摘要：為了實(shí)現(xiàn)多光譜可見光遙感圖像高質(zhì)量壓縮的要求，提出以JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)為理論,，將FPGA與專用壓縮芯片ADV212相結(jié) 合的空間遙感圖像壓縮方法,。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用ADV212，通過(guò)小波變換及熵編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)大數(shù)據(jù)量的空間遙感圖像進(jìn)行高質(zhì)量實(shí)時(shí)壓縮,，并且采用FPGA完成圖 像數(shù)據(jù)輸入,、壓縮碼流輸出、圖像預(yù)處理以及對(duì)ADV212的工作模式進(jìn)行控制,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)功耗低、成本低,、調(diào)試簡(jiǎn)單合理,，具有較好的壓縮效 果?？蓾M足多光譜可見光遙感圖像對(duì)高質(zhì)量壓縮比的要求,。
近年來(lái)，隨著航天遙感技術(shù)的發(fā)展空間遙感數(shù)據(jù)量日益龐大,，圖像數(shù)據(jù)量的巨大帶來(lái)傳輸?shù)钠款i,。同時(shí)，空間相機(jī)圖像細(xì)節(jié)豐富,，衛(wèi)星飛行高度通常幾百千米以上,， 對(duì)地面覆蓋范圍廣，地面上的小目標(biāo)在衛(wèi)星成像后,，通常只有幾個(gè)像素,，因此研究空間相機(jī)圖像壓縮系統(tǒng)具有重要意義。由于JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)采用了許多新的 壓縮編碼技術(shù),；全幀離散小波變換,、整數(shù)DWT濾波器、帶中央死區(qū)的均勻量化器實(shí)現(xiàn)嵌入式編碼等,。由此得到最佳的嵌入式碼流,，改進(jìn)了抗誤碼能力和部分空間隨 機(jī)存取能力，簡(jiǎn)化了某些幾何操作,，得到常靈活的碼流語(yǔ)法,，其在遙感圖像壓縮中的應(yīng)用也受到重視，因此，本文研制了基于JPEG2000的空間相機(jī)圖像壓縮 系統(tǒng),。
1 JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)
JPEG2000是JPEG工作組制定的靜止圖像壓縮編碼的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，JPEG2000采用全幀離散小波變換(DWT),，DWT自身具有 多分辨率圖像表示性能,，而且在大范圍內(nèi)去除圖像的相關(guān)性，將圖像能量更好集中,，使壓縮效率得到提高,；由于使用整數(shù)DWT濾波器，在單一碼流中可以同時(shí)實(shí)現(xiàn) 有失真和無(wú)失真壓縮,；通過(guò)使用一種帶中央“死區(qū)”的均勻量化器實(shí)現(xiàn)嵌入式編碼,。由此得到最佳的嵌入式碼流，改進(jìn)的抗誤碼能力,，部分空間隨機(jī)存取能力,，簡(jiǎn)化 了某些幾何操作，得到了活躍的碼流語(yǔ)法,。JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要特征：
1)良好的低比特率壓縮性能 這是JPEC2000最主要的特征,。之前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于細(xì)節(jié)分量多的灰度圖像,，當(dāng)壓縮碼率低于0．25 bpp時(shí),，視覺失真大。JFPEG2000格式的圖片壓縮比可以在JPEG的基礎(chǔ)上再提高10％～30％,，而且壓縮后的圖像顯得更細(xì)膩平滑,。尤其在低比特 壓縮碼率下，具有良好的性能,，以適應(yīng)窄帶網(wǎng)絡(luò),、移動(dòng)通信等帶寬有限的應(yīng)用需要。
2)累進(jìn)式傳輸 現(xiàn)采用JPEG壓縮的圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸,，因此只能一行一行顯示,，而采用JPEG2000格式的圖像支持累進(jìn)傳輸(Prog-ressive Transmission)。累進(jìn)式圖像傳輸允許圖像按照所需的分辨率或像素精度進(jìn)行編碼和重構(gòu),。用戶根據(jù)需要,，對(duì)圖像傳輸進(jìn)行控制，在獲得所需的圖像分辨率或質(zhì)量要求后,，在不必接收解碼整個(gè)圖像的壓縮碼流情況下,，便可終止解碼。
3)碼流的隨機(jī)訪問(wèn)和處理 這一特征允許用戶在圖像中隨機(jī)地定義感興趣的區(qū)域,，使得這一區(qū)域的圖像質(zhì)量高于其他圖像區(qū)域,；碼流的隨機(jī)處理允許用戶進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、移動(dòng),、濾波和特征提取等操作,。
4)良好的抗誤碼性 在碼流中提供抗誤碼性對(duì)于通信是必要的,。例如在無(wú)線傳輸?shù)日`碼很高的通信信道中傳輸圖像時(shí)，JPEG2000系統(tǒng)采取一定的編碼措施和碼流格式來(lái)減小因解碼失敗造成的圖像失真,。
2 JPEG2000圖像專用壓縮芯片ADV212
實(shí)現(xiàn)JPEG2000的方案主要有基于DSP處理器的系統(tǒng),、基于FPGA進(jìn)行的硬件實(shí)現(xiàn)，以及采用專用集成電路,。由于DSP處理器處理的 串行性,，其很難達(dá)到實(shí)時(shí)性。而采用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)可以加快處理速度,，但JPEG2000算法會(huì)占用大量的FPGA資源,，同時(shí)系統(tǒng)功耗也會(huì)增加。采用專用 集成電路實(shí)現(xiàn)則可以很好解決上述問(wèn)題,。JPEG2000編解碼器ADV212采用具有專利技術(shù)的空間超效率回歸濾波(SURF)技術(shù),，具有低功耗和低成本 的特點(diǎn)。它是具有實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮標(biāo)準(zhǔn)(SD)視屏信號(hào)和高清晰度(HDTV)視屏信號(hào)功能的編解碼器,。
圖l是ADV212功能框圖,。該編解碼器主要由像素接口、小波變換引擎,、熵編解碼器,、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和內(nèi)部DMA引擎等組成,。專利最大圖塊／圖 像高度為4 096像素,；不可逆模式最大輸入速度為65 Ms／s?？赡婺Ｊ阶畲筝斎胨俣葹?0 Ms／s的任何視頻格式,；靈活的異步主機(jī)接口能無(wú)縫連接到大多數(shù)16／32位微控制器。視頻接口支持8,、10,、12位單一或多元格式，支持8,、10,、12 雙通道位格式的視頻和靜止圖像數(shù)據(jù)，支持單通道輸入模式下YCrCb格式的數(shù)字視頻和雙通道輸入模式下Y和CrCb分離的數(shù)字視頻信號(hào),，但YCrCb數(shù)據(jù) 必須是4：2：2格式,。VDATA總線可支持多種格式視頻數(shù)據(jù)的輸入輸出。
3 圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件整體框架如圖2所示,，圖像壓縮工作主要是由ADV212和’Virtex-ⅡPro系列芯片XC2VP20共同完成的,。由于ADV212幾乎支持所有格式的視頻圖像信號(hào)的壓縮，且單片最高輸入數(shù)據(jù)速率為65 MHz／s，允許最大圖像的高度和寬度均為4 096像素,。
3．1 系統(tǒng)輸入模塊
ADV212的像素接口工作在視頻模式和原始數(shù)據(jù)模式,，本系統(tǒng)采用原始數(shù)據(jù)模式。由于ADV212不能對(duì)空間相機(jī)輸出的圖像信號(hào)直接進(jìn)行處理,，因此需要把 圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為ADV212像素接口可以接收的信號(hào)輸入模式,。在信號(hào)輸入之前采用視頻解碼器AD9843A把輸入的圖像信號(hào)進(jìn)行處理并輸出標(biāo)準(zhǔn)的圖像信 號(hào)。此時(shí)AD9843A輸出圖像信息流,、同步時(shí)鐘以及行場(chǎng)同步輸入到FPGA中。
3．2 系統(tǒng)控制模塊
系統(tǒng)中,，F(xiàn)PGA主要完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能,。輸入圖像信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻編碼器后，進(jìn)入FPGA進(jìn)行去噪預(yù)處理以提高編碼效率,，主要是直方圖 均衡和低通濾波,。對(duì)于AD9843A視頻編碼器的配置可以通過(guò)FPGA軟件模擬I2C總線來(lái)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)FIGA系統(tǒng)還要向ADV212提供復(fù)位,、讀寫,、片 選以及時(shí)鐘等信號(hào)來(lái)控制其工作時(shí)序和工作模式，并要實(shí)現(xiàn)對(duì)ADV212的初始化和固件下載功能,，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)時(shí)序關(guān)系圖如圖3所示,。系統(tǒng)運(yùn)行的所有程 序以及ADV212所需的固件都是存儲(chǔ)在FPGA內(nèi)部的Flash中。系統(tǒng)工作后,，需要把這些固件寫入ADV212相應(yīng)的RAM空間中,，進(jìn)行一些軟件的運(yùn) 行。
由于遙感圖像數(shù)據(jù)量龐大,，需采用緩存技術(shù)改善系統(tǒng)的整體性能(如吞吐量,、查詢響應(yīng)時(shí)間等)，構(gòu)建大規(guī)模視頻服務(wù)系統(tǒng)時(shí),，可以減少對(duì)磁盤的訪問(wèn),，提高系統(tǒng)性 能。2塊SRAM之間采用“乒乓”方式對(duì)圖像數(shù)據(jù)碼流進(jìn)行存取以提高傳輸速率,。這種結(jié)構(gòu)是將輸入數(shù)據(jù)流通過(guò)輸入數(shù)據(jù)選擇單元等時(shí)地將數(shù)據(jù)流分配到2個(gè)數(shù)據(jù) 緩沖區(qū),。在第1個(gè)緩沖周期，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊1上,，在第2個(gè)緩沖周期,，通過(guò)輸入數(shù)據(jù)選擇單元的切換，將輸入的數(shù)據(jù)流緩存到數(shù)據(jù)緩沖模塊 2,，同時(shí),，將數(shù)據(jù)緩沖模塊1緩存的第1個(gè)周期的數(shù)據(jù)通過(guò)輸出數(shù)據(jù)選擇單元的選擇，送到運(yùn)算處理單元進(jìn)行處理，第3個(gè)緩沖周期,，再次切換數(shù)據(jù)的輸入與輸出緩沖模塊,。如此循環(huán)，周而復(fù)始,。當(dāng)系統(tǒng)中收到傳輸指令后,，F(xiàn)PGA再將存放在 SRAM中的待發(fā)送碼流經(jīng)過(guò)FPGA讀取出來(lái)。同時(shí)FPGA還要實(shí)現(xiàn)壓縮系統(tǒng)與外部的接口功能,，用于分發(fā)數(shù)據(jù)流,，并產(chǎn)生所需的時(shí)序。
3．3 系統(tǒng)壓縮模塊
系統(tǒng)控制器件FPGA需對(duì)ADV212寄存器進(jìn)行初始化,，加載ADV212編碼模式所需的固件并設(shè)置ADV212編碼參數(shù),，ADV212 才能開始硬件編碼工作產(chǎn)生JPGA2000格式的壓縮碼流。ADV212包含16個(gè)直接訪問(wèn)的寄存器,，主機(jī)必須首先初始化這些寄存器來(lái)保證其他操作正確,。 圖4是ADV212編碼流程圖。
當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后由FPGA把Flash中的固件數(shù)據(jù)通過(guò)訪問(wèn)間接寄存器加載到ADV212的固件RAM空間,。FPGA設(shè)置ADV212編碼參數(shù)包括：壓 縮比,、量化步長(zhǎng)、小波變換級(jí)別,、小波變換模式,、JPEG2000漸進(jìn)模式等。如果ADV212固件加載正確,，嵌入式處理器會(huì)將應(yīng)用程序ID寫入 SWFLAG寄存器,。通過(guò)檢驗(yàn)SWFLAG寄存器是否為所預(yù)知的值(編碼模式的應(yīng)用程序ID為OXFF82)，就可判定固件加載是否正確,。ADV212寄存器初始化 后,，在VALID和HOLD握手協(xié)議的配合下，通過(guò)讀信號(hào)讀CODE FIFO,。VDATA總線為原始圖像數(shù)據(jù)輸入接口,，HDATA總線和ADDR總線為FPGA對(duì)ADV-212的配置總線，JDATA總線為ADV212中 JDATA模式的壓縮數(shù)據(jù)輸出接口,。當(dāng)ADV212正常工作后產(chǎn)生的JPEG2000格式的壓縮碼流經(jīng)HDATA總線輸出,。再將壓縮碼流傳送到FPGA中 對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行行串轉(zhuǎn)并，轉(zhuǎn)換輸出的并行數(shù)據(jù)送人SRAM中存放,。
3．4 系統(tǒng)輸出模塊
ADV212編碼后產(chǎn)生的JPEG2000格式碼流首先被送入FPGA中進(jìn)行處理,，處理之后再將碼流存放在SRAM中等待系統(tǒng)發(fā)送“傳 送”指令。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出“傳送”指令后,，F(xiàn)PGA將存放在SRAM中的待發(fā)送壓縮碼流傳回FPGA中,，在FPGA中轉(zhuǎn)換成串行碼流最后通過(guò)以太網(wǎng)接口器件發(fā) 送出去,。
4 結(jié)束語(yǔ)
空間相機(jī)圖像壓縮系統(tǒng)對(duì)壓縮比、實(shí)時(shí)性及抗誤碼能力等都提出很高要求,，為了滿足這些要求,，采用了基于FPEG+ADV212結(jié)構(gòu)的圖像壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)根 據(jù)空間相機(jī)圖像壓縮質(zhì)量和碼率的要求,，選擇從400：1到2：l可調(diào)壓縮比,，經(jīng)測(cè)試該系統(tǒng)工作穩(wěn)定性強(qiáng)，基本滿足空間相機(jī)圖像壓縮系統(tǒng)對(duì)圖像細(xì)節(jié)豐富,、數(shù) 據(jù)量龐大,、高壓縮比和抗誤碼率等各方面的要求。