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(shí)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(jī)圖像壓縮領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。JPEG2000壓縮的實(shí)現(xiàn)方法有多種，通常采用專用DSP芯片和FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn)[1-3]，兩者分別利用各自的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)型運(yùn)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(shí)現(xiàn)方法JPEG2000需要處理的數(shù)據(jù)量比較大，還需要外擴(kuò)SRAM等大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而使系統(tǒng)的集成度降低，而且其實(shí)時(shí)性受編程方法所制約。同時(shí)，目前大面陣CCD相機(jī)的成像和圖像壓縮存儲(chǔ)是兩個(gè)獨(dú)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(jī)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(shí)時(shí)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(gè)核心處理器FPGA來(lái)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(jī)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(hào)處理、視頻信號(hào)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(tái)對(duì)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(shí)時(shí)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(jī)對(duì)圖像壓縮性能進(jìn)行分析。該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，硬件接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(jì)
    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(dá)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(jìn)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(shí)還包括看門狗和定時(shí)器等基本外設(shè)。添加完硬件后，系統(tǒng)自動(dòng)生成每個(gè)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(shí)器、WDT、調(diào)試空間等。
3 壓縮處理器設(shè)計(jì)

    JPG2000算法的硬件實(shí)現(xiàn)方法有多種，其中Analog Devices公司的ADV212系列性能比較高，實(shí)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(gè)熵編碼器、RISC處理器以及多種存儲(chǔ)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(hào)VSYNC、行同步信號(hào)HSYNC和場(chǎng)同步信號(hào)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(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器中。從內(nèi)部存儲(chǔ)器讀出的小波系數(shù)被送進(jìn)3個(gè)熵編碼器進(jìn)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(chǔ)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(lái)解決內(nèi)部高速總線和低速主機(jī)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(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
    本文在不同的壓縮碼流速率條件下，對(duì)大面陣CCD圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)，由上位機(jī)專用解壓縮軟件進(jìn)行解壓，查看測(cè)試圖像和文件格式是否正確。如果正確，則說(shuō)明圖像壓縮過程正常，可進(jìn)一步把壓縮后的數(shù)據(jù)流交由解壓縮部分進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)的壓縮結(jié)果。其中，壓縮比特率為0.15 bit/pixel時(shí)，壓縮比近似53:1，此時(shí)圖像已經(jīng)模糊。

    圖像壓縮性能通常用峰值信噪比PSNR來(lái)表示，好的重建圖像PSNR值一般為30 dB以上。本文分別對(duì)幾種不同壓縮比特率下得到的壓縮圖像進(jìn)行了PSNR計(jì)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(dá)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(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)壓縮比為53:1時(shí)，重建圖像的PSNR值可以達(dá)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(shí)時(shí)壓縮提供了更好的解決方案。
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