方案名稱：寬幅圖像存儲、壓縮與回放系統的研制與開發。

 

 

 

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

 

 

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

 

 

1.數據存儲、壓縮和傳輸部分

 

① 數據存儲

 

寬幅圖像數據量龐大，單幅圖像約20MB，數據存儲介質采用ATA接口標準的固態硬盤。現行ATA接口標準在PIO模式下的存儲速率理論值為16.7MB/s，而CCD提供的數字接口速率約為25MHz，因此，系統采用SDRAM作為圖像緩存。在硬件結構上，SDRAM和硬盤均由FPGA控制，該模塊實現了一條完整的高速大容量存儲通道，可在2秒內完成單幅原始圖像數據的存儲。

 

② 數據壓縮

 

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

 

③ 數據傳輸

 

數據傳輸采用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。本系統采用數據傳輸與數據壓縮并行工作的方式，實現壓縮碼流傳輸時間的復用，極大提高了系統效率。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據快速傳達SRAM，隨后，FPGA操作SRAM從中讀出數據，并按RS422接口標準發送。事實上，在FPGA進行數據傳輸的同時，DSP已經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。

 

2.圖像回放部分

 

① 數據接收

 

數據接收主要由FPGA控制完成，有兩大任務，一是將有效數據從傳輸幀結構中提取出來，二是將壓縮圖像數據和系統參數數據分離。實現時，FPGA控制兩片SRAM乒乓操作實現壓縮數據的接收，其中每片SRAM負責存放一幅完整的圖像壓縮數據，保證輸入數據流和輸出數據流連續不斷，使得數據接收更加高效、穩定。

 

② 數據解壓

 

數據解壓部分整體上同數據壓縮部分成鏡像關系，采用專用的JPEG2000壓縮芯片ADV202，在DSP的控制下讀取存儲在SRAM中的壓縮圖像數據，對圖像進行分塊解壓。

 

③ 數據回放

 

數據回放部分主要通過PCI接口將圖像解壓數據和系統參數傳至PC進行顯示。PCI接口由PCI9054實現，在PCI局部總線端采用Scatter/Gather DMA模式接收數據。PCI DMA傳輸時序和DSP并不兼容，因此，同步數據接口采用FIFO存取方法，通過FPGA實現從DSP到PCI數據接收端口的時序轉化。

 

以FPGA為樞紐的硬件平臺開發需要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，開發軟件包括ISE8.2，ChipScope以及ModelSim等。