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荷圖像可視化是深空探測(cè)任務(wù)中的重要需求，但受信道帶寬的限制，無(wú)法實(shí)時(shí)傳輸所有載荷數(shù)據(jù)，因此星載復(fù)接存儲(chǔ)器中圖像的抽取下傳是實(shí)現(xiàn)任務(wù)可視化的關(guān)鍵。

本文設(shè)計(jì)了一種載荷圖像抽取方法，適用于深空探測(cè)航天器載荷自主管理和可視化應(yīng)用。通過(guò)圖像幀識(shí)別、指針管理和數(shù)據(jù)篩選實(shí)現(xiàn)圖像抽幀回放算法，具有圖像完整、實(shí)時(shí)，速率自適應(yīng)的特點(diǎn)。該方法在某探測(cè)器工程項(xiàng)目中采用FPGA進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，經(jīng)測(cè)試、試驗(yàn)驗(yàn)證，滿(mǎn)足工程可視化要求。

0引言

隨著深空探測(cè)任務(wù)需求的發(fā)展，星上數(shù)據(jù)流呈現(xiàn)復(fù)雜化、多樣化，對(duì)在軌數(shù)據(jù)處理的需求迅速增長(zhǎng)，地面可視化是深空探測(cè)工程任務(wù)的重要需求之一，在軌圖像的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)抽取下傳是解決可視化需求的關(guān)鍵。實(shí)際工程中，圖像數(shù)據(jù)量與下行速率之間存在矛盾，工程應(yīng)用上需要獲取高分辨率的載荷圖像導(dǎo)致了數(shù)據(jù)速率的增加，而深空探測(cè)受數(shù)傳信道距離和速率的限制，無(wú)法實(shí)時(shí)下傳全部數(shù)據(jù)。因此需要在星載復(fù)接存儲(chǔ)器中對(duì)圖像進(jìn)行處理，存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行整幀抽取，下傳最新的圖像，實(shí)現(xiàn)任務(wù)可視化。星載復(fù)接存儲(chǔ)器的功能是將多路不同格式的載荷數(shù)據(jù)按照高級(jí)在軌系統(tǒng)協(xié)議格式形成一路數(shù)據(jù)流，經(jīng)過(guò)切分、組幀形成多個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），存入大容量存儲(chǔ)芯片（FLASH），同時(shí)將大容量存儲(chǔ)芯片中的數(shù)據(jù)按照選定地址進(jìn)行回放，并根據(jù)需求對(duì)回放數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

針對(duì)上述需求，在星載復(fù)接存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)回放過(guò)程中通過(guò)圖像幀識(shí)別、指針管理、數(shù)據(jù)篩選實(shí)現(xiàn)抽取速率自適應(yīng)的載荷圖像抽取方法，并通過(guò)FPGA進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，可為后續(xù)深空探測(cè)載荷數(shù)據(jù)管理任務(wù)提供技術(shù)參考。

1抽幀回放算法

星載復(fù)接存儲(chǔ)器的功能為復(fù)接多路載荷圖像數(shù)據(jù)，將復(fù)接后的數(shù)據(jù)流存入大容量存儲(chǔ)器，根據(jù)回放指令將固存中數(shù)據(jù)讀出，進(jìn)行信道編碼后輸出至數(shù)傳。

抽幀回放的過(guò)程應(yīng)結(jié)合復(fù)接存儲(chǔ)器的工作過(guò)程，由于一幅圖像數(shù)據(jù)量較大，復(fù)接器入口無(wú)法緩存整幅圖像，因此綜合考慮軟硬件開(kāi)銷(xiāo)，設(shè)計(jì)在記錄時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，抽取在存儲(chǔ)之后的回放過(guò)程中完成。

抽取方法如圖1所示，圖像通過(guò)LVDS接口以串行形式輸入，在接口預(yù)處理模塊，將一幅圖像切分并填充為多個(gè)虛擬信道數(shù)據(jù)單元（VCDU），用于存儲(chǔ)和下傳。

同時(shí)利用跟隨的門(mén)控信號(hào)判定圖像數(shù)據(jù)的頭尾，產(chǎn)生圖像幀頭、幀尾標(biāo)識(shí)信號(hào)，以標(biāo)識(shí)一幅完整的圖像。信息附加模塊將頭尾標(biāo)識(shí)信號(hào)組織成附加信息，填入數(shù)據(jù)內(nèi)。

為了保證回放的圖像總是最新的圖像數(shù)據(jù)，需要知道最新圖像的幀頭VCDU地址及幀尾VCDU的存儲(chǔ)地址。因此在記錄過(guò)程中，使用一個(gè)最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器來(lái)記錄存儲(chǔ)器中最新圖像的幀頭幀尾VCDU地址，每收完一幅完整的圖像數(shù)據(jù)立即更新最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中的地址信息，保證最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中的地址為最新圖像數(shù)據(jù)的幀頭幀尾VCDU地址。

回放時(shí)，收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)，回放控制模塊從最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器中加載最新圖像地址，從此地址處依次回放，直到遇到了有尾幀標(biāo)記字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，完成一幅圖像的抽取回放，之后繼續(xù)加載最新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器，進(jìn)行下一幅圖像回放。

由于采用數(shù)據(jù)復(fù)接設(shè)計(jì)，多路圖像會(huì)同時(shí)進(jìn)入存儲(chǔ)器，以多種VCDU的形式存在，F(xiàn)LASH的頁(yè)操作導(dǎo)致每次回放出的數(shù)據(jù)為兩個(gè)VCDU，因此在備用符號(hào)域中設(shè)計(jì)附加信息，通過(guò)對(duì)附加信息的判讀濾除多余數(shù)據(jù)，保證回放數(shù)據(jù)中充滿(mǎn)有效抽取圖像。

回放的速率取決于下行信道的速率，工程中由上級(jí)的回放請(qǐng)求信號(hào)控制。在每次請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，均加載預(yù)先存入的最新圖像地址，既保證了圖像實(shí)時(shí)性，又達(dá)到了抽取速率自適應(yīng)的要求。

抽幀回放算法主要考慮三個(gè)方面：抽取圖像為完整的載荷圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)前抽取出的圖像為最新數(shù)據(jù)；抽取算法對(duì)抽取速率自適應(yīng)。

1.1完整性設(shè)計(jì)

輸入圖像數(shù)據(jù)由接口模塊生成VCDU，不同載荷數(shù)據(jù)通過(guò)VCID被區(qū)分為不同類(lèi)的VCDU，由于FLASH采用頁(yè)操作模式，一頁(yè)的大小為2 KB，設(shè)計(jì)中一頁(yè)包含兩個(gè)VCDU.

FLASH的讀寫(xiě)都基于頁(yè)進(jìn)行操作，讀出一頁(yè)的兩個(gè)VCDU中，有多種可能性，數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2所示，圖2中給出三種可能，一是前一個(gè)是需要抽取的頭數(shù)據(jù)，后一個(gè)是需要抽取的中間數(shù)據(jù)；二是前一個(gè)是需要抽取的圖像數(shù)據(jù)，后一個(gè)是不需要抽取的其他VCDU數(shù)據(jù)；三是前一個(gè)是需要抽取的尾數(shù)據(jù)，后一個(gè)是下一幅圖像的頭，但不需要抽取。

可見(jiàn)，在抽取回放中必須濾除一定數(shù)據(jù)，保證抽取圖像的完整性和正確性，因此在存儲(chǔ)時(shí)增加附加信息，以解決圖像完整性問(wèn)題。

附加信息設(shè)計(jì)為6 b，格式定義見(jiàn)表1.

附加信息與數(shù)據(jù)一起被存到存儲(chǔ)芯片中。在回放時(shí)，讀取附加信息，解析出高VCDU有效/無(wú)效信號(hào)和低VCDU有效/無(wú)效信號(hào)。由回放請(qǐng)求模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)濾除，保證僅回放有效數(shù)據(jù)，并且為完整圖像。

附加信息與有效標(biāo)志映射關(guān)系見(jiàn)表2.對(duì)輸入數(shù)據(jù)的各種情況，按照表2中映射關(guān)系解析出有效/無(wú)效信號(hào)。

數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊設(shè)置緩存，根據(jù)高低VCDU有效標(biāo)示控制緩存地址，為1進(jìn)行讀取，為0跳過(guò)無(wú)效的VCDU數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的濾除。

1.2實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

方法中必須獲取到幀頭VCDU信息和幀尾VCDU信息才會(huì)更新圖像數(shù)據(jù)幀地址寄存器，即在收到一整幅圖像之后才能進(jìn)行回放。

抽取的延時(shí)計(jì)算一幅圖像第一比特輸出和輸入時(shí)間之差，最壞情況時(shí)第N幅圖像已經(jīng)寫(xiě)入，第N + 1幅圖像尾部沒(méi)有寫(xiě)完，即在第N幅圖像頭寫(xiě)入后兩幅圖像時(shí)間才開(kāi)始回放。抽取過(guò)程中延遲時(shí)間=兩幅圖像時(shí)間+數(shù)據(jù)回放時(shí)間。工程中，圖像生成速率為10幅/s，一幅圖像的生成時(shí)間按100 ms計(jì)算。

回放數(shù)據(jù)的時(shí)間為數(shù)據(jù)從FLASH芯片中讀出時(shí)間和數(shù)據(jù)緩存時(shí)間，每頁(yè)2 KB，讀取時(shí)間約320μs；其余處理路徑上的寄存時(shí)間《10μs.因此，抽取過(guò)程中延遲時(shí)間約為200.33 ms，完全可以滿(mǎn)足圖像的回放觀(guān)看需要。

1.3速率自適應(yīng)設(shè)計(jì)

圖像抽取的比例（即抽取圖像的間隔）與輸入速率和回放速率相關(guān)，在工程應(yīng)用中，輸入圖像速率為13.33 Mb/s，回放速率為50 Kb/s，其中圖像有效數(shù)據(jù)率為41.808 Kb/s，一幅圖像大小為131 080 B，每幅圖像形成149個(gè)VCDU幀，下行共149×1 024 B=152 576 B.

以50 Kb/s速率進(jìn)行回放，回放一幅圖像需要152 576×8/41 808=29.19 s，此過(guò)程中記錄圖像29.19×10=291.9，約292幀，即間隔約292幀抽取一幅圖像。

實(shí)現(xiàn)速率自適應(yīng)的關(guān)鍵是抽取方法的各個(gè)環(huán)節(jié)和輸入速率、回放速率均沒(méi)有耦合。

輸入數(shù)據(jù)通過(guò)幀頭尾識(shí)別，劃分為標(biāo)識(shí)出頭尾的VCDU，輸入數(shù)據(jù)速率改變，僅影響VCDU的數(shù)據(jù)間隔。

VCDU的數(shù)據(jù)間隔實(shí)際影響寫(xiě)控制模塊對(duì)FLASH芯片操作的頻繁程度。因此在輸入速率符合入口速率的要求時(shí)，數(shù)據(jù)可以被正常存儲(chǔ)并產(chǎn)生附加信息，輸入速率對(duì)方法沒(méi)有影響。

回放數(shù)據(jù)從FLASH讀出后，解析附加信息，進(jìn)行緩存、濾除無(wú)效數(shù)據(jù)后輸出回放。回放速率的改變，將導(dǎo)致回放控制模塊加載頭尾寄存器的間隔改變?；胤潘俾蕼p慢，加載間隔增長(zhǎng)，頭尾地址寄存器將被寫(xiě)控制模塊刷新多次，即抽取圖像的間隔自動(dòng)增大。回放速率加快，加載間隔減小，由于在算法設(shè)計(jì)中考慮只有新的頭尾地址被存入時(shí)，回放模塊才能正確加載新地址，否則回放模塊會(huì)停止在當(dāng)前地址繼續(xù)等待新圖像。因此抽取圖像的間隔會(huì)自動(dòng)減小，當(dāng)沒(méi)有新圖像時(shí)，抽取模塊會(huì)等待新數(shù)據(jù)進(jìn)入。

速率的自適應(yīng)有利于算法的穩(wěn)定性和通用性，在輸入、回放速率改變時(shí)不需要改變抽取程序即可實(shí)現(xiàn)抽取回放功能。

2工程實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

在工程中采用Xilinx公司300萬(wàn)門(mén)FPGA，XQR2V3000［10］進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，占用資源（Slices）27%，經(jīng)仿真和測(cè)試驗(yàn)證滿(mǎn)足需求。

2.1仿真情況

FPGA仿真情況如圖3所示，在抽取回放過(guò)程中，回放指針關(guān)系正確，間隔相等，符合分析情況。

2.2工程驗(yàn)證情況

在下行速率50 Kb/s時(shí)，按前述計(jì)算，間隔292幀抽取一幅圖像。實(shí)際測(cè)試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續(xù)，抽取的圖像號(hào)為0，291，581，872，1 167，1 457，1 749，2 040，2 334，2 627，2 917，3 209，3 500，3 793，4 083，4 377，4 668，4 961，5 251，5 543，5 837，6 128，6 421，6 711，7 003，圖像號(hào)、圖像間距的測(cè)試結(jié)果與理論值對(duì)比如圖4（a），（b）所示，實(shí)際測(cè)試圖像間隔與計(jì)算值符合，誤差小于3幅圖像。

在下行速率250 Kb/s時(shí)，有效數(shù)據(jù)率為241.808 Kb/s，按上文計(jì)算方式計(jì)算，間隔約50幀抽取一幅圖像。實(shí)際測(cè)試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續(xù)，抽取的圖像號(hào)為0，50，100，151，201，251，302，353，403，453，504，555，605，655，706，757，807，857，908，959，1 009，1 059.圖像號(hào)、圖像間距的測(cè)試結(jié)果與理論值對(duì)比如圖4（c）、（d）所示，實(shí)際測(cè)試圖像間隔與計(jì)算值符合，誤差小于1幅圖像。

兩種速率下，實(shí)際測(cè)試圖像間隔與計(jì)算值符合，驗(yàn)證了方法的功能性能符合需求，且具有速率自適應(yīng)特點(diǎn)。

3結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種速率自適應(yīng)的載荷圖像抽取方法，適用于深空探測(cè)器載荷自主管理和地面可視化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了完整載荷圖像實(shí)時(shí)抽取。采用FPGA實(shí)現(xiàn)算法，經(jīng)過(guò)測(cè)試，抽取圖像完整，等間距，可適用于不同下傳速率，滿(mǎn)足可視化要求?？梢宰鳛楹罄m(xù)深空探測(cè)載荷自主管理的技術(shù)參考。

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