航天技術(shù)發(fā)展背景下的嵌入式圖像處理技術(shù)

李　濤（武警警官學(xué)院電子技術(shù)系，四川　成都　610213）

航天技術(shù)發(fā)展背景下的嵌入式圖像處理技術(shù)

李濤
（武警警官學(xué)院電子技術(shù)系，四川成都610213）

在航天技術(shù)不斷發(fā)展的背景之下，天基遙感系統(tǒng)對(duì)星上進(jìn)行部分圖像處理的要求越來(lái)越迫切。而嵌入式圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)能夠很好的解決天基遙感系統(tǒng)面臨的一些問(wèn)題。本文提出了這樣的問(wèn)題，分析了當(dāng)前遙感圖像處理的需求和嵌入式圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)，分析了天基嵌入式圖像處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，展望了未來(lái)天基嵌入式圖像處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方向。

天基遙感；圖像處理；嵌入式

隨著航天技術(shù)發(fā)展和衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷突破，近年來(lái)，在各行業(yè)領(lǐng)域?qū)πl(wèi)星影像的需求不斷增加，使遙感圖像處理技術(shù)有了更加廣闊的發(fā)展空間。目前，遙感衛(wèi)星已基本擺脫了最初的膠片式圖像處理，進(jìn)入了傳輸型遙感衛(wèi)星時(shí)代。但隨之而來(lái)的是，伴隨著對(duì)遙感衛(wèi)星時(shí)間分辨率、空間分辨率要求的不斷提高，遙感衛(wèi)星圖片的數(shù)據(jù)量和遙感數(shù)據(jù)傳輸信道帶寬也不斷增大。但受當(dāng)前衛(wèi)星通信技術(shù)手段限制，傳輸帶寬的增加幅度已經(jīng)很小。這就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題，如何將信息更加豐富的遙感圖像更有效率的傳輸回地面？

1　航天遙感圖像處理需求分析

航天遙感手段多樣，目前除了我們通常所知的全色可見(jiàn)光外，還有多光譜、高光譜、紅外、SAR等多種手段，分辨率也已經(jīng)在米級(jí)。航天遙感系統(tǒng)主要是在衛(wèi)星拍攝照片后，通過(guò)傳輸信道，直接將所有的圖像數(shù)據(jù)加密加壓縮后傳輸?shù)降孛娼邮障到y(tǒng)，再由地面系統(tǒng)解密、解壓縮后，根據(jù)具體要求進(jìn)行圖像處理。這種方式，原始圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，其中包含了很多無(wú)用信息，占用帶寬多，實(shí)際傳輸效率低，地面還需要配置龐大的圖像處理、存儲(chǔ)等系統(tǒng)。由于傳輸技術(shù)原因，采用這種方式，就限制了星上高分辨率圖像的傳輸，也影響圖像處理的實(shí)時(shí)性。因此，目前航天遙感領(lǐng)域希望能夠在星上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行部分處理，剔除無(wú)用信息，從而提高遙感衛(wèi)星效率。

2　嵌入式圖像處理技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，隨著IT業(yè)的迅猛發(fā)展和Internet技術(shù)和應(yīng)用的普及，嵌入式系統(tǒng)越來(lái)越多的應(yīng)用到了人們的生活中，嵌入式微處理器、微控制器被越來(lái)越多的應(yīng)用到各行各業(yè)。而單片機(jī)、DSP的出現(xiàn)和軟件技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展和完善。嵌入式系統(tǒng)的針對(duì)性、微型化、實(shí)時(shí)性、智能化等特點(diǎn)使其在與圖像處理技術(shù)結(jié)合后，產(chǎn)生了巨大的發(fā)展優(yōu)勢(shì)。

2.1針對(duì)性。嵌入式圖像處理系統(tǒng)一般都是針對(duì)某一特定行業(yè)領(lǐng)域，在設(shè)計(jì)、研制時(shí)，會(huì)根據(jù)具體使用需求提出有針對(duì)性的方案。

2.2微型化。嵌入式圖像處理系統(tǒng)，一般都采用微處理器，對(duì)圖像處理單元需要進(jìn)行微型化和低功耗設(shè)計(jì)，在保證正常運(yùn)行前提下，不額外帶來(lái)過(guò)多的使用負(fù)擔(dān)，不影響嵌入系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

2.3實(shí)時(shí)性。嵌入式的圖像處理系統(tǒng)，一般都能夠在短時(shí)間內(nèi)完成圖像處理流程，以便為大系統(tǒng)中的其他單元快速提供所需圖像，這也是嵌入式圖像處理系統(tǒng)產(chǎn)生和發(fā)展的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>

3　航天技術(shù)發(fā)展背景下嵌入式圖像處理技術(shù)主要方向

如前所述，航天遙感技術(shù)對(duì)時(shí)間分辨率、空間分辨率的要求越來(lái)越高，需要在星上完成一定量的圖像處理工作，以減小傳輸系統(tǒng)的壓力，降低地面處理所需時(shí)間。然而天基系統(tǒng)自身的特點(diǎn)對(duì)嵌入式圖像處理系統(tǒng)有著更為特殊的要求。

3.1天基系統(tǒng)對(duì)嵌入式圖像處理系統(tǒng)的要求。航天遙感衛(wèi)星運(yùn)行在太空環(huán)境，作為天基系統(tǒng)，其工作環(huán)境惡劣、工作空間有限、工作效率要求高。一是可靠性，外太空工作環(huán)境惡劣，維修難度大，系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，對(duì)其維修工作十分有限，因此對(duì)嵌入式圖像處理系統(tǒng)運(yùn)行可靠性有著更高的要求。二是微型化，衛(wèi)星的體積和重量受發(fā)射等多種條件限制，不可能有過(guò)多的空間提供給圖像處理系統(tǒng)，因此，需要天基嵌入式圖像處理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和研制時(shí)，重點(diǎn)考慮系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)，盡可能的控制設(shè)備的體積和重量。三是實(shí)時(shí)性，航天遙感系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)就是時(shí)間分辨率，這就要求圖像處理系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，此外天基系統(tǒng)的體積、重量限制也決定了天基系統(tǒng)不可能為圖像處理系統(tǒng)提供過(guò)多的存儲(chǔ)空間，這就對(duì)圖像處理的實(shí)時(shí)性有著更高的要求。四是復(fù)雜性，由于天基遙感系統(tǒng)的空間分辨率越來(lái)越高，從而使圖像處理系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)達(dá)到G的量級(jí)，這就使圖像處理變得更為復(fù)雜。五是智能化，天基遙感圖像中有很多無(wú)用數(shù)據(jù)，為提高地面處理效率，減小傳輸壓力，需要在星上進(jìn)行處理，這種數(shù)據(jù)識(shí)別就需要嵌入式圖像處理系統(tǒng)具備更高的智能化。

3.2天基嵌入式圖像處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)天基系統(tǒng)對(duì)嵌入式圖像處理系統(tǒng)的要求，就需要對(duì)嵌入式圖像處理系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)與物理實(shí)現(xiàn)等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3.2.1統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)模型。為達(dá)到芯片高集成度和設(shè)計(jì)周期相對(duì)較短的目的，需要采用IP核為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)，可考慮采用控制流的計(jì)算機(jī)體系架構(gòu)，其技術(shù)模型可分為三類：一是基于指令流的體系架構(gòu)，這類架構(gòu)以微處理器體系架構(gòu)為代表，可分為SISD、SIMD、MISD、MIMD四種體系架構(gòu)；二是基于數(shù)據(jù)流的體系架構(gòu)，這類架構(gòu)以ASIC電路體系架構(gòu)為代表，可分為SD與MD兩類。為了克服ASIC電路效率高但沒(méi)有處理器的缺點(diǎn)，還可采用靜態(tài)可編程的FPGA電路；三是基于構(gòu)令流的體系架構(gòu)，也可稱作動(dòng)態(tài)可編程體系架構(gòu)，共有SCSD、SCMD、MCSD、MCMD四類。

3.2.2虛擬的并行計(jì)算陣列。天基嵌入式圖像處理系統(tǒng)面對(duì)的是G級(jí)像素幀遙感圖像，當(dāng)前主要采用的是MPP并行計(jì)算陣列技術(shù)。但是由于現(xiàn)在還不能在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)G個(gè)處理單元的并行陣列，采用WSI技術(shù)只能完成百萬(wàn)個(gè)處理單元的陣列，因此，現(xiàn)在還只能采用虛擬處理元陣列技術(shù)來(lái)解決MPP本身的設(shè)計(jì)方便性和可讀性。

3.2.3仿生智能實(shí)現(xiàn)技術(shù)。近年來(lái)，仿生智能、人工智能技術(shù)發(fā)展前景廣闊。嵌入式圖像處理系統(tǒng)要求計(jì)算機(jī)要擺脫傳統(tǒng)的計(jì)算模式，逐步發(fā)展到自主計(jì)算，最終走向自然計(jì)算模式。同時(shí)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)逐步成為可能，自主計(jì)算的仿生智能實(shí)現(xiàn)技術(shù)可以推動(dòng)天基嵌入式圖像處理系統(tǒng)向更高的自主化、智能化、模糊化程度發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

嵌入式圖像處理系統(tǒng)目前仍然是天基遙感系統(tǒng)技術(shù)研究的主要方向之一。隨著SOC芯片技術(shù)、納米技術(shù)與自主總裝技術(shù)的發(fā)展，嵌入式圖像處理系統(tǒng)必將在天基遙感系統(tǒng)中得到更好的發(fā)展和運(yùn)用。

[1]沈緒榜.航天時(shí)代的嵌入式圖像處理技術(shù)[J].電子產(chǎn)品世界，2007（01）.

[2]蔣立豐.嵌入式圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2013.

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