高分辨航拍相机实时图像存储系统的关键技术

    1 引 言

    随着数字及半导体技术的发展,采用信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列器件(FPGA)和闪速存储器(FLASH ROM)结构的数字硬件系统正显示出优越性。通用DSP的优点是通过编程可以应用到广泛的产品当中去,且已经能够满足算法控制结构复杂、运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强大等需求。但是传统DSP的结构本质上是串行的,对于需要处理的数据量大、速度高、而运算结构相对简单的底层图像处理算法来说,并没有优势可言,而这恰好是FPGA硬件的强项。采用DSP+FPGA的数字硬件系统并结合两者的优点,兼顾了速度和灵活性。最大优点是结构灵活,适合模块化设计,易于维护和扩展,适合应用于实时信号处理系统。

    在某高分辨率航拍相机的实时图像处理系统中,我们应用DSP+FPGA+FLASH结构实现了图像的实时无损压缩与存储。

    2 系统结构及工作原理

    本航拍相机系统主要由一片高分辨率全帧转移型面阵CCD(有效像素为1100万,像元尺寸为9@9Lm2)及其驱动电路、相关双采样CDS、自动增益放大器及ADC、信号处理系统和存储系统,以及USB接口等。系统组成框图如图1所示。

    系统工作时,CCD输出的模拟信号由四象限分别读出,经四路12位ADC数字化处理,进行相关双采样CDS,得到的数据信息通过DSP读出并进行压缩、转换等处理,再转换成特定的图像格式。最后,以图像文件的形式存储在FLASH存储器中。可通过LCD查看拍摄的照片和通过USB接口将照片传输到计算机上。

    3 系统主要器件

    高分辨率航拍数码相机的实时图像存储系统主要由一片DSP和两片FPGA(包括预处理器和接口控制器)组成。系统设计要求每秒2帧图像,每帧1100万像素,经过12位ADC,最终数据量为264Mbit/s,为保证图像质量采用无损压缩,同时为确保系统工作的实时性,对DSP运算性能提出了很高的要求。

    系统中压缩算法芯片为TI公司的TMS320C6701。它可在一个时钟周期内并行执行8条指令,内部工作频率可达200MHz,每秒可完成1. 6G次操作,有4个通道自加载的DMA通道,可以在没有CPU参与下完成映射空间的数据传输。

    3. 1 可编程门阵列器件FPGA

    ALTERA公司生产的Cycloney系列中的EPlC3T144C8,其最高工作频率可达200MHz,拥有2910个逻辑单元, 104个I/0口,可保证各功能模块的实现以及系统的灵活性和高集成度。主要解决问题有两个:

    (1)预处理和缓存。图像压缩系统所需要的输入图像数据流是按照图像的原始排列组织的,而图像采集系统中,A/D转换后的输出数据流为四象限结构。因此,必须对此数据流进行相应的预处理,图像压缩系统才能够直接从图像采集系统中得到需要的数据格式,从而提高整个图像处理系统的性能。