基于FPGA的速率自适应图像抽取算法

6 b，格式定义见表1.

　　附加信息与数据一起被存到存储芯片中。在回放时，读取附加信息，解析出高VCDU有效/无效信号和低VCDU有效/无效信号。由回放请求模块进行数据滤除，保证仅回放有效数据，并且为完整图像。

　　附加信息与有效标志映射关系见表2.对输入数据的各种情况，按照表2中映射关系解析出有效/无效信号。

　　数据过滤模块设置缓存，根据高低VCDU有效标示控制缓存地址，为1进行读取，为0跳过无效的VCDU数据，实现数据的滤除。

　　1.2 实时性设计

　　方法中必须获取到帧头VCDU 信息和帧尾VCDU信息才会更新图像数据帧地址寄存器，即在收到一整幅图像之后才能进行回放。

　　抽取的延时计算一幅图像第一比特输出和输入时间之差，最坏情况时第N 幅图像已经写入，第N + 1 幅图像尾部没有写完，即在第N 幅图像头写入后两幅图像时间才开始回放。抽取过程中延迟时间=两幅图像时间+数据回放时间。工程中，图像生成速率为10幅/s，一幅图像的生成时间按 100 ms计算。

　　回放数据的时间为数据从FLASH芯片中读出时间和数据缓存时间，每页2 KB，读取时间约320 μs;其余处理路径上的寄存时间《10 μs.因此，抽取过程中延迟时间约为200.33 ms ，完全可以满足图像的回放观看需要。

　　1.3 速率自适应设计

　　图像抽取的比例（即抽取图像的间隔）与输入速率和回放速率相关，在工程应用中，输入图像速率为 13.33 Mb/s，回放速率为50 Kb/s，其中图像有效数据率为41.808 Kb/s，一幅图像大小为131 080 B，每幅图像形成149个VCDU帧，下行共149&TImes;1 024 B=152 576 B.

　　以50 Kb/s 速率进行回放，回放一幅图像需要152 576&TImes;8/41 808=29.19 s，此过程中记录图像29.19&TImes;10=291.9，约292帧，即间隔约292帧抽取一幅图像。

　　实现速率自适应的关键是抽取方法的各个环节和输入速率、回放速率均没有耦合。

　　输入数据通过帧头尾识别，划分为标识出头尾的VCDU，输入数据速率改变，仅影响VCDU 的数据间隔。

　　VCDU 的数据间隔实际影响写控制模块对FLASH 芯片操作的频繁程度。因此在输入速率符合入口速率的要求时，数据可以被正常存储并产生附加信息，输入速率对方法没有影响。

　　回放数据从FLASH读出后，解析附加信息，进行缓存、滤除无效数据后输出回放。回放速率的改变，将导致回放控制模块加载头尾寄存器的间隔改变。回放速率减慢，加载间隔增长，头尾地址寄存器将被写控制模块刷新多次，即抽取图像的间隔自动增大。回放速率加快，加载间隔减小，由于在算法设计中考虑只有新的头尾地址被存入时，回放模块才能正确加载新地址，否则回放模块会停止在当前地址继续等待新图像。因此抽取图像的间隔会自动减小，当没有新图像时，抽取模块会等待新数据进入。

　　速率的自适应有利于算法的稳定性和通用性，在输入、回放速率改变时不需要改变抽取程序即可实现抽取回放功能。

　　2 工程实现与验证

　　在工程中采用Xilinx 公司300 万门FPGA，XQR2V3000［10］进行实现，占用资源（Slices）27%，经仿真和测试验证满足需求。

　　2.1 仿真情况

　　FPGA仿真情况如图3所示，在抽取回放过程中，回放指针关系正确，间隔相等，符合分析情况。

　　2.2 工程验证情况

　　在下行速率50 Kb/s时，按前述计算，间隔292帧抽取一幅图像。实际测试中，抽取图像均为整幅图像帧，且两幅图像之间连续，抽取的图像号为 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，图像号、图像间距的测试结果与理论值对比如图4（a），（b）所示，实际测试图像间隔与计算值符合，误差小于3幅图像。

　　在下行速率250 Kb/s时，有效数据率为241.808 Kb/s，按上文计算方式计算，间隔约50帧抽取一幅图像。实际测试中，抽取图像均为整幅图像帧，且两幅图像之间连续，抽取的图像号为 0，50，100，151，201，251，302，353，403，453，504，555，605，655，706，757，807，857，908，959，1 009，1 059.图像号、图像间距的测试结果与理论值对比如图4（c）、（d）所示，实际测试图像间隔与计算值符合，误差小于1幅图像。

　　两种速率下，实际测试图像间隔与计算值符合，验证了方法的功能性能符合需求，且具有速率自适应特点。

　　3 结语

本文设计实现了一种速率自适应的载荷图像抽取方法，适用于深空探测器载荷自主管理和地面可视化应用，实现了完整载荷图像实时抽龋采用FPGA实现算法，经过测试，抽取图像