文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)01-0017-03
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(chǔ)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(duì)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(chǎng)合，它要求整個(gè)壓縮系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性且采用硬件設(shè)計(jì)，但存儲(chǔ)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(diǎn)：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(shí)現(xiàn)和達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求；SPIHT算法[4]抗錯(cuò)能力很差；CCSDS壓縮算法[5]專門針對(duì)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(jì)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(jì)需根據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。
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(xiàng)目需求，結(jié)合TDICCD圖像特點(diǎn)，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(jì)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(jì)
CCSDS的離散小波變換使用3級(jí)二維9/7 DWT，包括浮點(diǎn)型和整形。浮點(diǎn)型在有損壓縮時(shí)具有很高的壓縮性能，而整形主要應(yīng)用在無損壓縮。空間CCD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(diǎn)運(yùn)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(cè)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(jì)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(gè)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(chǔ)器次數(shù)可以減少3倍。
(2)并行掃描：BPE每個(gè)段含有16個(gè)塊，本文對(duì)16個(gè)塊獨(dú)立進(jìn)行掃描處理，即采用16個(gè)掃描模塊(Scan0~Scan15)并行掃描系數(shù)。每個(gè)模塊掃描一個(gè)塊，掃描結(jié)果將轉(zhuǎn)移字存儲(chǔ)在RAM中，極大地提高了掃描性能。
(3)轉(zhuǎn)移字存儲(chǔ)：熵編碼模塊由編碼選擇計(jì)算模塊(CalcOption)和編碼模塊(Encoding)組成。這兩個(gè)模塊需要訪問存儲(chǔ)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(gè)模塊的計(jì)算，在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)移字的同時(shí)將長度大于1的轉(zhuǎn)移字復(fù)制到另一個(gè)存儲(chǔ)器中，CalcOption計(jì)算時(shí)只需訪問長度大于1的轉(zhuǎn)移字的存儲(chǔ)器即可，大大縮短了計(jì)算時(shí)間。
(4)并行計(jì)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(jì)算時(shí)需要訪問16個(gè)塊中的轉(zhuǎn)移字。為此，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)相同且并行工作的模塊，一個(gè)是訪問Block0~Block7的訪問字，另一個(gè)是訪問Block8~Block15的訪問字。通過比較兩個(gè)模塊的結(jié)果選擇出最優(yōu)編碼。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證本文提出的壓縮系統(tǒng)的可行性，使用地面檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。地面檢測(cè)系統(tǒng)向壓縮電路板發(fā)送測(cè)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(cè)試本設(shè)計(jì)的壓縮系統(tǒng)性能，地面檢測(cè)系統(tǒng)向壓縮系統(tǒng)發(fā)送各種測(cè)試圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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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