0 引言

    在現(xiàn)代遙感技術(shù)中，人們對于圖像傳輸?shù)囊笤絹碓礁撸渲兴俾屎唾|(zhì)量的提高以及圖像數(shù)據(jù)的實時傳輸是現(xiàn)在最主要的研究熱點^[1]。而伴隨著遠程遙感設(shè)備采集到的圖像質(zhì)量的不斷提高，信道中攜帶的數(shù)據(jù)量也隨之增加，增加傳輸信道帶寬的方法僅僅是治標不治本，并且信道并不能無限制使用。因此，本文基于遙感器的特殊工作環(huán)境和模式，提出了數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)的硬件實現(xiàn)方法，從根本上解決問題^[2]。

    國內(nèi)某研究所針對相關(guān)遙感項目提出關(guān)鍵指標：空間遙感圖像采集、壓縮速率為100幀/s，壓縮倍數(shù)為75倍，對地圖像傳輸通道波特率為2.457 6 Mb/s?；谏鲜鲋笜?，本文提出了基于JPEG2000算法的圖像編碼裝置的硬件實現(xiàn)方法。

1 壓縮編碼算法介紹

    相比JPEG算法，JPEG2000編碼算法具有更高的壓縮比和抗誤碼性能^[3]，解決了在低比特率編碼時會出現(xiàn)的方塊效應，以及比特差錯時出現(xiàn)的嚴重損壞問題，其主要由四部分組成，包括預處理、DWT、均勻量化和EBCOT編碼，如圖1所示。

    預處理：將不能滿足JPEG2000壓縮算法要求的原始圖像數(shù)據(jù)分成矩形塊，與JPEG編碼相比JPEG2000中的每個矩形塊的大小并不需要是規(guī)定且一致的，最小單位可以到像素大小，其中每個矩形塊都單獨使用自己的參數(shù)實現(xiàn)編碼^[4-5]。由于在離散小波變換之前的圖像數(shù)據(jù)要求軸對稱分布，因此對于無符號數(shù)需要先進行平移，再進行歸一化處理，之后采取分量變換的方式以便除去彩色分量之間的相關(guān)性，以減少數(shù)據(jù)量。本文采用不可逆的實數(shù)彩色變換（ICT），這是一種將RGB圖像轉(zhuǎn)換為亮度和色差數(shù)據(jù)的一種變換方式，本文主要采用YCbCr4:2:2的方式，對亮度的采樣率是對顏色采樣率的兩倍關(guān)系，并且優(yōu)先傳輸比較重要的亮度信息，RGB到Y(jié)CbCr的變換式如式(1)所示。

    DWT：離散小波變換的主要作用是將圖像的能量收斂到權(quán)重更高的低頻子帶，其本質(zhì)是產(chǎn)生大量無限接近于0的小波系數(shù)。離散小波變換本質(zhì)上是對每個矩形塊先進行水平方向的濾波，再對得到的每個輸出用同樣的濾波器組進行垂直方向的濾波。圖2為一個二級小波變換示意圖，原始圖像通過第一級小波變換后會被分為代表信號中低頻成分的LL子帶和代表信號中邊緣、紋理、細節(jié)等高頻成分的LH、HL、HH子帶，而第二級的小波變換針對的就是經(jīng)過第一級變換得到的LL低頻子帶，LL低頻子帶參照第一級小波變換進行進一步分解。以此類推，經(jīng)過多級小波變換后，圖像數(shù)據(jù)完成了主要信息和邊緣信息的分別存儲，為后面比特層掃描編碼和碼流優(yōu)化截斷提供了條件^[6]。

    量化：JPEG2000編碼標準提供了一種死區(qū)標量量化的處理方式，所謂“死區(qū)”就是在零點附近的輸入?yún)^(qū)間內(nèi)量化步長寬度是其他輸入?yún)^(qū)間的兩倍，應注意小波變換后的子帶已經(jīng)是最小單元，因此每個子帶都只采用一個量化步長。量化的公式如式(2)所示，該處理方式主要是根據(jù)小波子帶的視覺特性或者碼率控制的要求分析得出量化步長Δ，將步長Δ帶入式(2)即可得到量化后的值q^[7]。

    EBCOT編碼：經(jīng)過離散小波變換和量化之后的小波系數(shù)并不能完全消除它們之間的相關(guān)性，因此需要進行EBCOT編碼進一步地消除。先將經(jīng)過量化的小波系數(shù)劃分為尺寸是2的整數(shù)次冪大小的矩形碼塊，以矩形碼塊為最小單位編碼。EBCOT編碼分為兩步進行：(1)Tier1部分包括比特層掃描編碼和算數(shù)編碼，比特層掃描編碼是以碼塊為單位從最高有效位平面開始編碼，通過對每一層分別進行3次掃描，將其根據(jù)一定的規(guī)則分為3個通道分別進行處理并生成上下文、決策位，這3個通道數(shù)據(jù)再通過算數(shù)編碼器，最后針對每個碼塊就生成了嵌入式編碼碼流。(2)在Tier2部分，具有截斷點的編碼碼流根據(jù)失真率優(yōu)化原則，將權(quán)重較低的碼流數(shù)據(jù)舍棄，并對截斷點的位置信息進行編碼，最終將保留下的各比特層的數(shù)據(jù)碼流打包，輸出最終的JPEG2000圖像數(shù)據(jù)碼流^[8-10]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

    本圖像壓縮裝置采用FPGA+JPEG2000標準芯片結(jié)構(gòu)，以FPGA為主控芯片實現(xiàn)對各模塊的邏輯控制以及數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)運用JPEG2000標準編碼算法進行圖像壓縮的硬件設(shè)計?？傮w方案如圖3所示，本裝置主要包括以下5個模塊：系統(tǒng)控制、圖像接收、圖像緩存、壓縮編碼以及數(shù)據(jù)傳輸。

    本裝置中系統(tǒng)采集到的原始圖像數(shù)據(jù)通過圖像接收模塊（LVDS接口）接收，并且進行解串之后，為了解決由于傳輸速率過快可能導致的數(shù)據(jù)丟失問題，需要先進行數(shù)據(jù)緩存，再將數(shù)據(jù)無失真地傳輸給壓縮編碼模塊。最后為了測試圖像壓縮編碼后的效果，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊（RS422）把壓縮編碼后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為異步串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C^[11]，再經(jīng)過MATLAB解碼可以查看到圖片是否失真。

2.1 LVDS圖像采集接口設(shè)計

    采集接口采用了LCD Panel通用的接口標準LVDS低壓差分信號接口，信號的傳輸速率可達幾百Mb/s，是在TTL電平方式傳輸寬帶高碼率數(shù)據(jù)時，為了降低系統(tǒng)功耗以及消除EMI電磁干擾而被研究出來的一種數(shù)字視頻信號傳輸方式。

    圖4為LVDS信號實際測試波形圖，圖中的幀同步信號、行同步信號和同步時鐘信號都是高電平有效，當幀同步信號有效時讀取圖像數(shù)據(jù)中的一幀，行同步信號有效時讀取圖像數(shù)據(jù)中的一行。只有幀同步信號、行同步信號同時為高電平時，在時鐘的上升沿觸發(fā)下才可以讀取到LVDS接口原始圖像數(shù)據(jù)。

    本裝置中LVDS接口輸入的圖像為YCbCr4：2：2格式，它的主要功能是將輸入的圖像數(shù)據(jù)進行處理，為提升系統(tǒng)速度，充分利用時鐘資源，使存入到SRAM的數(shù)據(jù)為16 bit，數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部用時鐘打2拍^[11]。

2.2 圖像緩存設(shè)計

    本裝置選用兩片SRAM進行乒乓緩存，以提升傳輸速率，數(shù)據(jù)處理流程如下：系統(tǒng)上電后，緩存模塊初始化選擇SRAM0，當檢測到有數(shù)據(jù)輸入時，SRAM0寫請求信號使能有效，開始存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從SRAM0的地址0開始寫入，當寫入的數(shù)據(jù)量達到已設(shè)置好的容量后，地址計數(shù)器給出SRAM0滿標志信號，停止寫入數(shù)據(jù)，同時將SRAM0的寫地址計數(shù)器清零，等待壓縮模塊讀取圖像數(shù)據(jù)。此時SRAM1寫請求信號使能有效寫入數(shù)據(jù)，同時SRAM0讀請求信號使能有效^[12]。原理圖如圖5所示。

2.3 壓縮編碼模塊設(shè)計

    ADV212是一款專用壓縮編解碼芯片，具有實時壓縮和解壓縮的功能。在工作時具有延遲小、功耗低、工作模式靈活可控的優(yōu)點^[13]。

    本裝置中圖像壓縮模塊的工作流程如圖6所示。首先在系統(tǒng)正常工作前需要對ADV212進行參數(shù)配置，即對內(nèi)部的直接寄存器和間接寄存器進行初始化操作，其中對間接寄存器的配置需要通過把要調(diào)用的地址寫入直接寄存器IADDR和STAGE中，再把數(shù)據(jù)寫入到寄存器IDATA中。本模塊的主要功能是將從存儲模塊讀取到的原始圖像數(shù)據(jù)進行JPEG2000標準編碼處理，然后通過接收讀取數(shù)據(jù)命令，回讀編碼后的數(shù)據(jù)^[14]。

    本裝置中，選用9/7濾波器將每個矩形塊分解成許多子帶，同時將產(chǎn)生的小波系數(shù)寫入到相應寄存器中^[15]，其中輸出的碼流格式為包含亮度和色彩數(shù)據(jù)的YCbCr格式。在本模塊中，對于YCbCr格式，樣本值是每行像素值的兩倍。因此，壓縮一幅320×240的彩色圖像，固件參數(shù)應當設(shè)置為160×120。

3 系統(tǒng)測試

    測試和控制該裝置接收和存儲壓縮編碼數(shù)據(jù)的地面測試軟件操作界面如圖7所示，上位機軟件正在接收經(jīng)過壓縮模塊的圖像數(shù)據(jù)。

    通過地面測試臺發(fā)送原始彩色圖像，如圖9所示，其尺寸為150 KB。再將接收到的壓縮編碼圖像數(shù)據(jù)通過圖像解碼顯示軟件解碼顯示，如圖10所示，一幀圖像大小約為2 KB。對比發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)實際實現(xiàn)的壓縮比約為75:1，通過實際測試發(fā)現(xiàn)，解碼后的圖像失真度較小，壓縮效果較好，滿足系統(tǒng)要求。

4 結(jié)束語

    本文基于箭載的航天背景，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于JPEG2000算法的高幀頻圖像壓縮編碼裝置。最后通過系統(tǒng)測試平臺對壓縮編碼裝置進行了系統(tǒng)測試，經(jīng)過分析，該裝置滿足了預期要求的壓縮倍數(shù)和壓縮速率。結(jié)果表明，本文設(shè)計的圖像壓縮編碼裝置在滿足高幀頻的同時可以實現(xiàn)高壓縮比的要求，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，具有極高實用價值。

參考文獻

[1] 翁天陽，莊宇，于瑋，等.基于HPS和FPGA的圖像壓縮感知編解碼系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2017，43(5)：90-93.

[2] 祁志恒，姜喆，張為.基于ADV212的雷達圖像壓縮傳輸系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2015，41(11)：78-80，84.

[3] 朱秀昌，劉峰，胡棟.數(shù)字圖像處理與圖像通信[M].北京：北京郵電大學出版社，2016.

[4] 祁志恒.基于ADV212的JPEG2000圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計[D].天津：天津大學， 2016.

[5] CHRYSAFITS C，ORTEGA A.Line-based, reduced memory，wavelet image compression[J].IEEE Transactions on Signal Process，2000，9(3)：378-389.

[6] 姜喆.高性能JPEG2000圖像編碼器的VLSI設(shè)計[D].天津：天津大學，2012.

[7] 王丹，楊允基.ADV212編解碼芯片原理及應用[J].艦船電子工程，2008(5)：106-109.

[8] 孫寶海.基于TI DM8148構(gòu)架的視頻編碼系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].太原：中北大學，2017.

[9] 黃德祥，湯愛武，徐升，等.基于ADV212的無人機實時視頻解碼系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程，2014，44(10)：59-63.

[10] 晁富邦.基于ARM的嵌入式視頻采集與壓縮系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[11] 劉敏慧，高楓，劉文怡.基于FPGA和ADV212的彩色圖像實時壓縮系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40(22)：88-90，94.

[12] 藺志強.大容量緩存壓縮裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[D].太原：中北大學，2013.

[13] 齊鳳梅，孫立成.機載高速相機圖像準實時下傳方法[J].飛行器測控學報，2012，31(4)：25-28.

[14] 王剛，陳曉曙.面向無線傳輸?shù)膶崟r視頻壓縮編碼系統(tǒng)設(shè)計[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2011，34(12)：1819-1822.

[15] 關(guān)曉磊，孟立凡.JPEG2000的近距離無線視頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011，11(11)：41-44.

作者信息：

連佳佳1，王志有2，王利斌3，劉文怡1，張會新1

（1.中北大學 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原030051；

2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；3.北京強度環(huán)境研究所，北京100076）