王 兵 白志富 張修建 印朝輝 張鐵犁

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100076；2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 引 言

圖像信息由于具有直觀、具體、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，不斷被引入航空、航天、無(wú)人機(jī)等飛行試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)控中，并成為故障分析時(shí)不可替代的信息類型[1]。但由于視頻圖像數(shù)據(jù)量巨大，而飛行試驗(yàn)遙測(cè)傳輸?shù)膸捠菢O其有限的，因此，需要通過(guò)圖像壓縮器將攝像裝置輸出的視頻圖像信號(hào)進(jìn)行采集、壓縮編碼，形成滿足傳輸帶寬要求的碼率的數(shù)據(jù)碼流后，再由遙測(cè)無(wú)線信道發(fā)送回地面。

由于飛行試驗(yàn)所用圖像壓縮器應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，使其對(duì)圖像壓縮質(zhì)量、壓縮算法、硬件結(jié)構(gòu)體積、功耗、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等均具有較高的要求。因此需要從多方面綜合考慮以達(dá)到圖像壓縮系統(tǒng)性能最優(yōu)。其基本設(shè)計(jì)要求如下：

(1)圖像壓縮、切換要求：能對(duì)兩路輸入模擬視頻信號(hào)按照時(shí)序要求進(jìn)行切換，并對(duì)單路模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采集壓縮和傳輸處理；切換過(guò)程中圖像不能錯(cuò)幀，切換后不能出現(xiàn)花屏、抖動(dòng)等異?，F(xiàn)象；

(2)圖像傳輸處理要求：能夠通過(guò)中心程序器提供的移位脈沖將壓縮后的數(shù)據(jù)串行移入中心程序器，并要求按規(guī)定的恒定速率傳輸數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，且不錯(cuò)漏；

(3)圖像幀頻及尺寸：25幀/s；352×288，彩色視頻，格式：4:2:0；

(4)算法及延時(shí)：采用自主設(shè)計(jì)的快速H.264壓縮算法，壓縮處理延時(shí)不大于500ms;

(5)重建圖像序列平均PSNR>30dB，無(wú)明顯失真現(xiàn)象，圖像連續(xù)流暢播放；

(6)能夠滿足飛行試驗(yàn)的溫度、振動(dòng)、沖擊及電磁兼容等環(huán)境條件要求。

本文設(shè)計(jì)了一種圖像壓縮系統(tǒng)，在適應(yīng)飛行試驗(yàn)復(fù)雜環(huán)境的情況下，實(shí)現(xiàn)兩路圖像視頻的分時(shí)切換、采集壓縮和傳輸處理等功能。

2 圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 圖像壓縮系統(tǒng)原理

圖1為現(xiàn)有圖像遙測(cè)系統(tǒng)原理框圖,通過(guò)在現(xiàn)有的遙測(cè)系統(tǒng)增加視頻監(jiān)控子系統(tǒng)(含攝像頭與圖像壓縮器)獲取飛行狀態(tài)圖像，再通過(guò)遙測(cè)系統(tǒng)傳輸至地面，在地面增加了圖像實(shí)時(shí)解碼設(shè)備,用于圖像實(shí)時(shí)解碼及顯示。該圖像壓縮器最主要的特點(diǎn)是要求采用自主設(shè)計(jì)的快速H.264壓縮算法，不可以采用如達(dá)芬奇系列DSP內(nèi)部的H.264編碼硬核來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就要求采用通用的硬件架構(gòu)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)快速H.264壓縮算法及傳輸編碼等功能。當(dāng)前許多研究者對(duì)基于FPGA+DSP架構(gòu)的圖像處理平臺(tái)都有過(guò)很多研究[2～6]，并形成成熟的案例。因此，本文采用將DSP與FPGA兩種處理的結(jié)合起來(lái)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)架構(gòu)方案，具有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，且更靈活、更通用，同時(shí)由于DSP芯片和FPGA芯片均具有較寬的工作溫度范圍，能夠適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境。

圖1 圖像遙測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of image telemetry system

圖像壓縮系統(tǒng)的工作流程：從攝像頭進(jìn)來(lái)的兩路模擬視頻信號(hào)由圖像壓縮器的兩路解碼電路完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后輸出的數(shù)字視頻信號(hào)，將數(shù)字視頻信號(hào)變換到要求的圖像幀格式及尺寸，再經(jīng)自主設(shè)計(jì)的H.264壓縮編碼算法模塊進(jìn)行壓縮編碼處理，形成碼流后進(jìn)入控制器內(nèi)的圖像緩沖區(qū)，再由控制器根據(jù)約定的數(shù)據(jù)幀格式對(duì)碼流數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后根據(jù)與遙測(cè)中心程序器的控制時(shí)序?qū)D像數(shù)據(jù)信號(hào)以恒定的速率傳輸給箭上遙測(cè)中心程序器，同時(shí)控制器還根據(jù)系統(tǒng)給出的“起始”信號(hào)及約定的切換時(shí)序完成視頻切換；空中遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線信道將圖像數(shù)據(jù)傳輸至地面遙測(cè)系統(tǒng)，然后通過(guò)挑路軟件將視頻信號(hào)挑出后通過(guò)以太網(wǎng)與地面解碼設(shè)備進(jìn)行連接，由解碼設(shè)備進(jìn)行圖像重建，顯示及播放，本文采用軟件解碼的方式。

2.2 圖像壓縮系統(tǒng)組成

圖像壓縮系統(tǒng)由圖像壓縮板、電源板、殼體等硬件和DSP壓縮模塊、FPGA控制模塊等軟件組成，組成框圖如圖2所示。

圖2 圖像壓縮系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of the image compression system

圖像壓縮系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想，整機(jī)電路由圖像壓縮板和電源板兩個(gè)模塊組成。圖像壓縮板主要是實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)的H.264編碼算法及碼流傳輸數(shù)據(jù)幀、視頻切換等控制，并最終達(dá)到遙測(cè)系統(tǒng)有限信道容量要求。電源板主要提供圖像壓縮處理系統(tǒng)器內(nèi)部工作的各種電源和前端圖像傳感器工作的二次電源。圖像壓縮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)殼體，采用上下分體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)散熱設(shè)計(jì)、電磁兼容設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)圖像壓縮系統(tǒng)的散熱處理和電磁屏蔽。

圖像壓縮系統(tǒng)的軟件主要包括兩部分：即DSP圖像壓縮模塊和FPGA控制模塊。DSP圖像壓縮模塊主要在DSP中實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的快速H.264算法，將攝像頭輸出的視頻壓縮成H.264碼流，然后輸出到FPGA；FPGA模塊，主要是實(shí)現(xiàn)圖像壓縮系統(tǒng)的各種信號(hào)的時(shí)序控制，包括“起飛”等外部輸入信號(hào)的接收、兩路視頻的切換時(shí)序控制、輸出接口的控制等，最終將壓縮好的碼流以PCM碼格式傳送到遙測(cè)系統(tǒng)的中心程序器。

2.3 圖像壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖像壓縮系統(tǒng)殼體由上殼體、下殼體、上蓋、下蓋及減震器組成，采用鋁合金材料2A12，三維結(jié)構(gòu)及其剖面示意圖如圖3所示。其中電源板安裝在上殼體中，圖像壓縮板安裝在下殼體中，上下殼體可單獨(dú)裝調(diào)好后進(jìn)行整機(jī)裝配，便于后續(xù)的測(cè)試與故障排查。在下殼體側(cè)面加工有地線連接孔，可與箭體地相連，保持整機(jī)外殼與箭體良好導(dǎo)通。視頻連接器通過(guò)轉(zhuǎn)接板、轉(zhuǎn)接板絕緣墊片與下殼體相連，轉(zhuǎn)接板與下殼體連接的沉孔處安裝絕緣螺釘套，實(shí)現(xiàn)了視頻連接器殼體與圖像壓縮器殼體的絕緣。

在減震方面，采用4個(gè)減震器，每個(gè)減震器均可提供三個(gè)方向的減震功能，保證了圖像壓縮裝置在震動(dòng)沖擊環(huán)境下的可靠性。

圖3 殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the housing structure

在散熱設(shè)計(jì)方面，上蓋、下蓋內(nèi)側(cè)加工有散熱凸臺(tái)，通過(guò)導(dǎo)熱墊與電源模塊及壓縮模塊上的電源芯片及處理芯片進(jìn)行接觸，將芯片散發(fā)的熱量傳導(dǎo)到上、下蓋，最終傳導(dǎo)到空氣中，能夠有效的提高散熱效果。

在電磁兼容設(shè)計(jì)方面，所有主體結(jié)構(gòu)均采用導(dǎo)電陽(yáng)極化處理，并在噴涂時(shí)對(duì)各安裝面進(jìn)行保護(hù)。上殼體、下殼體安裝面加工有導(dǎo)電橡膠安裝槽，并貼有導(dǎo)電橡膠；各連接器與安裝面間貼有導(dǎo)電橡膠墊，確保整機(jī)成為一個(gè)連續(xù)導(dǎo)電的整體。

2.4 圖像壓縮系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 圖像壓縮板設(shè)計(jì)

圖4為圖像壓縮板電路原理框圖。

圖4 圖像壓縮板電路原理框圖Fig.4 Circuit block diagram of the image compression board

圖像壓縮板電路主要由圖像壓縮編碼器(DSP)、控制器(FPGA)、視頻解碼器(Video ADC)、程序存儲(chǔ)器(FLASH)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM)、復(fù)位電路(Reset)、測(cè)試端口(JTAG)等組成。

圖像壓縮編碼器基于DSP來(lái)完成，主要完成復(fù)合視頻信號(hào)的解碼器的初始化和圖像數(shù)據(jù)的采集及壓縮。控制器主要完成時(shí)序控制、與中心程序器的通訊?？刂破鲗?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并接收“起始”信號(hào)，若“起始”信號(hào)有效則將時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器清零，之后的圖像時(shí)標(biāo)將按新的時(shí)標(biāo)添加。FLASH用于存儲(chǔ)DSP程序代碼，SDRAM用于存儲(chǔ)原始視頻數(shù)據(jù)、DSP中間運(yùn)算結(jié)果和壓縮后的視頻數(shù)據(jù)，JTAG用于圖像壓縮模塊的調(diào)試與測(cè)試。

DSP主要用于完成復(fù)雜的圖像壓縮算法，采用TI公司生產(chǎn)的TMS320DM642數(shù)字信號(hào)處理器，該數(shù)字信號(hào)處理器是一款32位定點(diǎn)DSP芯片，是基于TI開(kāi)發(fā)的第二代高性能、先進(jìn)Veloci TI技術(shù)的VLIW結(jié)構(gòu)，包含一個(gè)用數(shù)字表達(dá)容量的陣列處理器、一個(gè)操作靈活的高速處理器、8個(gè)獨(dú)立的功能單元和64個(gè)32位字長(zhǎng)的通用寄存器。TMS320DM642 具有3個(gè)支持多種視頻標(biāo)準(zhǔn)(CCIR601,ITU-BT.656, BT.1120,SMPTE125M,260M,274M，296M)的可配置視頻端口(VPO、VP1 和 VP2)。通過(guò)該端口直接與視頻解碼器(Video ADC)連接，以ITU-BT.656格式捕獲數(shù)字視頻，簡(jiǎn)化接口設(shè)計(jì),有利于提高產(chǎn)品的可靠性。其工作溫度范圍可達(dá)(-40～+105)℃，能夠滿足飛行試驗(yàn)環(huán)境要求。

FPGA作為控制器，主要用于完成系統(tǒng)的圖像切換控制、“起始”信號(hào)判讀及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序控制等，采用Xillinx公司的Virtex2系列FPGA，具有高性能、高速度和低功耗的特點(diǎn)，，同時(shí)該器件為符合美軍標(biāo)要求的軍品級(jí)器件，溫度范圍可達(dá)(-55～+125)℃，能夠滿足飛行試驗(yàn)環(huán)境要求。作為DSP的協(xié)處理器，負(fù)責(zé)完成圖像的切換控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)容o助功能，使得DSP可以專注于壓縮算法處理。

2.4.2 圖像壓縮板的工作流程

(1)DSP首先檢測(cè)來(lái)自控制模塊的“起始” 信號(hào)，如果“起始” 信號(hào)有效，將時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器清零(待完成當(dāng)前場(chǎng)圖像編碼后，在視頻數(shù)據(jù)中插入新的時(shí)標(biāo)信息)；其次進(jìn)行“切換”信號(hào)檢測(cè)，若“切換”信號(hào)無(wú)效，不進(jìn)行視頻切換，則直接從SDRAM緩沖區(qū)中讀取當(dāng)前攝像裝置的圖像數(shù)據(jù)，若“切換”信號(hào)有效，進(jìn)行視頻切換，則切換至SDRAM的另一緩沖區(qū)讀取另一個(gè)攝像裝置的圖像數(shù)據(jù)；然后，DSP進(jìn)行當(dāng)前幀圖像數(shù)據(jù)編碼并將編碼結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM)；此時(shí)在DSP中啟動(dòng)另一線程，通過(guò)EMIF接口將視頻碼流的寫(xiě)入FPGA程序中的FIFO中；FPGA根據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)中心程序器發(fā)過(guò)來(lái)的同步移位脈沖信號(hào)及幀同步信號(hào)將數(shù)據(jù)串行化后以恒定的速率通過(guò)高速光耦發(fā)送給中心程序器。

(2)圖像壓縮板與中心程序器通過(guò)高速光耦進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，圖像壓縮器中的FPGA通過(guò)光耦接收中心程序器的發(fā)過(guò)來(lái)的幀同步信號(hào)和移位脈沖信號(hào)之后，按照?qǐng)D5所示的接口時(shí)序，構(gòu)建狀態(tài)機(jī)，按時(shí)序要求再通過(guò)高速光耦向中心程序器送出數(shù)碼脈沖。移位脈沖的頻率為1MHz，F(xiàn)PGA接收到幀同步信號(hào)后，等待12us，根據(jù)移位脈沖的上升沿，將一個(gè)字節(jié)的8位數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換后發(fā)出，先發(fā)低位再發(fā)高位，中心程序器在移位脈沖的下降沿取數(shù)據(jù)。

圖5 接口時(shí)序Fig.5 Interface timing

2.4.3 電源板設(shè)計(jì)

如圖6所示，電源板在圖像壓縮處理模塊在設(shè)計(jì)中采用15W功率的隔離DC-DC對(duì)系遙測(cè)電池+28V轉(zhuǎn)換到+5V，再經(jīng)過(guò)LDO將+5V轉(zhuǎn)換到+3.3V、+1.8V、+1.5V、+1.4V等多種電源，經(jīng)過(guò)DC-DC升壓芯片將+5V電源升至+12V，經(jīng)LC濾波網(wǎng)絡(luò)濾波隔離后給兩路攝像圖像壓縮板供電。

圖像壓縮系統(tǒng)的電源板是圖像壓縮器系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，電源系統(tǒng)的好壞關(guān)系著能否輸出高質(zhì)量的圖像壓縮數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換方可滿足攝像裝置的工作電壓要求。為了提高工作可靠性及穩(wěn)定性，確保裝置的工作安全及成像質(zhì)量，供電系統(tǒng)采取了以下措施：電源輸入端加入大功率限流電阻，對(duì)裝置供電進(jìn)行過(guò)流保護(hù)；電源輸入端加入雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS)，對(duì)裝置供電進(jìn)行浪涌和過(guò)壓保護(hù)；電源輸入端串入整流二極管，防止電源反接損壞圖像壓縮系統(tǒng)；輸入電壓經(jīng)過(guò)直流濾波器濾波后使用，減小系統(tǒng)和裝置間的互擾；使用隔離型DC-DC電源模塊將源轉(zhuǎn)換到5V，其可承受40V、1min的瞬時(shí)過(guò)壓沖擊；對(duì)于DSP、FPGA及外圍器件供電的3.3V、1.8V、1.5V和1.4V電源采用LDO電源芯片進(jìn)行二次變換，提高效率，減少電源芯片發(fā)熱量；對(duì)于給攝像裝置供電的12V電源，通過(guò)DC/DC升壓芯片將5V電源升到12V，并采用LC濾波網(wǎng)絡(luò)抑制攝像裝置與圖像壓縮系統(tǒng)電源之間的電磁干擾。

在電源板電路設(shè)計(jì)中采用了接地、屏蔽、濾波等抗干擾方法，對(duì)輻射型及傳導(dǎo)型干擾均具有優(yōu)良的抑制性能。具體在PCB設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)注意增加磁珠、去藕電容合理配置、PCB板走線、數(shù)字和模擬分開(kāi)等方面，使裝置的電磁兼容性達(dá)到飛行試驗(yàn)要求。

圖6 電源板電路原理框圖Fig.6 Circuit block diagram of the power board

2.5 圖像壓縮系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖像壓縮系統(tǒng)軟件由DSP圖像壓縮模塊和FPGA控制模塊兩個(gè)組成部分。

2.5.1 DSP圖像壓縮模塊工作流程

(1)接收到FPGA程序發(fā)過(guò)來(lái)的復(fù)位信號(hào)后DSP復(fù)位；

(2)DSP從FLASH讀取程序；

(3)DSP初始化、完成對(duì)復(fù)合視頻解碼器設(shè)置(圖像格式等)；

(4)通過(guò)VP0A和VP1A端口以BT.656視頻流格式捕獲攝像裝置1、2的圖像，并將其每40ms通過(guò)EDMA通道寫(xiě)入“緩沖區(qū)1”；

(5)啟動(dòng)“編碼線程”；

(6)等待“采集完成中斷”，若采集完成中斷有效，則繼續(xù)進(jìn)行“起始”信號(hào)檢測(cè)；

(7)DSP檢測(cè)“起始”信號(hào)(來(lái)自控制模塊)，如果“起始”信號(hào)有效，DSP將時(shí)標(biāo)計(jì)數(shù)器清零；

(8)DSP檢測(cè)“切換”信號(hào)(來(lái)自控制模塊)，如果“切換”信號(hào)無(wú)效，DSP從“緩沖區(qū)1”讀取攝像裝置1的1幀圖像數(shù)據(jù)；如果“切換”信號(hào)有效，DSP從“緩沖區(qū)1”讀取攝像裝置2的1幀圖像數(shù)據(jù)；

(9)完成當(dāng)前場(chǎng)圖像編碼，并插入時(shí)標(biāo)信息；

(10)將壓縮后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入“緩沖區(qū)2”；

(11)返回到等待“采集完成中斷”狀態(tài)，同時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸線程；

(12)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸線程后，DSP檢測(cè)“FIFO_FULL”信號(hào)(來(lái)自控制模塊)。如果“FIFO_FULL”信號(hào)無(wú)效，從“緩沖區(qū)2”讀取數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)輸出給控制模塊中FIFO，直至一幀數(shù)據(jù)傳輸完畢；若“FIFO_FULL”信號(hào)有效，則等待直至“FIFO_FULL”信號(hào)無(wú)效，再開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)；

(13)掛起數(shù)據(jù)傳輸線程，直到下一幀數(shù)據(jù)壓縮編碼完成后再次啟動(dòng)。

2.5.2 FPGA控制模塊工作流程

(1)上電后FPGA從PROM中讀取程序；

(2)FPGA復(fù)位；

(3)FPGA復(fù)位后，傳輸復(fù)位信號(hào)給DSP和其他器件，使其完成逐一復(fù)位；

(4)控制模塊同時(shí)監(jiān)測(cè)“起始”和“請(qǐng)求脈沖”，并運(yùn)行視頻“切換”控制邏輯，具體工作模式如下：如果控制模塊收到“起始”信號(hào)，首先判斷“起始”信號(hào)的有效性，若“起始”有效，向DSP發(fā)“起始”信號(hào) (電平為高)；否則“起始”信號(hào)為低電平；FPGA在接收“取數(shù)脈沖”的同時(shí)，判斷“取數(shù)脈沖”的有效性，若“取數(shù)脈沖”有效，則繼續(xù)判斷“FIFO_EMPTY”是否有效，若FIFO空，則發(fā)送4個(gè)字節(jié)的無(wú)效數(shù)據(jù)，若FIFO非空，則從FIFO讀取數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)序由422連續(xù)發(fā)送512字節(jié)的圖像數(shù)據(jù)，等待測(cè)量系統(tǒng)“取數(shù)脈沖”讀數(shù)；視頻切換時(shí)序；起始至停，分為兩個(gè)時(shí)間段，實(shí)時(shí)測(cè)量視頻2圖像畫(huà)面，此時(shí)向DSP發(fā)“切換”信號(hào)(電平為高)；否則“切換”信號(hào)無(wú)效，為低電平。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖像壓縮系統(tǒng)樣機(jī)研制成功后對(duì)其進(jìn)行了各類試驗(yàn)，以驗(yàn)證其對(duì)任務(wù)需求的滿足情況，因此搭建了了試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，如圖7所示。試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由兩臺(tái)PAL制模擬攝像頭、圖像壓縮系統(tǒng)、測(cè)試臺(tái)、測(cè)試電源、測(cè)試線纜、測(cè)試計(jì)算機(jī)、以及解碼軟件等組成。兩臺(tái)攝像頭作為圖像壓縮系統(tǒng)的視頻輸入，通過(guò)視頻線與圖像壓縮系統(tǒng)連接；測(cè)試臺(tái)用于模擬遙測(cè)系統(tǒng)的部分功能，即向箭上圖像壓縮系統(tǒng)發(fā)送幀同步及移位脈沖信號(hào)，接收箭上圖像壓縮系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)脈沖，并轉(zhuǎn)換成字節(jié)，每512個(gè)字節(jié)打包，通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)送給計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)從以太網(wǎng)接收到數(shù)據(jù)后由解碼軟件進(jìn)行解碼、存儲(chǔ)及顯示播放等；測(cè)試電源為攝像頭、圖像壓縮系統(tǒng)及測(cè)試臺(tái)提供所需的電源。

圖7 圖像壓縮試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the image compression test system

首先對(duì)圖像壓縮系統(tǒng)的各項(xiàng)功能及性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，重點(diǎn)測(cè)試了樣機(jī)的圖像切換、壓縮功能、圖像傳輸功能、時(shí)標(biāo)、接口、圖像尺寸及幀頻、處理延時(shí)、圖像質(zhì)量以及功耗等。攝像頭視頻經(jīng)過(guò)箭上圖像壓縮系統(tǒng)壓縮后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)由解碼軟件進(jìn)行解碼播放，可以觀察到視頻播放清晰流程，無(wú)明顯失真現(xiàn)象，重構(gòu)后的圖像質(zhì)量較好，如圖8所示。功能及性能試驗(yàn)結(jié)果如下：基于FPGA+DSP的圖像壓縮系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩路輸入模擬視頻信號(hào)按照時(shí)序要求進(jìn)行切換，并對(duì)單路模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采集壓縮，并以恒定512kbps速率進(jìn)行傳輸處理；切換過(guò)程中圖像無(wú)錯(cuò)幀、花屏、抖動(dòng)等異?，F(xiàn)象；能夠以CIF尺寸、25幀/s在地面解碼軟件中進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼播放顯示，重建圖像序列平均PSNR始終大于30dB，圖像清晰流暢；圖像壓縮處理總延時(shí)經(jīng)測(cè)試優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),一般情況下保持在200ms以內(nèi)；功耗為0.26A；圖像壓縮系統(tǒng)的功能及性能指標(biāo)滿足了設(shè)計(jì)任務(wù)要求。

圖8 地面解碼重構(gòu)后的圖像Fig.8 Ground decoded reconstructed image

本文設(shè)計(jì)的圖像壓縮系統(tǒng)主要是用于飛行試驗(yàn)，其環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)考核非常重要。為了驗(yàn)證圖像壓縮系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，對(duì)圖像壓縮系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了環(huán)境試驗(yàn)考核，試驗(yàn)項(xiàng)目、條件及結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，圖像壓縮系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠滿足飛行試驗(yàn)要求。

表1 圖像壓縮系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于FPGA+DSP的圖像實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)，針對(duì)飛行試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性、功耗等要求，從系統(tǒng)硬件電路、軟件、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了FPGA并行處理及DSP算法處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的靈活性及環(huán)境適應(yīng)性。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在飛行試驗(yàn)環(huán)境條件下多路視頻的采集、壓縮、傳輸、按時(shí)序切換等功能，具有處理延時(shí)小、功耗低、環(huán)境適應(yīng)性好、適應(yīng)數(shù)據(jù)量大算法復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合等特點(diǎn)，并已經(jīng)得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠滿足飛行試驗(yàn)要求，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

該系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)通用，DSP及FPGA程序軟件均可擴(kuò)展，圖像壓縮率可軟件設(shè)置，是一個(gè)較為通用的圖像處理平臺(tái)，能夠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行調(diào)整，具有廣泛的適應(yīng)性和推廣應(yīng)用價(jià)值。