《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ADV212的雷達(dá)圖像壓縮傳輸系統(tǒng)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
祁志恒1,姜 喆2,,張 為1
(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,,天津300072,;2.北京大學(xué) 工學(xué)院,,北京100871)
摘要: 針對(duì)雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)量大實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn),,設(shè)計(jì)了一種新的基于FPGA和ADV212的雷達(dá)圖像壓縮與傳輸系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)對(duì)4 096級(jí)方位量化和最大4 096級(jí)距離量化的雷達(dá)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)JPEG2000壓縮,。通過(guò)所設(shè)計(jì)的分片壓縮方式把雷達(dá)圖像分段,,每段分別壓縮,并配合乒乓緩存來(lái)減小壓縮到傳輸?shù)难訒r(shí),。系統(tǒng)基于可配置設(shè)計(jì),,可配置圖像的壓縮率及雷達(dá)圖像的分辨率。采用ADV212實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的壓縮,,F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)各功能模塊,,W5500實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雷達(dá)圖像實(shí)時(shí)壓縮和傳輸?shù)囊蟆?
中圖分類(lèi)號(hào): TN958
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.11.022

中文引用格式: 祁志恒,,姜喆,張為. 基于ADV212的雷達(dá)圖像壓縮傳輸系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015,,41(11):78-80,84.
英文引用格式: Qi Zhiheng,,Jiang Zhe,,Zhang Wei. Radar image compress and transfer system based on ADV212[J].Application of Electronic Technique,2015,,41(11):78-80,,84.
Radar image compress and transfer system based on ADV212
Qi Zhiheng1,Jiang Zhe2,,Zhang Wei1
1.School of Electronic Information Engineering,,Tianjin University,Tianjin 300072,,China,; 2.College of Engineering,Peking University,,Beijing 100871,,China
Abstract: A radar image compress and transfer system based on ADV212 and FPGA is designed to process the data of radar,which has 4 096 quantization levels of orientation and 4 096 quantization levels of distance. Time cost form compression to transfer decreases because a new method of radar image compression is proposed, the radar image is devided into tiles and each tile is compressed respectively, and the ping-pang buffer strategy is used. The compression ratio of the system and the image resolution are configurable. ADV212 is used to compress the image, compressed data is sent to network by W5500, and other modules is implemented in FPGA. The experiments show that the system meets the requirement of real-time radar image processing.
Key words : radar image;ADV212,;JPEG2000,;compress by tiles,;transfer


0 引言

  雷達(dá)在現(xiàn)代海上交通運(yùn)輸中發(fā)揮著不可替代的作用。雷達(dá)圖像具有分辨率高,、數(shù)據(jù)量大,、實(shí)時(shí)性要求高等特點(diǎn),,現(xiàn)代雷達(dá)獲取的有效數(shù)據(jù)可達(dá)100 Mb/s~200 Mb/s,,巨大的數(shù)據(jù)量為雷達(dá)圖像的傳輸與存儲(chǔ)帶來(lái)了一定的困難[1]。目前雷達(dá)數(shù)據(jù)采用PCI總線(xiàn)或光纖等傳輸方式,,雖然可以實(shí)現(xiàn)高帶寬,,但是在傳輸距離和成本上受到限制,而以太網(wǎng)傳輸距離遠(yuǎn),、成本低,,配合數(shù)據(jù)壓縮可以用來(lái)傳輸海量雷達(dá)數(shù)據(jù),并方便雷達(dá)數(shù)據(jù)共享及遠(yuǎn)程岸上站點(diǎn)或移動(dòng)設(shè)備接收,。JPEG2000作為新一代靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)非常適合雷達(dá)圖像的壓縮[2-3],,相比于JPEG等靜態(tài)圖像壓縮算法,JPEG2000有以下優(yōu)點(diǎn)[4]:(1)可以支持有損和無(wú)損壓縮,;(2)支持更大的圖像分辨率,;(3)感興趣區(qū)域編碼(ROI);(4)抗誤碼性,;(5)圖像加密等,。ADV212[5-7]是一款單芯片JPEG2000編解碼器,針對(duì)視頻和高帶寬圖像壓縮應(yīng)用,,使之能受益于JPEG2000 ISO/IEC15444-1圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)所提供的增強(qiáng)畫(huà)質(zhì)與功能,。該器件可實(shí)現(xiàn)JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算密集型操作[8-9],并且提供完全兼容,、適合多數(shù)應(yīng)用的碼流產(chǎn)生方法[10],。

  本文在深入分析雷達(dá)圖像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種低延時(shí)的適合雷達(dá)圖像實(shí)時(shí)壓縮并傳輸?shù)奶幚矸绞?,并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了以FPGA和ADV212為核心的雷達(dá)圖像壓縮與傳輸系統(tǒng),。根據(jù)系統(tǒng)對(duì)空間的要求,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)體積小,、重量輕,,可作為一個(gè)模塊添加到整體系統(tǒng)中,只占用很小的空間,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

  某型號(hào)雷達(dá)掃描周期為1.5 s,,每個(gè)掃描周期共有4 096級(jí)方位量化,在探測(cè)距離最大時(shí)有4 096級(jí)距離量化,,采樣精度為12 bit,。本設(shè)計(jì)要求壓縮系統(tǒng)的采樣率達(dá)到16 MS/s,,外形尺寸小于10 cm×10 cm,重量不超過(guò)200 g,。

  基于以上需求,,本系統(tǒng)采用支持JPEG2000的ADV212作為壓縮芯片,ADV212支持有損和無(wú)損壓縮,,支持5/3和9/7小波變換,。無(wú)損壓縮模式下,支持45 MS/s的數(shù)據(jù)輸入速率,,有損模式下,,支持65 MS/s的數(shù)據(jù)輸入速率。對(duì)于單分量靜態(tài)圖像,,支持的最大分辨率為4 096×4 096,,一片ADV212每幅圖像的采樣點(diǎn)最多為1.048 MB,單片ADV212即可滿(mǎn)足系統(tǒng)的指標(biāo)要求,。另外,,系統(tǒng)采用W5500作為以太網(wǎng)傳輸芯片,采用Altera ep3c55 FPGA實(shí)現(xiàn)各功能模塊和系統(tǒng)控制,。

  圖像壓縮系統(tǒng)主要由方向標(biāo)定與預(yù)處理模塊,、存取控制模塊、圖像壓縮模塊,、數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成,。整個(gè)壓縮過(guò)程如下:由信號(hào)采集前端接收雷達(dá)回波信號(hào),捕獲正北方位標(biāo)志和每個(gè)掃描脈沖的開(kāi)始采樣點(diǎn),,丟棄超出范圍的采樣信號(hào),,將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后交給存取控制模塊,存取控制模塊分塊將圖像乒乓緩存到兩片SDRAM中,,在將數(shù)據(jù)存到1片SDRAM中的同時(shí)從另一片SDRAM中讀取圖像數(shù)據(jù),,然后把數(shù)據(jù)和同步信號(hào)傳給圖像壓縮模塊;圖像壓縮的核心是ADV212,,它由所配置的參數(shù)和同步信號(hào)處理圖像數(shù)據(jù),,生成壓縮碼流,然后把生成的壓縮碼流送給傳輸模塊,,經(jīng)網(wǎng)口把壓縮數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行解碼并顯示,。系統(tǒng)組成如圖1所示。

001.jpg

  如果將分辨率為4 096×4 096的圖像作為一整幅圖像進(jìn)行壓縮,,可利用幀間相關(guān)性,,但代價(jià)是壓縮必須要等到雷達(dá)完成一周期后才能開(kāi)始,從接收雷達(dá)信號(hào)到壓縮完傳輸?shù)难舆t是雷達(dá)旋轉(zhuǎn)周期的倍數(shù),,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求極高的雷達(dá)信號(hào)來(lái)說(shuō)并不適合,,因此本文設(shè)計(jì)了一種延遲更小的分片壓縮方式,。將每個(gè)雷達(dá)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的各個(gè)掃描線(xiàn)以128個(gè)為一組作為一幅圖像,4 096個(gè)掃描線(xiàn)共分成32份,,每張圖像的分辨率為128×4 096,,如圖2。雷達(dá)旋轉(zhuǎn)360°/(4 096/128)=11.25°就可以開(kāi)始對(duì)圖像進(jìn)行壓縮,,因此減小了接收到傳輸?shù)难訒r(shí),。

002.jpg

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

  系統(tǒng)采用FPGA實(shí)現(xiàn)各模塊的功能,利用FPGA強(qiáng)大的高速并行處理能力和方便的可配置能力,,完成以下模塊的設(shè)計(jì),。

  2.1 方向標(biāo)定與預(yù)處理模塊


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  雷達(dá)信號(hào)首先經(jīng)前端模數(shù)轉(zhuǎn)換并加上方位信息后送到壓縮系統(tǒng),壓縮系統(tǒng)接收到的信號(hào)中帶有標(biāo)定正北方向的信息和每個(gè)掃描脈沖的首像素位置信息,,如圖3所示。如果數(shù)據(jù)第14位為1就代表此脈沖為正北方向,,如果第13位為1就代表此脈沖的第一個(gè)像素,。方向標(biāo)定模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接收到的掃描脈沖信號(hào),在檢測(cè)到包含正北方向信息的掃描脈沖時(shí)將此脈沖標(biāo)定為正北方向,,在檢測(cè)到脈沖首像素信息后表示后面的數(shù)據(jù)為下一脈沖的數(shù)據(jù),。對(duì)于12位雷達(dá)圖像數(shù)據(jù),取高8位作為有效數(shù)據(jù),,一個(gè)雷達(dá)周期得到4 096×4 096×8 bit的圖像數(shù)據(jù),。通常輸入的原始信息會(huì)存在大量的隨機(jī)噪聲,噪聲會(huì)降低圖像相鄰像素之間的相關(guān)性,,影響編碼效率,。所以在此對(duì)圖像信息進(jìn)行去噪處理。

  2.2 存取控制模塊

  系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由兩片SDRAM負(fù)責(zé),,分別為SDRAM1和SDRAM2,,兩片SDRAM構(gòu)成乒乓緩存。接收到的圖像先存到SDRAM1中,,共存128×4 096個(gè)像素值,,存取控制模塊判斷ADV212是否壓縮完成上一幅圖像,如果完成則在SDRAM1取數(shù)傳給ADV212,,在SDRAM1取數(shù)時(shí)把接收到的下一幅圖像存入SDRAM2,。如此循環(huán)構(gòu)成乒乓操作。在取數(shù)送給ADV212的過(guò)程中,,需要為原始圖像數(shù)據(jù)添加同步信號(hào),,同步信號(hào)采用獨(dú)立于碼流的HVF格式。

  2.3 數(shù)據(jù)壓縮模塊

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  ADV212的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。ADV212芯片由兩個(gè)圖像傳輸接口(像素接口和主機(jī)接口)和一些模塊組成,,包括小波變換引擎,、嵌入式RISC處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng),、3個(gè)熵編碼器,、可配置FIFO和內(nèi)外部DMA引擎等。其工作原理為每幀圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理,、小波變換,、量化、算數(shù)編碼,、率失真優(yōu)化截?cái)嗪笊蓸?biāo)準(zhǔn)的JPEG2000壓縮碼流,。ADV212可配置多種接口模式,用戶(hù)可通過(guò)VDATA總線(xiàn)和HDATA總線(xiàn)輸入原始數(shù)據(jù),,也可以單獨(dú)使用HDATA總線(xiàn),。本系統(tǒng)工作在custome-specific模式,接口為JDATA模式,,原始數(shù)據(jù)由VDATA接口輸入,,JDATA接口輸出。VDATA接口支持8,、10,、12、16位的單分量或多分量YCbCr4:2:2格式視頻,,同步信號(hào)可以為EAV/SAV模式或HVF模式,。ADV212與FPGA的連接方式如圖5所示。

005.jpg

  ADV212的MCLK連接頻率為27 MHz的晶振,,經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻后生成JCLK和HCLK作為內(nèi)部工作時(shí)鐘,,VCLK是視頻接口工作時(shí)鐘,與圖像數(shù)據(jù)同步,。FPGA通過(guò)HDATA接口低15位配置ADV212,,正確的配置是系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵,芯片的配置主要包括PLL配置,、固件加載,、直接寄存器和簡(jiǎn)介寄存器配置等。本文設(shè)計(jì)ADV212工作在JDATA模式,,上電復(fù)位后,,設(shè)置內(nèi)部PLL,為ADV212工作提供正確的時(shí)鐘,,等PLL鎖定后設(shè)置為No-boot host mode,,并設(shè)置BUSMODE和MMODE,加載32 kb編碼固件;然后設(shè)置soft-reboot,,重新設(shè)置BUSMODE和MMODE,,并設(shè)置編碼參數(shù),編碼參數(shù)要與輸入的圖像參數(shù)一致,;使能SWIRQ0,,配置正確ADV212將產(chǎn)生軟件中斷;查詢(xún)應(yīng)用程序ID,,若讀出0xff82則表明ADV212可以正常工作,;清除中斷標(biāo)志寄存器,ADV212開(kāi)始工作,。

  2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

  數(shù)據(jù)傳輸模塊使用了Wiznet的W5500芯片,,W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器,集成了TCP/IP協(xié)議棧,,10/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)及物理層(PHY),,使得用戶(hù)使用單芯片就能夠在其應(yīng)用中拓展網(wǎng)絡(luò)連接。而且,,W5500使用了新的高效SPI協(xié)議支持80 MHz速率,,從而能夠更好地實(shí)現(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)通信。本文使用FPGA對(duì)W5500進(jìn)行控制,,以Verilog HDL實(shí)現(xiàn)SPI接口協(xié)議。首先通過(guò)SPI接口對(duì)W5500進(jìn)行配置,,設(shè)置本地IP,、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)管,、硬件Mac地址,、發(fā)送與接收緩存大小、目標(biāo)IP地址等,,并使其工作在UDP模式,;數(shù)據(jù)接收模塊收到ADV212的JDATA接口發(fā)出的壓縮碼流后轉(zhuǎn)成串行數(shù)據(jù)交給W5500,W5500自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)封裝成UDP包,,通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送給上位機(jī),。相比于TCP,UDP是一個(gè)非連接的協(xié)議,,它在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不需要握手,,只是將數(shù)據(jù)盡可能快地發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,所以UDP可以實(shí)現(xiàn)更快的傳輸速度,。缺點(diǎn)是會(huì)帶來(lái)丟包的可能性,,在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的情況下,丟包率極低,,而且即使發(fā)生丟包,,影響解碼圖像的質(zhì)量,,這種影響也不會(huì)保留到下一幅圖像,而是控制在當(dāng)前圖像以?xún)?nèi),。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  系統(tǒng)的實(shí)物尺寸為10 cm×6 cm,,重量小于100克,可以方便地加入到原有雷達(dá)系統(tǒng)中,,只占用很小的空間,。在有損模式下,壓縮輸入采樣率可達(dá)65 MS/s,,在無(wú)損模式下,,輸入采樣率可達(dá)45 MS/s,滿(mǎn)足系統(tǒng)16 MS/s的采樣要求,。采用本文的分片壓縮方式,,系統(tǒng)不必等雷達(dá)掃描一個(gè)周期,而是1/32周期即11.25°,,便可開(kāi)始?jí)嚎s,,從而減小了系統(tǒng)延時(shí)。

  為了測(cè)試圖像壓縮系統(tǒng)的性能,,在XUPV5-LX110T平臺(tái)上搭建了測(cè)試系統(tǒng),,產(chǎn)生符合要求的原始數(shù)據(jù)信號(hào),輸入到圖像壓縮系統(tǒng),,通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接上位機(jī),,圖像經(jīng)過(guò)網(wǎng)線(xiàn)傳輸給上位機(jī),并在上位機(jī)對(duì)圖像解壓,,實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)完全符合設(shè)計(jì)要求,。試驗(yàn)中系統(tǒng)采用5/3可逆小波變換,壓縮比為20:1,,原始圖像分辨率為4 096×4 096,,大小為24 MB,經(jīng)系統(tǒng)處理壓縮以后結(jié)果為1 053 KB,,極大地減小了網(wǎng)絡(luò)寬帶占用及存儲(chǔ)占用空間,,便于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。圖6為一幀雷達(dá)圖像壓縮后的效果圖,,為了對(duì)比更清楚,,在整體圖中取某一塊進(jìn)行比較,如圖7所示,,壓縮的PSNR為47.17,,完全滿(mǎn)足對(duì)雷達(dá)圖像后期處理的要求。

4 結(jié)論

  本文在分析了雷達(dá)圖像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款雷達(dá)圖像壓縮系統(tǒng),采用FPGA和ADV212專(zhuān)用圖像壓縮芯片為核心,,提出了一種將雷達(dá)圖像分塊壓縮的壓縮方式,,解決了雷達(dá)圖像壓縮與實(shí)時(shí)性要求之間的矛盾,使壓縮結(jié)果不僅可以用來(lái)做航行記錄儀的雷達(dá)圖像記錄,,而且還可以用于實(shí)時(shí)顯示,,遠(yuǎn)程傳輸?shù)取O到y(tǒng)體積小,、重量輕,、占用空間小,而且由于系統(tǒng)基于FPGA實(shí)現(xiàn),,通過(guò)重新配置可以用于小型無(wú)人機(jī),、遠(yuǎn)程監(jiān)控等其他場(chǎng)合。

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