第一章 緒論

1.1 研究背景和意義
隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)的發(fā)展，人類社會(huì)完全邁入信息化時(shí)代。在社會(huì)生活領(lǐng)域和國(guó)防領(lǐng)域中人們對(duì)圖像信息處理、存儲(chǔ)和傳輸能力的要求越來(lái)越高，對(duì)圖像內(nèi)容信息的要求也越來(lái)越精確。
自上世紀(jì) 80 年代以來(lái)，無(wú)人機(jī)測(cè)繪系統(tǒng)以其機(jī)動(dòng)靈活、高效快速、精細(xì)準(zhǔn)確、可云下攝影、成本低等特點(diǎn)迅速成為世界各國(guó)競(jìng)相研究的熱點(diǎn)課題[1][2]。無(wú)人飛機(jī)平臺(tái)搭載航空數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行航空拍攝是近年來(lái)在遙感技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)的地理信息數(shù)據(jù)快速獲取技術(shù)。在起降條件差、云層低、應(yīng)用常規(guī)航空攝影較為困難的地區(qū)，，引進(jìn)低空無(wú)人機(jī)航攝系統(tǒng)，一方面可快速、高效地獲取高精度航空影像，極大地提高測(cè)繪成果的現(xiàn)勢(shì)性，大幅度提高測(cè)繪應(yīng)急保障服務(wù)能力；另一方面獲取的高精度影像經(jīng)快速處理后可廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、城市變化監(jiān)測(cè)、重大工程項(xiàng)目、應(yīng)急救災(zāi)、國(guó)土資源遙感監(jiān)測(cè)、資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)林監(jiān)測(cè)與估產(chǎn)等方面[3]。
然而，無(wú)人機(jī)在航拍過(guò)程中需要實(shí)時(shí)的將獲取的圖像信息傳送回地面監(jiān)控站，以便對(duì)拍攝的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)也需要將拍攝過(guò)程中獲取的圖像信息進(jìn)行存儲(chǔ)以獲取拍攝地區(qū)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。隨著無(wú)人機(jī)航拍半徑的增大，航空數(shù)碼相機(jī)拍攝速度和精度的提高，航拍過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生海量的圖像數(shù)據(jù)，這與有限的存儲(chǔ)空間和帶寬資源形成尖銳的矛盾。為解決此類問(wèn)題，圖像壓縮技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。圖像壓縮技術(shù)作為圖像處理方面的重要技術(shù)正處在不斷的發(fā)展與完善階段，應(yīng)用在機(jī)載測(cè)繪中可以減少圖像信息的存儲(chǔ)空間，降低下傳數(shù)據(jù)的帶寬，降低處理系統(tǒng)功耗，從而滿足圖像信息數(shù)據(jù)獲取的需求。
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1.2 發(fā)展概況
隨著無(wú)人機(jī)測(cè)繪技術(shù)在獲取地理信息數(shù)據(jù)方面應(yīng)用的擴(kuò)大，海量圖像數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，對(duì)一整套的圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)而言有三個(gè)方面的問(wèn)題最值得我們關(guān)注。就是數(shù)據(jù)信息的壓縮、存儲(chǔ)和傳輸，選擇什么樣的壓縮算法、利用什么樣的存儲(chǔ)設(shè)備、采取什么樣的傳輸方式在無(wú)人機(jī)圖像處理系統(tǒng)有限的空間和資源內(nèi)將至關(guān)重要。
1) 圖像壓縮技術(shù)簡(jiǎn)述
1948 年，Shannon 和他的學(xué)生Oliver 與 Pierce 共同發(fā)表了對(duì)電視信號(hào)進(jìn)行脈沖編碼調(diào)制（PCM）的論文[4]，標(biāo)志著數(shù)字圖像壓縮編碼技術(shù)的開(kāi)端。1969 年，首屆圖像編碼會(huì)議（Picture Coding Symposium）的舉行表明圖像編碼以獨(dú)立的學(xué)科躋身于學(xué)術(shù)界。1985年，瑞士學(xué)者Kunt對(duì)編碼方法進(jìn)行了區(qū)分，提出了第一代、第二代編碼的概念。第一代編碼方法是指以去除冗余為基礎(chǔ)的編碼方法，如：空域的 PCM、DPCM、△ M、亞抽樣編碼方法，變換域的 DFT、DCT、Walsh－Hadamard 變換編碼等方法以及以此為基礎(chǔ)的混和編碼方法。而像金字塔編碼[5]、矢量量化、分形編碼[6]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的編碼、小波變換和子帶編碼[7]等一系列于 80 年代之后提出的新型編碼方法，皆屬于第二代編碼方法[9]。
1995 年， 1 0  [11]Sweldens 提出了基于提升方案的整數(shù)小波變換概念，成為新一代以小波變換為核心的壓縮算法出現(xiàn)的開(kāi)端。以小波變換為核心的壓縮算法攻克了 DCT 本身具有的方塊效應(yīng)，在大的壓縮比下，獲得的壓縮性能更好。在此基礎(chǔ)上結(jié)合不同的量化和編碼方法，這些壓縮算法能夠在高壓縮比下取得比 JPEG算法更高的峰值信噪比和更好主觀視圖效果。而在這些算法中Shapiro提出的內(nèi)嵌零樹(shù)（EZW）編碼方法[12]、Said 與 Pearlman 提出的基于分層樹(shù)集合分割（SPIHT）的編碼方法[13]以及由 Taubman 提出的 EBCOT 編碼方法[14]最為突出。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和豐富，SPIHT 算法是目前國(guó)際上公認(rèn)性能最高的基于小波變換的量化算法之一。在對(duì)圖像進(jìn)行壓縮編碼處理時(shí)，SPIHT 算法可以很好的提取出圖像特 8  征，擁有較低的計(jì)算復(fù)雜度、逆向恢復(fù)圖像質(zhì)量高、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量小 。故本系統(tǒng)采用 SPIHT 算法作為圖像壓縮系統(tǒng)的核心算法。
2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式簡(jiǎn)述存儲(chǔ)設(shè)備即用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息的載體，一般是將信息數(shù)字化后再利用電、磁或光學(xué)等媒體來(lái)進(jìn)行儲(chǔ)存。
常見(jiàn)的存儲(chǔ)裝置有多種，大概作如下介紹：  
利用電能方式存儲(chǔ)如：各式記憶體（CF 卡、SD 卡），隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM），只讀存儲(chǔ)器（ROM）；  
利用磁能方式存儲(chǔ)如：硬碟、軟碟、磁帶、磁泡存儲(chǔ)器等；  
利用光學(xué)方式存儲(chǔ)如：CD 或者 DVD；  利用磁光方式存儲(chǔ)如：MO（磁光碟）；  
利用其他實(shí)體物如卡帶、紙帶存儲(chǔ)如：打孔卡、打孔帶等。
利用電能方式存儲(chǔ)是如今人們生活中應(yīng)用最普遍的，大到服務(wù)器攜帶的超大eSATA 硬盤(pán)，小到手機(jī)、MP3 內(nèi)部的 TF（TransFlash）卡都被人們所熟知。
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第二章 圖像處理系統(tǒng)理論介紹

2.1 引言
1985年國(guó)際知名的Xilinx公司推出了具有跨時(shí)代意義的第一片現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列-FPGA，在接下來(lái)將近 30 年的發(fā)展歷程中，F(xiàn)PGA 逐步向人們展現(xiàn)出了其在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中強(qiáng)大的一面。它依靠各種靈活的特點(diǎn)很快在控制領(lǐng)域、芯片領(lǐng)域以及圖像處理領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，這些特點(diǎn)包括設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、使用成本較為低廉、邏輯處理功能異常強(qiáng)大和設(shè)計(jì)方式靈活多樣。本章基于整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論構(gòu)成，分別對(duì) FPGA 平臺(tái)、圖像壓縮算法、數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)設(shè)備以及數(shù)據(jù)傳輸接口的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行詳細(xì)而充分的介紹，讓讀者從理論知識(shí)的角度對(duì)整個(gè)圖像處理系統(tǒng)的組成框架建立概念。
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2.2 基于 Vritex-5 系列的 FPGA
2.2.1 FPGA 基本概念
FPGA 在工業(yè)上采用邏輯單元陣列的技術(shù)構(gòu)成，芯片內(nèi)部從結(jié)構(gòu)上可以分為三個(gè)部分，分別是用來(lái)搭建和構(gòu)成電路的可配置邏輯模塊，用來(lái)管理 IO 單元的輸出輸入模塊以及用來(lái)連接各個(gè)模塊的內(nèi)部連線[16]。
CLB 是 FPGA 內(nèi)部的基本邏輯組成單元，具有相對(duì)獨(dú)立的組合邏輯陣列，每個(gè) CLB 都包含一部分選型電路、數(shù)個(gè)觸發(fā)器以及由 4 或 6 個(gè)輸入組成的可配置開(kāi)關(guān)矩陣模塊。開(kāi)關(guān)矩陣是在一定程度上具有高度靈活性的，配置后用可以來(lái)處理組合邏輯、RAM 或移位寄存器的相關(guān)問(wèn)題。根據(jù)不同公司生產(chǎn)的每塊 FPGA芯片的不同類型決定了包含數(shù)目不等的 CLB 的個(gè)數(shù)，相互間采用互聯(lián)布線的方式進(jìn)行連通，在實(shí)際應(yīng)用中不同的布線方式來(lái)決定實(shí)現(xiàn)不同的功能。
FPGA 原則上講支持多種 IO 標(biāo)準(zhǔn)，比如串口、網(wǎng)口、PCIE 接口、JTAG接口等等，可以很靈活的為用戶提供需要的接口類型。Xilinx 提供的 FPGA 系列全部都支持?jǐn)?shù)字時(shí)鐘管理和相位環(huán)路鎖定兩大功能。相位環(huán)路鎖定可以控制對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行非常精確的綜合，進(jìn)一步降低時(shí)鐘抖動(dòng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)過(guò)濾的功能。將各種功能集合到一張芯片上，并能根據(jù)不同需求來(lái)進(jìn)行配置這樣就形成了 FPGA 芯片。
將 FPGA 的基本特點(diǎn)歸納總結(jié)如下[16]：
1）利用 FPGA 來(lái)設(shè)計(jì) ASIC電路 相對(duì)來(lái)講比較簡(jiǎn)單，只需要在 FPGA 內(nèi)部對(duì)邏輯資源 配置好相應(yīng)的參數(shù)和工作環(huán)境就直接可以得到符合功能的芯片，最重要的是，在此過(guò)程中不需要生產(chǎn)流片。
2）FPGA 內(nèi)部資源包含豐富的 IO 管腳和觸發(fā)器。
3）FPGA 能夠支持各種類型的電平標(biāo)準(zhǔn)，包括 CMOS、 T TL等，在設(shè)計(jì)時(shí)，F(xiàn)PGA 采用了高速的 CHMOS 工藝技術(shù)，使用該技術(shù)能夠降低功耗。
FPGA 是通過(guò)片內(nèi) RAM 中的下載程序來(lái)配置其工作狀態(tài)，工作之前需要對(duì)RAM 進(jìn)行編程。上電后，F(xiàn)PGA 芯片將外接 PROM 中的下載程序讀入片內(nèi) RAM中，接著 FPGA 根據(jù) RAM 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行配置后進(jìn)入工作狀態(tài)。斷電后，F(xiàn)PGA 恢復(fù)初始狀態(tài)，內(nèi)部配置的邏輯關(guān)系解除，以便重復(fù)利用。FPGA 擁有多種配置模式：并行主模式表現(xiàn)為一片 FPGA 配套一片 PROM 的方式；主從模式支持一片PROM 編程多片 FPGA；串行模式則是 PROM 通過(guò)串行接口對(duì) FPGA 編程；外設(shè)模式即把 FPGA 當(dāng)做微處理器的外設(shè)，通過(guò)微處理器對(duì) FPGA 進(jìn)行編程[16]。
2.2.2 Vritex-5 平臺(tái)簡(jiǎn)介
Xilinx 的主流 FPGA 包括兩大類：一類側(cè)重于低成本應(yīng)用，容量中等，可以滿足一般的邏輯設(shè)計(jì)需求，如Spartan系列：另外一類側(cè)重高性能應(yīng)用，容量大，能滿足各類高端設(shè)計(jì)，如 Vritex 系類。在 Vritex 系列有 Vritex-II、Vritex-II Pro、Vritex-4、Vritex-5 和 Vritex-E 等平臺(tái)。本小節(jié)主要對(duì) Vritex-5 的性能進(jìn)行介紹。
Vritex-5 系列采用第二代 ASMBL（高級(jí)硅片組合模式）列式架構(gòu)，包括四種各不相同的子系列，極大的增加了可供選擇的 FPGA 范圍。除了高性能邏輯架構(gòu)先進(jìn)外，Vritex-5 系列 FPGA 還擁有多種硬 IP 系統(tǒng)模塊，包括強(qiáng)大的 36Kb BlockRAM/FIFO、 帶有內(nèi)置數(shù)控阻抗的SelectIO 技術(shù)、系統(tǒng)監(jiān)視器功能、ChipSync 源同步接口模塊、帶有集成 DCM 和鎖相環(huán) PLL時(shí)鐘發(fā)生器的增強(qiáng)型時(shí)鐘管理模塊以及高級(jí)配置選項(xiàng)[17]。LXT和SXT器件還包括串行連接的電源優(yōu)化高級(jí)串行收發(fā)器模塊、符合 PCI Express 的集成端點(diǎn)模塊以及三態(tài)以太網(wǎng) MAC。Vritex-5 FPGA的邏輯單元高達(dá) 330000 個(gè)、IO 管腳高達(dá) 1200 個(gè)，帶有低功耗的 RockteIO 串行收發(fā)器、以及其他增強(qiáng)型 IP，提供了集成式系統(tǒng)性能，從而縮短了設(shè)計(jì)周期，并削減了系統(tǒng)成本[17]。
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第三章 圖像處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)......................................... 19
3.1 引言..............................................19
3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).....................................19
3.3 原理圖設(shè)計(jì).................................20
3.3.1 電源設(shè)計(jì)方案.....................................20
3.3.2 FPGA 設(shè)計(jì)方案 ..................................24
3.3.3 CF 卡設(shè)計(jì)方案................................26
3.3.4 USB3.0 設(shè)計(jì)方案 ....................................28
3.4 系統(tǒng) PCB 設(shè)計(jì) .......................................31
3.4.1 PCB 板布局和分層結(jié)構(gòu) .....................................31
3.4.2 電源和地線的設(shè)計(jì)...............................33
3.4.3 PCB 板布線 ...............................35
3.5 本章小結(jié).......................................... 37

第四章 系統(tǒng)邏輯實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

4.1 引言
在整個(gè)系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 的功能是對(duì)通過(guò)相機(jī)接口傳入的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、對(duì)外圍存儲(chǔ)器件和通訊器件進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像壓縮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸。針對(duì)上述功能，在 FPGA 內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要通過(guò)三個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別為圖像壓縮模塊、CF 卡存儲(chǔ)模塊以及 USB3.0 傳輸模塊，整體框圖見(jiàn)圖 4.1。
其中圖像壓縮模塊主要對(duì)接收到的圖像先進(jìn)行預(yù)處理，處理完成后對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行小波變換、SPIHT 壓縮編碼，最后將壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包；CF 卡存儲(chǔ)模塊則是將打包后的數(shù)據(jù)以及原始的圖像數(shù)據(jù)存到 CF 卡中；USB3.0 傳輸模塊則是在 FPGA 的控制下通過(guò)對(duì) CF 卡中數(shù)據(jù)讀取進(jìn)而傳到 PC 機(jī)上，以達(dá)到獲取圖像數(shù)據(jù)信息的目的。

4.2 圖像壓縮模塊設(shè)計(jì)
圖像壓縮模塊可分解為兩個(gè)子模塊，一個(gè)是圖像預(yù)處理模塊，另一個(gè)是圖像編碼模塊。在本設(shè)計(jì)中圖像壓縮模塊的整體架構(gòu)和邏輯設(shè)計(jì)非常成熟，已在其它的項(xiàng)目中多次得到驗(yàn)證，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程不是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在本系統(tǒng)中可以將圖像壓縮模塊看作打包好的 IP 核，只需要在頂層進(jìn)行例化，對(duì)其接口做小部分的修改即可應(yīng)用。下面通過(guò)兩個(gè)小節(jié)對(duì)兩個(gè)子模塊進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
4.2.1 圖像預(yù)處理模塊
在航拍獲取測(cè)繪圖像后，直接得到的圖像數(shù)據(jù)形式并不能用來(lái)進(jìn)行壓縮處理，其數(shù)據(jù)格式不滿足要求。所以在將圖像送給編碼模塊之前必須對(duì)收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，使其數(shù)據(jù)形式滿足要求。圖像預(yù)處理模塊的結(jié)構(gòu)圖如下圖 4.2所示：

1) 數(shù)據(jù)同步與數(shù)據(jù)拼接處理模塊
由 CDD 相機(jī)控制通過(guò)相機(jī)接口傳入的圖像數(shù)據(jù)其時(shí)鐘與壓縮系統(tǒng)的時(shí)鐘不一致，其數(shù)據(jù)格式也不能直接用來(lái)壓縮，所以首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存進(jìn)而處理。該模塊收到圖像數(shù)據(jù)之后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)、幀同步以及行同步信號(hào)的分析，利用系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)其進(jìn)行同步。同步之后數(shù)據(jù)位寬不變?yōu)?8bit，而 SDRAM 的數(shù)據(jù)接口為 16bit，所以要進(jìn)行拼接處理。拼接完成后進(jìn)入雙端口 RAM 緩存，緩存的目的是為了在數(shù)據(jù)輸入 SDRAM 過(guò)程中更方便控制。
2) SDRAM 讀寫(xiě)控制模塊
SDRAM 讀寫(xiě)控制模塊按照 SDRAM 的時(shí)序要求，為 SDRAM 添加行激活、刷新、讀、寫(xiě)等命令，完成數(shù)據(jù)的緩存功能。在進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存時(shí)，根據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的幀同步和行同步的判斷，在每一幅圖像緩存結(jié)束時(shí)，輸出存儲(chǔ)完畢的使能信號(hào)。
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第五章 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的測(cè)繪手段相比，無(wú)人機(jī)測(cè)繪憑借其靈活機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)在測(cè)試領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越受到重視。但是隨著測(cè)繪半徑的增大，圖像數(shù)據(jù)精度的提高，測(cè)繪任務(wù)的增加直接導(dǎo)致了測(cè)繪圖像數(shù)據(jù)量的空前加大。所以相應(yīng)的圖像處理系統(tǒng)也要緊跟要求和變化，不斷進(jìn)行技術(shù)更新和創(chuàng)新，最大可能的滿足任務(wù)需求。
而本文的設(shè)計(jì)則就是針對(duì)某項(xiàng)具體的無(wú)人機(jī)航拍計(jì)劃，根據(jù)其具體的任務(wù)需求設(shè)計(jì)出滿足要求的圖像處理系統(tǒng)。在本文中，針對(duì)系統(tǒng)中所面臨最重要的三大方面，圖像壓縮、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)傳輸。首先從背景介紹、發(fā)展概況給出了說(shuō)明；然后再針對(duì)目前這三大方面的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行介紹。明確了三大方面的具體技術(shù)，采用 SPIHT 壓縮算法、CF 卡存儲(chǔ)和 USB3.0 傳輸技術(shù)；接著根據(jù)前面的理論，給出了圖像處理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，分別從原理圖和 PCB 兩個(gè)大方面進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)闡述；最后則給出了在 FPGA 平臺(tái)上各個(gè)模塊的邏輯實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)說(shuō)明了測(cè)試方案。
從整體系統(tǒng)的角度來(lái)講，本設(shè)計(jì)能夠滿足當(dāng)前圖像處理的要求，但是在實(shí)際應(yīng)用中，很多地方還是值得我們探索和研究的：
1) 比如圖像壓縮算法，我們使用的成熟的 SPIHT 算法，如何采用一種新的壓縮算法，在保證圖像質(zhì)量的前提下盡可能減少碼流數(shù)據(jù)；
2) 在存儲(chǔ)方面，隨著數(shù)據(jù)信息的海量增加，可以考慮是否應(yīng)用尺寸更小的TF 卡或者 SD 卡進(jìn)行更換；
3) USB3.0 雖然在傳輸速度方面可以達(dá)到 5.0Gpbs，但是它并不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，所以也可以將千兆網(wǎng)口作為備選方案以滿足不同的距離要求；
4) 無(wú)人機(jī)對(duì)功耗的要求同樣很高，在本系統(tǒng)中 FPGA 外接了 4 片 SRAM 作為小波變換和編碼的緩存，是否能對(duì) FPGA 邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高來(lái)減少SRAM 的個(gè)數(shù)，以達(dá)到降低功耗的目的。
總之，隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，知識(shí)變化日新月異，我們?cè)趯W(xué)習(xí)的道路上要不斷提高自己各個(gè)方面的能力，以期能為祖國(guó)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：11987