CN115988197A - 一种动态模拟数据产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态模拟数据产生系统，属于星上图像数据编码技术领域。该系统能够模拟星上遥感器数字化转化后的遥感图像数据，用于提前验证FPGA图像数据预处理算法实现以及数据编码实现的正确性，对视频处理电路系统及进行测试验证，提高图像数据信号处理FPGA软件及相关数据传输链路的测试效率及测试覆盖性。本发明可以产生动态模拟数据、规定规则模拟数据、渐变数模拟数据及点目标及固定底图四类模拟数据，通过指令可以实现真实的图像数据源及四类模拟数据的切换，对真实图像的处理过程无影响。

Description

一种动态模拟数据产生系统

技术领域

本发明涉及一种动态模拟数据产生系统，属于星上图像数据编码技术领域。

背景技术

随着遥感器处理能力的增强，星上数据处理的功能越来越复杂，不同类型遥感器的数据融合及数据图像预处理技术包括辐射校正、几何校正、盲元替换等需求越来越大，实现相应功能的FPGA软件规模及复杂度也随之增加。通过动态模拟数据产生方法可以提前验证FPGA数据处理算法实现以及数据编码正确性，对视频处理电路系统及进行测试验证，提高测试效率及测试覆盖性，通过指令可以实现真实的图像数据源及模拟数据的切换，对真实图像的处理过程无影响。

在传统的模拟数据设计中，多采用固定数或渐变数的方式对数字化后的图像数据进行替换，此类模拟数据源只能验证数传通路传输的正确性，对盲元替换、不一致性校正等数据预处理算法无法实现正确性的全面验证，且数据规律在FPGA程序编写好后不可动态改变，无法验证成像参数变化导致的图像数据变化与辅助数据跳变时刻的对应关系。在模拟端设计模拟信号源的数据模拟方法可以实现模拟数据源的动态变化，但需要额外设计模拟源电路，成本和灵活性都没有在数字端进行数据源替换的方案易于实现，且模拟端数据变化无法与成像积分时间及增益等建立相应关系，无法实现盲元替换算法等需要特定像元规则的数据模拟。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种动态模拟数据产生系统，产生根据参数动态变化的模拟数据、验证图像数据预处理算法正确性的规定规则模拟数据、渐变数、点目标及固定底图模拟数据，实现对星上遥感器数字化转化后的遥感图像数据进行模拟。

本发明的技术解决方案是：

一种动态模拟数据产生系统，包括动态模拟数据产生模块、规定规则模拟数据产生模块、渐变数模拟数据产生模块，可变点目标及底图模拟数据产生模块，指令译码模块及数据源选择模块；

所述指令译码模块接收外部指令后进行分类解析，得到参数信息、通道选择码值，参数信息包括积分时间、增益、固定底值、点目标坐标及DN值、步进参数；

所述动态模拟数据产生模块、规定规则模拟数据产生模块、渐变数模拟数据产生模块，可变点目标及底图模拟数据产生模块根据参数信息及外部的图像数据使能，分别产生根据参数动态变化的模拟数据、验证图像数据预处理算法正确性的规定规则模拟数据、渐变数模拟数据、点目标及固定底图模拟数据；

所述源选择模块接收外部行图像数据并根据通道选择码值，输出相应的模拟数据。

优选的，所述动态模拟数据产生模块包括码值锁存子模块、循环数产生子模块以及运算子模块；

码值锁存子模块在图像数据使能信号帧同步或行同步上升沿锁存积分时间码值及增益码值；

循环数产生子模块在数据有效高电平区间，产生循环数，在帧同步上升沿循环数清零；

运算子模块接收锁存积分时间码值、增益码值、循环数码值，按照线性关系产生动态变化的模拟数据。

优选的，运算子模块将锁存积分时间码值、增益码值、循环数码值进行乘法运算得到动态变化的模拟数据。

优选的，所述规定规则模拟数据产生模块生成设计好的规定规则模拟数据，将所述数据预先写入Coe文件中；在FPGA中例化ROM存储器，调用预先写入的Coe文件，将所述数据写入ROM中，根据图像数据使能信号对ROM存储器中的数据进行顺序读取操作。

优选的，采用图像数据使能作为ROM的读使能信号，根据此读使能信号控制ROM存储器的地址信号的产生，实现从ROM中读出模拟图像测试数据，并通过指令实现真实图像数据域模拟图像测试数据的切换。

优选的，所述渐变数模拟数据产生模块包括正序像元递增子模块、逆序像元递减子模块；在图像数据使能信号帧同步或行同步上升沿对模拟数据分别进行清零或置1操作，在图像数据使能为高电平区间模拟数据每一个时钟拍上升沿递增或递减△N，△N为步进值；根据正逆序设置及步进参数设置，输出递增渐变数或递减渐变数的模拟数据。

优选的，所述可变点目标及底图模拟数据产生模块接收固定底图、点目标坐标及DN值、图像数据使能信号，在图像数据使能信号为高电平时，将图像数据替换为固定DN值的模拟数据；

若所述模块未接收到固定底图，则默认固定底图为X005A；根据图像数据使能信号行同步及帧同步对固定底图数据的行列信息进行计数[cnt_x，cnt_y]，接收点目标坐标位置[x,y]，将[cnt_x，cnt_y]与点目标坐标[x,y]进行比对，坐标匹配后，将相应位置的固定底值图像替换为点目标的DN值，输出点目标及固定底图的模拟数据。

优选的，所述指令译码模块接收指令信息，根据指令头信息分类当前接收指令属于参数指令或通道选择指令，对于参数指令进一步进行解析译码，输出参数信息；对于通道选择指令，解析后输出通道选择码值。

优选的，所述源选择模块接收外部行图像数据并根据通道选择码值，输出相应的模拟数据，包括：

所述模块上电默认输出源图像数据；

当接收通道选择码值为指定的动态模拟数据对应码值时，输出能够根据积分时间及增益成像参数变化的动态模拟数据；

当接收通道选择码值为指定的规定规则图像数据对应码值时，输出用于验证图像预处理算法的规定规则数据；

当接收通道选择码值为指定的递增渐变数或递减渐变数图像数据对应码值时，输出正序递增或逆序递减的模拟数据；

当接收通道选择码值为指定的点目标及固定底值模拟数据对应码值时，输出点目标及固定底值的模拟数据。

优选的，当接收通道选择码值为指定的规定规则图像数据对应码值时，输出用于验证图像预处理算法的规定规则图像数据，低8位的不同码值输出多次调用规定规则模拟数据模块的不同规则的模拟数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明不需要在模拟端模拟图像数据，在转化成数字图像数据后支持根据积分时间及增益成像参数对模拟数据DN值进行动态调整，有助于验证参数指令响应情况以及参数跳变过程中辅助数据信息与相应图像数据的对应关系是否正确。

(2)本发明支持不同预定规则的模拟数据输出，根据指令可实现不同预存模拟数据的通道切换，可以实现盲元替换，高低温定标以及不一致性校正等红外视频星上图像预处理算法的验证。

(3)本发明支持不同种类模拟数据之间以及与真实图像数据之间的切换，对真实图像的输出及后续图像处理通路无影响。

(4)本发明产生渐变数等规律明显且逐位跳变的模拟数据，可以用来验证图像数据软件设计及硬件通路传输的正确性。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例一种动态模拟数据产生系统示意图；

图2为本发明实施例中动态模拟数据模块示意图；

图3为本发明实施例中规定规则模拟数据产生模块示意图；

图4为本发明实施例中渐变数模拟数据产生模块示意图；

图5为本发明实施例中可变点目标及固定底图模块示意图；

图6为本发明实施例中指令译码模块示意图；

图7为本发明实施例中图像数据选择模块示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明提出了一种动态模拟数据产生系统，模拟星上数字化后的遥感图像数据，输出四类数据：根据成像参数的调整产生根据参数动态变化的模拟数据、验证图像数据预处理算法正确性的规定规则模拟数据、渐变数模拟数据、点目标及固定底图模拟数据。上述各种模拟数据及真实图像通路通过指令译码可切换。

如图1所示，该系统包括动态模拟数据产生模块、规定规则模拟数据产生模块、渐变数模拟数据产生模块，可变点目标及底图模拟数据产生模块，指令译码模块及数据源选择模块。其中，动态模拟数据产生模块、规定规则模拟数据产生模块、渐变数模拟数据产生模块，可变点目标及底图模拟数据产生模块之间相互独立，各自根据相应的参数产生相应规则的模拟数据。指令译码模块实现指令分类及相应指令内容的解析，根据指令内容得到积分时间、增益、固定底值、点目标坐标及DN值、步进参数等信息并解析最终的通道选择码值，选择相应的模拟数据源通道或真实图像数据通道的数据输出。

(1)动态模拟数据产生模块

星上遥感器的探测器类型一般包括红外探测器、可见探测器、紫外探测器等。探测器产生图像的DN值变化与积分时间与增益成正相关，积分时间和增益越大，对应图像数据的DN值越大，图像数据一般采用14bit量化，DN值达到X3FFF时表示图像数据饱和。因此动态模拟数据产生模块主要根据积分时间和增益的码值按照线性关系产生动态变化的模拟数据。

动态模拟数据模块如图2所示，包括码值锁存子模块、5bit循环数产生子模块以及运算子模块。在帧同步或行同步上升沿锁存8bit积分时间码值及8bit增益码值，，确保积分时间及增益码值能够整行或整帧的按设定参数执行，一行或一帧内不存在成像参数的过渡态。在数据有效高电平区间，产生5bit循环数，在帧同步上升沿5bit循环数清0。其中，模拟面阵图像数据使用帧同步，模拟线阵图像数据则使用行同步。产生动态模拟数据的运算公式为Pix＝积分时间码值×循环数+增益码值。积分时间码值为8bit，循环数码值为5bit，增益码值为8bit，8bit积分时间码值与5bit循环码值相乘后的数据为13bit，与8bit增益码值相加不会超过14bit，本实施例模拟遥感图像数据的量化位数为14bit，不会出现运算后的动态模拟数据超限的情况，可以模拟探测器图像在积分时间和增益码值调节下的变化趋势。

(2)规定规则模拟数据产生模块

规定规则模拟数据模块如图3所示，此模块产生的动态模拟数据主要用于图像数据预处理算法，如盲元校正、高低温定标、四舍五入及不一致性校正算法的验证。预处理算法的全面验证对模拟数据有不同的要求，如盲元校正需要模拟盲元点信息，高低温定标需要模拟高温及低温数据。不一致性校正需要模拟图像数据的不一致性。因此为产生适应线阵和面阵不同探测器类型的模拟图像数据，以图像行像元个数为单位，将规定规则的模拟图像数据预先写入Coe文件中，在FPGA中例化ROM存储器，调用预先写入的Coe文件，将模拟图像数据写入ROM中，根据图像数据使能信号对ROM存储器中的数据进行顺序读取操作，Coe文件以行为单位，根据不同探测器行像元个数调整例化的ROM的存储深度。如果需要模拟面阵图像，则可以根据存储深度的容限将多行模拟数据写入Coe文件中，供ROM调用。应用时，采用图像数据使能作为ROM的读使能信号，根据此读使能信号控制相应的ROM存储器的地址信号的产生，实现从ROM中读出模拟图像测试数据，通过指令实现真实图像数据域模拟图像测试数据的切换。

规定规则模拟数据的规则根据欲验证的算法过程来设计，如验证盲元校正算法，则最高位表示盲元信息，‘1’表示此数据位盲元，‘0’表示此个数据位正常像元。如验证高低温定标算法，则需要设计高温辐射DN值及低温辐射DN值。本发明主要描述设计好的规定规则模拟数据如何实现调用并替换正常图像的过程。

(3)渐变数模拟数据产生模块

渐变数模拟数据产生模块根据图像数据使能信号产生递增或递减的模拟测试图像数据，递增及递减间隔根据参数可设置。具体实现方法在帧同步或行同步上升沿对模拟数据分别进行清零或置1操作，如果为正序递增模式，则清零，如果为逆序递减模式则置1。在数据使能为高电平区间模拟数据每一个时钟拍上升沿递增或递减△N，△N为步进值，可设置。如果为正序像元递增模式，则在数据使能为高电平区间模拟数据每一个时钟拍上升沿递增△N；如果为逆序像元递减模式，则在数据使能为高电平区间模拟数据每一个时钟拍上升沿递减△N。根据正逆序模式及步进参数设置，输出递增渐变数或递减渐变数的模拟数据。

如图4所示，在帧同步上升沿进行置数操作，图像数据为14bit，正序像元递增模块置为十六进制“0000”，逆序像元递减模块设置为十六进制“3FFF”，递增模块递增值大于十六进制“3FFF”则置为0，重新递增，递减模块递减差值小于0则置位为十六进制“3FFF”重新递减。根据模块顶层的bool型参数设置选择最终模块输出的为递增渐变数或递减渐变数。

(4)可变点目标及固定底图模块

可变点目标及固定底图模块适用于面阵图像数据的模拟。固定DN值底图是指整幅图均为同一DN值，DN值可接收指令更改。目标点测试图像会接收坐标参数(x,y)和目标点DN值参数h，对应的(x,y)点的DN值会设置成h，其余位置为底图DN值。因此，此模块主要接收坐标参数及目标点DN值参数，以及固定底图参数，如图5所示，根据参数设置调整相应幅值，在图像使能信号为高电平时，将图像数据替换为固定DN值的模拟数据，如果模块未接收到过固定底图参数，则默认固定底图为十六进制“005A”。根据行同步及帧同步信号对图像数据的行列信息进行计数[cnt_x，cnt_y]，接收点目标坐标位置[x,y]，x表示点目标所在的行信息，y表示点目标所在的列信息，将[cnt_x，cnt_y]与点目标坐标[x,y]进行比对，坐标匹配后，将相应位置的固定底值图像替换为点目标的DN值，最终输出点目标及固定底图的模拟数据。

(5)指令译码模块

需要通过指令通道接收指令信息，包括参数设置指令及通道选择指令。如图6所示，根据指令头信息分类当前接收到的指令属于参数指令或通道选择指令信息，对于参数指令进一步进行解析译码，分类输出4类参数，包括渐变数步进值，固定底图DN值、目标点位置坐标以及目标点DN值；识别通道选择指令解析后输出供数据源选择模块使用，模拟数据源选择指令共需要16bit译码值。

(6)数据源选择模块

通过接收到的指令译码信息对输出到数传通路的数据源进行选择，可以选择真实图像输出、以及四类模拟数据源中选择一类数据输出。

如图7所示，根据指令译码模块输出的译码结果，对各通道模拟数据进行选择输出，上电默认输出为源图像数据。

当接收到解析后的通道选择指令为十六进制“0A00”，表示输出为源图像数据；

通道选择指令为“0B00”，输出能够根据积分时间及增益成像参数变化的动态模拟数据；

通道选择指令为“0CXX”，表示输出用于验证图像预处理算法的规定规则图像数据，低8位的不同码值可以输出多次调用此模块的不同规则的模拟数据；

通道选择指令为X“0D00”，输出正序递增或逆序递减的模拟数据；

通道选择指令为X“0E00”，输出点目标及固定底值的模拟数据。

本发明可以根据指令输出设计的4类模拟图像数据及源图像数据，均可按照4类不同的规则产生所需的模拟数据用来实现电路系统或算法的验证工作。

以上所述实施例只是本发明较优选具体实施方式，本领域技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，包括动态模拟数据产生模块、规定规则模拟数据产生模块、渐变数模拟数据产生模块，可变点目标及底图模拟数据产生模块，指令译码模块及数据源选择模块；

所述指令译码模块接收外部指令后进行分类解析，得到参数信息、通道选择码值，参数信息包括积分时间、增益、固定底值、点目标坐标及DN值、步进参数；

所述动态模拟数据产生模块、规定规则模拟数据产生模块、渐变数模拟数据产生模块，可变点目标及底图模拟数据产生模块根据参数信息及外部的图像数据使能，分别产生根据参数动态变化的模拟数据、验证图像数据预处理算法正确性的规定规则模拟数据、渐变数模拟数据、点目标及固定底图模拟数据；

所述源选择模块接收外部行图像数据并根据通道选择码值，输出相应的模拟数据。

2.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，所述动态模拟数据产生模块包括码值锁存子模块、循环数产生子模块以及运算子模块；

码值锁存子模块在图像数据使能信号帧同步或行同步上升沿锁存积分时间码值及增益码值；

循环数产生子模块在数据有效高电平区间，产生循环数，在帧同步上升沿循环数清零；

运算子模块接收锁存积分时间码值、增益码值、循环数码值，按照线性关系产生动态变化的模拟数据。

3.根据权利要求2所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，运算子模块将锁存积分时间码值、增益码值、循环数码值进行乘法运算得到动态变化的模拟数据。

4.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，所述规定规则模拟数据产生模块生成验证图像数据预处理算法正确性的规定规则模拟数据，将所述数据预先写入Coe文件中；在FPGA中例化ROM存储器，调用预先写入的Coe文件，将所述数据写入ROM中，根据图像数据使能信号对ROM存储器中的数据进行顺序读取操作。

5.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，采用图像数据使能作为ROM的读使能信号，根据此读使能信号控制ROM存储器的地址信号的产生，实现从ROM中读出模拟图像测试数据，并通过指令实现真实图像数据域模拟图像测试数据的切换。

6.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，所述渐变数模拟数据产生模块包括正序像元递增子模块、逆序像元递减子模块；在图像数据使能信号帧同步或行同步上升沿对模拟数据分别进行清零或置1操作，在图像数据使能为高电平区间模拟数据每一个时钟拍上升沿递增或递减△N，△N为步进值；根据正逆序设置及步进参数设置，输出递增渐变数或递减渐变数的模拟数据。

7.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，所述可变点目标及底图模拟数据产生模块接收固定底图、点目标坐标及DN值、图像数据使能信号，在图像数据使能信号为高电平时，将图像数据替换为固定DN值的模拟数据；

若所述模块未接收到固定底图，则默认固定底图为X005A；根据图像数据使能信号行同步及帧同步对固定底图数据的行列信息进行计数[cnt_x，cnt_y]，接收点目标坐标位置[x,y]，将[cnt_x，cnt_y]与点目标坐标[x,y]进行比对，坐标匹配后，将相应位置的固定底值图像替换为点目标的DN值，输出点目标及固定底图的模拟数据。

8.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，所述指令译码模块接收指令信息，根据指令头信息分类当前接收指令属于参数指令或通道选择指令，对于参数指令进一步进行解析译码，输出参数信息；对于通道选择指令，解析后输出通道选择码值。

9.根据权利要求1所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，所述源选择模块接收外部行图像数据并根据通道选择码值，输出相应的模拟数据，包括：

所述模块上电默认输出源图像数据；

当接收通道选择码值为指定的动态模拟数据对应码值时，输出能够根据积分时间及增益成像参数变化的动态模拟数据；

当接收通道选择码值为指定的规定规则图像数据对应码值时，输出用于验证图像预处理算法的规定规则数据；

当接收通道选择码值为指定的递增渐变数或递减渐变数图像数据对应码值时，输出正序递增或逆序递减的模拟数据；

当接收通道选择码值为指定的点目标及固定底值模拟数据对应码值时，输出点目标及固定底值的模拟数据。

10.根据权利要求8所述的一种动态模拟数据产生系统，其特征在于，当接收通道选择码值为指定的规定规则图像数据对应码值时，输出用于验证图像预处理算法的规定规则数据，低8位的不同码值输出多次调用规定规则模拟数据模块的不同规则的模拟数据。

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