基于FPGA的星載圖像壓縮系統(tǒng)

章勇勤 ，蘇貴波 ，吳敏淵 ，黃海波 ，艾 勇

（1.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079；2.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011）

1 引言

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，星載相機(jī)的分辨力不斷提高，獲得的圖像數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，衛(wèi)星與地面之間通信的帶寬就成為難以克服的瓶頸，導(dǎo)致大量寶貴的原始圖像數(shù)據(jù)無(wú)法被地面接收處理。考慮到星載設(shè)備的空間、重量、功率、成本等限制苛刻，在不影響人們需要的視覺(jué)效果前提下，大多數(shù)衛(wèi)星圖像允許略微失真[1]。因此，采用圖像壓縮技術(shù)來(lái)減小數(shù)據(jù)量，緩解信道傳輸壓力。由于遙感圖像信息量大，壓縮技術(shù)要滿足實(shí)時(shí)性強(qiáng)、重構(gòu)質(zhì)量高、壓縮比大的要求，必須采用高效低復(fù)雜度的編碼算法來(lái)優(yōu)化多媒體通信所需的帶寬。星載設(shè)備對(duì)處理器芯片的抗輻射與耐高溫、穩(wěn)定性、功耗、速度等指標(biāo)要求較高，DSP、微處理器等芯片目前難以滿足實(shí)際需要，而現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）能夠有效解決星載設(shè)備的技術(shù)難題，逐漸成為星載實(shí)時(shí)圖像處理器芯片的主流選擇。

以高效、簡(jiǎn)潔、快速、穩(wěn)定和高保真壓縮編碼算法為目標(biāo)，通過(guò)綜合分析國(guó)內(nèi)外已有的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)，本文以具體工程項(xiàng)目為背景，提出了基于JPEG算法框架的壓縮編碼解決方案[2]，采用改進(jìn)的離散余弦變換（DCT），以及低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，并進(jìn)行了以FPGA為核心硬件平臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)。

2 圖像壓縮原理

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，反映系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)包括峰值信噪比（PSNR）、功耗、壓縮比等參數(shù)。星載CMOS相機(jī)圖像壓縮系統(tǒng)按照具體功能分為CMOS相機(jī)板卡、FLASH存儲(chǔ)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、CMOS相機(jī)控制器模塊、FLASH控制器模塊、圖像分割模塊、DCT變換模塊、量化器模塊、熵編碼器模塊等部分，其主要元器件為CMOS相機(jī)、W78M64V-XSBS、DS26LV31和 Actel公司的APA600芯片。圖像壓縮處理算法流程：首先把圖像幀，如大小為640×512，其量化位數(shù)10 bit，分成8×8像素塊，然后對(duì)每塊做高保真DCT，DCT變模塊把數(shù)據(jù)從空間域變換到頻率域，從而去除數(shù)據(jù)的冗余度；量化器用加權(quán)模塊產(chǎn)生對(duì)人眼優(yōu)化的DCT系數(shù)；Z形掃描提取直流和低頻分量有利于圖像壓縮；Huffman編碼將量化的DCT系數(shù)的熵最小化，來(lái)完成圖像的壓縮，從而剔除數(shù)據(jù)冗余，刪除極少視覺(jué)信息，利用空間特征進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，減少數(shù)字表示的數(shù)據(jù)量。

2.1 CMOS相機(jī)控制器

該系統(tǒng)采用具有CameraLink接口的CMOS相機(jī)，工作在其基本模式下。硬件系統(tǒng)上電后，CMOS相機(jī)控制器模塊完成CMOS相機(jī)的幀分辨力、灰度級(jí)和曝光時(shí)間等初始化設(shè)置，若需要改變相機(jī)的參數(shù)，可通過(guò)串口命令來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)圖像幀大小時(shí)，先設(shè)置窗口原點(diǎn)位置然后設(shè)置窗口寬度和高度。CMOS相機(jī)控制器把從圖像傳感器接收到的序列圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)緩沖區(qū)片選信號(hào)通過(guò)兵乓操作存入內(nèi)部的雙口RAM中，供下一步DCT處理，CMOS相機(jī)控制電路的原理圖如圖2所示。

圖2 CMOS相機(jī)控制電路的原理圖

2.2 離散余弦變換（DCT）模塊

2D DCT變換具有可分離特性，可將它分解成一系列一維變換（行、列）進(jìn)行計(jì)算。通常的8點(diǎn)的1D DCT并行運(yùn)算需要22個(gè)乘法器，計(jì)算量較大，其蝶形算法流程如圖3所示。

筆者采用改進(jìn)的DCT變換，引入常數(shù)項(xiàng)k1=c2/c6，k2=c3/c1-1，k3=sqrt（2），對(duì)圖 3 蝶形結(jié)構(gòu)優(yōu)化，把參數(shù) c1，c4，c6提出，與JPEG標(biāo)準(zhǔn)推薦的亮度和色度量化表相結(jié)合制成自定義量化表，以供量化步驟使用[3-5]。

圖3 1D DCT快速算法信號(hào)流圖

改進(jìn)的1D DCT快速算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，保真度高，減小了DCT系數(shù)量化誤差帶來(lái)的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)損變換，其性能優(yōu)于整數(shù)DCT變換[6]，并行運(yùn)算僅需14個(gè)乘法器和24個(gè)加（減）法器，其數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式分別為

其硬件具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖4所示，引入的8×8量化系數(shù)矩陣如表1所示。

圖4 1D DCT改進(jìn)的快速算法結(jié)構(gòu)框圖

表1 量化系數(shù)矩陣

圖像分割模塊把每幀圖像數(shù)據(jù)按照8×8的像素塊格式，通過(guò)乒乓操作從雙口RAM緩沖區(qū)依次讀出，不足部分用0填充，并送入DCT變換模塊中的預(yù)處理8×8大小雙口RAM緩沖區(qū)。對(duì)單色圖像，分割后只有亮度（或灰度）圖像塊序列。而對(duì)彩色圖像的處理，需要把RGB分量分別提取進(jìn)行圖像分割，把各個(gè)分量按照次序排放，分別為R成分圖像塊序列、G成分圖像塊序列和B成分圖像塊序列；或者從RGB轉(zhuǎn)換成YCrCb空間，減少冗余度，提高壓縮效率。對(duì)2D圖像來(lái)說(shuō)，DCT變換模塊把接收到的8×8圖像塊通過(guò)2個(gè)1D DCT來(lái)實(shí)現(xiàn)，先根據(jù)行地址生成方式把每行8點(diǎn)從前級(jí)雙口RAM緩沖區(qū)中取出送入1D DCT變換子模塊中，待處理完成后將結(jié)果按列地址方式存入相應(yīng)的雙口RAM臨時(shí)緩沖區(qū)，等每塊內(nèi)8行變換結(jié)束后，再按照行地址從臨時(shí)緩沖區(qū)取出相應(yīng)內(nèi)容送入1D DCT變換子模塊，待結(jié)束后將2D DCT變換系數(shù)送出，供Z形掃描和量化步驟處理，其具體電路原理圖如圖5所示。如果使用2個(gè)1D DCT變換子模塊，雖然速度幾乎提高1倍，但門數(shù)將迅速上升，同時(shí)還導(dǎo)致用于存放中間結(jié)果的RAM容量增大1倍，資源消耗較大。

圖5 2D DCT、Z形掃描及量化電路原理圖

2.3 量化和Z形掃描模塊

DCT將8×8圖像塊從空域變換到頻域，低頻分量位于矩陣左上角，高頻分量分布在右下角，F(xiàn)（0，0）代表直流DC系數(shù)，其他63個(gè)元素是交流AC系數(shù)，其中低頻分量包含了圖像的主要信息（如亮度），因此忽略高頻分量，從而達(dá)到圖像壓縮的目的[9]?？紤]用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像壓縮算法時(shí)，而綜合器一般不能對(duì)“/”和“%”運(yùn)算符直接綜合，故采用乘法運(yùn)算來(lái)取代除法操作。該方案采用定點(diǎn)小數(shù)運(yùn)算規(guī)則，JPEG標(biāo)準(zhǔn)中量化表為Q（u，v），本文選取量化矩陣Q贊（u，v）=round[2nP（u，v）./Q（u，v）]，n=16，經(jīng)2D DCT 變換后的系數(shù)為 F（u，v），量化后系數(shù)F贊（u，v）=F（u，v）./Q（u，v）=round[F（u，v）.×Q贊（u，v）>>n]，實(shí)際設(shè)計(jì)中根據(jù)數(shù)據(jù)要求的精度來(lái)對(duì)量化表修訂。Z形掃描地址映射表如表2所示，量化矩陣如表3所示。如圖5所示，每幀內(nèi)8×8圖像塊的2D DCT變系數(shù)以每次8個(gè)系數(shù)共8次輸出，在Z形掃描和量化模塊中，以表2產(chǎn)生的地址方式和量化矩陣表3對(duì)系數(shù)進(jìn)行掃描和量化，并把結(jié)果按照表2生成的地址方式存入后級(jí)雙口RAM緩存中，同時(shí)糾正了2D DCT系數(shù)輸出的轉(zhuǎn)置格式，從而完成了2D圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為1D序列，供下級(jí)熵編碼使用。

表2 Z形掃描地址映射表

表3 與地址映射表轉(zhuǎn)置對(duì)應(yīng)的改進(jìn)量化矩陣

2.4 熵編碼器設(shè)計(jì)

在Z形掃描之后，熵編碼器模塊從圖5中后級(jí)雙口RAM緩沖區(qū)中取出系數(shù)，對(duì)其進(jìn)行編碼，其熵編碼電路的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。熵編碼器模塊分別完成DC/AC系數(shù)查表，獲得系數(shù)的范圍AMP_SIZE與其反碼AMP_VAL，以及 Huffman碼字 HUFF_WORD和碼長(zhǎng)HUFF_SIZE，其中Huffman碼表中碼字的最大長(zhǎng)度是16。DC系數(shù)有亮度和色度 Huffman碼表各1張，AC系數(shù)同樣有2張Huffman碼表[3]。這4張表存儲(chǔ)在相應(yīng)的查找表中，其地址線10根，由 Y，DC，RUN_LEN和SIZE 4個(gè)端口控制，Y指示是亮度還是色度，DC指示是AC系數(shù)還是DC系數(shù)，RUN_LEN和SIZE合起來(lái)既是Huffman碼表中的行程/尺寸。查找表的每個(gè)存儲(chǔ)單元存一個(gè) 21位的信息，高5位指示Huffman編碼后碼字的長(zhǎng)度，與端口HUFF_SIZE_OUT相連；低16位是Huffman編碼的碼字，且從最高為開(kāi)始有效，與 HUFF_WORD_OUT相連。熵編碼輸出為碼長(zhǎng)LinkSIZE和碼字LinkWORD，LinkSIZE的值是HUFF_SIZE與AMP_SIZE之和。而LinkWORD的值是先把AMP_VAL和HUFF_WORD末尾添零擴(kuò)展為27位，然后AMP_VAL右移HUFF_SIZE個(gè)比特，再與 HUFF_WORD相或。這樣就實(shí)現(xiàn)了行程/尺度的 Huffman碼值與系數(shù)的反碼連接。從 LinkWORD最高位起LinkSIZE個(gè)比特是有效位，然后通過(guò)并串轉(zhuǎn)換輸出二進(jìn)制流。

圖6熵編碼電路結(jié)構(gòu)圖

頂層模塊JPEGTOP負(fù)責(zé)將所有低層模塊連接起來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)，對(duì)外接口模塊設(shè)計(jì)最外圍輸入輸出信號(hào)的時(shí)序控制。串行輸出由幀同步、行同步、位時(shí)鐘同步、門控信號(hào)和串行數(shù)據(jù)流共同協(xié)調(diào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在解碼端，編碼的二進(jìn)制位流被Huffman解碼，量化的DCT系數(shù)的2D數(shù)組被恢復(fù)。把這個(gè)2D數(shù)組乘以對(duì)應(yīng)的量化矩陣，則每個(gè)系數(shù)被反量化。對(duì)反量化的數(shù)組進(jìn)行DCT逆變換，就得到了近似的原始圖像塊，然后重構(gòu)一整幀圖像。重構(gòu)圖像塊的誤差依賴于量化的度量，它受規(guī)格化矩陣控制以及受DCT變換中余弦系數(shù)精度的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)中選取灰度圖像和彩色圖像、檢測(cè)板卡和解壓縮顯示軟件等測(cè)試平臺(tái)對(duì)圖像壓縮系統(tǒng)進(jìn)行仿真，該檢測(cè)系統(tǒng)工作流程：在PC機(jī)上VC應(yīng)用程序?qū)MOS相機(jī)拍攝的圖像通過(guò)USB2.0接口下傳到檢測(cè)板卡，檢測(cè)板卡將圖像碼流轉(zhuǎn)換為預(yù)定義的接口形式，傳送給JPEG圖像壓縮板卡，經(jīng)過(guò)壓縮后的圖像碼流再傳回給檢測(cè)板卡，而檢測(cè)板卡將其轉(zhuǎn)換為USB2.0接口相兼容的形式上傳到PC機(jī)，經(jīng)主機(jī)應(yīng)用程序解壓縮后實(shí)現(xiàn)圖像顯示，通過(guò)比較原始圖像和壓縮后恢復(fù)的圖像以及計(jì)算客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)驗(yàn)證圖像壓縮系統(tǒng)的性能。在實(shí)驗(yàn)仿真中，采用某單位提供的多幀遙感地圖圖像進(jìn)行測(cè)試，選取原始灰度圖像area.bmp和彩色圖像earth.bmp和經(jīng)過(guò)本文方法壓縮后的JPEG圖像的效果對(duì)比，其壓縮比（Compression Ratio，CR）分別為17.81和18.17。采用CMOS相機(jī)對(duì)多種典型場(chǎng)景拍攝的圖像進(jìn)行壓縮，實(shí)際測(cè)量的壓縮比遠(yuǎn)大于10.5，峰值信噪比大于36 dB，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的要求，抽取部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

4 總結(jié)

筆者對(duì)CMOS相機(jī)圖像壓縮算法原理及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，提出了基于FPGA平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，并從軟硬件聯(lián)合優(yōu)化的角度給出了具體解決辦法。采用高保真DCT變換，有效地降低了計(jì)算復(fù)雜度，可實(shí)現(xiàn)圖像高精度的重構(gòu)。由于整型DCT變換的粗略近似性，同時(shí)增加了量化復(fù)雜性，本文中的高保真度快速DCT變換性能優(yōu)于整數(shù)DCT變換，完全可以勝任H.264標(biāo)準(zhǔn)的要求[6]。量化步驟中除法運(yùn)算由乘法和移位操作實(shí)現(xiàn)，Z形掃描通過(guò)查找表來(lái)完成。在實(shí)驗(yàn)中，用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行RTL級(jí)描述在Actel公司芯片APA600經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)具有抗輻射、穩(wěn)定性高、功耗低、高壓縮比、效率高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，滿足實(shí)時(shí)圖像壓縮處理的要求，在保證圖像質(zhì)量的前提下，減少了資源消耗和提高了處理速度。針對(duì)圖像壓縮算法的硬件實(shí)現(xiàn)，必須精心考慮邏輯結(jié)構(gòu)和功能時(shí)序，結(jié)合FPGA內(nèi)部資源的特征，設(shè)計(jì)出高性能、高可靠、低功耗的星載設(shè)備，是下一步的研究方向。

表4 CMOS相機(jī)圖像壓縮測(cè)試結(jié)果

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