《電子技術(shù)應(yīng)用》
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適于空間TDICCD相機(jī)的圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第1期
李 進(jìn)1，2，金龍旭1，韓雙麗1，張 宇1，呂曾明1，郝賢鵬1
1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033； 2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039
摘要： 提出了一種適于空間TDICCD相機(jī)的復(fù)雜度適中、高性能的圖像壓縮系統(tǒng)。其壓縮系統(tǒng)主要分為離散小波變換（DWT）單元和位平面編碼(BPE)單元。DWT采用兩個并行的9/7整數(shù)1D DWT完成2D DWT；BPE單元從掃描方法、并行掃描、轉(zhuǎn)移字存儲及并行計算方面對傳統(tǒng)CCSDS算法進(jìn)行了改進(jìn)，使其更適合CCD空間相機(jī)的應(yīng)用。最后，使用地面檢測設(shè)備對設(shè)計的圖像壓縮系統(tǒng)進(jìn)行了試驗測試。實驗結(jié)果表明，該圖像壓縮系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地工作，與傳統(tǒng)壓縮系統(tǒng)相比，平均PSNR提高了0.97 dB，具有較高的數(shù)據(jù)吞吐率，在系統(tǒng)時鐘頻率為50 MHz時數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)到12.8 Mpixels/s。非常適于空間TDICCD相機(jī)的應(yīng)用。
中圖分類號： TP391.4
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)01-0017-03
Design of image compression system for space TDICCD camera
Li Jin1，2，Jin Longxu1，Han Shuangli1，Zhang Yu1，Lv Zengming1，Hao Xianpeng1
1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033，China； 2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China
Abstract： The paper proposes a novel image compression system with moderate complexity and high performance for space TDICCD camera. The compression system is mainly divided into discrete wavelet transform(DWT) and bit-plane encoding(BPE). Two parallel integer 9/7 1D DWT are used to implement 2D DWT. From scan method, parallel scanning, storage of transition word and calculating in parallel, the CCSDS algorithm in BPE module is improved to make it more suitable for the application of space CCD camera. Finally, the experiments are performed using the ground test equipment. The experiments results show that the proposed image compression can work stably and reliably，compared with the traditional image compression system, the proposed compression system can improve the average PSNR by 0.97 dB，and the compression system proposed has higher throughput which achieves 12.8 Mpixels/s at the frequency of 50 MHz. Therefore，it is suitable for the application of space TDICCD camera.
Key words : space TDICCD camera；image compression；CCSDS

    隨著空間TDICCD相機(jī)空間分辨率和覆蓋寬度指標(biāo)的不斷提高，CCD相機(jī)圖像數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增加，而現(xiàn)有的機(jī)載存儲器容量有限，使數(shù)傳系統(tǒng)帶寬受限，無法適應(yīng)空間CCD圖像的海量數(shù)據(jù)[1-2]。因此，必須對CCD圖像進(jìn)行壓縮。

    空間CCD相機(jī)圖像壓縮不同于其他壓縮場合，它要求整個壓縮系統(tǒng)具有實時性且采用硬件設(shè)計，但存儲資源和板面十分有限，而遙感圖像資源又十分寶貴。因此，可選用的壓縮算法復(fù)雜度不能太高而又要求具有較好的壓縮性能。下面介紹三種壓縮算法的優(yōu)缺點：JPEG2000[3]具有較好的壓縮性能，然而其算法復(fù)雜度很高，難以通過硬件實現(xiàn)和達(dá)到實時性的要求；SPIHT算法[4]抗錯能力很差；CCSDS壓縮算法[5]專門針對深空應(yīng)用，其復(fù)雜度適中，壓縮性能和JPEG2000相當(dāng)。因此，本文選用CCSDS壓縮算法作為壓縮系統(tǒng)的設(shè)計理念。然而，CCSDS壓縮算法僅推薦了一些壓縮規(guī)范，具體編碼器的設(shè)計需根據(jù)各種應(yīng)用場合進(jìn)行設(shè)計。
    本文在參考國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)背景項目需求，結(jié)合TDICCD圖像特點，從工程應(yīng)用的角度提出了一種基于CCSDS壓縮算法的空間TDICCD相機(jī)圖像壓縮系統(tǒng)。
1 壓縮系統(tǒng)的提出
    CCSDS壓縮算法總體上由離散小波變換(DWT)和位平面編碼器(BPE)兩部分組成，如圖1所示。DWT用來去除圖像空間相關(guān)性，BPE用來編碼去除相關(guān)性后的數(shù)據(jù)。
    根據(jù)上述CCSDS算法原理，本文設(shè)計的CCD圖像壓縮系統(tǒng)組成如圖2所示。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2.1 離散小波變換VLSI設(shè)計
    CCSDS的離散小波變換使用3級二維9/7 DWT，包括浮點型和整形。浮點型在有損壓縮時具有很高的壓縮性能，而整形主要應(yīng)用在無損壓縮?？臻gCCD相機(jī)電子學(xué)圖像壓縮單元的主處理器選擇FPGA，但FPGA處理浮點運算十分麻煩。因此，本文壓縮系統(tǒng)采用9/7提升整數(shù)小波變換。9/7提升整數(shù)小波變換預(yù)測與更新步驟為：


    塊內(nèi)DC系數(shù)采用DPCM編碼方法可以取得較好的編碼性能。本文設(shè)計的AC系數(shù)BPE編碼結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中，OR為邏輯“或”，valij是類型i的第j個系數(shù)的值，n[i]是最大深度。由于僅需要訪問一次系數(shù)，因此訪問存儲器次數(shù)可以減少3倍。
    (2)并行掃描：BPE每個段含有16個塊，本文對16個塊獨立進(jìn)行掃描處理，即采用16個掃描模塊(Scan0~Scan15)并行掃描系數(shù)。每個模塊掃描一個塊，掃描結(jié)果將轉(zhuǎn)移字存儲在RAM中，極大地提高了掃描性能。
    (3)轉(zhuǎn)移字存儲：熵編碼模塊由編碼選擇計算模塊(CalcOption)和編碼模塊(Encoding)組成。這兩個模塊需要訪問存儲器的轉(zhuǎn)移字，但是CalcOption僅需要長度大于1的轉(zhuǎn)移字，它并不需要訪問所有的轉(zhuǎn)移字。因此，為了加速這個模塊的計算，在存儲轉(zhuǎn)移字的同時將長度大于1的轉(zhuǎn)移字復(fù)制到另一個存儲器中，CalcOption計算時只需訪問長度大于1的轉(zhuǎn)移字的存儲器即可，大大縮短了計算時間。
    (4)并行計算：在編碼前，Rice熵編碼模塊需要最優(yōu)編碼選擇（它是CalcOption模塊的輸出），在1 bit平面的編碼選擇計算時需要訪問16個塊中的轉(zhuǎn)移字。為此，本文設(shè)計了兩個相同且并行工作的模塊，一個是訪問Block0~Block7的訪問字，另一個是訪問Block8~Block15的訪問字。通過比較兩個模塊的結(jié)果選擇出最優(yōu)編碼。
3 實驗結(jié)果
    為了驗證本文提出的壓縮系統(tǒng)的可行性，使用地面檢測系統(tǒng)對其進(jìn)行測試。地面檢測系統(tǒng)向壓縮電路板發(fā)送測試圖像，壓縮系統(tǒng)將圖像壓縮、解壓后經(jīng)Camera Link傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行分析，得到如圖6所示的重構(gòu)圖像。由圖6可知，本文提出的壓縮系統(tǒng)是可行的。

 

 

    為了測試本設(shè)計的壓縮系統(tǒng)性能，地面檢測系統(tǒng)向壓縮系統(tǒng)發(fā)送各種測試圖像進(jìn)行實驗，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，實驗結(jié)果如表1所示（壓縮比為8：1）。
 

    本文提出的圖像壓縮系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地工作，由以上實驗數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)非常適于航空面陣CCD相機(jī)的應(yīng)用，為空間TDICCD相機(jī)圖像壓縮提供了一種很好的解決方案。
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