基于USB的天文圖像獲取及實時處理系統設計

摘 要:針對某空間目標監視系統的實時目標檢測需求，結合所采用CCD相機的接口形式，本文設計并實現了一套基于USB 2.0的高分辨天文圖像獲取及實時處理系統。首先在深入分析USB 2.0協議的基礎上實現了相機數據獲取接口，其次結合弱小目標檢測算法流程，提出并實現了一種基于DSP+FPGA的可重構實時信息處理機的硬件實現方案。測試結果表明該設計能實現對復雜環境下低信雜比、低對比度的弱小目標的有效檢測，并滿足探測系統實時性的要求。關鍵詞:USB 2.0; 高分辨; 天文圖像; 數據獲取; 實時處理

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0106-04

Design of Astronomical Image Acquisition and Processing System Based on USB

QI Rui， HAN Jian-tao， CHEN Zeng-ping

(ATR Key Lab， National University of Defense Technology， Changsha 410073， China)

Abstract: Aiming at the real-time processing requirement of one detecting system for space targets， a high resolution astronomical image acquisition and real-time processing system based on USB 2.0 is designed combining with the interface form of CCD camera. Firstly it thoroughly analyzes the USB 2.0 protocol and realizes the data interface. Then a project of reconfigurable real-time processor based on DSP+FPGA is put forward combining with the flow of dim small target algorithm. The testing results show that the design can realize effective detection of dim small target with low SNR. Furthermore the real-time requirement is satisfied.Keywords: USB 2.0; high-resolution; astronomical image; data acquisition; real-time processing

0 引 言

電荷耦合器件(charge coupled device，CCD)分為3個等級:商業級、工程級和科學級。3個級別的要求一級比一級高。科學級CCD以其高光子轉換效率、寬頻譜響應、良好的線性度和寬動態范圍等優點被廣泛用于天文觀測[1]。短短十幾年來，各大天文臺的主要望遠鏡均將CCD系統作為主探測器，CCD通常已成為天文觀測必不可少的后端設備。而針對于空間目標監視的天文探測系統中，由于目標運動角速度快，要求盡可能快的檢測到復雜背景中的弱小運動目標，這對高分辨天文圖像的實時獲取與實時處理提出了更高的要求。隨著接口技術的發展，目前科學級CCD相機接口有Camlink、Ethernet、USB、1394等數據接口。而USB[2]接口是近幾年來發展較快的接口技術之一。

由于利用通用計算機進行USB數據傳輸占用計算機的CPU資源，所以隨著CCD像素數及相機幀頻的增加，使用通用計算機進行數據獲取并利用其進行數據處理已經無法滿足探測系統的實時性能要求。本文結合實際光電探測系統的實時性要求及其所采用的USB接口高分辨CCD相機，在深入剖析USB 2.0協議的基礎上，依據復雜背景下弱小目標的檢測流程，設計并實現了基于USB 2.0的高分辨天文圖像實時獲取與處理系統。下面分別介紹該實時獲取與處理系統的總體結構、硬件設計、DSP算法實現及系統性能測試。

1 系統總體結構與功能

系統由大視場光學系統、科學級CCD相機、實時信息處理分系統、主控計算機、望遠鏡電機控制分系統、時統幾大部分組成。其中，實時信息處理分系統通過USB 2.0接口與CCD相機連接，通過該接口實現相機的控制，如初始化、制冷、曝光等操作，同時通過該接口實現相機圖像數據的獲取，獲取的圖像數據在實時信息處理分系統中進行處理，把圖像處理結果(弱小目標的檢測結果)通過CPCI接口發送至主控計算機進行后續的處理。系統總體框圖如圖1所示。

系統整個工作流程規劃為3個階段:

(1) 系統準備階段:各個分系統加電，初始化，故障自檢。

(2) 目標檢測階段:本文所基于的觀測系統沒有伺服系統，根據地球的自轉來對空域進行掃描。由于光學視場大，一般來說目標從進入視場到出視場需要10～20 s，實時信息采集與處理系統連續獲取圖像并進行實時處理，檢測到復雜背景中的弱小運動目標及恒星目標，把檢測結果傳入主控計算機。

(3) 目標后續處理階段:在系統檢測到目標后，根據獲取的時間信息、光學望遠鏡指向信息、測站地理位置、目標檢測結果及星表數據來計算目標的天球坐標，進而進行定軌和編目等處理。

系統選用CPCI工業控制計算機為主機，實時信息處理分系統與主機之間通過高速CPCI總線進行通信，而實時信息處理分系統通過高速USB 2.0接口實現與CCD相機之間的通信與數據傳輸。

圖1 系統總體結構

2 實時信息處理分系統硬件設計

實時信息處理機硬件平臺是本系統的關鍵部分，它實現對高分辨天文圖像數據的獲取，并對圖像中的目標進行實時檢測，并將目標質心檢測結果信息等傳遞給主機以進行后續的目標天文定位。由于實時信息采集與處理分系統的設計是針對該系統的，在設計之初必須研究系統所采用算法的流程及結構，分析其需要的運算量，在此基礎上才能設計出高效、穩定且具有針對性的實時處理硬件平臺。首先介紹該系統所采用的算法流程。

2.1 弱小目標檢測算法流程

包含空間目標的CCD圖像序列f(i， j， k)可以描述為:

f(i，j，k)=fT(i，j，k)+fS(i，j，k)+fB(i，j，k)+

n(i，j，k)(1)

式中:f(i， j， k)為像素點(i， j)的總灰度值;fT(i， j， k)為空間目標;fS(i， j， k)為恒星目標;fB(i， j， k)為背景圖像;n(i， j， k)為噪聲圖像;k為圖像序列中的幀序號。

空間目標fT(i， j， k)與恒星目標fS(i， j， k) 成像相似，在空域上均體現為單幀圖像上灰度的局部奇異性，為一孤立的亮斑，兩者的區別在于時域上恒星目標表現為相對靜止，而空間目標表現為明顯的運動特性。背景fB(i， j， k)具有時空域雙重平穩性和時空域雙重強相關性[3]，占據了場景圖像頻率中的低頻部分。噪聲n(i， j， k)是CCD傳感器及讀出電路等產生的各類噪聲的總和，噪聲與背景像素和目標像素都不相關，它在空間分布是隨機的，各幀之間的空間分布沒有相關性。

基于上述分析，該系統采用一種基于時空域聯合濾波的天文光電圖像序列弱小目標實時檢測算法，流程如圖2所示。圖像序列首先在空域背景抑制、噪聲平滑、拖尾去除、目標增強;然后在時域上，根據恒星目標多幀之間相對靜止的性質通過兩幀相關對其進行檢測，而對于空間目標，根據多幀之間目標的運動特性通過改進的三幀差分方法檢測目標。最后再根據目標的統計信息，如位置、大小、亮度、信噪比等信息剔除虛假目標，空間目標還可以通過運動航跡的連續性和規則性，建立目標運動航跡，根據航跡預測來檢測目標。

圖2 天文光電圖像序列弱小目標實時檢測算法流程

2.2 實時信息處理分系統結構設計

CCD天文圖像大小為2 048×2 048，幀頻為1～5 f/s，其數據量大且圖像處理算法運算量大，而系統對實時性的要求高，以上這些特點對硬件平臺的設計提出了很高的要求。

國內外一些同行在實時圖像處理機的設計中采用了DSP陣列結構[4-5]，用多塊DSP協同工作來提高處理機的實時處理能力。鑒于本文所涉及的目標實時信息獲取與處理系統的目標檢測要求，在對各方面因素進行綜合考慮的基礎上，結合處理算法的動態可變和可重構特點，根據上文目標檢測算法的流程設計了基于2片DSP+FPGA的實時信息處理機硬件平臺，發揮DSP和FPGA各自的優勢，合理劃分處理任務，使得效率和靈活性得到充分提高。

其結構框圖如圖3所示。

圖3 實時信息處理機結構圖

2.3 嵌入式USB 2.0主機控制器設計

在本系統中，USB 2.0接口是實時信息處理分系統與CCD相機的通信及數據接口，數據獲取的速度取決于USB傳輸的速度，由于實時信息采集與處理分系統直接與CCD相機連接，不能使用相機廠商提供的相機驅動程序進行相機控制及數據獲取，必須在實時信息處理機上實現嵌入式USB 2.0主機控制器的設計，同時根據相機控制協議完成對相機的控制及數據傳輸。

Philips公司ISP1760/1是目前業界惟一一款支持增強型主機控制器接口(enhanced host controller interface，EHCI)標準的主控芯片，主要由CPU接口、中斷控制、USB SIE 、SRAM、從DMA控制器和根集線器等模塊組成，具體各項性能可參加該主控芯片資料，這里不再詳述。

本系統選擇ISP1760直接與FPGA連接，通過FPGA內部PowPC[6]完成對USB 2.0主控制器內部寄存器和內部傳輸描述符PTD的配置，設置每次傳輸的傳輸類型、令牌包類型、傳輸方向、數據包大小、數據切換位、內存緩沖區位置、完成狀態和傳輸描述符訪問的設備端點及地址。

ISP1760硬件通過內部的EHCI操作寄存器和性能寄存器將要處理的傳輸鏈接到周期性數據幀列表和異步數據幀列表上，根據列表執行相應的傳輸，傳輸完成后根據中斷控制寄存器的設置向FPGA遞交中斷，FPGA通過中斷來處理已經完成的傳輸結果并設置新的傳輸。

2.4 CCD圖像數據獲取

本系統對CCD大批量數據讀取是采用從DMA傳輸模式，ISP1760內置從DMA控制器使得FPGA可以直接搬移ISP1760內部60 KB的數據區的大容量數據。FPGA可通過設置ISP1760內部DMA控制寄存器讀寫類型、數據突發長度、傳輸數據長度和內存數據緩沖地址控制從DMA控制器傳輸數據，將ISP1760內存數據區域劃分為2個24 KB的空間，分別用于異步PTD1和異步PTD2數據傳輸的存放，從DMA控制器乒乓式切換傳輸地址將相應數據緩存區的數據通過DMA傳輸到FPGA進行實時處理，如圖4所示。

圖4 從DMA傳輸設計

圖像數據獲取時傳輸速度高達42 MB/s，滿足系統對CCD相機數據獲取的要求。

2.5 DSP算法實現

DSP主要完成對圖像的預處理以及后續的目標檢測工作，由于圖像背景復雜，而弱小目標一般信噪比很低，為此必須對圖像進行有效的空域、時域背景抑制，并融合時空域背景抑制的結果來提高目標信噪比，從而提高目標的檢測概率。在本系統中空域背景濾波[7]根據目標不同可選用數學形態學濾波、基于M估計[8]的自適應背景抑制等濾波方法。基于光學系統指向固定的特點，時域背景濾波[9]采用經典的幀間差方法來有效的檢測弱小運動目標。其流程圖如上文中的圖2所示。DSP的軟件結合C語言和匯編語言進行編寫，使程序的效率和優化結果達到最佳，在開發過程中根據算法和硬件資源的關系以及數據的相關性最大限度提高操作并行度。

3 測試結果

實際探測系統采用的相機分辨率為2K×2K，幀頻為1 Hz，所以系統的實時性要求為:信息采集與處理系統必須在1 s時間內完成8 MB圖像數據的采集、自適應背景抑制及弱小目標檢測。根據上述指標、結合上文實時處理系統設計方案，本文實現了基于CPCI的實時信息處理機，其實物圖如圖5所示。

圖5 實時信息采集與處理機實物圖

該處理機上采用嵌入式USB主控接口實現了對相機的有效控制和數據獲取，數據速率可達42 MB/s，滿足了系統對于數據獲取的實時性要求。一個工業控制計算機中可內置4~6個該處理機，同時完成對4~6個相機的控制和數據獲取。

為測試該實時信息處理機的性能，本文采用實測的分辨率為2k×2k的天文圖像數據對系統進行了測試，同時利用相同的算法在配置為2 GB內存，intel(R)Core(TM)2Quad CPU，2.50 GHz的計算機上進行測試，測試結果如表1所示。

經過優化后的代碼在實時處理機上所耗費的時間遠小于PC機，且滿足了實際探測系統對數據獲取與處理實時性的要求。

表1 圖像數據處理算法處理速度比較

PC機實時處理機

預處理725 ms<150 ms

恒星檢測224 ms70 ms

單幀檢測方法>1 s210 ms

快速空間目標檢測246 ms85 ms

4 結 語

本文針對高分辨天文CCD圖像的實時獲取與處理需求，設計并實現了基于USB 2.0的高速相機接口及基于雙DSP+FPGA的實時處理機，該設計充分利用FPGA靈活、可編程特性和DSP在實現復雜運算方面的高速、程序動態可加載特性，使得該結構具有高速、靈活和可重構等優點，測試結果表明，該處理機的數據獲取速度及處理速度滿足天文觀測系統要求，并優于同時期的高性能計算機，滿足了實際探測系統對數據獲取與處理的實時性要求。

參考文獻

[1]FDBERG Stephen J. Research amateur astronomy[C]//Astronomical Society of the Pacific Conference Series. Scm Francisco， California: Astronomical Society of the Pacific， 1991，33: 108-117.

[2]Compaq， Hewlett-Packard， Intel， et al.Universal serial bus specification revision 2.0 [EB/OL].[2007-04-27].http://www.usb.org.

[3]胡謀法.復雜背景下大視場弱小目標檢測技術研究[D].長沙:國防科學技術大學，2008.

[4]MAO Hai-cen， ZHANG Tian-xu. A Flexible DSP-based network for real-time image-precessing[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences， 2004， 9(6): 921-926.

[5]杜金榜.多DSP并行處理系統的設計與開發[J].計算機測量與控制，2006，14(5):658-660.

[6]Philips Semiconductors. ISP1760 Hi-speed universal serial bus host controller for embedded applications[EB/OL].[2004-11-08].http://www.semiconductors.philips.com.

[7]彭嘉雄，周文琳.紅外背景抑制與小目標分割檢測[J].電子學報，1999，27(12):47-51.

[8]胡謀法，沈燕，陳曾平.自適應序貫M估計算法及其性能分析[J].電子學報，2007，35(9):1651-1655.

[9]王衛華，何艷，陳曾平.光電圖像序列運動弱目標實時檢測算法[J].光電工程，2006，33(4):14-18.

[10]侯新梅，李自田，胡炳樑.基于FPGA的面陣CCD驅動電路的設計[J].現代電子技術，2010，33(7):195-197.

[11] 鄒建彬，高凱，張爾揚.基于USB2.0協議的高速圖像傳輸系統[J].現代電子技術，2009，32(22):195-197.