Реализация алгоритмов обработки данных на базе ПЛИС для решения задач обнаружения и наблюдения за природными явлениями

При современных исследованиях возникают всё большие объёмы данных (сотни и более МБ в секунду), которые необходимо оперативно и быстро обрабатывать с минимальными задержками. Например, при проведении некоторых исследований необходимо оперативно реагировать на изменения внешних условий (результат обработки поступающей информации) и быстро изменять параметры эксперимента.

Примером подобной задачи является съёмка поверхности Земли со спутника и наблюдение за атмосферой. При этом требуется обрабатывать изображения высокого разрешения (3000х4000 точек и более) по мере их поступления, сведя к минимуму время на обработку данных. Здесь под обработкой данных подразумеваются различные математические алгоритмы цифровой обработки изображений (ЦОИ).

При съемке Земли со спутника объем получаемых данных составляет примерно 220 Гбайт в сутки, что требует для передачи каналов с постоянной пропускной способностью 20 Мбит в секунду. Поэтому при съемке поверхности Земли негеостационарным спутником, необходима полная, либо частичная переноска обработки данных непосредственно на борт. При этом из-за специфики возникают достаточно жёсткие требования к размерам, массе и энергопотреблению устройства обработки.

В последнее время, благодаря развитию технологий производства интегральных схем, характеристики современных ПЛИС существенно улучшились, что позволяет использовать их для создания высокопроизводительных устройств сбора и обработки данных.

В результате первого этапа работы продемонстрирована возможность использования ПЛИС для высокопроизводительной математической обработки больших потоков данных (обработка 16 изображений по 2048х256) с минимальными задержками времени на обработку - порядка секунды. Также представлена аппаратная реализация на базе ПЛИС алгоритмов обработки изображений: дифференцирования, фильтрации, поиска локальных экстремумов, алгоритмов целочисленной и субпиксельной привязки последовательных изображений. Таким образом, данная работа позволяет автоматизировать процесс сбора данных и их непосредственную обработку.

На следующем этапе планируется создание отдельного устройства с возможностью его использования на борту спутника. Таким образом, появится возможность оперативных действий по результатам обработки данных с минимальными задержками на саму их обработку, а так же значительно снизятся требования на пропускную способность каналов передачи данных, так как передавать будет необходимо только готовые результаты.