一種多路圖像實時采集存儲系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

喬鐵英+李云龍

摘要：針對當前一些大型測量設備要求多傳感器集成在一起，為兼顧設備存儲能力的實時性及可靠性，本文設計了一種多路圖像實時采集存儲系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)組成、功能指標、系統(tǒng)軟硬件設計，詳細介紹了該系統(tǒng)采用的關鍵技術及功能優(yōu)勢，采用FPGA編寫接口時序和網(wǎng)口及串口控制方式等技術，減少了系統(tǒng)設計的復雜度，保證了系統(tǒng)的可行性和可靠性。

關鍵詞：圖像采集；存儲；FPGA

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）01-0155-03

1 概述

在一些大型測量設備中，多傳感器集成在一起，對設備實時存儲能力提出了新要求，既要保證實時性又要保證可靠性和圖像質量，本文設計了一種多路實時存儲系統(tǒng)，該存儲系統(tǒng)由四套圖像實時采集存儲系統(tǒng)組成，系統(tǒng)采用嵌入式存儲構架，利用嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，磁盤為存儲介質，完成視頻圖像的存儲過程。系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)接收到主控計算機控制命令后開始圖像存儲記錄，通過串口控制模塊實時接收時間、編碼器等信息，并將時間、編碼器信息與當前幀的圖像一同記錄到存儲硬盤中。

2 系統(tǒng)組成及功能

2.1 總體組成

存儲系統(tǒng)組成如圖1.1所示，系統(tǒng)主要由四個獨立的實時圖像存儲系統(tǒng)組成（其中包括1個SDI輸入圖像存儲系統(tǒng)，3個CameraLink輸入圖像存儲系統(tǒng)）、一個數(shù)據(jù)交換機、一套上位機軟件組成，四根串口線以及5根千兆網(wǎng)線組成。上位機軟件具有控制、實時顯示、回放，以及導出存儲視頻文件的功能；數(shù)據(jù)交換機與千兆網(wǎng)線配合使用將上位機與四套實時圖像存儲系統(tǒng)進行集群式連接；存儲系統(tǒng)用于保存視頻文件；串口線可用于存儲系統(tǒng)實時接收疊加信息進行存儲操作。圖像數(shù)據(jù)在采集系統(tǒng)的控制下完成圖像數(shù)據(jù)采集，同時存儲控制器接收綜合控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，將該信息按每幀與圖像對應幀組成圖像與數(shù)據(jù)的整合幀，并將整合后的數(shù)據(jù)在存儲系統(tǒng)的控制下寫入SSD固態(tài)硬盤中，完成逐幀的數(shù)據(jù)記錄。

2.2 系統(tǒng)功能

（1）實時無損大容量存儲數(shù)字圖像；

（2）接收主控計算機系統(tǒng)的控制命令，回送存儲狀態(tài)信息；

（3）記錄數(shù)字圖像及相關信息，在存儲圖像中疊加與圖像對應時刻的時間碼、編碼器等信息；

（4）能通過計算機控制存儲系統(tǒng)開始記錄、停止和下載視頻圖像數(shù)據(jù)；

（5）下載的圖像可復原回放，顯示時疊加與圖像對應的時間碼、方位角、高低角信息，可連續(xù)回放、單幀回放；

（6）圖像格式轉換，把圖像數(shù)據(jù)及文件數(shù)據(jù)轉換成含有時間信息、方位角及高低角信息的標準BMP圖像；

（7）具有自檢功能和故障診斷能力，故障診斷到線路板。

3 系統(tǒng)設計

3.1 設備硬件設計

圖像高速存儲系統(tǒng)以Xilinx公司最新的K7系列FPGA作為系統(tǒng)的核心處理器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和解碼，并在FPGA中實現(xiàn)完整的SATA3協(xié)議，通過SATA3協(xié)議，將數(shù)據(jù)以RAID0或RAID1的形式存儲于后端所連接的SATA3固態(tài)硬盤中，該架構的存儲速率可以完全滿足Camlink Full工作模式，或HD-SDI工作模式。如果需要，可以進行更多塊SSD的堆疊，在提高容量的同時，線性提高讀寫帶寬。

系統(tǒng)組成框圖如圖2.1所示。

3.2 軟件設計

系統(tǒng)采用FPGA編程的方式進行控制，F(xiàn)PGA軟件主要負責系統(tǒng)的相機解碼、串口收發(fā)、圖像存儲、圖像實時顯示和事后回顯導出等。軟件流程如圖2.2所示。

4 關鍵技術

4.1 支持多路同時采集、存儲

該存儲系統(tǒng)是一套圖像實時采集存儲系統(tǒng)，支持四路相機同時采集數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行回放、導出、刪除等操作；支持通過千兆網(wǎng)實時顯示圖像、導出采集數(shù)據(jù)；支持串口通信方式、千兆網(wǎng)通信方式；支持串口、千兆網(wǎng)口控制存儲設備；支持系統(tǒng)自檢及誤碼計算功能。系統(tǒng)采用嵌入式存儲構架，利用嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，磁盤為存儲介質，完成視頻圖像的存儲過程。

4.2 靈活的網(wǎng)口及串口控制方式

系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)接收到主控計算機控制命令后開始圖像存儲記錄，通過串口控制模塊實時接收時間、編碼器等信息，并將時間、編碼器信息與當前幀的圖像一同記錄到存儲硬盤中。記錄完成后，利用主控計算機通過網(wǎng)絡連接可以將存儲系統(tǒng)的圖像進行下載、圖像回放。下載圖像數(shù)據(jù)經(jīng)格式轉換后生成規(guī)定格式圖像用于判讀。同時存儲系統(tǒng)設計成具有上電復位自檢功能，一方面檢查系統(tǒng)工作是否正常，另一方面檢查信道是否正常。一旦檢測到系統(tǒng)工作狀態(tài)不正常時，輸出故障標志，故障診斷到線路板級。

4.3 圖像與當幀時間碼及相關信息的嚴格對齊

圖像與當幀時刻的時間嚴格對齊、對程序的時序和中斷處理等提出了較高的要求。圖像數(shù)據(jù)是在FPGA控制下進行采集，F(xiàn)PGA實時檢測圖像數(shù)據(jù)的幀同步信息，而系統(tǒng)通過異步串口傳來的通訊數(shù)據(jù)也連接到FPGA上，F(xiàn)PGA負責解析異步通訊數(shù)據(jù)的起始時間位置，并記錄其檢測的圖像數(shù)據(jù)幀同步的特征時刻。通過軟件分析，如果串口通訊數(shù)據(jù)落在兩幀場同步之間，則認為此時接收到的當幀信息與當幀圖像為同幀畫幅，并將數(shù)據(jù)與信息一同送入SDRAM的指定區(qū)域中，在接收到嵌入式處理器寫入命令時將該同幀畫幅送到SSD硬盤的DMA中。如果兩者時間超過規(guī)定域值，可以追溯問題產生的原因。

4.4 同幀畫幅的自恢復

在系統(tǒng)正常工作時，如果存在干擾（如場同步干擾、同步信息干擾），而系統(tǒng)僅完成圖像與信息的排序一一對應，會造成信息與圖像的錯誤，而且無法恢復，系統(tǒng)中采用多個自由計數(shù)器完成圖像同步與信息的起始時間的準確記錄。系統(tǒng)中設置了場同步時刻計數(shù)器、嵌入式處理器相應時刻計數(shù)器、同步信息起始位時刻等，每個計數(shù)器均為32位，計數(shù)器分辨率為1 s，可以保證一次記錄時間不會溢出。

在寫入圖像數(shù)據(jù)的同時，將對應該幀的每個計數(shù)器的值一同追加到信息中，當下載的數(shù)據(jù)或圖像存在問題時，可以通過這些計數(shù)器恢復同幀畫幅，也可以判定圖像受到干擾還是通訊受到干擾。

4.5 抗干擾與容錯設計

待存儲的數(shù)據(jù)可以看成是有一定物理順序的數(shù)據(jù)流，由于數(shù)據(jù)傳輸過程中可能出現(xiàn)干擾等因素的影響而使得某幀圖像數(shù)據(jù)量改變，從而會導致后續(xù)的數(shù)據(jù)流物理順序的改變，會給圖像恢復造成很大影響。為了避免這種情況的發(fā)生，針對待采集的圖像幀格式，使得采集到的每一幀圖像都有固定的行列數(shù)，而不受干擾的影響。具體實現(xiàn)的方法是通過狀態(tài)機在橫縱兩個方向上對二維圖像進行嚴格的采集控制。

4.6 斷電保護

為防止圖像存儲過程中意外斷電導致已存儲任務丟失，每次存儲啟動后，系統(tǒng)預先為存儲任務分配安全區(qū)域（大小可預先設定），并記錄該區(qū)域起始結束扇區(qū)等參數(shù)。當存儲進行過程中意外斷電后，重新上電系統(tǒng)可通過已記錄的安全存儲區(qū)域參數(shù)保證已存儲數(shù)據(jù)不丟失。

5 可行性分析

在硬件設計方面，核心技術采用FPGA編寫SSD接口時序，直接讀寫SSD，效率、可靠性都要比操作系統(tǒng)對SSD操作要高得多。而且相機采集的接口時序和串口等通訊功能，都由FPGA直接完成減少了系統(tǒng)的復雜度，降低了過多使用芯片帶來的不可靠性。

軟件方面，本存儲系統(tǒng)上位機軟件采用MFC、OpenCV實現(xiàn)， MFC是一個微軟公司提供的類庫，以C++類的形式封裝了Windows API，并且包含一個應用程序框架，以減少應用程序開發(fā)人員的工作量。其中包含的類包含大量Windows句柄封裝類和很多Windows的內建控件和組件的封裝類。OpenCV是一個基于（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫，可以運行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級而且高效——由一系列C函數(shù)和少量C++類構成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。OpenCV用C++語言編寫，它的主要接口也是C++語言，但是依然保留了大量的C語言接口。該庫也有大量的Python， Java and MATLAB/OCTAVE （版本2.5）的接口。這些語言的API接口函數(shù)可以通過在線文檔獲得。

6 結語

本存儲系統(tǒng)采用嵌入式存儲構架，利用FPGA做為核心處理器，磁盤為存儲介質，完成視頻圖像的采集、存儲過程。系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)可接收到主控計算機控制命令后開始圖像存儲記錄，通過串口控制模塊實時接收時間、編碼器等信息，并將時間、編碼器信息與當前幀的圖像一同記錄到存儲硬盤中。系統(tǒng)支持多路相機同時采集數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行回放、導出、刪除等操作；支持通過千兆網(wǎng)實時顯示圖像、導出采集數(shù)據(jù)；支持串口通信方式、千兆網(wǎng)通信方式；支持串口、千兆網(wǎng)口控制存儲設備；支持系統(tǒng)自檢及誤碼計算功能。設備的軟硬件設計合理，所需的關鍵技術均已突破并應用到系統(tǒng)中。通過論證本系統(tǒng)的設計開發(fā)方案無論是在理論上還是在實現(xiàn)上都是可行的。經(jīng)過驗證，項目在可靠性、維修性、保障性、測試性、安全性以及環(huán)境適應性方面均滿足要求。

參考文獻

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