| 圖像處理系統(tǒng)多采用DSP陣列、DSP加FPGA/CPLD或單由FPGA/CPLD器件等方式構(gòu)成。采用DSP陣列構(gòu)成的圖像處理系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是處理功能可以通過軟件靈活修改，其缺點(diǎn)主要有功耗大、體積大、成本高；采用單由FPGA/CPLD等可編程器件構(gòu)成的系統(tǒng)，可以避免DSP陣列系統(tǒng)功耗大、體積大的缺點(diǎn)，并可以根據(jù)系統(tǒng)要求，在硬件構(gòu)造上靈活的配置，但對于復(fù)雜的算法，其設(shè)計(jì)復(fù)雜度急劇上升。正因?yàn)槿绱�，�?dāng)前很多設(shè)計(jì)選擇DSP加FPGA/CPLD的結(jié)構(gòu)來構(gòu)成圖像處理系統(tǒng)。本空間太陽望遠(yuǎn)鏡星載圖像處理系統(tǒng)，正是一種基于DSP和FPGA構(gòu)造的圖像處理系統(tǒng)。本文討論了系統(tǒng)的功能任務(wù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、FPGA設(shè)計(jì)的邏輯模塊、DSP的軟件結(jié)構(gòu)和原理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1 圖像處理系統(tǒng)的功能和任務(wù)
1．1 系統(tǒng)的外圍接口
系統(tǒng)的外圍接口如圖1。處理系統(tǒng)收來自CCD單元的圖像數(shù)據(jù)和同步信號(hào)，同時(shí)向CCD單元提供復(fù)位、曝光開始、數(shù)據(jù)讀出等控制信號(hào)；CEU是一個(gè)管理機(jī)，管理和控制CCD單元、圖像處理單元和壓縮單元，CEU單元向圖像處理系統(tǒng)發(fā)送各種命令，如CCD標(biāo)定、正常的觀測測試及觀測數(shù)據(jù)處理所需要的數(shù)據(jù)，如觀測模式、時(shí)間等；系統(tǒng)將處理完成的數(shù)據(jù)送到壓縮單元進(jìn)一步壓縮。
1．2 系統(tǒng)的圖像處理任務(wù)
圖像處理系統(tǒng)的任務(wù)是接收CCD傳來的圖像和同步信號(hào)，進(jìn)行圖像積分、輻射校正、幾何校正、磁圖偏陣計(jì)算和圖像格式化，然后把數(shù)據(jù)送到壓縮單元進(jìn)行壓縮。
（1）圖像積分：也就是圖像的多幀疊加，其目的是提高信噪比和消除圖像的時(shí)間相關(guān)性以壓縮數(shù)據(jù)量�？臻g太陽鏡有三個(gè)觀測模式，分別是爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式和寧靜態(tài)模式。經(jīng)計(jì)算，三種觀測模式下圖像積分的幀數(shù)分別是：4幀、24幀、240幀；每個(gè)模式又順次觀測六個(gè)分量，六個(gè)分量分別是：SV1、SV2、SQ1、SQ2、SU1、SU2。爆發(fā)模式的觀測時(shí)間是30s。30s的時(shí)間是這樣安排的：每個(gè)分量連續(xù)采集4幀，每秒一幀，然后1s進(jìn)行偏振光學(xué)元件的切換，如此直到六個(gè)分量觀測完畢�；顒�(dòng)區(qū)模式由6個(gè)連續(xù)的爆發(fā)周期構(gòu)成，觀測時(shí)間是3min；而寧靜態(tài)模式又是10次活動(dòng)區(qū)構(gòu)成周期構(gòu)成，觀測周期是30min。
�。�2）圖像的輻射校正：圖像由于受到大氣振動(dòng)、傳感器自身特性、宇宙射線等輻射的影響，圖像的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生退化，必須進(jìn)行輻射校正。主要考慮CCD的校正（暗流、偏置、平場）和條紋斑點(diǎn)的消除兩個(gè)方面。
�。�3）圖像的幾何校正：圖像的幾何校正，成像過程中引起的幾何畸變的校正；由于系統(tǒng)或隨機(jī)因素造成圖像產(chǎn)生幾何畸變，必須進(jìn)行校正�？紤]圖像漂移的校正，采用相關(guān)技術(shù)，求出活動(dòng)圖像相對于參考圖像的漂移量，再采用線性內(nèi)插累加的方式，實(shí)現(xiàn)漂移前后圖像的積分問題。根據(jù)太陽米粒的存活壽命，幾何校正只對寧靜模式觀測進(jìn)行，并且是以3min作為校正時(shí)間間隔。
�。�4）圖像的偏振計(jì)算：空間太陽望遠(yuǎn)鏡主要進(jìn)行太陽磁場測量，磁圖的偏振歸算也是重要任務(wù)之一。磁場圖像的歸算還可以是數(shù)據(jù)量壓縮1.5倍。
�。�5）圖像模式化：給圖像加上圖像頭，應(yīng)包括：儀器號(hào)、時(shí)間、觀測模式、觀測分量等。
2 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2。FPGA中的硬件模式，包括積分單元、多路開關(guān)單元、兩個(gè)SDRAM控制器和串口控制器。DSP的所有總線都伸入到FPGA內(nèi)部。存儲(chǔ)器由兩個(gè)SDRAM單元和一個(gè)SRAM單元構(gòu)成，SRAM只供DSP使用。系統(tǒng)接收CCD傳來的圖像，在積分單元進(jìn)行圖像積分，積分就緒的圖像再由DSP進(jìn)行輻射校正、幾何校正、偏振計(jì)算和圖像格式化等操作，最后通過DSP的片上串口將圖像送到壓縮單元。通過串口單元系統(tǒng)與管理機(jī)單元通信，接受管理和控制。由于圖像積分與DSP的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送是同時(shí)并行進(jìn)行的，因此積分器和DSP必須采用相互獨(dú)立的存儲(chǔ)區(qū)。為了避免圖像在積分器和DSP的存儲(chǔ)區(qū)之間來回進(jìn)行圖像傳送，在設(shè)計(jì)中采用多路開關(guān)進(jìn)行存儲(chǔ)區(qū)乒乓方式切換。
2．2 FPGA邏輯模塊
FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)的邏輯模塊主要包括圖像積分單元、通路選擇單元、異步通用串口（UART）單元、兩個(gè)SDRAM控制和其它附加邏輯。下面分別介紹各塊的結(jié)構(gòu)，由于SDRAM控制器和串口單元（UART）均采用IP核實(shí)現(xiàn)，這里不作詳細(xì)介紹。
2．2．1 積分單元
積分單元主要完成如下功能：（1）按給定的時(shí)序接收CCD的圖像，并保存在寄存器中；（2）積分地址產(chǎn)生；（3）存儲(chǔ)器控制；（4）積分操作；（5）積分?jǐn)U展位清零，當(dāng)每個(gè)分量的第一幀圖像接收時(shí)，無須積分，但必須把存儲(chǔ)器的高位（積分?jǐn)U展位）清零，其它情況不必清零；（6）每幀圖像積分結(jié)束，產(chǎn)生Irq信號(hào)中斷DSP，以便由DSP進(jìn)行工作安排。
積分單元的邏輯框圖如圖3，其輸入輸出如下：（1）CCD輸入數(shù)據(jù)（CCD data）,同步信號(hào)2——點(diǎn)同步(ps)、行同步（Is）、幀同步（fs）;(2)DSP數(shù)據(jù)、地址和控制總線，irp是積分單元發(fā)給DSP的中斷信號(hào)；（3）與存儲(chǔ)器連接的數(shù)據(jù)、地址和存儲(chǔ)器控制總線——data,mctrl,addr;（4）控制CCD的信號(hào)線——reset、start、read。
圖3充色的方框是DSP存儲(chǔ)器地址映射的寄存器，用于對積分單元進(jìn)行控制和對DSP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)識(shí)；無充公的方框則是積分單元的硬件結(jié)構(gòu)，從CCD送來的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器（OP1），作為寄分的第一個(gè)操作數(shù)，從存儲(chǔ)器送來的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器（OP2）作為積分的第二個(gè)操作數(shù)；從CCD送來的同步信號(hào)，送到幀內(nèi)地址發(fā)生器，作為地址產(chǎn)生信號(hào)，并生成存儲(chǔ)器需要的控制信號(hào)；CCD送來的OP1被寄存，同時(shí)產(chǎn)生地址從內(nèi)存中取出要進(jìn)行積分的操作數(shù)OP2，然后在點(diǎn)同步信號(hào)的下降沿，進(jìn)行積分運(yùn)算并存回存儲(chǔ)器。
2．2．2 多路開關(guān)單元
多路開關(guān)單元如圖4所示。本單元的功能是完成積分總線INT bus和DSP bus與SDRAM1和SDRAM2乒乓連接結(jié)構(gòu)的切換。切換包括三大總線：數(shù)據(jù)、地址和控制總線。切換通過一位切換控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，控制信號(hào)是DSP地址映射的一個(gè)一位寄存器，由DSP控制乒乓切換。
2．3 DSP軟件結(jié)構(gòu)
軟件部分包括系統(tǒng)軟件框架和各處理軟件模塊、中斷服務(wù)程序等；積分的流程和數(shù)據(jù)處理控制，都依賴于由DSP地址映射的寄存器的狀態(tài)。
2．3．1 DSP在FPGA中的存儲(chǔ)器映像寄存器及其作用
這一組寄存器都是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的。作業(yè)（指令）采用16位寄存器，由于DSP地址空間較大，為了方便編程，寄存器不采用拼位的方法。系統(tǒng)的工作受CEU的控制。CEU發(fā)送過來的指令格式如圖5（a），其中DT表示CEU傳來的數(shù)據(jù)類型，00表示數(shù)據(jù)、01表示觀測指令、10表示CCD標(biāo)定、11表示自測。接收時(shí)，若是命令則直接寫到JOB或放入命令隊(duì)列；若是數(shù)據(jù)，根據(jù)類型存放到相應(yīng)的位置。Parameters是各種工作狀態(tài)參數(shù)，如待機(jī)/自測要求的參數(shù)、測試的要求（內(nèi)容、測試選擇）、響應(yīng)信息要求、觀測模式和次數(shù)、CCD標(biāo)定要求的參數(shù)、標(biāo)定的內(nèi)容等。以便于DSP查看。
如圖5（b），當(dāng)CEU送來命令DT=01時(shí)，即為觀測命令。觀測作業(yè)的格式如：00表示無作業(yè)待機(jī)、01表示觀測指令、10表示CCD標(biāo)定、JT=11表示自測；mode是當(dāng)前觀測模式標(biāo)志，001表示爆發(fā)模式、010表示活動(dòng)區(qū)模式、100表示寧靜模式；Observ_Num是連續(xù)觀測同一種模式的次數(shù)標(biāo)志。
圖7 圖像處理程序模塊流圖
�。�1）作業(yè)型寄存器（JOB）：標(biāo)識(shí)系統(tǒng)工作內(nèi)容（作業(yè)類型），如CCD標(biāo)定、觀測、自測試等；（2）模式寄存器（MODE）：標(biāo)識(shí)觀測的模式，爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式、寧靜模式；（3）觀測次數(shù)寄存器（OBSN）：用于保存一次作業(yè)的觀測次數(shù)；（4）寧靜態(tài)的觀測次數(shù)寄存器（RESTN）：只用于寧靜模式的觀測，當(dāng)為寧靜態(tài)模式時(shí)，用它來標(biāo)志3min觀測的次數(shù)；（5）幀計(jì)數(shù)器（FRMN）：用于計(jì)算爆發(fā)模式、活動(dòng)區(qū)模式及寧靜模式下的24幀圖像，以便用于高位清零信號(hào)生成和地址高位生成；（6）SW電路控制寄存器（SWCTRL）：控制多路開關(guān)的切換；（7）reset寄存器（FRST）：用于DSP控制FPGA中INT單元的時(shí)序邏輯復(fù)位，每次觀測結(jié)束，必須復(fù)位一次；（8）清零標(biāo)識(shí)寄存器（ZERO）：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實(shí)現(xiàn)高位的清零任務(wù)；（9）分量寄存器（COMPO）：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實(shí)現(xiàn)高位地址的形成；（10）作業(yè)結(jié)束寄存器（END）：當(dāng)一個(gè)作業(yè)結(jié)束時(shí)，用次寄存器進(jìn)行標(biāo)志，以便將程序的PC跳到作業(yè)檢查入口；（11）數(shù)據(jù)狀態(tài)寄存器（DAST）：DSP存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)識(shí)：沒有數(shù)據(jù)、爆發(fā)模式的待處理數(shù)據(jù)、活動(dòng)區(qū)模式的待處理數(shù)據(jù)、寧靜模式的待處理數(shù)據(jù)、寧靜模式處理好數(shù)據(jù)及待送出數(shù)據(jù)等。DSP根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)和觀測模式，可以進(jìn)行相應(yīng)的處理；（12）相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)（CORR）：標(biāo)識(shí)相關(guān)運(yùn)算用的數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
2．3．2 DSP的存儲(chǔ)器空間分配
DSP的SYSCON寄存器的15～12位（MSIZE），可以設(shè)置以MS0～MS3作為片選信號(hào)時(shí)，每個(gè)分組的空間大小。其公式為：MSIZE=log2(塊大小)-13；取每個(gè)塊的大小為16MB，因此MSIZE=1011。
·片內(nèi)空間：0000，0000H～0007，F(xiàn)FFFH；
·MS0——數(shù)據(jù)空間：0040，0000H～13F，F(xiàn)FFFH；數(shù)據(jù)是倒序放置的，最后一個(gè)單元放第一個(gè)數(shù)據(jù)；其中：
Sqa:40,0000～5F,FFFF SQb:60,0000～7F,FFFF
Sua:80,0000～9F,FFFF Sub:a0,0000～bF,FFFF
Sva:c0,0000～dF,FFFF SVb:e0,0000～fF,FFFF
Rest2m:100,0000～11F,FFFF unused:120,0000～13F,FFFF
·MS1——SRAM空間：140，0000H～23F，F(xiàn)FFFH；
·MS2——CCD參數(shù)：240，0000H～33F，F(xiàn)FFFH；放置暗流、偏置和平場圖像3幀2048×1024圖像；
·MS3——未使用：340，0000H；
·未分組空間：4040，0000～FFFF，F(xiàn)FFF所有存儲(chǔ)器映射的寄存器。
2．3．3 DSP的軟件結(jié)構(gòu)
DSP的主程序框架如圖6。系統(tǒng)初始化后，進(jìn)行作業(yè)查詢，根據(jù)查詢結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的處理任務(wù)（CCD標(biāo)定、自測試、觀測）。圖6中僅以觀測作業(yè)為例進(jìn)行說明。進(jìn)行入觀測后，首先由DSP對積分單元作相應(yīng)的設(shè)置，設(shè)置完成后，積分器開始單獨(dú)地積分工作；DSP接著查詢本次觀測是否結(jié)束，若結(jié)束回到作業(yè)查詢，否則判斷存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的處理；處理就緒的數(shù)據(jù)根據(jù)FLAG0的標(biāo)志，可以向壓縮單元傳送數(shù)據(jù)。三種模式下的圖像處理程序流程如圖7，圖7中ccdst()是圖像輻射標(biāo)定子程序，format()是格式化子程序，內(nèi)插運(yùn)算采用線性內(nèi)插方法，相關(guān)運(yùn)算采用FFT和逆FFT方法。
除了主程序和數(shù)據(jù)處理程序外，DSP還有一個(gè)重要的中斷子服務(wù)，就是積分單元每幀圖像積分完畢的中斷服務(wù)程序，其流程框圖如圖8。它根據(jù)積分的圖像幀數(shù)據(jù)和觀測模式，判斷觀測是否結(jié)束，根據(jù)不同的情況設(shè)置積分器中相應(yīng)的寄存器，這些寄存器控制著積分器的工作行為和DSP的數(shù)據(jù)處理方法。圖8中參考圖像和活動(dòng)圖像的獲取是在采集到的2048×1024圖像的中心，獲取256×256的子塊，也就是說，相關(guān)運(yùn)算是在兩幀256×256的圖像之間進(jìn)行的；對于圖像傳送操作，考慮到寧靜模式的數(shù)據(jù)處理，要求的存儲(chǔ)器比爆發(fā)和活動(dòng)區(qū)模式要大一倍。為了不把存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)得太大，對于寧靜模式，不再采用乒乓存儲(chǔ)器切換的結(jié)構(gòu)，而是在數(shù)據(jù)就緒時(shí)，利用光學(xué)儀器調(diào)整的1s時(shí)間，將積分就緒的圖像傳到DSP的工作區(qū)內(nèi)。
3 樣機(jī)研制和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
原理樣機(jī)的研制過程中，DSP器件是AD公司ADSP21060，開發(fā)平臺(tái)采用VisualDSP2.0。FPGA器件選用Xilinx公司100萬門的Virtex II系列器件，開發(fā)平臺(tái)采用ISE6.2。已完成的地面樣機(jī)達(dá)到了合同的要求。用DSP硬件仿真器對樣機(jī)作了軟硬件測試，首先對各接口進(jìn)行了測試，在保證數(shù)據(jù)可以正確地接收和發(fā)送后，測試系統(tǒng)的功能。這些測試均在一個(gè)專門開發(fā)的地面支持系統(tǒng)測試平臺(tái)上進(jìn)行。經(jīng)過單元測試，再與其它單元接在一起進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的聯(lián)調(diào)和系統(tǒng)級(jí)測試。結(jié)果表明達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以按要求完成系統(tǒng)的各功功能。
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