一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法及系统，所述系统包括一个为整个系统提供电源的电源管理模块，若干箭载模拟摄像头，用于将模拟摄像头的图像数据进行数字化的图像视频解码单元，用于将图像数据进行小波变换和压缩的图像压缩单元，用于对图像压缩单元、图像视频解码单元控制，在多个摄像头之间进行切换并将图像数据打包输出的中央控制单元，用于完成图像数据的缓冲与传输将并行的总线数据转换成同步422总线数据的数据传输单元，以及用于对整个系统的软件进行监控的看门狗单元。该系统用于实现探空火箭上的图像采集，具有低成本、低功耗，温度适应性好且可靠性高的特点。
【专利说明】一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种箭载图像采集与压缩系统，特别涉及一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法及系统。
【背景技术】
[0002]探空火箭是一种在近地空间进行探测和科学试验的火箭，其飞行高度介于探空气球与人造卫星之间，也是临近空间(40?200公里)唯一的实地探测手段，是其它飞行器所不能及的。
[0003]探空火箭一般为无控制火箭，具有结构简单、成本低、研制周期短、发射灵活方便等优点。它不仅可以在高度方向探测大气各层结构、成分和参数，实现中高层大气立体剖面探测；更适用于临时观察短时间出现的如极光、日食、太阳爆发等特殊自然现象和持续观察某些随时间、地点变化的自然现象；而且可以提供一个微重力环境，用于某些特殊问题的试验研究，如利用探空火箭提供的微重力环境研究生物制药、生物机体的变化和适应性等。
[0004]有效载荷搭载在探空火箭或微重力火箭上进行空间环境原位探测或者微重力试验往往需要对载荷或者试验状况进行观察、记录。箭载图像采集与压缩系统就是为实现飞行过程中的试验拍摄而研制的，是探空火箭探测与试验平台的一个组成部分。通过图像采集与压缩系统，有效载荷的一些重要信息可以被拍摄和记录下来，一些微重力试验的场景也可以得到真实的保存，这些将为空间科学探测和研究提供宝贵的研究资料和依据。
[0005]搭载在航天飞行器上的空间图像采集设备如照相机、摄像机往往采用价格昂贵的宇航级器件，特别是在特殊元件的采购上，还常常受到国外出口的限制。随着微电子技术的飞速发展及空间任务对高性能需求的日益增强，工业级器件在空间的应用成为可能。此外，还有一些空间摄像机功耗达到IOW甚至以上，给整个箭载系统的供电、热控都造成了一定的影响。本发明采用了多种工业级器件设计出了满足航天飞行器特别是探空火箭应用的空间图像采集与压缩系统，具有成本低，功耗低，温度适应性好，可靠性高的特点。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，为克服现有技术存在的诸多问题，本发明提供了一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法及系统。为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统包含:
[0007]箭载模拟摄像头2，用于获取图像并产生模拟图像信号；
[0008]图像视频解码单元3，用于将所述箭载模拟摄像头2获取的模拟图像信号进行数字化，输出数据图像给图像压缩单元；
[0009]图像压缩单元4，用于将数字化后的图像数据进行小波变换和压缩；
[0010]中央控制单元5，用于控制所述图像压缩单元和图像视频解码单元在多个箭载模拟摄像头2之间完成切换，用于完成图像视频解码单元3、图像压缩单元4的初始化，并采用中断方式读取图像压缩单元4获取的压缩数据，将获取的压缩数据进行打包处理和输出；[0011]电源管理模块1，为整个系统中各模块提供电源；和
[0012]数据传输单元6，用于接收中央控制单元输出的数据，并对数据进行缓冲与数据，将并行的总线数据转换成同步422总线数据。
[0013]上述技术方案中，所述系统还包含看门狗单元7，用于对整个系统的软件进行监控，防止出现软件跑飞。
[0014]上述技术方案中，所述箭载模拟摄像头采用低功耗的模拟摄像头。
[0015]上述技术方案中，所述的图像处理板各单元模块均采用工业级芯片设计实现。
[0016]上述技术方案中，所述的电源管理模块进一步包含:电源转换子模块，用于完成5V电压到1.2V、1.8V、2.5V和3.3V电压之间的转换，由Linear公司的若干电源芯片构成；和
[0017]电源输送子模块，用于将上述电源输送至图像视频解码单元、中央控制单元、数据传输单元和看门狗单元。
[0018]上述技术方案中，所述的图像压缩单元采用小波压缩处理芯片，该芯片与中央控制单元经过数据总线和地址总线相连。
[0019]上述技术方案中，所述的中央控制单元采用基于ARM7TDM1-S内核的LPC2214。
[0020]上述技术方案中，所述中央控制单元5通过I2C总线对所述图像视频解码单元3进行控制。
[0021]上述技术方案中，所述同步422数据总线由数据线、时钟线和数据有效线组成，每根信号线均采用差分传输方式，且所述的数据有效线承载的数据信号随着时钟信号线承载的时钟信号，同步的送往系统电路，时钟信号的上升沿对应数据跳变沿，有效数据信号表明其在高电平时对应的数据信号为有效数据，有效数据信号低电平时对应的数据信号为无效号。
[0022]上述技术方案中，所述的切换摄像头具体步骤为:所述图像压缩单元每场图像处理完成后产生一个场处理中断信号，每两场图像组成一帧图像，所述中央控制单元计数到两个场中断信号后，通过I2C总线向所述图像视频解码单元发出控制指令，该图像视频解码单元进行通道切换，对下一个摄像头的数据进行视频解码操作。
[0023]基于上述系统本发明还提供了一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法，该方法基于权利要求1所述的系统，所述的方法包含:
[0024]中央控制单元5对图像压缩单元4进行实时控制，保证图像压缩单元4的恒定比特流输出，同时还对输入该中央控制单元的压缩数据按照预定格式进行打包处理，将打包后的数据通过数据总线传输给数据传输单元6，完成压缩后图像数据的接收与发送，数据传输单元6按照接口协议将从中央控制单元5获得的压缩图像数据转换成同步422总线数据进行传输，数据传输单元6还将喂狗信号发送给看门狗，其中，喂狗信号为每秒钟翻转一次的方波信号。
[0025]本发明的优点在于:
[0026]本发明采用的芯片都是低功耗的元器件，图像处理板运行的功耗小于3W，单个模拟摄像头的功耗小于1W，与其他设计相比，系统功耗大大降低；
[0027]本发明采用了 ARM7作为中央控制单元，采用FPGA作为数据传输单元的核心元件，充分发挥了二者的优势，并使其有机结合，与其他单独用FPGA而且在FPGA内嵌入控制内核的设计相比较，显著降低了系统设计复杂度，利于其空间应用的实现；
[0028]本发明采用了工业级的元器件，在满足探空火箭探测和工作环境的前提下，有效降低了成本，利于其广泛应用；
[0029]本发明采用的工业级元器件工作温度可以达到-25°C?+85°C，具有极佳的温度适应性，与商用图像采集设备相比，提高了系统在探空火箭上应用的可靠性；
[0030]本发明采用3个箭载摄像头(数量可以是I?4个)，且在中央控制器的控制下所述多个摄像头具有轮流切换的功能，扩大了系统的应用范围，增强了其在探空火箭上的适用性；
[0031]本发明的系统中具有独特的该处的独特是指在其它图像系统中没有发现同步422总线，其它图像系统多采用以太网接口，USB接口，I2C接口，或者异步232接口。同步422接口的优点是在满足数据传输速率的前提下，简化了接口传输协议；
[0032]本发明的系统中由于FPGA和ARM的可编程特性，更加便于系统硬件日后的升级和扩展。
[0033]总之，本发明使用成本较低的工业级器件代替价格昂贵的航天级器件，降低系统复杂度，降低功耗，设计出满足探空火箭飞行试验要求的图像采集与压缩系统，该系统性能可靠，具有对多个摄像头切换并进行压缩的功能，可实现空间多幅图像的连续获取与传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0034]图1是本发明的系统组成示意图；
[0035]图2是中央控制单元对视频压缩单元的中断处理流程图；
[0036]图3为422总线的示意图。
【具体实施方式】
[0037]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0038]本发明的目的是这样实现的:
[0039]本发明提供的探空火箭图像采集与压缩系统包括:
[0040]电源管理模块1，为整个系统中各模块提供电源，通过DC-DC变换，输出3.3V、
2.5V、1.8V、1.2V的电压，给其他单元模块供电；
[0041]箭载模拟摄像头2，用于获取图像并产生模拟图像信号；
[0042]图像视频解码单元3，用于将模拟摄像头的图像数据数字化，输出8比特图像数据给图像压缩单元；
[0043]图像压缩单元4，用于将数字化后的图像数据进行小波变换和压缩；
[0044]中央控制单元5，用于对图像压缩单元、图像视频解码单元进行控制，在多个摄像头之间完成切换，采集图像数据并进行打包传输；
[0045]数据传输单元6，用于完成图像数据的缓冲与传输，将并行的总线数据转换成同步422总线数据；
[0046]看门狗单元7，用于对整个系统的软件进行监控，一旦出现软件跑飞，看门狗单元对整个系统进行复位。[0047]图像视频解码单元、图像压缩单元、中央控制单元、数据传输单元、看门狗单元组成了图像处理板。
[0048]在上述的技术方案中，电源管理模块I具有完成5V电压到1.2V、1.8V、2.5V、3.3V的电压变换的功能；
[0049]在上述的技术方案中，所述的图像解码单元采用一种视频解码芯片，它对输入的4路模拟视频信号进行转换，输入可以为4路CVBS或2路S视频(Y/C)信号，输出8位VPO总线，为标准的ITU656、YUV4:2:2格式。图像解码单元兼容PAL、NTSC多种制式，内部的寄存器可以用来对图像的亮度、色度进行控制，寄存器的读写通过I2C总线进行。
[0050]在上述的技术方案中，图像压缩单元是一种低功耗的单片实时压缩视频编解码芯片，可用于视频数字信号处理，具有精确的压缩率控制。
[0051]在上述的技术方案中，中央控制单元是一种外形小巧但是性能高的CPU，元器件的功耗和价格都较低。
[0052]在上述的技术方案中，数据传输单元是一种Xilinx公司的工业级FPGA，这种FPGA具有低功耗、低成本的特点，具有快速灵活的电接口。如图1所示，该图为本发明提供的一种适用于探空火箭、微重力火箭的图像采集与压缩系统的组成框图，所述系统由电源管理模块1、箭载模拟摄像头2、图像视频解码单元3、图像压缩单元4、中央控制单元5、数据传输单元6和看门狗单元7组成；其中，本发明的实施例采用ARM7作为中央控制单元，用于完成图像视频解码单元3、图像压缩单元4的初始化，并采用中断方式读取图像压缩单元4获取的压缩数据，由中央控制单元5配置图像压缩单元中4的亮度、色度、压缩系数等寄存器，产生片选信号以及读、写使能信号。在图像压缩过程中，中央控制单元5对图像压缩单元4进行实时控制，保证图像压缩单元4的恒定比特流输出，同时还对输入该中央控制单元的压缩数据按照预定格式进行打包处理，将打包后的数据通过数据总线传输给数据传输单元6，完成压缩后图像数据的接收与发送，数据传输单元6按照接口协议将从中央控制单元5获得的压缩图像数据转换成同步422总线数据进行传输，数据传输单元6还将喂狗信号通过控制信号线传输给看门狗，其中，喂狗信号为每秒钟翻转一次的方波信号。
[0053]所述同步422数据总线由数据线、时钟线和数据有效线组成，每根信号线均采用差分传输方式，且所述的数据有效线承载的数据信号随着时钟信号线承载的时钟信号，同步的送往系统电路，时钟信号的上升沿对应数据跳变沿，有效数据信号表明其在高电平时对应的数据信号为有效数据，有效数据信号低电平时对应的数据信号为无效号。如图3所不。电源管理模块I米用Linear公司的LT196系列，该电源管理模块I把供电电压5V,转换为1.2V, 2.5V和3.3V的电压供给数据传输单元中的核心元件FPGA。电源管理模块I的输出端2.5V和3.3V分别接FPGA的Vint (内核电压)，Vcco (Bank电压)，GND端为整个设备的接地端。
[0054]图像视频解码单元3使用经供电模块转换的3.3V供电电源，该单元模块采用Philips公司的工业级芯片SAF7113，它把输入的模拟视频信号解码成标准的“VP0”数字信号。摄像头的模拟图像信号通过滤波电路与SAF7113的模拟视频输入引脚相连，SAF7113的寄存器由中央控制单元5通过I2C总线进行配置，SAF7113的RTSO引脚没有通过3.3K欧电阻下拉到地，此时I2C总线协议下的读、写地址分别是4BH和4AH。SAF7113有256个内部寄存器，其中OOH是芯片版本信息寄存器:01H?05H是前端配置状态寄存器，用于设置芯片前端模拟信号处理通道的工作状态，具体根据输入模拟视频信号的类别和格式进行设置；06H~13H、15H~17H是解码部分的工作方式配置寄存器，其中12H寄存器用来设置RTSO, RTSl的功能；ira是只读解码状态寄存器，报告解码过程中的各种信号状态:40H~60H、60H~62H是行/场图像控制、状态寄存器，用于设置VPO的数据格式等；14H、18H~1H1、20H~3!?及63H~Fi7H保留使用。
[0055]图像压缩单元4采用Analog Device公司的基于小波变换的图像压缩芯片ADV612和一片DRAM，ADV612采用了基于双正交基小波变换和帧内子带编码的压缩算法，并具有帧间压缩功能，理论上压缩比最高可达7500:1。ADV612工作时需要外接一个256KByte和60ns速度的DRAM，ADV612内部嵌入一个DRAM管理器，用于对ADV612进行流水线级缓冲，可以支持ADV612完成当前一场图像统计值计算。
[0056]中央控制单元5采用？11丨1丨？8公司的采用基于4咖7了010-3内核的LPC2214芯片，内置256KB的高速Flash存储器和16KB的SRAM，最高时钟频率可以达到60MHz，自带外部总线控制器和I2C接口控制器。LPC2214分别通过32位数据总线和I2C总线对ADV612和SAF7113进行控制，由于数据量比较大还为LPC2214配了 2块大小为4Mbits的片外SRAM。
[0057]数据传输单元6采用Xilinx公司的XC3S200，其工业级产品在温度特性、速度特性上均达到或超过探空火箭应用的需求。为了给XC3S200进行程序启动配置，还选择了程序存储芯片XCF02S。
[0058]如图1所示，模拟图像数据连接在SAF7113的模拟视频输入接口上，SAF7113对输入的模拟视频信号解码成标准的“VP0”数字信号传输给图像压缩芯片。模拟视频信号到达视频采集模块后，要经过抗混叠滤波、9-bitA/D变换、自动增益控制、亮度/对比度/饱和度调整，最终编码成为标准ITU-R BT 656YUV 4:2:2的格式，通过8位数据总线传输给图像压缩单元。SAF7113可以输入4路模拟视频信号，实现4路视频信号的切换。在工作时，SAF7113需要外接24.576MHz的晶体，内部具有锁相环(LLC)，输出27MHz的系统时钟给ADV612。ARM通过I2C总线对SAF7113的`寄存器进行访问和控制，主要完成亮度、色度、同步控制、输出控制等寄存器的配置。
[0059]中央控制单元5通过数据总线、地址总线与ADV612的相应引脚相连，并将ADV612的中断信号线连接到ARM的中断源引脚上，ARM将中断引脚上的中断信号配置成不同的优先级进行处理。中央控制单元还通过I2C总线与图像视频解码单元相连，通过I2C总线对其寄存器进行配置。图像处理板加电后，中央控制单元首先对图像解码单元SAF7113和图像压缩单元ADV612进行初始化配置。
[0060]SAF7113的数据总线连接到ADV612的相应引脚上，ADV612对SAF7113输出的VPO数据进行小波压缩与变换，将压缩后的数据存储在芯片内部的数据缓冲FIFO中，当FIFO中的数据达到预先配置的数值，立即触发相应的中断信号，ARM响应该中断，读取FIFO中的数据并清除中断，在读取数据的过程中，ARM还对ADV612的场中断信号LCODE进行判断，一旦收到该中断信号立即进行快速中断处理。LCODE中断表明一场的结束，ARM将从ADV612中获得的数据进行打包处理和发送。每两次LCODE中断信号表明一帧图像的采集完成，每隔两帧图像，中央控制单元就通过I2C总线控制图像解码单元按照预定顺序切换摄像头。ARM对ADV612的中断处理过程如图2所示。
[0061]图像数据的压缩由压缩单元的ADV612芯片完成。ADV612主要由小波滤波器组合游程/Huffman编码两部分组成，小波处理后信号会分解到42个不同的子带，每个子带对应一个RBW寄存器，每个寄存器实时自适应的输入适当的量化系数，然后ADV612会根据这些量化系数再量化、编码，得到期望的恒定码流。ADV612芯片采用的量化方案是标量量化，42个子带根据它们对原始图像重要性的不同而使用不同的量化系数。根据图像每场之间的相关性，系统中采用本场的大小变量来计算下一场的量化系数。实现时采用比例微分积分即PID调节器的原理来实现。
[0062]中央控制单元主要完成以下几个功能:(I)系统初始化，包括操作系统的初始化以及SAF7113H和ADV612的初始化；(2)获得压缩后的图像数据后，按照预定的数据格式进行打包，针对不同的摄像头、不同的图序号、包序号打包。根据CCSDS的标准，每428个图像数据打成一个包，通过数据总线和地址总线传输给FPGA。打包的数据格式如表1所示；(3)基于比例-积分-微分(PID)算法对ADV612的量化器进行控制，使其输出的码速率保持恒定；(4)控制图像采集模块进行摄像机的切换；(5)每秒钟向系统接口模块发送一次喂狗信号。
[0063]表1箭载图像采集设备数据包格式
【权利要求】
1.一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统包含: 箭载模拟摄像头(2)，用于获取图像并产生模拟图像信号； 图像视频解码单元(3)，用于将所述箭载模拟摄像头(2)获取的模拟图像信号数字化，输出数据图像给图像压缩单元； 图像压缩单元(4 )，用于将数字化后的图像数据进行小波变换和压缩； 中央控制单元(5)，用于控制所述图像压缩单元和图像视频解码单元在多个箭载模拟摄像头(2)之间完成切换，用于完成图像视频解码单元(3)、图像压缩单元(4)的初始化，并采用中断方式读取图像压缩单元(4)获取的压缩数据，将获取的压缩数据进行打包处理和输出； 电源管理模块(I )，为整个系统中各模块提供电源；和 数据传输单元(6)，用于接收中央控制单元输出的数据，并对数据进行缓冲与传输，将并行的总线数据转换成同步422总线数据。
2.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述系统还包含看门狗单元(7)，用于对整个系统的软件进行监控，防止出现软件跑飞。
3.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述箭载模拟摄像头采用低功耗的模拟摄像头。
4.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述的各图像处理板各单元模块均采用工业级芯片设计实现。
5.根据权利要求1所述的`适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述的电源管理模块进一步包含: 电源转换子模块，用于完成5V电压到1.2V、1.8V、2.5V和3.3V电压之间的转换，由Linear公司的若干电源芯片构成；和 电源输送子模块，用于将上述电源输送至图像视频解码单元、中央控制单元、数据传输单元和看门狗单元。
6.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述的图像压缩单元采用小波压缩处理芯片，该芯片与中央控制单元经过数据总线和地址总线相连。
7.根据权利要求1所述的适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩系统，其特征在于，所述同步422数据总线由数据线、时钟线和数据有效线组成，每根信号线均采用差分传输方式，且所述的数据有效线承载的数据信号随着时钟信号线承载的时钟信号，同步的送往系统电路，时钟信号的上升沿对应数据跳变沿，有效数据信号表明其在高电平时对应的数据信号为有效数据，有效数据信号低电平时对应的数据信号为无效信号。
8.一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法，该方法基于权利要求1所述的系统，所述的方法包含: 中央控制单元(5)对图像压缩单元(4)进行实时控制，保证图像压缩单元(4)的恒定比特流输出，同时还对输入该中央控制单元的压缩数据按照预定格式进行打包处理，将打包后的数据通过数据总线传输给数据传输单元(6)，完成压缩后图像数据的接收与发送，数据传输单元(6)按照接口协议将从中央控制单元(5)获得的并行的总线数据转换成同步422总线数据进行传输，数据传输单元(6)还将喂狗信号发送给看门狗，其中，喂狗信号为每秒钟翻转一次的方波信号。
9.根据权利要求8所述的一种适用于探空火箭的箭载图像采集与压缩方法，其特征在于，所述的切换摄像头具体步骤为:所述图像压缩单元每场图像处理完成后产生一个场中断信号，每两场图像组成一帧图像，所述中央控制单元计数到两个场中断信号后，通过I2C总线向所述图像视频解码单元发出控制指令，该图像视频解码单元进行通道切换，对下一个摄像头的数据进行视频解码 操作。
【文档编号】H04N7/18GK103517081SQ201210215326
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月26日 优先权日:2012年6月26日
【发明者】陈萍, 王林林, 姜秀杰, 陈志敏, 刘建斌, 李婷婷, 满峰, 刘成 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心