(biāo)識(shí)一幅完整的圖像。信息附加模塊將頭尾標(biāo)識(shí)信號(hào)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(chǔ)地址。因此在記錄過程中，使用一個(gè)最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器來記錄存儲(chǔ)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(shí)，收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，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(jì)，多路圖像會(huì)同時(shí)進(jìn)入存儲(chǔ)器，以多種VCDU 的形式存在，FLASH 的頁操作導(dǎo)致每次回放出的數(shù)據(jù)為兩個(gè)VCDU，因此在備用符號(hào)域中設(shè)計(jì)附加信息，通過對(duì)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(jí)的回放請(qǐng)求信號(hào)控制。在每次請(qǐng)求到來時(shí)，均加載預(yù)先存入的最新圖像地址，既保證了圖像實(shí)時(shí)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(gè)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(duì)抽取速率自適應(yīng)。

　　1.1 完整性設(shè)計(jì)

　　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(jì)中一頁包含兩個(gè)VCDU.