机载测绘图像解决系统硬件设计分析,在职研究生论文

发布时间：2015-02-02 17:13

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义
随着现代通信技术、微电子技术、信息处理技术的发展，人类社会完全迈入信息化时代。在社会生活领域和国防领域中人们对图像信息处理、存储和传输能力的要求越来越高，对图像内容信息的要求也越来越精确。
自上世纪 80 年代以来，无人机测绘系统以其机动灵活、高效快速、精细准确、可云下摄影、成本低等特点迅速成为世界各国竞相研究的热点课题[1][2]。无人飞机平台搭载航空数码相机进行航空拍摄是近年来在遥感技术基础上迅速发展起来的地理信息数据快速获取技术。在起降条件差、云层低、应用常规航空摄影较为困难的地区，，引进低空无人机航摄系统，一方面可快速、高效地获取高精度航空影像，极大地提高测绘成果的现势性，大幅度提高测绘应急保障服务能力；另一方面获取的高精度影像经快速处理后可广泛应用于城市规划、城市变化监测、重大工程项目、应急救灾、国土资源遥感监测、资源开发、农林监测与估产等方面[3]。
然而，无人机在航拍过程中需要实时的将获取的图像信息传送回地面监控站，以便对拍摄的内容进行监控；同时也需要将拍摄过程中获取的图像信息进行存储以获取拍摄地区的相关数据信息。随着无人机航拍半径的增大，航空数码相机拍摄速度和精度的提高，航拍过程中将会产生海量的图像数据，这与有限的存储空间和带宽资源形成尖锐的矛盾。为解决此类问题，图像压缩技术应运而生。图像压缩技术作为图像处理方面的重要技术正处在不断的发展与完善阶段，应用在机载测绘中可以减少图像信息的存储空间，降低下传数据的带宽，降低处理系统功耗，从而满足图像信息数据获取的需求。
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1.2 发展概况
随着无人机测绘技术在获取地理信息数据方面应用的扩大，海量图像数据的产生，对一整套的图像数据处理系统而言有三个方面的问题最值得我们关注。就是数据信息的压缩、存储和传输，选择什么样的压缩算法、利用什么样的存储设备、采取什么样的传输方式在无人机图像处理系统有限的空间和资源内将至关重要。
1) 图像压缩技术简述
1948 年，Shannon 和他的学生Oliver 与 Pierce 共同发表了对电视信号进行脉冲编码调制（PCM）的论文[4]，标志着数字图像压缩编码技术的开端。1969 年，首届图像编码会议（Picture Coding Symposium）的举行表明图像编码以独立的学科跻身于学术界。1985年，瑞士学者Kunt对编码方法进行了区分，提出了第一代、第二代编码的概念。第一代编码方法是指以去除冗余为基础的编码方法，如：空域的 PCM、DPCM、△ M、亚抽样编码方法，变换域的 DFT、DCT、Walsh－Hadamard 变换编码等方法以及以此为基础的混和编码方法。而像金字塔编码[5]、矢量量化、分形编码[6]、基于神经网络的编码、小波变换和子带编码[7]等一系列于 80 年代之后提出的新型编码方法，皆属于第二代编码方法[9]。
1995 年， 1 0  [11]Sweldens 提出了基于提升方案的整数小波变换概念，成为新一代以小波变换为核心的压缩算法出现的开端。以小波变换为核心的压缩算法攻克了 DCT 本身具有的方块效应，在大的压缩比下，获得的压缩性能更好。在此基础上结合不同的量化和编码方法，这些压缩算法能够在高压缩比下取得比 JPEG算法更高的峰值信噪比和更好主观视图效果。而在这些算法中Shapiro提出的内嵌零树（EZW）编码方法[12]、Said 与 Pearlman 提出的基于分层树集合分割（SPIHT）的编码方法[13]以及由 Taubman 提出的 EBCOT 编码方法[14]最为突出。经过长时间的发展和丰富，SPIHT 算法是目前国际上公认性能最高的基于小波变换的量化算法之一。在对图像进行压缩编码处理时，SPIHT 算法可以很好的提取出图像特 8  征，拥有较低的计算复杂度、逆向恢复图像质量高、存储数据量小 。故本系统采用 SPIHT 算法作为图像压缩系统的核心算法。
2) 数据存储方式简述存储设备即用来存储数据信息的载体，一般是将信息数字化后再利用电、磁或光学等媒体来进行储存。
常见的存储装置有多种，大概作如下介绍：  
利用电能方式存储如：各式记忆体（CF 卡、SD 卡），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM）；  
利用磁能方式存储如：硬碟、软碟、磁带、磁泡存储器等；  
利用光学方式存储如：CD 或者 DVD；  利用磁光方式存储如：MO（磁光碟）；  
利用其他实体物如卡带、纸带存储如：打孔卡、打孔带等。
利用电能方式存储是如今人们生活中应用最普遍的，大到服务器携带的超大eSATA 硬盘，小到手机、MP3 内部的 TF（TransFlash）卡都被人们所熟知。
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第二章 图像处理系统理论介绍

2.1 引言
1985年国际知名的Xilinx公司推出了具有跨时代意义的第一片现场可编程门阵列-FPGA，在接下来将近 30 年的发展历程中，FPGA 逐步向人们展现出了其在设计和应用中强大的一面。它依靠各种灵活的特点很快在控制领域、芯片领域以及图像处理领域得到广泛的应用，这些特点包括设计开发周期短、使用成本较为低廉、逻辑处理功能异常强大和设计方式灵活多样。本章基于整个图像处理系统的基础理论构成，分别对 FPGA 平台、图像压缩算法、数据信息存储设备以及数据传输接口的相关理论知识进行详细而充分的介绍，让读者从理论知识的角度对整个图像处理系统的组成框架建立概念。
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2.2 基于 Vritex-5 系列的 FPGA
2.2.1 FPGA 基本概念
FPGA 在工业上采用逻辑单元阵列的技术构成，芯片内部从结构上可以分为三个部分，分别是用来搭建和构成电路的可配置逻辑模块，用来管理 IO 单元的输出输入模块以及用来连接各个模块的内部连线[16]。
CLB 是 FPGA 内部的基本逻辑组成单元，具有相对独立的组合逻辑阵列，每个 CLB 都包含一部分选型电路、数个触发器以及由 4 或 6 个输入组成的可配置开关矩阵模块。开关矩阵是在一定程度上具有高度灵活性的，配置后用可以来处理组合逻辑、RAM 或移位寄存器的相关问题。根据不同公司生产的每块 FPGA芯片的不同类型决定了包含数目不等的 CLB 的个数，相互间采用互联布线的方式进行连通，在实际应用中不同的布线方式来决定实现不同的功能。
FPGA 原则上讲支持多种 IO 标准，比如串口、网口、PCIE 接口、JTAG接口等等，可以很灵活的为用户提供需要的接口类型。Xilinx 提供的 FPGA 系列全部都支持数字时钟管理和相位环路锁定两大功能。相位环路锁定可以控制对时钟进行非常精确的综合，进一步降低时钟抖动，并且能够实现过滤的功能。将各种功能集合到一张芯片上，并能根据不同需求来进行配置这样就形成了 FPGA 芯片。
将 FPGA 的基本特点归纳总结如下[16]：
1）利用 FPGA 来设计 ASIC电路 相对来讲比较简单，只需要在 FPGA 内部对逻辑资源 配置好相应的参数和工作环境就直接可以得到符合功能的芯片，最重要的是，在此过程中不需要生产流片。
2）FPGA 内部资源包含丰富的 IO 管脚和触发器。
3）FPGA 能够支持各种类型的电平标准，包括 CMOS、 T TL等，在设计时，FPGA 采用了高速的 CHMOS 工艺技术，使用该技术能够降低功耗。
FPGA 是通过片内 RAM 中的下载程序来配置其工作状态，工作之前需要对RAM 进行编程。上电后，FPGA 芯片将外接 PROM 中的下载程序读入片内 RAM中，接着 FPGA 根据 RAM 中的数据进行配置后进入工作状态。断电后，FPGA 恢复初始状态，内部配置的逻辑关系解除，以便重复利用。FPGA 拥有多种配置模式：并行主模式表现为一片 FPGA 配套一片 PROM 的方式；主从模式支持一片PROM 编程多片 FPGA；串行模式则是 PROM 通过串行接口对 FPGA 编程；外设模式即把 FPGA 当做微处理器的外设，通过微处理器对 FPGA 进行编程[16]。
2.2.2 Vritex-5 平台简介
Xilinx 的主流 FPGA 包括两大类：一类侧重于低成本应用，容量中等，可以满足一般的逻辑设计需求，如Spartan系列：另外一类侧重高性能应用，容量大，能满足各类高端设计，如 Vritex 系类。在 Vritex 系列有 Vritex-II、Vritex-II Pro、Vritex-4、Vritex-5 和 Vritex-E 等平台。本小节主要对 Vritex-5 的性能进行介绍。
Vritex-5 系列采用第二代 ASMBL（高级硅片组合模式）列式架构，包括四种各不相同的子系列，极大的增加了可供选择的 FPGA 范围。除了高性能逻辑架构先进外，Vritex-5 系列 FPGA 还拥有多种硬 IP 系统模块，包括强大的 36Kb BlockRAM/FIFO、 带有内置数控阻抗的SelectIO 技术、系统监视器功能、ChipSync 源同步接口模块、带有集成 DCM 和锁相环 PLL时钟发生器的增强型时钟管理模块以及高级配置选项[17]。LXT和SXT器件还包括串行连接的电源优化高级串行收发器模块、符合 PCI Express 的集成端点模块以及三态以太网 MAC。Vritex-5 FPGA的逻辑单元高达 330000 个、IO 管脚高达 1200 个，带有低功耗的 RockteIO 串行收发器、以及其他增强型 IP，提供了集成式系统性能，从而缩短了设计周期，并削减了系统成本[17]。
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第三章 图像处理系统硬件设计......................................... 19
3.1 引言..............................................19
3.2 系统结构设计.....................................19
3.3 原理图设计.................................20
3.3.1 电源设计方案.....................................20
3.3.2 FPGA 设计方案 ..................................24
3.3.3 CF 卡设计方案................................26
3.3.4 USB3.0 设计方案 ....................................28
3.4 系统 PCB 设计 .......................................31
3.4.1 PCB 板布局和分层结构 .....................................31
3.4.2 电源和地线的设计...............................33
3.4.3 PCB 板布线 ...............................35
3.5 本章小结.......................................... 37

第四章 系统逻辑实现与测试

4.1 引言
在整个系统中，FPGA 的功能是对通过相机接口传入的图像数据进行压缩、对外围存储器件和通讯器件进行控制，最终实现对图像压缩数据的存储和传输。针对上述功能，在 FPGA 内部逻辑设计过程中，主要通过三个模块来实现，分别为图像压缩模块、CF 卡存储模块以及 USB3.0 传输模块，整体框图见图 4.1。
其中图像压缩模块主要对接收到的图像先进行预处理，处理完成后对处理结果进行小波变换、SPIHT 压缩编码，最后将压缩后的数据进行打包；CF 卡存储模块则是将打包后的数据以及原始的图像数据存到 CF 卡中；USB3.0 传输模块则是在 FPGA 的控制下通过对 CF 卡中数据读取进而传到 PC 机上，以达到获取图像数据信息的目的。

4.2 图像压缩模块设计
图像压缩模块可分解为两个子模块，一个是图像预处理模块，另一个是图像编码模块。在本设计中图像压缩模块的整体架构和逻辑设计非常成熟，已在其它的项目中多次得到验证，具体的实现过程不是本设计的重点。在本系统中可以将图像压缩模块看作打包好的 IP 核，只需要在顶层进行例化，对其接口做小部分的修改即可应用。下面通过两个小节对两个子模块进行简要介绍。
4.2.1 图像预处理模块
在航拍获取测绘图像后，直接得到的图像数据形式并不能用来进行压缩处理，其数据格式不满足要求。所以在将图像送给编码模块之前必须对收到的图像数据进行预处理，使其数据形式满足要求。图像预处理模块的结构图如下图 4.2所示：

1) 数据同步与数据拼接处理模块
由 CDD 相机控制通过相机接口传入的图像数据其时钟与压缩系统的时钟不一致，其数据格式也不能直接用来压缩，所以首先需要对数据进行缓存进而处理。该模块收到图像数据之后通过对数据信号、帧同步以及行同步信号的分析，利用系统时钟对其进行同步。同步之后数据位宽不变为 8bit，而 SDRAM 的数据接口为 16bit，所以要进行拼接处理。拼接完成后进入双端口 RAM 缓存，缓存的目的是为了在数据输入 SDRAM 过程中更方便控制。
2) SDRAM 读写控制模块
SDRAM 读写控制模块按照 SDRAM 的时序要求，为 SDRAM 添加行激活、刷新、读、写等命令，完成数据的缓存功能。在进行数据缓存时，根据对数据的帧同步和行同步的判断，在每一幅图像缓存结束时，输出存储完毕的使能信号。
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第五章 结束语

与传统的测绘手段相比，无人机测绘凭借其灵活机动等优点在测试领域将会越来越受到重视。但是随着测绘半径的增大，图像数据精度的提高，测绘任务的增加直接导致了测绘图像数据量的空前加大。所以相应的图像处理系统也要紧跟要求和变化，不断进行技术更新和创新，最大可能的满足任务需求。
而本文的设计则就是针对某项具体的无人机航拍计划，根据其具体的任务需求设计出满足要求的图像处理系统。在本文中，针对系统中所面临最重要的三大方面，图像压缩、数据存储以及数据传输。首先从背景介绍、发展概况给出了说明；然后再针对目前这三大方面的理论基础、设计平台进行介绍。明确了三大方面的具体技术，采用 SPIHT 压缩算法、CF 卡存储和 USB3.0 传输技术；接着根据前面的理论，给出了图像处理系统的硬件设计方案，分别从原理图和 PCB 两个大方面进行详细的设计阐述；最后则给出了在 FPGA 平台上各个模块的逻辑实现方法，详细说明了测试方案。
从整体系统的角度来讲，本设计能够满足当前图像处理的要求，但是在实际应用中，很多地方还是值得我们探索和研究的：
1) 比如图像压缩算法，我们使用的成熟的 SPIHT 算法，如何采用一种新的压缩算法，在保证图像质量的前提下尽可能减少码流数据；
2) 在存储方面，随着数据信息的海量增加，可以考虑是否应用尺寸更小的TF 卡或者 SD 卡进行更换；
3) USB3.0 虽然在传输速度方面可以达到 5.0Gpbs，但是它并不能进行远距离传输，所以也可以将千兆网口作为备选方案以满足不同的距离要求；
4) 无人机对功耗的要求同样很高，在本系统中 FPGA 外接了 4 片 SRAM 作为小波变换和编码的缓存，是否能对 FPGA 逻辑设计进一步提高来减少SRAM 的个数，以达到降低功耗的目的。
总之，随着科技的进一步发展，知识变化日新月异，我们在学习的道路上要不断提高自己各个方面的能力，以期能为祖国做出应有的贡献。
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参考文献（略）

本文编号：11987