一种光电图像传输系统和方法与流程

本发明属于光电图像数据传输领域，特别涉及一种基于udp协议的光电图像传输系统和方法。 背景技术： 。随着光电子技术的飞速发展，光电设备的应用越来越广泛。光电设备是以可见光、电视、红外热象仪等成像设备为传感器的现代侦察系统，集信息监测、处理、对抗、互连、传输、存储、控制于一体，提供稳定的高分辨率图像数据。光电技术由分布式阵列演变成多功能、多波段一体化阵列，数字成像技术支持大分辨率、高帧频，光电设备要求看得更清、反应更快，这对图像数据传输系统提出了高带宽、低延时、多路径、大存储空间的要求。图像数据传输系统是光电设备的重要组成部分。现有技术中，传统的图像数据传输系统采用光纤传输+fpga(field-programmable gate array)处理模式，光纤传输以低功耗、高带宽的特点得到了广泛应用，fpga内部集成gtx(gigabit transceiver)串行高速收发器可作为传输和转发介质，由于fpga具有并行处理速度快的特点，特别适合在高速传输领域固化协议栈，提高系统运行速度。该光纤传输系统采用多路图像数据组合编解码器+aurora 8b/10b编码协议技术方案，但该系统只能实现点-点传输模式，存在传输路径单一、传输带宽损耗较大问题，并且图像数据编码器、解码器占用大量fifo资源，对图像跟踪、识别、警戒等图像处理算法联合部署形成资源限制。万兆以太网已广泛应用于高速图像数据传输领域，udp/ip协议能够实现图像点播、组播传输模式，但网络交换会导致较大延时，万兆以太网适合图像显示、图像数据存储功能应用。光纤传输、万兆网传输模式均不能满足一体化阵列光电设备图像数据传输性能需求。因此，结合光电图像信号的实时采集特性，需要一种兼顾实时性、低延时、多路径传输的光电图像传输技术。

背景技术

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出一种光电图像传输系统和方法，在fpga上实现各类光电图像低延时实时传输。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种光电图像传输系统，包括：

3、光电信号采集模块，接收外界采集的光电图像数据，传输给光电图像编码传输模块；

4、光电图像编码传输模块，将接收到的图像数据转换成32-bit的udp协议axi4-stream数据，再通过aurora 64b/66b编码器进行二次编码，通过gtx高速收发器传输至udp帧数据交换模块；

5、udp帧数据交换模块，依据预先配置的路由表对接收到的图像udp帧进行路由转发，将数据帧传输至目的端口；

6、光电图像udp帧接收恢复模块，接收来自udp帧数据交换模块的串行数据，将解码后的图像数据以第一时钟频率写入大容量存储器，再以低于第一时钟频率的像素时钟频率从大容量存储器读出图像数据，恢复图像行场信号。

7、优选的，光电信号采集模块选用分辨率为4k、yuv格式、30fps帧频的cmos高速图像传感器，传感器输出接口为mipi-csi2。

8、优选的，光电图像编码传输模块输入接口是图像行场信号，采用三行图像缓存机制，输入图像数据循环依次写入三个fifo空间中；光电图像编码传输模块的输出接口采用axi4-stream协议。

9、优选的，光电图像编码传输模块包括：

10、图像缓存控制器，在fifo中缓存完整图像数据；

11、数据编码控制器，当图像缓存控制器在fifo中缓存一行完整图像数据时，数据编码控制器请求读取fifo中的图像数据，根据图像输入格式类型选择不同的编码方式，将图像数据转换成32-bit的udp协议axi4-stream数据。

12、优选的，图像缓存控制器以一行图像为处理单元，根据图像编码协议，以报文格式打包图像数据，添加报文报头、报文报尾。

13、优选的，光电图像编码传输模块采用udp帧打匀方法，通过控制udp帧输出间隔，实现所有udp帧均匀输出。

14、优选的，udp帧数据交换模块基于osi分层模型，将光信号数据传输网络分为物理层、数据链路层和传输层，数据链路层和传输层分别通过aurora协议和udp协议实现，16个交换节点通过gtx收发器与数据交换模块进行通信，完成udp帧的接收、缓存和转发，构建一个完整的局域交换网络。

15、优选的， udp帧数据交换模块的数据收发通道完成a-b端口之间的udp帧数据接收与发送，完成64b/66b协议编解码、串并转换，通过gtx收发器进行高速传输；udp帧数据交换模块基于crossbar结构进行交换网络设计，通过设置交换路由表，实现b-b端口之间的数据交换路由，每个b端口均具备接收、发送功能；交换信元采用udp帧格式，信元头数据包括源端口号、目的端口号、有效长度、校验信息，目的端口号配置为点播类型或者组播类型地址；udp帧数据交换模块通过查找路由表的方式将信元地址信息映射成数据传输路径，点播信元数据采用点-点传输模式，多种信元可同时发送至同一端口，实现多-点传输模式，组播信元数据采用点-多传输模式。

16、优选的，光电图像udp帧接收恢复模块包括：

17、pl，通过自主控制axi4总线将图像数据写入ddr3；

18、ddr3 sdram，包括两片mt41k256m16芯片组成，芯片的存储容量为512mb，数据接口位宽为16位；

19、aurora 64b/66b解码器，接收udp帧数据交换模块传输的图像udp帧；

20、时序转换控制器，将axi4-stream数据流转换为axi4数据流，pl通过自主控制axi4总线将图像数据写入ddr3中，ddr3配置4帧图像缓存地址空间；

21、状态控制器，控制ip核的读写操作，当图像udp帧进入光电图像udp帧接收恢复模块时，ip核执行ddr3写操作，当该帧图像缓存地址空间写满时，系统自动跳转至下一帧地址空间；

22、恢复图像控制器，以一行图像为最小处理单元，当一行图像udp帧写入ddr3时，pl通过axi4总线读取ddr3中的图像数据，根据图像编码协议，使用像素时钟解码并恢复图像行场信号。

23、本发明除了提供一种光电图像传输系统外，还进一步提供一种采用上述系统实现光电图像传输的方法，该方法包括以下步骤：

24、光电信号采集模块，采集图像行场信号；

25、将图像行场信号封装为符合无连接传输协议格式的数据帧，得到流式传输协议格式的数据流；

26、光电图像编码传输模块将数据流经高速串行编码后通过高速串行收发器发送至帧数据交换模块；

27、udp帧数据交换模块依据预先配置的路由表对所述数据帧进行路由转发，将数据帧传输至目的端口；

28、光电图像udp帧接收恢复模块从目的端口接收串行数据，将解码后的图像数据以第一时钟频率写入大容量存储器；光电图像udp帧接收恢复模块以低于第一时钟频率的像素时钟频率从大容量存储器读出图像数据，恢复图像行场信号。

29、本发明所带来的有益效果如下：

30、从上述方案可以看出，本发明提供的一种光电图像传输系统和方法，突破了传统光电图像光纤传输模式点-点传输模式的局限，对udp协议进行轻量化改造，提出新的基于udp协议的光电图像传输架构，实现点-点、点-多、多-点等多种传输模式。形成局域交换网络，udp是无连接协议，无需tcp协议“三次握手”建立连接，有效降低传输延时。

31、本发明提出一种全新光电图像数据编码协议，覆盖全类型光电图像，支持rgb、gray、yuv等图像格式，支持1tap、2tap、4tap图像数据输入方式；本发明使用ddr3 sdram替代fifo作为图像udp帧接收缓存介质，减少fifo资源的占用率，利用ddr3 sdram的大存储空间实现低频时钟解码恢复图像行场信号。

32、本发明实际有效带宽达到8.04gbit/s，远超传统光电图像光纤传输技术有效带宽6.6gbit/s。传输4k(38402160)分辨率图像时，图像传输总延时低至60µs，避免广域网环境下大延时（通常为30ms）。

33、本发明使用aurora 64b/66b编码协议替代aurora 8b/10b编码协议，降低了理论上17%的带宽损耗。