一種多光譜可見光遙感圖像壓縮系統(tǒng)設計

　　摘要：為了實現多光譜可見光遙感圖像高質量壓縮的要求，提出以JPEG2000壓縮標準為理論，將FPGA與專用壓縮芯片ADV212相結 合的空間遙感圖像壓縮方法。該系統(tǒng)設計采用ADV212，通過小波變換及熵編碼實現對大數據量的空間遙感圖像進行高質量實時壓縮，并且采用FPGA完成圖 像數據輸入、壓縮碼流輸出、圖像預處理以及對ADV212的工作模式進行控制。實驗結果表明，該系統(tǒng)設計功耗低、成本低、調試簡單合理，具有較好的壓縮效 果?？蓾M足多光譜可見光遙感圖像對高質量壓縮比的要求。

　　近年來，隨著航天遙感技術的發(fā)展空間遙感數據量日益龐大，圖像數據量的巨大帶來傳輸的瓶頸。同時，空間相機圖像細節(jié)豐富，衛(wèi)星飛行高度通常幾百千米以上， 對地面覆蓋范圍廣，地面上的小目標在衛(wèi)星成像后，通常只有幾個像素，因此研究空間相機圖像壓縮系統(tǒng)具有重要意義。由于JPEG2000標準采用了許多新的 壓縮編碼技術；全幀離散小波變換、整數DWT濾波器、帶中央死區(qū)的均勻量化器實現嵌入式編碼等。由此得到最佳的嵌入式碼流，改進了抗誤碼能力和部分空間隨 機存取能力，簡化了某些幾何操作，得到常靈活的碼流語法，其在遙感圖像壓縮中的應用也受到重視，因此，本文研制了基于JPEG2000的空間相機圖像壓縮 系統(tǒng)。

1 JPEG2000圖像壓縮標準

　　JPEG2000是JPEG工作組制定的靜止圖像壓縮編碼的國際標準，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，而且在大范圍內去除圖像的相關性，將圖像能量更好集中，使壓縮效率得到提高；由于使用整數DWT濾波器，在單一碼流中可以同時實現 有失真和無失真壓縮；通過使用一種帶中央“死區(qū)”的均勻量化器實現嵌入式編碼。由此得到最佳的嵌入式碼流，改進的抗誤碼能力，部分空間隨機存取能力，簡化 了某些幾何操作，得到了活躍的碼流語法。JPEG2000圖像壓縮標準主要特征：

　　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標準，對于細節(jié)分量多的灰度圖像，當壓縮碼率低于0．25 bpp時，視覺失真大。JFPEG2000格式的圖片壓縮比可以在JPEG的基礎上再提高10％～30％，而且壓縮后的圖像顯得更細膩平滑。尤其在低比特 壓縮碼率下，具有良好的性能，以適應窄帶網絡、移動通信等帶寬有限的應用需要。

　　2)累進式傳輸 現采用JPEG壓縮的圖像下載時是按“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傳輸(Prog-ressive Transmission)。累進式圖像傳輸允許圖像按照所需的分辨率或像素精度進行編碼和重構。用戶根據需要，對圖像傳輸進行控制，在獲得所需的圖像分辨率或質量要求后，在不必接收解碼整個圖像的壓縮碼流情況下，便可終止解碼。

　　3)碼流的隨機訪問和處理 這一特征允許用戶在圖像中隨機地定義感興趣的區(qū)域，使得這一區(qū)域的圖像質量高于其他圖像區(qū)域；碼流的隨機處理允許用戶進行旋轉、移動、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于通信是必要的。例如在無線傳輸等誤碼很高的通信信道中傳輸圖像時，JPEG2000系統(tǒng)采取一定的編碼措施和碼流格式來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

　　實現JPEG2000的方案主要有基于DSP處理器的系統(tǒng)、基于FPGA進行的硬件實現，以及采用專用集成電路。由于DSP處理器處理的 串行性，其很難達到實時性。而采用FPGA硬件實現可以加快處理速度，但JPEG2000算法會占用大量的FPGA資源，同時系統(tǒng)功耗也會增加。采用專用 集成電路實現則可以很好解決上述問題。JPEG2000編解碼器ADV212采用具有專利技術的空間超效率回歸濾波(SURF)技術，具有低功耗和低成本 的特點。它是具有實時壓縮和解壓縮標準(SD)視屏信號和高清晰度(HDTV)視屏信號功能的編解碼器。

　　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、存儲器系統(tǒng)和內部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。可逆模式最大輸入速度為40 Ms／s的任何視頻格式；靈活的異步主機接口能無縫連接到大多數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據，支持單通道輸入模式下YCrCb格式的數字視頻和雙通道輸入模式下Y和CrCb分離的數字視頻信號，但YCrCb數據 必須是4：2：2格式。VDATA總線可支持多種格式視頻數據的輸入輸出。

3 圖像壓縮系統(tǒng)設計

　　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的壓縮，且單片最高輸入數據速率為65 MHz／s，允許最大圖像的高度和寬度均為4 096像素。