圖像壓縮系統設計

王 兵 白志富 張修建 印朝輝 張鐵犁

(1.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

1 引 言

圖像信息由于具有直觀、具體、信息量大等優點，不斷被引入航空、航天、無人機等飛行試驗狀態監控中，并成為故障分析時不可替代的信息類型[1]。但由于視頻圖像數據量巨大，而飛行試驗遙測傳輸的帶寬是極其有限的，因此，需要通過圖像壓縮器將攝像裝置輸出的視頻圖像信號進行采集、壓縮編碼，形成滿足傳輸帶寬要求的碼率的數據碼流后，再由遙測無線信道發送回地面。

由于飛行試驗所用圖像壓縮器應用場合的特殊性，使其對圖像壓縮質量、壓縮算法、硬件結構體積、功耗、環境適應性、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到圖像壓縮系統性能最優。其基本設計要求如下：

(1)圖像壓縮、切換要求：能對兩路輸入模擬視頻信號按照時序要求進行切換，并對單路模擬視頻信號進行采集壓縮和傳輸處理；切換過程中圖像不能錯幀，切換后不能出現花屏、抖動等異常現象；

(2)圖像傳輸處理要求：能夠通過中心程序器提供的移位脈沖將壓縮后的數據串行移入中心程序器，并要求按規定的恒定速率傳輸數據，輸出數據穩定、可靠，且不錯漏；

(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：采用自主設計的快速H.264壓縮算法，壓縮處理延時不大于500ms;

(5)重建圖像序列平均PSNR>30dB，無明顯失真現象，圖像連續流暢播放；

(6)能夠滿足飛行試驗的溫度、振動、沖擊及電磁兼容等環境條件要求。

本文設計了一種圖像壓縮系統，在適應飛行試驗復雜環境的情況下，實現兩路圖像視頻的分時切換、采集壓縮和傳輸處理等功能。

2 圖像壓縮系統設計

2.1 圖像壓縮系統原理

圖1為現有圖像遙測系統原理框圖,通過在現有的遙測系統增加視頻監控子系統(含攝像頭與圖像壓縮器)獲取飛行狀態圖像，再通過遙測系統傳輸至地面，在地面增加了圖像實時解碼設備,用于圖像實時解碼及顯示。該圖像壓縮器最主要的特點是要求采用自主設計的快速H.264壓縮算法，不可以采用如達芬奇系列DSP內部的H.264編碼硬核來實現。這就要求采用通用的硬件架構方案來實現快速H.264壓縮算法及傳輸編碼等功能。當前許多研究者對基于FPGA+DSP架構的圖像處理平臺都有過很多研究[2～6]，并形成成熟的案例。因此，本文采用將DSP與FPGA兩種處理的結合起來優勢互補架構方案，具有更強大的數據處理能力，且更靈活、更通用，同時由于DSP芯片和FPGA芯片均具有較寬的工作溫度范圍，能夠適應復雜飛行環境。

圖1 圖像遙測系統原理框圖Fig.1 Block diagram of image telemetry system

圖像壓縮系統的工作流程：從攝像頭進來的兩路模擬視頻信號由圖像壓縮器的兩路解碼電路完成模數轉換，然后輸出的數字視頻信號，將數字視頻信號變換到要求的圖像幀格式及尺寸，再經自主設計的H.264壓縮編碼算法模塊進行壓縮編碼處理，形成碼流后進入控制器內的圖像緩沖區，再由控制器根據約定的數據幀格式對碼流數據進行打包，然后根據與遙測中心程序器的控制時序將圖像數據信號以恒定的速率傳輸給箭上遙測中心程序器，同時控制器還根據系統給出的“起始”信號及約定的切換時序完成視頻切換；空中遙測系統通過無線信道將圖像數據傳輸至地面遙測系統，然后通過挑路軟件將視頻信號挑出后通過以太網與地面解碼設備進行連接，由解碼設備進行圖像重建，顯示及播放，本文采用軟件解碼的方式。

2.2 圖像壓縮系統組成

圖像壓縮系統由圖像壓縮板、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 圖像壓縮系統組成框圖Fig.2 Block diagram of the image compression system

圖像壓縮系統的硬件電路采用模塊化設計思想，整機電路由圖像壓縮板和電源板兩個模塊組成。圖像壓縮板主要是實現自主設計的H.264編碼算法及碼流傳輸數據幀、視頻切換等控制，并最終達到遙測系統有限信道容量要求。電源板主要提供圖像壓縮處理系統器內部工作的各種電源和前端圖像傳感器工作的二次電源。圖像壓縮系統的結構殼體，采用上下分體式結構，通過散熱設計、電磁兼容設計等實現圖像壓縮系統的散熱處理和電磁屏蔽。

圖像壓縮系統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中實現自主知識產權的快速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，主要是實現圖像壓縮系統的各種信號的時序控制，包括“起飛”等外部輸入信號的接收、兩路視頻的切換時序控制、輸出接口的控制等，最終將壓縮好的碼流以PCM碼格式傳送到遙測系統的中心程序器。

2.3 圖像壓縮系統結構設計

圖像壓縮系統殼體由上殼體、下殼體、上蓋、下蓋及減震器組成，采用鋁合金材料2A12，三維結構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，上下殼體可單獨裝調好后進行整機裝配，便于后續的測試與故障排查。在下殼體側面加工有地線連接孔，可與箭體地相連，保持整機外殼與箭體良好導通。視頻連接器通過轉接板、轉接板絕緣墊片與下殼體相連，轉接板與下殼體連接的沉孔處安裝絕緣螺釘套，實現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個減震器，每個減震器均可提供三個方向的減震功能，保證了圖像壓縮裝置在震動沖擊環境下的可靠性。

圖3 殼體結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the housing structure

在散熱設計方面，上蓋、下蓋內側加工有散熱凸臺，通過導熱墊與電源模塊及壓縮模塊上的電源芯片及處理芯片進行接觸，將芯片散發的熱量傳導到上、下蓋，最終傳導到空氣中，能夠有效的提高散熱效果。

在電磁兼容設計方面，所有主體結構均采用導電陽極化處理，并在噴涂時對各安裝面進行保護。上殼體、下殼體安裝面加工有導電橡膠安裝槽，并貼有導電橡膠；各連接器與安裝面間貼有導電橡膠墊，確保整機成為一個連續導電的整體。

2.4 圖像壓縮系統硬件設計

2.4.1 圖像壓縮板設計

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)、程序存儲器(FLASH)、數據存儲器(SDRAM)、復位電路(Reset)、測試端口(JTAG)等組成。

圖像壓縮編碼器基于DSP來完成，主要完成復合視頻信號的解碼器的初始化和圖像數據的采集及壓縮。控制器主要完成時序控制、與中心程序器的通訊。控制器實時監測并接收“起始”信號，若“起始”信號有效則將時標計數器清零，之后的圖像時標將按新的時標添加。FLASH用于存儲DSP程序代碼，SDRAM用于存儲原始視頻數據、DSP中間運算結果和壓縮后的視頻數據，JTAG用于圖像壓縮模塊的調試與測試。

DSP主要用于完成復雜的圖像壓縮算法，采用TI公司生產的TMS320DM642數字信號處理器，該數字信號處理器是一款32位定點DSP芯片，是基于TI開發的第二代高性能、先進Veloci TI技術的VLIW結構，包含一個用數字表達容量的陣列處理器、一個操作靈活的高速處理器、8個獨立的功能單元和64個32位字長的通用寄存器。TMS320DM642 具有3個支持多種視頻標準(CCIR601,ITU-BT.656, BT.1120,SMPTE125M,260M,274M，296M)的可配置視頻端口(VPO、VP1 和 VP2)。通過該端口直接與視頻解碼器(Video ADC)連接，以ITU-BT.656格式捕獲數字視頻，簡化接口設計,有利于提高產品的可靠性。其工作溫度范圍可達(-40～+105)℃，能夠滿足飛行試驗環境要求。

FPGA作為控制器，主要用于完成系統的圖像切換控制、“起始”信號判讀及數據傳輸時序控制等，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，，同時該器件為符合美軍標要求的軍品級器件，溫度范圍可達(-55～+125)℃，能夠滿足飛行試驗環境要求。作為DSP的協處理器，負責完成圖像的切換控制、數據傳輸等輔助功能，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首先檢測來自控制模塊的“起始” 信號，如果“起始” 信號有效，將時標計數器清零(待完成當前場圖像編碼后，在視頻數據中插入新的時標信息)；其次進行“切換”信號檢測，若“切換”信號無效，不進行視頻切換，則直接從SDRAM緩沖區中讀取當前攝像裝置的圖像數據，若“切換”信號有效，進行視頻切換，則切換至SDRAM的另一緩沖區讀取另一個攝像裝置的圖像數據；然后，DSP進行當前幀圖像數據編碼并將編碼結果寫入數據存儲器(SDRAM)；此時在DSP中啟動另一線程，通過EMIF接口將視頻碼流的寫入FPGA程序中的FIFO中；FPGA根據遙測系統中心程序器發過來的同步移位脈沖信號及幀同步信號將數據串行化后以恒定的速率通過高速光耦發送給中心程序器。

(2)圖像壓縮板與中心程序器通過高速光耦進行數據通信，圖像壓縮器中的FPGA通過光耦接收中心程序器的發過來的幀同步信號和移位脈沖信號之后，按照圖5所示的接口時序，構建狀態機，按時序要求再通過高速光耦向中心程序器送出數碼脈沖。移位脈沖的頻率為1MHz，FPGA接收到幀同步信號后，等待12us，根據移位脈沖的上升沿，將一個字節的8位數據并串轉換后發出，先發低位再發高位，中心程序器在移位脈沖的下降沿取數據。

圖5 接口時序Fig.5 Interface timing

2.4.3 電源板設計

如圖6所示，電源板在圖像壓縮處理模塊在設計中采用15W功率的隔離DC-DC對系遙測電池+28V轉換到+5V，再經過LDO將+5V轉換到+3.3V、+1.8V、+1.5V、+1.4V等多種電源，經過DC-DC升壓芯片將+5V電源升至+12V，經LC濾波網絡濾波隔離后給兩路攝像圖像壓縮板供電。

圖像壓縮系統的電源板是圖像壓縮器系統的一個重要組成部分，電源系統的好壞關系著能否輸出高質量的圖像壓縮數據，必須進行電源轉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定性，確保裝置的工作安全及成像質量，供電系統采取了以下措施：電源輸入端加入大功率限流電阻，對裝置供電進行過流保護；電源輸入端加入雙向瞬態電壓抑制二極管(TVS)，對裝置供電進行浪涌和過壓保護；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；輸入電壓經過直流濾波器濾波后使用，減小系統和裝置間的互擾；使用隔離型DC-DC電源模塊將源轉換到5V，其可承受40V、1min的瞬時過壓沖擊；對于DSP、FPGA及外圍器件供電的3.3V、1.8V、1.5V和1.4V電源采用LDO電源芯片進行二次變換，提高效率，減少電源芯片發熱量；對于給攝像裝置供電的12V電源，通過DC/DC升壓芯片將5V電源升到12V，并采用LC濾波網絡抑制攝像裝置與圖像壓縮系統電源之間的電磁干擾。

在電源板電路設計中采用了接地、屏蔽、濾波等抗干擾方法，對輻射型及傳導型干擾均具有優良的抑制性能。具體在PCB設計時還應注意增加磁珠、去藕電容合理配置、PCB板走線、數字和模擬分開等方面，使裝置的電磁兼容性達到飛行試驗要求。

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

2.5 圖像壓縮系統軟件設計

圖像壓縮系統軟件由DSP圖像壓縮模塊和FPGA控制模塊兩個組成部分。

2.5.1 DSP圖像壓縮模塊工作流程

(1)接收到FPGA程序發過來的復位信號后DSP復位；

(2)DSP從FLASH讀取程序；

(3)DSP初始化、完成對復合視頻解碼器設置(圖像格式等)；

(4)通過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EDMA通道寫入“緩沖區1”；

(5)啟動“編碼線程”；

(6)等待“采集完成中斷”，若采集完成中斷有效，則繼續進行“起始”信號檢測；

(7)DSP檢測“起始”信號(來自控制模塊)，如果“起始”信號有效，DSP將時標計數器清零；

(8)DSP檢測“切換”信號(來自控制模塊)，如果“切換”信號無效，DSP從“緩沖區1”讀取攝像裝置1的1幀圖像數據；如果“切換”信號有效，DSP從“緩沖區1”讀取攝像裝置2的1幀圖像數據；

(9)完成當前場圖像編碼，并插入時標信息；

(10)將壓縮后的數據寫入“緩沖區2”；

(11)返回到等待“采集完成中斷”狀態，同時啟動數據傳輸線程；

(12)啟動數據傳輸線程后，DSP檢測“FIFO_FULL”信號(來自控制模塊)。如果“FIFO_FULL”信號無效，從“緩沖區2”讀取數據并將數據輸出給控制模塊中FIFO，直至一幀數據傳輸完畢；若“FIFO_FULL”信號有效，則等待直至“FIFO_FULL”信號無效，再開始傳輸數據；

(13)掛起數據傳輸線程，直到下一幀數據壓縮編碼完成后再次啟動。

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復位；

(3)FPGA復位后，傳輸復位信號給DSP和其他器件，使其完成逐一復位；

(4)控制模塊同時監測“起始”和“請求脈沖”，并運行視頻“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，首先判斷“起始”信號的有效性，若“起始”有效，向DSP發“起始”信號 (電平為高)；否則“起始”信號為低電平；FPGA在接收“取數脈沖”的同時，判斷“取數脈沖”的有效性，若“取數脈沖”有效，則繼續判斷“FIFO_EMPTY”是否有效，若FIFO空，則發送4個字節的無效數據，若FIFO非空，則從FIFO讀取數據根據時序由422連續發送512字節的圖像數據，等待測量系統“取數脈沖”讀數；視頻切換時序；起始至停，分為兩個時間段，實時測量視頻2圖像畫面，此時向DSP發“切換”信號(電平為高)；否則“切換”信號無效，為低電平。

3 試驗驗證

圖像壓縮系統樣機研制成功后對其進行了各類試驗，以驗證其對任務需求的滿足情況，因此搭建了了試驗測試系統，如圖7所示。試驗測試系統由兩臺PAL制模擬攝像頭、圖像壓縮系統、測試臺、測試電源、測試線纜、測試計算機、以及解碼軟件等組成。兩臺攝像頭作為圖像壓縮系統的視頻輸入，通過視頻線與圖像壓縮系統連接；測試臺用于模擬遙測系統的部分功能，即向箭上圖像壓縮系統發送幀同步及移位脈沖信號，接收箭上圖像壓縮系統發送的數據脈沖，并轉換成字節，每512個字節打包，通過以太網口發送給計算機；計算機從以太網接收到數據后由解碼軟件進行解碼、存儲及顯示播放等；測試電源為攝像頭、圖像壓縮系統及測試臺提供所需的電源。

圖7 圖像壓縮試驗測試系統示意圖Fig.7 Schematic diagram of the image compression test system

首先對圖像壓縮系統的各項功能及性能指標進行測試，重點測試了樣機的圖像切換、壓縮功能、圖像傳輸功能、時標、接口、圖像尺寸及幀頻、處理延時、圖像質量以及功耗等。攝像頭視頻經過箭上圖像壓縮系統壓縮后傳輸到計算機由解碼軟件進行解碼播放，可以觀察到視頻播放清晰流程，無明顯失真現象，重構后的圖像質量較好，如圖8所示。功能及性能試驗結果如下：基于FPGA+DSP的圖像壓縮系統能夠實現兩路輸入模擬視頻信號按照時序要求進行切換，并對單路模擬視頻信號進行采集壓縮，并以恒定512kbps速率進行傳輸處理；切換過程中圖像無錯幀、花屏、抖動等異常現象；能夠以CIF尺寸、25幀/s在地面解碼軟件中進行實時解碼播放顯示，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經測試優于設計指標,一般情況下保持在200ms以內；功耗為0.26A；圖像壓縮系統的功能及性能指標滿足了設計任務要求。

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

本文設計的圖像壓縮系統主要是用于飛行試驗，其環境適應性試驗考核非常重要。為了驗證圖像壓縮系統的環境適應性，對圖像壓縮系統樣機進行了環境試驗考核，試驗項目、條件及結果如表1所示。試驗結果表明，圖像壓縮系統的環境適應性達到了設計要求，能夠滿足飛行試驗要求。

表1 圖像壓縮系統環境適應性試驗

4 結束語

本文設計的基于FPGA+DSP的圖像實時壓縮系統，針對飛行試驗對系統環境適應性、功耗等要求，從系統硬件電路、軟件、結構等方面進行了優化設計，充分發揮了FPGA并行處理及DSP算法處理能力強的特點，提高了系統的靈活性及環境適應性。該系統能夠實現在飛行試驗環境條件下多路視頻的采集、壓縮、傳輸、按時序切換等功能，具有處理延時小、功耗低、環境適應性好、適應數據量大算法復雜的應用場合等特點，并已經得到了試驗驗證，能夠滿足飛行試驗要求，具有較高的工程應用價值。

該系統硬件平臺架構通用，DSP及FPGA程序軟件均可擴展，圖像壓縮率可軟件設置，是一個較為通用的圖像處理平臺，能夠根據不同的應用場合進行調整，具有廣泛的適應性和推廣應用價值。