基于FPGA的速率自適應圖像抽取算法

　　1.3 速率自適應設計

　　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，在工程應用中，輸入圖像速率為 13.33 Mb/s，回放速率為50 Kb/s，其中圖像有效數據率為41.808 Kb/s，一幅圖像大小為131 080 B，每幅圖像形成149個VCDU幀，下行共149×1 024 B=152 576 B.

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

　　實現速率自適應的關鍵是抽取方法的各個環節和輸入速率、回放速率均沒有耦合。

　　輸入數據通過幀頭尾識別，劃分為標識出頭尾的VCDU，輸入數據速率改變，僅影響VCDU 的數據間隔。

　　VCDU 的數據間隔實際影響寫控制模塊對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，數據可以被正常存儲并產生附加信息，輸入速率對方法沒有影響。

　　回放數據從FLASH讀出后，解析附加信息，進行緩存、濾除無效數據后輸出回放。回放速率的改變，將導致回放控制模塊加載頭尾寄存器的間隔改變。回放速率減慢，加載間隔增長，頭尾地址寄存器將被寫控制模塊刷新多次，即抽取圖像的間隔自動增大。回放速率加快，加載間隔減小，由于在算法設計中考慮只有新的頭尾地址被存入時，回放模塊才能正確加載新地址，否則回放模塊會停止在當前地址繼續等待新圖像。因此抽取圖像的間隔會自動減小，當沒有新圖像時，抽取模塊會等待新數據進入。

　　速率的自適應有利于算法的穩定性和通用性，在輸入、回放速率改變時不需要改變抽取程序即可實現抽取回放功能。

　　2 工程實現與驗證

　　在工程中采用Xilinx 公司300 萬門FPGA，XQR2V3000[10]進行實現，占用資源(Slices)27%，經仿真和測試驗證滿足需求。

　　2.1 仿真情況

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

　　2.2 工程驗證情況

　　在下行速率50 Kb/s時，按前述計算，間隔292幀抽取一幅圖像。實際測試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續，抽取的圖像號為 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、圖像間距的測試結果與理論值對比如圖4(a)，(b)所示，實際測試圖像間隔與計算值符合，誤差小于3幅圖像。

　　在下行速率250 Kb/s時，有效數據率為241.808 Kb/s，按上文計算方式計算，間隔約50幀抽取一幅圖像。實際測試中，抽取圖像均為整幅圖像幀，且兩幅圖像之間連續，抽取的圖像號為 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、圖像間距的測試結果與理論值對比如圖4(c)、(d)所示，實際測試圖像間隔與計算值符合，誤差小于1幅圖像。

　　兩種速率下，實際測試圖像間隔與計算值符合，驗證了方法的功能性能符合需求，且具有速率自適應特點。

　　3 結語

　　本文設計實現了一種速率自適應的載荷圖像抽取方法，適用于深空探測器載荷自主管理和地面可視化應用，實現了完整載荷圖像實時抽取。采用FPGA實現算法，經過測試，抽取圖像完整，等間距，可適用于不同下傳速率，滿足可視化要求。可以作為后續深空探測載荷自主管理的技術參考。