航天技术发展背景下的嵌入式图像处理技术

2016-01-12武警警官学院电子技术系四川成都610213

中国新技术新产品 2015年19期

李　涛（武警警官学院电子技术系，四川　成都　610213）

航天技术发展背景下的嵌入式图像处理技术

李涛
（武警警官学院电子技术系，四川成都610213）

在航天技术不断发展的背景之下，天基遥感系统对星上进行部分图像处理的要求越来越迫切。而嵌入式图像处理技术的特点能够很好的解决天基遥感系统面临的一些问题。本文提出了这样的问题，分析了当前遥感图像处理的需求和嵌入式图像处理技术的特点，分析了天基嵌入式图像处理系统的关键技术，展望了未来天基嵌入式图像处理系统的实现方向。

天基遥感；图像处理；嵌入式

随着航天技术发展和卫星遥感技术的不断突破，近年来，在各行业领域对卫星影像的需求不断增加，使遥感图像处理技术有了更加广阔的发展空间。目前，遥感卫星已基本摆脱了最初的胶片式图像处理，进入了传输型遥感卫星时代。但随之而来的是，伴随着对遥感卫星时间分辨率、空间分辨率要求的不断提高，遥感卫星图片的数据量和遥感数据传输信道带宽也不断增大。但受当前卫星通信技术手段限制，传输带宽的增加幅度已经很小。这就产生了一个问题，如何将信息更加丰富的遥感图像更有效率的传输回地面？

1　航天遥感图像处理需求分析

航天遥感手段多样，目前除了我们通常所知的全色可见光外，还有多光谱、高光谱、红外、SAR等多种手段，分辨率也已经在米级。航天遥感系统主要是在卫星拍摄照片后，通过传输信道，直接将所有的图像数据加密加压缩后传输到地面接收系统，再由地面系统解密、解压缩后，根据具体要求进行图像处理。这种方式，原始图像数据的数据量大，其中包含了很多无用信息，占用带宽多，实际传输效率低，地面还需要配置庞大的图像处理、存储等系统。由于传输技术原因，采用这种方式，就限制了星上高分辨率图像的传输，也影响图像处理的实时性。因此，目前航天遥感领域希望能够在星上对数据进行部分处理，剔除无用信息，从而提高遥感卫星效率。

2　嵌入式图像处理技术的特点和优势

近年来，随着IT业的迅猛发展和Internet技术和应用的普及，嵌入式系统越来越多的应用到了人们的生活中，嵌入式微处理器、微控制器被越来越多的应用到各行各业。而单片机、DSP的出现和软件技术的进步推动了嵌入式系统的发展和完善。嵌入式系统的针对性、微型化、实时性、智能化等特点使其在与图像处理技术结合后，产生了巨大的发展优势。

2.1针对性。嵌入式图像处理系统一般都是针对某一特定行业领域，在设计、研制时，会根据具体使用需求提出有针对性的方案。

2.2微型化。嵌入式图像处理系统，一般都采用微处理器，对图像处理单元需要进行微型化和低功耗设计，在保证正常运行前提下，不额外带来过多的使用负担，不影响嵌入系统的整体设计。

2.3实时性。嵌入式的图像处理系统，一般都能够在短时间内完成图像处理流程，以便为大系统中的其他单元快速提供所需图像，这也是嵌入式图像处理系统产生和发展的主要动力之一。

3　航天技术发展背景下嵌入式图像处理技术主要方向

如前所述，航天遥感技术对时间分辨率、空间分辨率的要求越来越高，需要在星上完成一定量的图像处理工作，以减小传输系统的压力，降低地面处理所需时间。然而天基系统自身的特点对嵌入式图像处理系统有着更为特殊的要求。

3.1天基系统对嵌入式图像处理系统的要求。航天遥感卫星运行在太空环境，作为天基系统，其工作环境恶劣、工作空间有限、工作效率要求高。一是可靠性，外太空工作环境恶劣，维修难度大，系统出现故障后，对其维修工作十分有限，因此对嵌入式图像处理系统运行可靠性有着更高的要求。二是微型化，卫星的体积和重量受发射等多种条件限制，不可能有过多的空间提供给图像处理系统，因此，需要天基嵌入式图像处理系统在设计和研制时，重点考虑系统的小型化设计，尽可能的控制设备的体积和重量。三是实时性，航天遥感系统的一个重要技术指标就是时间分辨率，这就要求图像处理系统具备较强的实时性，此外天基系统的体积、重量限制也决定了天基系统不可能为图像处理系统提供过多的存储空间，这就对图像处理的实时性有着更高的要求。四是复杂性，由于天基遥感系统的空间分辨率越来越高，从而使图像处理系统需要处理的数据达到G的量级，这就使图像处理变得更为复杂。五是智能化，天基遥感图像中有很多无用数据，为提高地面处理效率，减小传输压力，需要在星上进行处理，这种数据识别就需要嵌入式图像处理系统具备更高的智能化。

3.2天基嵌入式图像处理系统的关键技术。为了实现天基系统对嵌入式图像处理系统的要求，就需要对嵌入式图像处理系统的功能、结构与物理实现等方面的关键技术进行研究。

3.2.1统一的体系结构模型。为达到芯片高集成度和设计周期相对较短的目的，需要采用IP核为基础的设计平台技术，可考虑采用控制流的计算机体系架构，其技术模型可分为三类：一是基于指令流的体系架构，这类架构以微处理器体系架构为代表，可分为SISD、SIMD、MISD、MIMD四种体系架构；二是基于数据流的体系架构，这类架构以ASIC电路体系架构为代表，可分为SD与MD两类。为了克服ASIC电路效率高但没有处理器的缺点，还可采用静态可编程的FPGA电路；三是基于构令流的体系架构，也可称作动态可编程体系架构，共有SCSD、SCMD、MCSD、MCMD四类。

3.2.2虚拟的并行计算阵列。天基嵌入式图像处理系统面对的是G级像素帧遥感图像，当前主要采用的是MPP并行计算阵列技术。但是由于现在还不能在一块芯片上实现G个处理单元的并行阵列，采用WSI技术只能完成百万个处理单元的阵列，因此，现在还只能采用虚拟处理元阵列技术来解决MPP本身的设计方便性和可读性。

3.2.3仿生智能实现技术。近年来，仿生智能、人工智能技术发展前景广阔。嵌入式图像处理系统要求计算机要摆脱传统的计算模式，逐步发展到自主计算，最终走向自然计算模式。同时，随着纳米技术的发展，人工智能技术的实现逐步成为可能，自主计算的仿生智能实现技术可以推动天基嵌入式图像处理系统向更高的自主化、智能化、模糊化程度发展。