无人机机载图像压缩系统的设计与实现

发布时间：2017-10-03 18:12

  本文关键词：无人机机载图像压缩系统的设计与实现

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【摘要】：无人机航拍测绘作为无人机的主要用途之一,凭借其高效快捷、灵活机动、实时精确等优点广泛应用于国防和民用领域。无人机航拍过程中需要对图像进行实时压缩处理以实现数据高效传输和存储,因此机载图像压缩系统是无人机必不可少的图像处理和存储设备。本文中设计实现的无人机机载图像压缩系统不但具有航拍图像实时压缩和传输、大量数据快速稳定存储、数据高速下载解压等功能,还具有体积小、处理速度快、稳定性高、资源占用率低、功耗低等优点,非常适用于当前无人机的航拍测绘工作,现已实际应用于“XX”型号无人机。本文对无人机机载图像压缩系统的设计和实现进行说明,主要的设计成果从以下几个方面进行阐述：1.基于FPGA的图像压缩算法的硬件实现。为了满足无人机机载图像压缩系统小体积、低功耗、低资源和高处理速度的需要,系统采用FPGA作为硬件平台,对快速SPIHT算法进行硬件实现,将图像压缩速率提升至30MB/s。为了解决图像压缩系统硬件逻辑资源有限的问题,图像压缩编码设计采用复用多级小波变化编码结构,与传统小波变化编码结构相比在资源使用上有明显降低,主要资源使用量的降幅高达50%。2.基于FPGA的CF卡读写控制和存储设计。为了满足无人机的存储设备体积小、存储空间大、性能稳定、读写速率快等需求,系统采用工业级CF卡作为存储介质,能在低温和振动的极端环境下稳定高速地存储大量数据。为了解决存储器数据存储速率慢的问题,以FPGA为主控芯片,设计硬件逻辑控制CF卡在Ture-IDE模式下的UDMA-6状态进行读写工作,读写速率达到60MB/s以上,最高速率可达100MB/s,数据存储速率为上一代压缩系统的2-3倍。3.基于FX3外设控制器的USB3.0数据传输通路设计。为了解决将CF卡存储的大量数据通过FPGA快速下载至本地PC中进行处理和分析的问题,系统采用FX3-USB外设控制器实现FPGA与PC间以USB3.0为数据通路的高速数据传输,数据传输稳定且速率高达30MB/s,远高于其他通用传输通路的传输速率。4.基于Zynq平台的千兆网络设计。为了解决本地PC对无人机中存储数据进行远距离有线高速下载,且在数据传输的同时对数据进行处理而不影响数据传输速度的问题,系统采用Zynq平台作为外设控制器,在FPGA与PC间通过千兆网络的数据传输同时进行数据处理,实现了传输距离高达500m、传输速率达20MB/s的千兆网络传输通路。5.对基于FPGA的高速数据传输通路进行性能对比和应用分析。为了解决FPGA与PC在不同工作条件下的数据交互问题,基于外设控制器设计USB3.0和千兆网络两种主流数据传输通路。对比分析两种设计的性能和特点,总结两种设计的应用条件,使两种数据传输通路可快速应用于不同工程的数据传输和下载工作中。最后,机载图像压缩系统可从以下几个方面进行改进和优化,选择更优的图像压缩算法以提高压缩速率,通过改进压缩编码器结构以降低资源使用量,使用SD卡减小存储器体积或采用固态硬盘增大存储容量。
【关键词】：图像压缩 FPGA CF卡 USB3.0 Zynq
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P231
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-15
• 第一章 绪论15-19
• 1.1 研究背景15
• 1.2 研究概况15-17
• 1.3 论文内容与章节安排17-19
• 第二章 基于FPGA的图像压缩算法的硬件实现19-29
• 2.1 引言19-20
• 2.2 前端图像数据预处理模块设计20-21
• 2.2.1 数据同步和拼接模块设计20-21
• 2.2.2 前端SDRAM读写控制模块设计21
• 2.2.3 图像分量分离模块设计21
• 2.3 图像压缩编码模块设计21-25
• 2.3.1 压缩编码模块逻辑结构总体设计22
• 2.3.2 复用多级小波变换编码器逻辑设计22-24
• 2.3.3 生成树抽取模块逻辑设计24-25
• 2.3.4 RS编码模块逻辑设计25
• 2.4 后端数据传输和指令接收模块设计25-27
• 2.4.1 后端SDRAM读写控制模块设计26
• 2.4.2 RS-422指令接收解析模块设计26-27
• 2.4.3 RS-485数据传输模块设计27
• 2.5 本章总结27-29
• 第三章 基于FPGA的CF卡读写控制及存储设计29-37
• 3.1 引言29
• 3.2 CF卡工作模式选择29-30
• 3.3 基于FPGA的CF卡读写设计30-34
• 3.3.1 命令解析和数据传输设计30-31
• 3.3.2 基于FPGA的CF卡读写控制逻辑设计31-34
• 3.4 CF卡存储方案设计34-36
• 3.4.1 工业级CF卡存储设备选择34-35
• 3.4.2 CF卡拼接存储方案设计35
• 3.4.3 CF卡断电不覆盖存储方案设计35-36
• 3.4.4 CF卡循环覆盖存储方案设计36
• 3.5 本章总结36-37
• 第四章 基于FPGA的高速数据传输通路设计37-55
• 4.1 引言37
• 4.2 基于FX3的USB3.0高速数据传输通路设计37-45
• 4.2.1 EZ-USB FX3简介37-39
• 4.2.2 基于FPGA的USB3.0读写控制设计39
• 4.2.3 GPIFⅡ接口设计39-41
• 4.2.4 SLAVE FIFO读模式设计41-42
• 4.2.5 SLAVE FIFO写模式设计42-43
• 4.2.6 FX3外设控制器固件软件设计43
• 4.2.7 USB3.0接口上位机控制接收软件设计43-45
• 4.3 基于Zynq的千兆网络传输通路设计45-52
• 4.3.1 Zynq简介45
• 4.3.2 Zynq PL数据传输接口逻辑设计45-47
• 4.3.3 Xillybus IP core设计47-49
• 4.3.4 Zynq PS软件设计49-50
• 4.3.5 千兆网口上位机控制接收软件设计50-52
• 4.4 基于FPGA的数据传输通路性能对比分析及应用总结52-54
• 4.4.1 数据传输通路的性能对比分析52-53
• 4.4.2 数据传输通路的应用总结53-54
• 4.5 本章总结54-55
• 第五章 系统集成测试55-63
• 5.1 测试平台搭建55-56
• 5.2 功能模块测试56-60
• 5.2.1 图像压缩功能模块测试57
• 5.2.2 数据存储功能模块测试57-59
• 5.2.3 数据下载功能模块测试59-60
• 5.3 整体通路功能测试60-61
• 5.3.1 整体通路基本功能测试60
• 5.3.2 整体通路性能测试60-61
• 5.3.3 整体通路稳定性测试61
• 5.4 本章小结61-63
• 第六章 结论和展望63-65
• 6.1 研究结论63-64
• 6.2 研究展望64-65
• 参考文献65-67
• 致谢67-69
• 作者简介69

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3 唐W

本文编号：965953