一種多光譜可見(jiàn)光遙感圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：為了實(shí)現(xiàn)多光譜可見(jiàn)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(jiàn)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(jué)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。