用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的滑位處理方法研究

馮孝欣 陳興杰 丁寶鋼

摘? 要： 針對下位機(jī)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)由于接收端和發(fā)送端的時(shí)鐘不同源或者由于短促的干擾造成的數(shù)據(jù)異常，導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)偏移若干個(gè)比特的問題，以LabWindows/CVI為平臺(tái)使用C語言設(shè)計(jì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件，采用滑位尋找?guī)酱a的方法，解決了因幀失步導(dǎo)致的幀內(nèi)數(shù)據(jù)錯(cuò)位問題，進(jìn)而通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接收實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)幀格式對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、離線處理以及實(shí)時(shí)顯示，滿足了接收速率達(dá)到380Mbps、0.2s內(nèi)處理并顯示一幀圖像的需求。

關(guān)鍵詞： 時(shí)鐘； LabWindows/CVI； 滑位； 幀失步

中圖分類號：TP311.1? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2023）09-06-04

Research on slide processing method for real-time display of point cloud data

Feng Xiaoxin， Chen Xingjie， Ding Baogang

（School of Urban Railway Transportation， Shanghai University of Engineering Science， Shanghai 201620， China）

Abstract： When the lower computer sends data to the upper computer， the received data is offset by several bits due to the clock difference between the receiving and sending ends， or data anomalies caused by short interference. To address this problem， with LabWindows/CVI platform and C language， the point cloud data acquisition software is designed. The method of searching frame synchronization code by sliding bit is adopted to solve the problem of intra-frame data dislocation caused by frame out-of-sync， and real-time image data can be received through TCP/IP network protocol. According to the frame format， the image data is received， analyzed， offline processed and real-time displayed. It meets the demand of receiving rate of 380Mbps and processing and displaying one frame of image within 0.2s.

Key words： clock; LabWindows/CVI; sliding bit; frame out-of-sync

0 引言

深空探測任務(wù)對解析軟件的要求不僅限于數(shù)據(jù)的離線處理，對點(diǎn)云圖像的實(shí)時(shí)顯示也是載荷圖像采集裝置不可或缺的。航空遙感圖像和衛(wèi)星遙感圖像的處理加工，都離不開載荷圖像采集裝置的使用[1-2]。載荷圖像采集裝置主要由地面站設(shè)備和點(diǎn)云數(shù)據(jù)解析軟件組成，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和連續(xù)有效轉(zhuǎn)發(fā)起著巨大作用[3]。由于數(shù)據(jù)經(jīng)過采集裝置轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)量增大，加上傳輸速度快，導(dǎo)致對采集軟件的性能要求迅速增長。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度是實(shí)時(shí)顯示的關(guān)鍵。

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，當(dāng)下位機(jī)與上位機(jī)建立連接，因?yàn)榻邮斩撕桶l(fā)送端的時(shí)鐘不匹配或短促的干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)位出現(xiàn)異常，由此造成的接收端所獲取的數(shù)據(jù)偏移若干個(gè)比特，這就是滑位問題[4]。現(xiàn)有的幀同步碼查找方法主要是固定數(shù)據(jù)流中同步碼的位置，即在數(shù)據(jù)流中找到首個(gè)幀同步碼后按照幀固定長度進(jìn)行數(shù)據(jù)截取。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，但要求接收端與發(fā)送端時(shí)鐘同步，缺乏靈活性且難以得到正確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文研究的滑位處理實(shí)時(shí)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的方法，不但提供了圖像數(shù)據(jù)的同步碼位置，同時(shí)也提高了圖像數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和軟件處理效率。

1 載荷圖像采集裝置

不同的衛(wèi)星，其載荷完成的任務(wù)是不一樣的，但解析處理軟件的功能卻是基本一致的。載荷圖像采集裝置主要包括地面站裝置和載荷圖像地面解析軟件兩個(gè)部分?？偟膩碚f，載荷軟件可看作一個(gè)信息交換中心，實(shí)現(xiàn)有效載荷與地面站裝置之間的數(shù)據(jù)交換[5]。

地面站設(shè)備首先將LVDS傳輸?shù)膱D像數(shù)據(jù)按一定方法整理后，編制為串行數(shù)字序列，再將這些序列按系統(tǒng)規(guī)定的形式調(diào)制到射頻載波上，然后使調(diào)制載波信息以無線電的方式，按照特定的功率范圍和方向性要求向周圍的建筑傳播，地面站接收到調(diào)制載波信號并經(jīng)過解調(diào)后接收到信號，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理軟件將接收到的數(shù)據(jù)存盤并實(shí)時(shí)顯示 [6]。載荷圖像采集裝置構(gòu)成如圖1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)原理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，CVI使用C語言開發(fā)設(shè)計(jì)，是NI公司推出的開發(fā)軟件。

2.1 信息傳輸基本幀格式

在上位機(jī)與下位機(jī)通訊過程中，需要制定統(tǒng)一的通訊協(xié)議方便數(shù)據(jù)的傳輸過程，即規(guī)定傳輸數(shù)據(jù)中每個(gè)字節(jié)代表的信息，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)稱為信息傳輸幀。完整的一條傳輸幀由兩部分構(gòu)成，同步碼和信息包，其中同步碼為固定的0x33CC，信息包由信息頭和信息體組成，信息體包括了長度、設(shè)備編號、時(shí)間等九個(gè)部分。采集軟件可以根據(jù)信息頭數(shù)據(jù)的不同，來判斷圖像數(shù)據(jù)所屬的類型和包含的信息，信息傳輸幀格式定義如表1所示。

2.2 軟件功能設(shè)計(jì)

采集軟件方便后續(xù)維護(hù)，保障軟件穩(wěn)定性，采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊要盡可能保障通用性，以便于進(jìn)行系統(tǒng)功能擴(kuò)充和二級技術(shù)開發(fā)[7]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件主要作用：①實(shí)時(shí)采集數(shù)傳信道所傳的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對接收到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括按比特查找同步碼、點(diǎn)云圖像顯示、數(shù)據(jù)保存等；②對保存在本地的點(diǎn)云圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，能夠通過滑位尋找同步碼的方法，得到準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并顯示圖像。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是按照幀格式，一幀為一個(gè)文件，存儲(chǔ)到本地硬盤上，對信息進(jìn)行分類和管理，根據(jù)接收到數(shù)據(jù)的時(shí)間給文件命名，并以二進(jìn)制文件保存，方便以后查看。

軟件功能模塊主要分為TCP通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、實(shí)時(shí)圖像顯示模塊、數(shù)據(jù)反演5個(gè)子功能模塊，其功能模塊如圖2所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件界面

LabWindows/CVI提供了豐富的回調(diào)函數(shù)和圖形控件，可以快速、方便地設(shè)計(jì)出人機(jī)交互界面，縮短軟件開發(fā)周期。軟件界面如圖3所示，圖像顯示部分可播放實(shí)時(shí)圖像、回放圖像和反演圖像；網(wǎng)絡(luò)配置可設(shè)置服務(wù)器端口號和IP地址。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)同步碼查找及顯示

3.2.1 多線程設(shè)計(jì)

本軟件對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集速度要求較高，如果在LabWindows/CVI程序中采用單線程完成數(shù)據(jù)傳輸，即在接收到的數(shù)據(jù)中對一幀數(shù)據(jù)處理完成以后才能進(jìn)行其他數(shù)據(jù)操作，這種方法容易導(dǎo)致軟件性能低下，甚至?xí)斐蓴?shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出的問題[8]。多線程程序中，由程序自身告訴操作系統(tǒng)在主線程之上建立線程，并接收數(shù)據(jù)以提供完成多任務(wù)的所需時(shí)間[9]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件采用多線程處理實(shí)現(xiàn)多任務(wù)分割，主要功能為數(shù)據(jù)采集，滑位尋找同步碼，點(diǎn)云圖像顯示等。

本軟件選擇采用LabWindows/CVI多線程處理中的線程池機(jī)制，調(diào)用CmtScheduleThreadPoolFunction函數(shù)創(chuàng)建輔助線程，防止可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)堵塞問題，減少了等待所需要的時(shí)間開銷，大大提高了軟件運(yùn)行速度。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置

下位機(jī)與上位機(jī)（采集軟件）之間采用基于TCP/IP協(xié)議的信息交互格式，載荷圖像采集裝置中，采集軟件扮演客戶端的角色，負(fù)責(zé)發(fā)出連接請求，需要設(shè)置服務(wù)端的端口號以及IP地址。其中端口號默認(rèn)值為9010，IP地址默認(rèn)為192.168.100.10，界面如圖4所示，用戶可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

3.2.3 接收點(diǎn)云數(shù)據(jù)

TCP 是一個(gè)工作在傳輸層的可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，它能確保接收端接收的網(wǎng)絡(luò)包是無損壞、無間隔、非冗余和按序的[10]。接收點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)過程主要分為以下步驟：

⑴ 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，通過GetCtrlVal（）函數(shù)來獲取網(wǎng)絡(luò)配置界面中的服務(wù)器端口號與IP地址；

⑵ 客戶端通過TCP連接函數(shù)ConnectToTCP-

Server（）向服務(wù)器設(shè)備發(fā)起建立連接的請求；

⑶ 當(dāng)服務(wù)器接收到請求時(shí)，右側(cè)指示燈亮起提示建立連接成功，服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，軟件通過TCP協(xié)議讀函數(shù)ClientTCPRead（）開始接收圖像數(shù)據(jù)；

⑷ 網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)線程開始實(shí)時(shí)接收設(shè)備發(fā)送過來的TCP數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

3.2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取及顯示

點(diǎn)云數(shù)據(jù)接收線程啟動(dòng)后，進(jìn)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取程序，并通過以太網(wǎng)接收實(shí)時(shí)圖像，接收速率最大為單機(jī)LVDS實(shí)際輸出數(shù)據(jù)速率的1.5倍。

當(dāng)接收到的原有數(shù)據(jù)中出現(xiàn)滑位問題時(shí)，若按照截取信息傳輸幀固定長度的方案處理數(shù)據(jù)會(huì)造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序解析錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)滑位處理方法，可以有效、準(zhǔn)確的查找同步碼的位置，得到正確的圖像數(shù)據(jù)，方便接下來的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作，原始數(shù)據(jù)出現(xiàn)左移一位情況如圖5所示。

本程序?qū)Τ霈F(xiàn)滑位現(xiàn)象的信息傳輸幀，處理部分關(guān)鍵偽代碼具體如下。

for（i=0; i<n; i++）

A[i]=（B[i]<<count）+（B[i+1]>>（8 - count））;

for（i=0; i<n; i++）

if（（A[i]==0x33）&&（A[i+1]==0xCC））

查找到同步碼0x33CC

else

未查找到同步碼0x33CC

為防止數(shù)據(jù)量過大造成的數(shù)據(jù)堵塞，除了使用多線程機(jī)制以外，同時(shí)對原有點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽幀處理，即隨機(jī)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)取出兩幀長度的數(shù)據(jù)，若發(fā)生滑位現(xiàn)象一定存在完整的一幀數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)同步碼檢測流程如圖6所示。

采集軟件利用LabWindows/CVI中的3D Graph控件對于接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，如圖7所示。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)離線處理

在圖3所示軟件界面選擇“原始拆分”按鈕，在彈出界面選擇想要拆分的原始文件，將原始文件拆分為單個(gè)圖像文件，方便后續(xù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)核對和點(diǎn)云圖像查看，拆分完成后的圖像會(huì)以二進(jìn)制文件的格式儲(chǔ)存在存儲(chǔ)路徑設(shè)置文件路徑中。

在圖3界面選擇“點(diǎn)云反演”按鈕，通過對話框選擇想要反演的點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，進(jìn)度條顯示點(diǎn)云圖像反演進(jìn)度，“暫停反演”按鈕可以中止圖像反演，此時(shí)可仔細(xì)觀察三維圖中所呈現(xiàn)的圖像狀態(tài)。

4 實(shí)際應(yīng)用情況

本程序以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，采用C語言編寫并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、點(diǎn)云圖像實(shí)時(shí)顯示等功能，使用文本框、3D Graph、進(jìn)度條等控件表示各參數(shù)值，可設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并具有離線處理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)的功能。通過軟件查看保存的數(shù)據(jù)，經(jīng)核對與協(xié)議所規(guī)定的格式一致。

軟件實(shí)際功能經(jīng)過測試，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到380Mbps、數(shù)據(jù)出現(xiàn)滑位現(xiàn)象時(shí)，本程序能在0.2s內(nèi)處理并顯示一幀點(diǎn)云圖像，并能夠根據(jù)用戶需要進(jìn)行圖像大小調(diào)整，數(shù)據(jù)離線處理能根據(jù)幀格式規(guī)定將數(shù)據(jù)按照接收時(shí)間文件命名，合理設(shè)計(jì)解決了幀失步現(xiàn)象導(dǎo)致的幀內(nèi)數(shù)據(jù)錯(cuò)位問題。證明點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件能夠穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，軟件性能測試見表2。

5 結(jié)論

在實(shí)際項(xiàng)目中能夠快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、顯示點(diǎn)云圖像對整個(gè)系統(tǒng)有重要作用。本文提出了一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示的滑位處理方法，通過C語言開發(fā)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集軟件，使系統(tǒng)能夠在不更改時(shí)鐘的前提下，解決了數(shù)據(jù)錯(cuò)位問題，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)并滑位尋找同步碼、離線處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖像顯示的功能。所設(shè)計(jì)的軟件界面清晰美觀，便于操作和監(jiān)測，功能強(qiáng)大，用此方法能顯著提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸能力。

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