超强宽幅图像处理系统可以这样设计，图像存储、压缩与回放统统实现 微软雅黑

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项目背景及可行性分析

• 项目名称、项目的主要内容及目前的进展情况

项目名称：宽幅图像存储、压缩与回放系统的研制与开发。本项目主要由两部分构成，包括编码板和解码板的开发与调试。编码板主要完成拍摄数据的无损存储和实时压缩，解码板主要完成压缩数据的实时解码和PC回放。目前，编码板与解码板可协同工作，完成图像存储、压缩与解压等基本功能，同时还能在PC上对解压图像进行回放。

• 项目关键技术及创新点

本项目关键技术之一是高速大容量存储通道的设计，该设计摒弃了当前广泛采用的由操作系统控制硬盘进行存储的模式，转而采用FPGA在硬件底层上直接对硬盘进行控制，同时辅以SDRAM作为大容量高速数据缓存，极大地提高了硬盘的存储速率。本系统设计的另一亮点，即采用数据传输与数据压缩并行工作的方式，实现压缩码流传输时间的复用，极大提高了系统效率。在该方式下，数据发送任务由FPGA实现，缩短了DSP在数据发送任务上的时间开销，做到了图像压缩和数据传送的并行操作，对相机拍摄间隔时间的缩短起到了主要的作用。

• 技术成熟性和可靠性

在硬件设计上，本项目在设计之初便考虑了系统可靠性问题，对编码板和解码板采用镜像设计方法，使得系统调试更为简便，同时也增强了系统的可靠性。在软件设计上，以FIFO为基础的接口同步方案以及乒乓操作等数据缓存技术的使用，提高了软件在数据处理方面的可靠性。同时，基于FPGA的SDRAM、ATA外围存储设备控制在本小组所在实验室已是成熟技术。我们对系统连续进行200次拍照存储压缩试验，所测数据完全正确，这从一个侧面验证了系统的可靠性。

项目实施方案

• 方案基本功能框图及描述

数据存储、压缩和传输部分：

① 数据存储
宽幅图像数据量庞大，单幅图像约20MB，数据存储介质采用ATA接口标准的固态硬盘。现行ATA接口标准在PIO模式下的存储速率理论值为16.7MB/s，而CCD提供的数字接口速率约为25MHz，因此，系统采用SDRAM作为图像缓存。在硬件结构上，SDRAM和硬盘均由FPGA控制，该模块实现了一条完整的高速大容量存储通道，可在2秒内完成单幅原始图像数据的存储。

② 数据压缩
由于数据传输采用RS422接口，传输速率有限，不能直接将原始数据进行传输，因此需要进行图像压缩。系统采用专用JPEG2000压缩芯片ADV202，在DSP控制下读取硬盘数据，对图像进行分块压缩。

③ 数据传输
数据传输采用RS422接口，传输速率2Mb/s，在图像压缩比10:1的情况下，单幅图像压缩码流传输时间约8s。本系统采用数据传输与数据压缩并行工作的方式，实现压缩码流传输时间的复用，极大提高了系统效率。在该方式下，DSP操做ADV202对图像进行分块压缩，并将当前分割图像压缩数据快速传达SRAM，随后，FPGA操作SRAM从中读出数据，并按RS422接口标准发送。事实上，在FPGA进行数据传输的同时，DSP已经开始下一分割图像的压缩。这其实是资源与速度互换原则的体现。



图像回放部分：
① 数据接收
数据接收主要由FPGA控制完成，有两大任务，一是将有效数据从传输帧结构中提取出来，二是将压缩图像数据和系统参数数据分离。实现时，FPGA控制两片SRAM乒乓操作实现压缩数据的接收，其中每片SRAM负责存放一幅完整的图像压缩数据，保证输入数据流和输出数据流连续不断，使得数据接收更加高效、稳定。

② 数据解压
数据解压部分整体上同数据压缩部分成镜像关系，采用专用的JPEG2000压缩芯片ADV202，在DSP的控制下读取存储在SRAM中的压缩图像数据，对图像进行分块解压。

③ 数据回放
数据回放部分主要通过PCI接口将图像解压数据和系统参数传至PC进行显示。PCI接口由PCI9054实现，在PCI局部总线端采用Scatter/Gather DMA模式接收数据。PCI DMA传输时序和DSP并不兼容，因此，同步数据接口采用FIFO存取方法，通过FPGA实现从DSP到PCI数据接收端口的时序转化。

• 需要的开发平台

以FPGA为枢纽的硬件平台开发需要FPGA具有丰富的IO引脚和足够的逻辑资源。本项目在Spartan3系列的FPGA下进行开发，开发软件包括ISE8.2，ChipScope以及ModelSim等。

• 方案实施过程中需要开发的模块

主要开发模块包括：高速缓存系统模块、硬盘控制模块、RS422发送控制模块、数据接收模块、PCI接口模块等。模块开发主要由仿真和实测两部分构成。

• 系统最终要达到的性能指标

系统最终在10秒内完成一幅宽幅图像的存储、压缩、传输和回放功能。