圖像處理系統(tǒng)多采用DSP陣列,、DSP加FPGA/CPLD" title="FPGA/CPLD">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)點是處理功能可以通過軟件靈活修改,，其缺點主要有功耗大、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，并可以根據(jù)系統(tǒng)要求,，在硬件構(gòu)造上作靈活的配置,，但對于復(fù)雜的算法，其設(shè)計復(fù)雜度急劇上升,。正因為如此,，當(dāng)前很多設(shè)計選擇DSP加FPGA/CPLD的結(jié)構(gòu)來構(gòu)造圖像處理系統(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)計的邏輯模塊,、DSP的軟件結(jié)構(gòu)和原理樣機的實驗結(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)接收來自CCD單元的圖像數(shù)據(jù)和同步信號" title="同步信號">同步信號,，同時向CCD單元提供復(fù)位、曝光開始,、數(shù)據(jù)讀出等控制信號,；CEU是一個管理機，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" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理所需要的數(shù)據(jù),，如觀測模式、時間等,；系統(tǒng)將處理完成的數(shù)據(jù)送到壓縮單元進一步壓縮,。

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，進行圖像積分,、輻射校正,、幾何校正、磁圖偏陣計算和圖像格式化,，然后把數(shù)據(jù)送到壓縮單元進行壓縮。
　　(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間相關(guān)性以壓縮數(shù)據(jù)量?？臻g太陽望遠(yuǎn)鏡有三個觀測模式,，分別是爆發(fā)模式、活動區(qū)模式和寧靜態(tài)模式,。經(jīng)計算,，三種觀測模式下圖像積分的幀數(shù)分別是：4幀、24幀,、240幀,；每個模式又順次觀測六個分量，六個分量分別是：S_V1,、S_V2,、S_Q1、S_Q2,、S_U1,、S_U2,。爆發(fā)模式的觀測時間是30s,。30s的時間是這樣安排的：每個分量連續(xù)采集4幀,，每秒一幀,，然后1s進行偏振光學(xué)元件的切換,，如此直到六個分量觀測完畢?；顒訁^(qū)模式由6個連續(xù)的爆發(fā)周期構(gòu)成,，觀測時間是3min；而寧靜態(tài)模式又是10次活動區(qū)模式周期構(gòu)成,，觀測周期是30min,。
　　(2)圖像的輻射校正：圖像由于受到大氣擾動、傳感器自身特性,、宇宙射線等輻射的影響,，圖像的質(zhì)量會產(chǎn)生退化，必須進行輻射校正,。主要考慮CCD的校正(暗流,、偏置、平場)和條紋斑點的消除兩個方面,。
　　(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)或隨機因素造成圖像產(chǎn)生幾何畸變,，必須進行校正?？紤]圖像漂移的校正,，采用相關(guān)技術(shù)，求出活動圖像相對于參考圖像的的漂移量,，再采用線性內(nèi)插累加的方式,，實現(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行,，并且是以3min作為校正時間間隔。
　　(4)圖像的偏振計算：空間太陽望遠(yuǎn)鏡主要進行太陽磁場測量,，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)圖像格式化：給圖像加上圖像頭,，應(yīng)包括：儀器號,、時間、觀測模式,、觀測分量等,。
2 圖像處理系統(tǒng)設(shè)計
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中的硬件模塊，包括積分單元,、多路" title="多路">多路開關(guān)單元,、兩個SDRAM控制器和串口控制器。DSP的所有總線都伸入到FPGA內(nèi)部,。存儲器由兩個SDRAM單元和一個SRAM單元構(gòu)成,，SRAM只供DSP使用。系統(tǒng)接收CCD傳來的圖像,，在積分單元進行圖像積分,，積分就緒的圖像再由DSP進行輻射校正、幾何校正,、偏振計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)傳送是同時并行進行的,，因此積分器和DSP必須采用相互獨立的存儲區(qū),。為了避免圖像在積分器和DSP的存儲區(qū)之間來回進行圖像傳送，在設(shè)計中采用多路開關(guān)進行存儲區(qū)乒乓方式切換,。

2.2 FPGA邏輯模塊
　　FPGA內(nèi)部設(shè)計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)存儲器控制；(4)積分操作,；(5)積分?jǐn)U展位清零,，當(dāng)每個分量的第一幀圖像接收時，無須積分，但必須把存儲器的高位(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信號中斷DSP,，以便由DSP進行工作安排,。
　　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——點同步(ps),、行同步(ls)、幀同步(fs),；(2)DSP數(shù)據(jù),、地址和控制總線，irq是積分單元發(fā)給DSP的中斷信號,；(3)與存儲器連接的數(shù)據(jù),、地址和存儲器控制總線——data, mctrl, addr；(4)控制CCD的信號線——reset,、start,、read。
　　圖3充色的方框是DSP存儲器地址映射的寄存器,，用于對積分單元進行控制和對DSP數(shù)據(jù)處理狀態(tài)進行標(biāo)識,；無充色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),，作為寄分的第一個操作數(shù),，從存儲器送來的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)寄存器(OP2)作為積分的第二個操作數(shù),；從CCD送來的同步信號,，送到幀內(nèi)地址發(fā)生器，作為地址產(chǎn)生信號,，并生成存儲器需要的控制信號,；CCD送來的OP1被寄存，同時產(chǎn)生地址從內(nèi)存中取出要進行積分的操作數(shù)OP2,，然后在點同步信號的下降沿,，進行積分運算并存回存儲器。

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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實現(xiàn),，控制信號是DSP地址映射的一個一位寄存器，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,；程序的流程和數(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中的存儲器映像寄存器及其作用
　　這一組寄存器都是在FPGA中實現(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,，若是命令則直接寫到JOB或放入命令隊列；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/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,，即為觀測命令,。觀測作業(yè)的格式如：00表示無作業(yè)待機、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,。
　　(1)作業(yè)類型寄存器(JOB)：標(biāo)識系統(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)識觀測的模式，爆發(fā)模式,、活動區(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，用它來標(biāo)志3min觀測的次數(shù),；(5)幀計數(shù)器(FRMN)：用于計數(shù)爆發(fā)模式,、活動區(qū)模式及寧靜模式下的前24幀圖像，以便用于高位清零信號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)識寄存器(ZERO)：由DSP根據(jù)FRMN的值修改它，以實現(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,，以實現(xiàn)高位地址的形成；(10)作業(yè)結(jié)束寄存器(END)：當(dāng)一個作業(yè)結(jié)束時,，用次寄存器進行標(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存儲區(qū)數(shù)據(jù)狀態(tài)標(biāo)識：沒有數(shù)據(jù),、爆發(fā)模式的待處理數(shù)據(jù),、活動區(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,，可以進行相應(yīng)的處理,；(12)相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)(CORR)：標(biāo)識相關(guān)運算用的數(shù)據(jù)的狀態(tài)。
2.3.2 DSP的存儲器空間分配
　　DSP的SYSCON寄存器的15～12位(MSIZE),，可以設(shè)置以MS0～MS3作為片選信號時,，每個分組的空間大小,。其公式為：MSIZE=log2(塊大小)－13；取每個塊的大小為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，最后一個單元放第一個數(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,FFFFH,；
　　·MS2——CCD參數(shù)：240,0000H～33F,FFFFH；放置暗流,、偏置和平場圖像3幀2048×1024圖像,；
　　·MS3——未使用：340,0000H～43F,FFFFH；
　　·未分組空間：4040,0000～FFFF,FFFF所有存儲器映射的寄存器,。
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，進行作業(yè)查詢,，根據(jù)查詢結(jié)果,，進行相應(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)為例進行說明。進入觀測后,，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，否則判斷存儲器中數(shù)據(jù)的狀態(tài),，根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài),，進行相應(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圖如圖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)插運算采用線性內(nèi)插方法,，相關(guān)運算采用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)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)運算是在兩幀256×256的圖像之間進行的；對于圖像傳送操作,，考慮到寧靜模式的數(shù)據(jù)處理,，要求的存儲器比爆發(fā)和活動區(qū)模式要大一倍。為了不把存儲器設(shè)計得太大,，對于寧靜模式,，不再采用乒乓存儲器切換的結(jié)構(gòu)，而是在數(shù)據(jù)就緒時,，利用光學(xué)儀器調(diào)整的1s時間,，將積分就緒的圖像傳到DSP的工作區(qū)內(nèi)。

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