本文關(guān)鍵詞：無人機(jī)機(jī)載圖像壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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【摘要】：無人機(jī)航拍測(cè)繪作為無人機(jī)的主要用途之一,憑借其高效快捷、靈活機(jī)動(dòng)、實(shí)時(shí)精確等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于國防和民用領(lǐng)域。無人機(jī)航拍過程中需要對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮處理以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效傳輸和存儲(chǔ),因此機(jī)載圖像壓縮系統(tǒng)是無人機(jī)必不可少的圖像處理和存儲(chǔ)設(shè)備。本文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無人機(jī)機(jī)載圖像壓縮系統(tǒng)不但具有航拍圖像實(shí)時(shí)壓縮和傳輸、大量數(shù)據(jù)快速穩(wěn)定存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)高速下載解壓等功能,還具有體積小、處理速度快、穩(wěn)定性高、資源占用率低、功耗低等優(yōu)點(diǎn),非常適用于當(dāng)前無人機(jī)的航拍測(cè)繪工作,現(xiàn)已實(shí)際應(yīng)用于“XX”型號(hào)無人機(jī)。本文對(duì)無人機(jī)機(jī)載圖像壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行說明,主要的設(shè)計(jì)成果從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述：1.基于FPGA的圖像壓縮算法的硬件實(shí)現(xiàn)。為了滿足無人機(jī)機(jī)載圖像壓縮系統(tǒng)小體積、低功耗、低資源和高處理速度的需要,系統(tǒng)采用FPGA作為硬件平臺(tái),對(duì)快速SPIHT算法進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn),將圖像壓縮速率提升至30MB/s。為了解決圖像壓縮系統(tǒng)硬件邏輯資源有限的問題,圖像壓縮編碼設(shè)計(jì)采用復(fù)用多級(jí)小波變化編碼結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)小波變化編碼結(jié)構(gòu)相比在資源使用上有明顯降低,主要資源使用量的降幅高達(dá)50%。2.基于FPGA的CF卡讀寫控制和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)。為了滿足無人機(jī)的存儲(chǔ)設(shè)備體積小、存儲(chǔ)空間大、性能穩(wěn)定、讀寫速率快等需求,系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)CF卡作為存儲(chǔ)介質(zhì),能在低溫和振動(dòng)的極端環(huán)境下穩(wěn)定高速地存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。為了解決存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率慢的問題,以FPGA為主控芯片,設(shè)計(jì)硬件邏輯控制CF卡在Ture-IDE模式下的UDMA-6狀態(tài)進(jìn)行讀寫工作,讀寫速率達(dá)到60MB/s以上,最高速率可達(dá)100MB/s,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速率為上一代壓縮系統(tǒng)的2-3倍。3.基于FX3外設(shè)控制器的USB3.0數(shù)據(jù)傳輸通路設(shè)計(jì)。為了解決將CF卡存儲(chǔ)的大量數(shù)據(jù)通過FPGA快速下載至本地PC中進(jìn)行處理和分析的問題,系統(tǒng)采用FX3-USB外設(shè)控制器實(shí)現(xiàn)FPGA與PC間以USB3.0為數(shù)據(jù)通路的高速數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定且速率高達(dá)30MB/s,遠(yuǎn)高于其他通用傳輸通路的傳輸速率。4.基于Zynq平臺(tái)的千兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。為了解決本地PC對(duì)無人機(jī)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離有線高速下載,且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理而不影響數(shù)據(jù)傳輸速度的問題,系統(tǒng)采用Zynq平臺(tái)作為外設(shè)控制器,在FPGA與PC間通過千兆網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)了傳輸距離高達(dá)500m、傳輸速率達(dá)20MB/s的千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸通路。5.對(duì)基于FPGA的高速數(shù)據(jù)傳輸通路進(jìn)行性能對(duì)比和應(yīng)用分析。為了解決FPGA與PC在不同工作條件下的數(shù)據(jù)交互問題,基于外設(shè)控制器設(shè)計(jì)USB3.0和千兆網(wǎng)絡(luò)兩種主流數(shù)據(jù)傳輸通路。對(duì)比分析兩種設(shè)計(jì)的性能和特點(diǎn),總結(jié)兩種設(shè)計(jì)的應(yīng)用條件,使兩種數(shù)據(jù)傳輸通路可快速應(yīng)用于不同工程的數(shù)據(jù)傳輸和下載工作中。最后,機(jī)載圖像壓縮系統(tǒng)可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化,選擇更優(yōu)的圖像壓縮算法以提高壓縮速率,通過改進(jìn)壓縮編碼器結(jié)構(gòu)以降低資源使用量,使用SD卡減小存儲(chǔ)器體積或采用固態(tài)硬盤增大存儲(chǔ)容量。
【關(guān)鍵詞】：圖像壓縮 FPGA CF卡 USB3.0 Zynq
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：P231
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符號(hào)對(duì)照表11-12
• 縮略語對(duì)照表12-15
• 第一章 緒論15-19
• 1.1 研究背景15
• 1.2 研究概況15-17
• 1.3 論文內(nèi)容與章節(jié)安排17-19
• 第二章 基于FPGA的圖像壓縮算法的硬件實(shí)現(xiàn)19-29
• 2.1 引言19-20
• 2.2 前端圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊設(shè)計(jì)20-21
• 2.2.1 數(shù)據(jù)同步和拼接模塊設(shè)計(jì)20-21
• 2.2.2 前端SDRAM讀寫控制模塊設(shè)計(jì)21
• 2.2.3 圖像分量分離模塊設(shè)計(jì)21
• 2.3 圖像壓縮編碼模塊設(shè)計(jì)21-25
• 2.3.1 壓縮編碼模塊邏輯結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)22
• 2.3.2 復(fù)用多級(jí)小波變換編碼器邏輯設(shè)計(jì)22-24
• 2.3.3 生成樹抽取模塊邏輯設(shè)計(jì)24-25
• 2.3.4 RS編碼模塊邏輯設(shè)計(jì)25
• 2.4 后端數(shù)據(jù)傳輸和指令接收模塊設(shè)計(jì)25-27
• 2.4.1 后端SDRAM讀寫控制模塊設(shè)計(jì)26
• 2.4.2 RS-422指令接收解析模塊設(shè)計(jì)26-27
• 2.4.3 RS-485數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)27
• 2.5 本章總結(jié)27-29
• 第三章 基于FPGA的CF卡讀寫控制及存儲(chǔ)設(shè)計(jì)29-37
• 3.1 引言29
• 3.2 CF卡工作模式選擇29-30
• 3.3 基于FPGA的CF卡讀寫設(shè)計(jì)30-34
• 3.3.1 命令解析和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)30-31
• 3.3.2 基于FPGA的CF卡讀寫控制邏輯設(shè)計(jì)31-34
• 3.4 CF卡存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)34-36
• 3.4.1 工業(yè)級(jí)CF卡存儲(chǔ)設(shè)備選擇34-35
• 3.4.2 CF卡拼接存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)35
• 3.4.3 CF卡斷電不覆蓋存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)35-36
• 3.4.4 CF卡循環(huán)覆蓋存儲(chǔ)方案設(shè)計(jì)36
• 3.5 本章總結(jié)36-37
• 第四章 基于FPGA的高速數(shù)據(jù)傳輸通路設(shè)計(jì)37-55
• 4.1 引言37
• 4.2 基于FX3的USB3.0高速數(shù)據(jù)傳輸通路設(shè)計(jì)37-45
• 4.2.1 EZ-USB FX3簡介37-39
• 4.2.2 基于FPGA的USB3.0讀寫控制設(shè)計(jì)39
• 4.2.3 GPIFⅡ接口設(shè)計(jì)39-41
• 4.2.4 SLAVE FIFO讀模式設(shè)計(jì)41-42
• 4.2.5 SLAVE FIFO寫模式設(shè)計(jì)42-43
• 4.2.6 FX3外設(shè)控制器固件軟件設(shè)計(jì)43
• 4.2.7 USB3.0接口上位機(jī)控制接收軟件設(shè)計(jì)43-45
• 4.3 基于Zynq的千兆網(wǎng)絡(luò)傳輸通路設(shè)計(jì)45-52
• 4.3.1 Zynq簡介45
• 4.3.2 Zynq PL數(shù)據(jù)傳輸接口邏輯設(shè)計(jì)45-47
• 4.3.3 Xillybus IP core設(shè)計(jì)47-49
• 4.3.4 Zynq PS軟件設(shè)計(jì)49-50
• 4.3.5 千兆網(wǎng)口上位機(jī)控制接收軟件設(shè)計(jì)50-52
• 4.4 基于FPGA的數(shù)據(jù)傳輸通路性能對(duì)比分析及應(yīng)用總結(jié)52-54
• 4.4.1 數(shù)據(jù)傳輸通路的性能對(duì)比分析52-53
• 4.4.2 數(shù)據(jù)傳輸通路的應(yīng)用總結(jié)53-54
• 4.5 本章總結(jié)54-55
• 第五章 系統(tǒng)集成測(cè)試55-63
• 5.1 測(cè)試平臺(tái)搭建55-56
• 5.2 功能模塊測(cè)試56-60
• 5.2.1 圖像壓縮功能模塊測(cè)試57
• 5.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能模塊測(cè)試57-59
• 5.2.3 數(shù)據(jù)下載功能模塊測(cè)試59-60
• 5.3 整體通路功能測(cè)試60-61
• 5.3.1 整體通路基本功能測(cè)試60
• 5.3.2 整體通路性能測(cè)試60-61
• 5.3.3 整體通路穩(wěn)定性測(cè)試61
• 5.4 本章小結(jié)61-63
• 第六章 結(jié)論和展望63-65
• 6.1 研究結(jié)論63-64
• 6.2 研究展望64-65
• 參考文獻(xiàn)65-67
• 致謝67-69
• 作者簡介69

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3 唐W

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