目前有很多常用的壓縮算法，其中JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以在獲得高壓縮比的同時確保高圖像質(zhì)量,，另外還具有非常好的抗誤碼性能,，在大面陣CCD相機圖像壓縮領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。JPEG2000壓縮的實現(xiàn)方法有多種,，通常采用專用DSP芯片和FPGA芯片編程實現(xiàn)[1-3],，兩者分別利用各自的優(yōu)點完成不同的功能。其中,，專用DSP主要完成DWT變換等高速整型和浮點型運算功能,，F(xiàn)PGA主要完成EBCOT等高效并行編碼算法功能[4-5]，但這種實現(xiàn)方法JPEG2000需要處理的數(shù)據(jù)量比較大,，還需要外擴SRAM等大容量數(shù)據(jù)存儲器,，從而使系統(tǒng)的集成度降低，而且其實時性受編程方法所制約,。同時,，目前大面陣CCD相機的成像和圖像壓縮存儲是兩個獨立的部分，中間連接包括復(fù)雜的接口和繁重的線纜,，增加了相機的復(fù)雜度和重量,。
    本文提出了一種基于FPGA嵌入式處理器MicroBlaze和ADV212壓縮芯片相結(jié)合的高速,、實時圖像壓縮系統(tǒng)[6-7]，系統(tǒng)中圖像采集和圖像壓縮等功能均由同一個核心處理器FPGA來完成,，使系統(tǒng)的處理速度和集成度都有所提高,。
1 大面陣CCD相機高速圖像壓縮系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)以Analog公司生產(chǎn)的AD212作為圖像壓縮芯片，采用內(nèi)有嵌入式處理器的高性能FPGA作為核心處理器,，完成大面陣CCD模擬信號處理,、視頻信號采集、圖像數(shù)據(jù)緩存,、ADV212初始化,、固件程序和參數(shù)注入、數(shù)字圖像傳輸?shù)裙δ??？紤]到衛(wèi)星平臺對系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，系統(tǒng)應(yīng)用FPGA和專用圖像壓縮集成芯片ADV212的高速,、實時圖像壓縮方案,，將壓縮后數(shù)據(jù)流送給圖像采集卡，由上位機對圖像壓縮性能進行分析,。該方法實時性強,，硬件接口電路設(shè)計簡單[8-10],，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,。

2 FPGA嵌入式處理器設(shè)計
    Microblaze是Xilinx公司推出的32 bit軟處理器核，支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合,，具有兼容性和重復(fù)利用性,。Microblaze在VirtexⅡPro FPGA中的工作頻率可達到200 MHz，處理速度超過166 MIPS,，是用途廣泛的CPU軟核,。作為完整的CPU軟核，Microblaze允許用戶根據(jù)需要進行配置,。了解Microblaze結(jié)構(gòu)不但有助于用戶了解配置,，還可以輔助分析Microblaze應(yīng)用軟件的效率。
    FPGA片外晶振為50 MHz,，Microblaze軟核主頻為100 MHz,，使用片外低復(fù)位，支持硬件調(diào)試方式,，并使用16 KB片內(nèi)BlockRAM作為CPU核的數(shù)據(jù)和指令暫存,，同時還包括看門狗和定時器等基本外設(shè)。添加完硬件后,，系統(tǒng)自動生成每個硬件模塊的地址范圍,，如圖2所示,。

    dlmb_cntlr和ilmb_cntlr作為CPU核的數(shù)據(jù)和指令暫存，分配16 KB空間,。Opb_central_dma_0作為讀取ADV212壓縮數(shù)據(jù)流的DMA控制器,，Generic_External_Memory_1和Generic_External_Memory作為訪問SDRAM控制器的尋址空間。由于SDRAM控制器的SYS_ADDR共25 bit地址,，所以這里分配32 MB尋址空間,。其他還包括定時器、WDT,、調(diào)試空間等,。
3 壓縮處理器設(shè)計

    JPG2000算法的硬件實現(xiàn)方法有多種，其中Analog Devices公司的ADV212系列性能比較高,，實際應(yīng)用廣泛,。ADV212完全符合ISO/IEC15444-1標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成了專用小波變換單元,、3個熵編碼器,、RISC處理器以及多種存儲器，內(nèi)部功能框圖如圖3所示,。

    通常情況下,，采集的原始圖像數(shù)據(jù)通過VDATA總線輸入，像素接口根據(jù)幀同步信號VSYNC,、行同步信號HSYNC和場同步信號FIELD接收數(shù)據(jù),，并傳送給小波變換模塊，經(jīng)小波變換后的小波系數(shù)被存儲到內(nèi)部存儲器中,。從內(nèi)部存儲器讀出的小波系數(shù)被送進3個熵編碼器進行并行處理,，處理過程包括量化、率失真控制,、上下文編碼和碼流組織等,，并將最后的碼流送回內(nèi)部存儲器。編碼后的JPEG2000碼流通過高速數(shù)據(jù)總線送給編碼FIFO,，編碼FIFO 用來解決內(nèi)部高速總線和低速主機接口之間的沖突,。最后的JPEG2000碼流通過HDATA總線結(jié)合DREQ和DACK輸出。
4 實驗及結(jié)果分析
    本文在不同的壓縮碼流速率條件下,，對大面陣CCD圖像進行實時壓縮,，調(diào)試過程中，先將壓縮后的數(shù)據(jù)流傳送到上位機,，由上位機專用解壓縮軟件進行解壓,，查看測試圖像和文件格式是否正確。如果正確，則說明圖像壓縮過程正常,，可進一步把壓縮后的數(shù)據(jù)流交由解壓縮部分進行解壓,。由于圖像很大，所以解壓縮后截取圖中的左上象限進行顯示,。在壓縮比特率為1.5 bit/pixel,、0.6 bit/pixel、0.3 bit/pixel和0.15 bit/pixel等幾種情況下進行圖像壓縮,，圖4和圖5分別為壓縮比特率為1.5 bit/pixel和0.15 bit/pixel時的壓縮結(jié)果,。其中，壓縮比特率為0.15 bit/pixel時,，壓縮比近似53:1,，此時圖像已經(jīng)模糊。

    圖像壓縮性能通常用峰值信噪比PSNR來表示,，好的重建圖像PSNR值一般為30 dB以上,。本文分別對幾種不同壓縮比特率下得到的壓縮圖像進行了PSNR計算，結(jié)果如表1所示,。從表1可以看出,，即使在壓縮比特率為0.15(壓縮比接近53:1)的情況下得到圖像的PSNR值也達到了36 dB，可見此圖像壓縮方案的壓縮性能非常好[11-12],。

    本文提出了一種基于FPGA嵌入式處理器MicroBlaze和ADV212壓縮芯片相結(jié)合的高速,、實時圖像壓縮方案。結(jié)合大面陣CCD輸出的圖像數(shù)據(jù),，詳細(xì)闡述了ADV212的工作流程,、固件程序和參數(shù)注入以及視頻處理等功能，并介紹了FPGA內(nèi)部嵌入式處理器MicroBlaze的開發(fā)過程,。實驗表明,，當(dāng)壓縮比為53:1時,，重建圖像的PSNR值可以達到36 dB,。此方案不僅提高了處理速度而且增加了系統(tǒng)的集成度，為今后大面陣CCD圖像的高速,、實時壓縮提供了更好的解決方案,。
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