基于FPGA的速率自適應(yīng)圖像抽取算法

　　1.3 速率自適應(yīng)設(shè)計(jì)

　　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(shí)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(shí)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。回放速率的改變，將導(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?；胤潘俾始涌?，加載間隔減小，由于在算法設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)抽取回放功能。

　　2 工程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

　　在工程中采用Xilinx 公司300 萬門FPGA，XQR2V3000[10]進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，占用資源(Slices)27%，經(jīng)仿真和測試驗(yàn)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(yàn)證情況

　　在下行速率50 Kb/s時，按前述計(jì)算，間隔292幀抽取一幅圖像。實(shí)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(shí)際測試圖像間隔與計(jì)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(jì)算方式計(jì)算，間隔約50幀抽取一幅圖像。實(shí)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(shí)際測試圖像間隔與計(jì)算值符合，誤差小于1幅圖像。

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

　　3 結(jié)語

　　本文設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了完整載荷圖像實(shí)時抽取。采用FPGA實(shí)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。