0 引言

    在現(xiàn)代遙感技術(shù)中，人們對(duì)于圖像傳輸?shù)囊笤絹?lái)越高，其中速率和質(zhì)量的提高以及圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸是現(xiàn)在最主要的研究熱點(diǎn)^[1]。而伴隨著遠(yuǎn)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(biāo)不治本，并且信道并不能無(wú)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(shí)現(xiàn)方法，從根本上解決問(wèn)題^[2]。

    國(guó)內(nèi)某研究所針對(duì)相關(guān)遙感項(xiàng)目提出關(guān)鍵指標(biāo)：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(duì)地圖像傳輸通道波特率為2.457 6 Mb/s?；谏鲜鲋笜?biāo)，本文提出了基于JPEG2000算法的圖像編碼裝置的硬件實(shí)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(shí)會(huì)出現(xiàn)的方塊效應(yīng)，以及比特差錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)的嚴(yán)重?fù)p壞問(wèn)題，其主要由四部分組成，包括預(yù)處理、DWT、均勻量化和EBCOT編碼，如圖1所示。

    預(yù)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(gè)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(gè)矩形塊都單獨(dú)使用自己的參數(shù)實(shí)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(duì)稱分布，因此對(duì)于無(wú)符號(hào)數(shù)需要先進(jìn)行平移，再進(jìn)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(shí)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(duì)亮度的采樣率是對(duì)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(wú)限接近于0的小波系數(shù)。離散小波變換本質(zhì)上是對(duì)每個(gè)矩形塊先進(jìn)行水平方向的濾波，再對(duì)得到的每個(gè)輸出用同樣的濾波器組進(jìn)行垂直方向的濾波。圖2為一個(gè)二級(jí)小波變換示意圖，原始圖像通過(guò)第一級(jí)小波變換后會(huì)被分為代表信號(hào)中低頻成分的LL子帶和代表信號(hào)中邊緣、紋理、細(xì)節(jié)等高頻成分的LH、HL、HH子帶，而第二級(jí)的小波變換針對(duì)的就是經(jīng)過(guò)第一級(jí)變換得到的LL低頻子帶，LL低頻子帶參照第一級(jí)小波變換進(jìn)行進(jìn)一步分解。以此類推，經(jīng)過(guò)多級(jí)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(chǔ)，為后面比特層掃描編碼和碼流優(yōu)化截?cái)嗵峁┝藯l件^[6]。

    量化：JPEG2000編碼標(biāo)準(zhǔn)提供了一種死區(qū)標(biāo)量量化的處理方式，所謂“死區(qū)”就是在零點(diǎn)附近的輸入?yún)^(qū)間內(nèi)量化步長(zhǎng)寬度是其他輸入?yún)^(qū)間的兩倍，應(yīng)注意小波變換后的子帶已經(jīng)是最小單元，因此每個(gè)子帶都只采用一個(gè)量化步長(zhǎng)。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(jué)特性或者碼率控制的要求分析得出量化步長(zhǎng)Δ，將步長(zhǎng)Δ帶入式(2)即可得到量化后的值q^[7]。

    EBCOT編碼：經(jīng)過(guò)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(jìn)行EBCOT編碼進(jìn)一步地消除。先將經(jīng)過(guò)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(jìn)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(kāi)始編碼，通過(guò)對(duì)每一層分別進(jìn)行3次掃描，將其根據(jù)一定的規(guī)則分為3個(gè)通道分別進(jìn)行處理并生成上下文、決策位，這3個(gè)通道數(shù)據(jù)再通過(guò)算數(shù)編碼器，最后針對(duì)每個(gè)碼塊就生成了嵌入式編碼碼流。(2)在Tier2部分，具有截?cái)帱c(diǎn)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(duì)截?cái)帱c(diǎn)的位置信息進(jìn)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(jì)

    本圖像壓縮裝置采用FPGA+JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)芯片結(jié)構(gòu)，以FPGA為主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)各模塊的邏輯控制以及數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)運(yùn)用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)編碼算法進(jìn)行圖像壓縮的硬件設(shè)計(jì)。總體方案如圖3所示，本裝置主要包括以下5個(gè)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(guò)圖像接收模塊（LVDS接口）接收，并且進(jìn)行解串之后，為了解決由于傳輸速率過(guò)快可能導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，需要先進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，再將數(shù)據(jù)無(wú)失真地傳輸給壓縮編碼模塊。最后為了測(cè)試圖像壓縮編碼后的效果，通過(guò)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(jī)^[11]，再經(jīng)過(guò)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(jì)

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

    圖4為L(zhǎng)VDS信號(hào)實(shí)際測(cè)試波形圖，圖中的幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)和同步時(shí)鐘信號(hào)都是高電平有效，當(dāng)幀同步信號(hào)有效時(shí)讀取圖像數(shù)據(jù)中的一幀，行同步信號(hào)有效時(shí)讀取圖像數(shù)據(jù)中的一行。只有幀同步信號(hào)、行同步信號(hào)同時(shí)為高電平時(shí)，在時(shí)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(jìn)行處理，為提升系統(tǒng)速度，充分利用時(shí)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(shí)鐘打2拍^[11]。

2.2 圖像緩存設(shè)計(jì)

    本裝置選用兩片SRAM進(jìn)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(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，SRAM0寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)使能有效，開(kāi)始存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從SRAM0的地址0開(kāi)始寫(xiě)入，當(dāng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量達(dá)到已設(shè)置好的容量后，地址計(jì)數(shù)器給出SRAM0滿標(biāo)志信號(hào)，停止寫(xiě)入數(shù)據(jù)，同時(shí)將SRAM0的寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器清零，等待壓縮模塊讀取圖像數(shù)據(jù)。此時(shí)SRAM1寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)使能有效寫(xiě)入數(shù)據(jù)，同時(shí)SRAM0讀請(qǐng)求信號(hào)使能有效^[12]。原理圖如圖5所示。

2.3 壓縮編碼模塊設(shè)計(jì)

    ADV212是一款專用壓縮編解碼芯片，具有實(shí)時(shí)壓縮和解壓縮的功能。在工作時(shí)具有延遲小、功耗低、工作模式靈活可控的優(yōu)點(diǎn)^[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(duì)ADV212進(jìn)行參數(shù)配置，即對(duì)內(nèi)部的直接寄存器和間接寄存器進(jìn)行初始化操作，其中對(duì)間接寄存器的配置需要通過(guò)把要調(diào)用的地址寫(xiě)入直接寄存器IADDR和STAGE中，再把數(shù)據(jù)寫(xiě)入到寄存器IDATA中。本模塊的主要功能是將從存儲(chǔ)模塊讀取到的原始圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)編碼處理，然后通過(guò)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(gè)矩形塊分解成許多子帶，同時(shí)將產(chǎn)生的小波系數(shù)寫(xiě)入到相應(yīng)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(duì)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(yīng)當(dāng)設(shè)置為160×120。

3 系統(tǒng)測(cè)試

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

    通過(guò)地面測(cè)試臺(tái)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(guò)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)的壓縮比約為75:1，通過(guò)實(shí)際測(cè)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(yǔ)

    本文基于箭載的航天背景，設(shè)計(jì)并實(shí)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(guò)系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)對(duì)壓縮編碼裝置進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試，經(jīng)過(guò)分析，該裝置滿足了預(yù)期要求的壓縮倍數(shù)和壓縮速率。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的圖像壓縮編碼裝置在滿足高幀頻的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高壓縮比的要求，并且系統(tǒng)穩(wěn)定，具有極高實(shí)用價(jià)值。

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作者信息：

連佳佳1，王志有2，王利斌3，劉文怡1，張會(huì)新1

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）