CCD遙感圖像的實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武文波趙海濤雷寧王琨

（1北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）（2國(guó)家測(cè)繪質(zhì)量檢測(cè)中心，北京 100830）

1 引言

在遙感對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)中，遙感CCD相機(jī)因其高清晰度、高分辨率而成為目前遙感衛(wèi)星中搭載最多的有效載荷。隨著CCD遙感相機(jī)分辨率和幅寬的不斷提高，相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)量急劇增加，給星上圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)極大的壓力。在現(xiàn)有的通信帶寬條件下，必須對(duì)CCD相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮才能進(jìn)行實(shí)時(shí)的傳輸處理，因此，設(shè)計(jì)高保真、高速率的星上圖像壓縮技術(shù)成為緩解上述矛盾的唯一途徑。

圖像壓縮技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了多種成熟算法及標(biāo)準(zhǔn)，而基于小波的圖像編碼算法是目前應(yīng)用比較廣泛的算法之一，比較經(jīng)典的如嵌入式零樹(shù)小波編碼EZW（Embedded Zero-tree Wavelet）算法[1]、多級(jí)樹(shù)集合分裂SPIHT(Set Partitioning in Hierarchical Trees)算法[2]、嵌入式零塊編碼 EZBC(Embedded Zero Block Coder)算法[3]。近幾年來(lái)，為了更好的表現(xiàn)圖像的紋理特征，相繼提出了一些新的多尺度幾何分析方法，如Ridgelet、Bandlet、Curvelet和Contourlet變換等，這些變換都采用了一些方向敏感性更高的變換基，從而更適合于圖像的紋理特征處理[4-5]。上述算法大多是為靜止圖像壓縮而設(shè)計(jì)的，且大部分算法比較復(fù)雜，硬件實(shí)現(xiàn)比較困難，難以滿足星上遙感CCD圖像的高速壓縮處理要求。JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO和國(guó)際電信聯(lián)盟ITU推出的針對(duì)于圖像的最新壓縮標(biāo)準(zhǔn)[6]，該標(biāo)準(zhǔn)采用離散小波變換技術(shù)，使圖像的壓縮品質(zhì)相比JPEG標(biāo)準(zhǔn)有了顯著的提升。ADV212芯片是AD公司采用JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)面向圖像和視頻壓縮處理應(yīng)用推出的一款壓縮芯片，由于其良好的性能，目前已在圖像、視頻等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

遙感CCD相機(jī)相比日常用的CMOS數(shù)碼相機(jī)在成像感光度、成像圖像品質(zhì)方面更有優(yōu)勢(shì)，另外，遙感相機(jī)在成像周期內(nèi)會(huì)連續(xù)不斷的輸出高速圖像數(shù)據(jù)，壓縮系統(tǒng)必須滿足圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理要求。本文針對(duì)遙感CCD相機(jī)輸出數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，基于ADV212壓縮芯片編碼技術(shù)，提出了一種適合于遙感CCD相機(jī)的壓縮方案，并以4 096像元（10bit量化）推掃式CCD相機(jī)輸出數(shù)據(jù)為例，給出了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用FPGA＋ADV212＋SRAM的硬件結(jié)構(gòu)方式，由FPGA作為系統(tǒng)的主控，完成圖像數(shù)據(jù)的SRAM緩存和ADV212芯片的配置及數(shù)據(jù)的輸入輸出。

2 遙感圖像壓縮系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

遙感相機(jī)輸出的信號(hào)主要包括時(shí)鐘信號(hào)、同步信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)信號(hào)，遙感相機(jī)在工作過(guò)程中，由于衛(wèi)星高度的變化，需要相應(yīng)的調(diào)整CCD的積分時(shí)間，從而導(dǎo)致相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)同步信號(hào)會(huì)發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)遙感圖像壓縮系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量及系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)的特點(diǎn)來(lái)確定系統(tǒng)的體系架構(gòu)。在設(shè)計(jì)壓縮系統(tǒng)時(shí)，需要總體考慮的要素主要包括：

1）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率

系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐率是指系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的處理能力，單位為采樣點(diǎn)/秒，即每秒可以處理的圖像像素個(gè)數(shù)。在相機(jī)壓縮系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)量，然后根據(jù)壓縮芯片的處理能力，計(jì)算出整個(gè)壓縮系統(tǒng)需要的壓縮芯片個(gè)數(shù)。

2）系統(tǒng)壓縮圖像的大小

ADV212壓縮芯片最大可處理的像素?cái)?shù)是1.048M像素，處理最大圖像寬度是4 096像元。由于系統(tǒng)需要對(duì)輸入的圖像進(jìn)行緩存處理，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)ADV212的處理能力和系統(tǒng)緩存能力來(lái)確定壓縮圖像的大小。

3）系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

以ADV212壓縮芯片為核心，配合使用一些處理器，可以完成壓縮系統(tǒng)的構(gòu)建。目前以ADV212構(gòu)建壓縮系統(tǒng)主要有兩種方式，一是采用ADV212+DSP的方式，二是采用ADV212+FPGA的方式。從系統(tǒng)的處理速度方面，由于FPGA相比DSP有著更快的處理速度，本文主要考慮采用FPGA作為處理器來(lái)完成壓縮處理。系統(tǒng)共分為三大部分：預(yù)處理及控制部分、圖像數(shù)據(jù)壓縮部分、數(shù)據(jù)緩存部分。預(yù)處理及控制主要負(fù)責(zé)輸入圖像的預(yù)處理及系統(tǒng)的初始化配置；圖像數(shù)據(jù)壓縮部分是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)完成輸入圖像的壓縮；數(shù)據(jù)緩存部分完成對(duì)系統(tǒng)輸入圖像的緩存分割處理，生成ADV212可以處理的圖像數(shù)據(jù)。

本文以DALSA公司的推掃式CCD相機(jī)HS-40-04k40輸出數(shù)據(jù)為例，給出了適合于該相機(jī)的壓縮系統(tǒng)架構(gòu)體系。HS-40-04k40相機(jī)主要參數(shù)如下：CCD像元數(shù)4 096；CCD像元尺寸7μm；抽頭數(shù)2或4抽頭；積分級(jí)數(shù)5級(jí)。該相機(jī)輸出數(shù)據(jù)通過(guò)相機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口（Cameralink）輸出，主要包括時(shí)鐘信號(hào)（40MHz）、行同步信號(hào)（高電平有效）和10bit圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量達(dá)到400Mbit/s。ADV212壓縮芯片單片最大處理能力為65×106采樣點(diǎn)/秒，該HS-40-04k40相機(jī)的輸出數(shù)據(jù)率沒(méi)有超出單片ADV212的處理能力，因此系統(tǒng)選用1片ADV212芯片可以完成相機(jī)輸出數(shù)據(jù)的壓縮；由于ADV212在用戶自定義模式下，其輸入的同步信號(hào)需要保持不變，因此需要將相機(jī)輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)SRAM進(jìn)行緩存預(yù)處理，選取2片SRAM對(duì)相機(jī)輸出圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，通過(guò)“乒乓”操作，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行“流水”壓縮實(shí)時(shí)處理；選取ADV212的用戶自定義模式作為工作模式，該模式利用VDATA接口輸入圖像數(shù)據(jù)，HDATA接口輸出壓縮數(shù)據(jù)，最大限度的提升系統(tǒng)的吞吐量。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)對(duì)相機(jī)輸出數(shù)據(jù)率的分析，確定壓縮系統(tǒng)硬件組成如圖1所示：

圖1 遙感圖像壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of remote sensing image compression system

1）2片SRAM，存儲(chǔ)量為16Mbit，對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)的“乒乓”緩存處理；

2）1片ADV212，對(duì)圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理；

3）1片PROM，存儲(chǔ)量為512kbit，存儲(chǔ)ADV212初始化固件程序；

4）1片F(xiàn)PGA，對(duì)ADV212壓縮芯片、SRAM和PROM進(jìn)行控制，并負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的輸入輸出。

2.3 ADV212的初始化配置

為了保證ADV212芯片能夠正常進(jìn)行編碼處理，需要對(duì)芯片進(jìn)行配置。芯片的配置信息主要包括：內(nèi)部時(shí)鐘的配置、工作模式的配置、固件程序載入、編碼參數(shù)配置等[7]。ADV212有多種工作模式，針對(duì)不同的工作模式，需進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置?？紤]到CCD遙感相機(jī)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，為了最大限度的提升壓縮系統(tǒng)的處理能力，對(duì)ADV212壓縮芯片的工作模式選擇，本文選取用戶自定義模式（Custom-specific mode）[8]。表1給出了用戶自定義模式下需要配置的相關(guān)核心編碼參數(shù)，通過(guò)正確配置這些參數(shù)，可以確保壓縮芯片實(shí)現(xiàn)正常壓縮功能。

表1 ADV212編碼參數(shù)Tab.1 ADV212 encoding parameters

續(xù)上表

配置流程如圖2所示。首先對(duì)ADV212進(jìn)行復(fù)位，然后配置ADV212內(nèi)部工作時(shí)鐘寄存器PLL_HI和PLL_LO，本文中PLL_HI配置為0X0008，PLL_LO配置為0X0002，此時(shí)ADV212內(nèi)部時(shí)鐘JCLK頻率是MCLK頻率的2倍，HCLK和MCLK頻率相同。配置完時(shí)鐘寄存器后，等待至少20μs以使PLL生效。接下來(lái)配置ADV212工作模式和主機(jī)模式，配置完成后將ADV212芯片的固件編碼程序通過(guò)HDATA接口寫(xiě)入。等固件程序?qū)懭牒螅毰渲肁DV212工作時(shí)需要的一些編碼參數(shù)，如表1所示。參數(shù)配置完成后，初始化和使能DMA寄存器，然后配置中斷外部寄存器并判斷初始化是否完成，等待初始化完成后清除中斷寄存器，ADV212芯片開(kāi)始正常工作。

圖2 ADV212初始化流程圖Fig.2 Flow chart of ADV212 initialization

2.4 圖像數(shù)據(jù)緩存預(yù)處理

根據(jù)相機(jī)輸出的同步信號(hào)，首先將前128行圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM1，寫(xiě)完128行圖像數(shù)據(jù)后，根據(jù)ADV212工作時(shí)序要求，讀出圖像數(shù)據(jù)并送入ADV212芯片進(jìn)行壓縮；與此同時(shí)，將后面的128行圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM2，然后將SRAM2中的數(shù)據(jù)讀出送給ADV212芯片。通過(guò)兩片SRAM的“乒乓”操作（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)了相機(jī)輸出數(shù)據(jù)的流水壓縮處理，滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理要求。

圖3 圖像數(shù)據(jù)“乒乓”緩存預(yù)處理Fig.3 The ping-pang preprocessing of input image data

3 系統(tǒng)驗(yàn)證及結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)了驗(yàn)證系統(tǒng)并采用軟硬件協(xié)同驗(yàn)證方法來(lái)驗(yàn)證壓縮性能，驗(yàn)證系統(tǒng)如圖4所示。壓縮系統(tǒng)通過(guò)CameraLink接口接收來(lái)自相機(jī)或圖像模擬源的圖像數(shù)據(jù)及同步信號(hào)，完成對(duì)輸入圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理，并將壓縮碼流通過(guò)CameraLink接口發(fā)給采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)壓縮碼流數(shù)據(jù)，最后通過(guò)軟件解壓得到壓縮重建圖像。

設(shè)計(jì)一組試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓縮性能測(cè)試。測(cè)試圖像為原始航拍遙感圖像、相機(jī)外景成像圖像。本文選用Xilinx Virtex 4 FPGA，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)10bit遙感圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)在50MHz時(shí)鐘下可以正常工作，系統(tǒng)吞吐率達(dá)到400Mbit/s,滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理要求。表2是兩類圖像壓縮性能（峰值信噪比）的比較，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著壓縮倍率的提高，獲取重建圖像的峰值信噪比也隨之降低。但總體來(lái)講，對(duì)兩種不同類型的圖像數(shù)據(jù)在16倍壓縮以內(nèi)峰值信噪比都保持在35dB以上，取得了較好的壓縮效果。

圖4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)框架Fig.4 Structure of testing system

表2 壓縮性能比較Tab.2 Performance of compression

遙感圖像一個(gè)顯著特點(diǎn)就是紋理豐富，而紋理對(duì)圖像的解譯分析具有非常重要的意義。圖5是ADV212壓縮后的紋理分析，其中圖5(a)是原始圖像，圖5(b)是壓縮重構(gòu)圖像，從目視效果上來(lái)看壓縮前后紋理特征沒(méi)有明顯的變化。

圖5 壓縮圖像紋理分析Fig.5 Texture analysis of compressed image

對(duì)于壓縮重建圖像的像質(zhì)評(píng)價(jià)一直是圖像壓縮領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。遙感圖像經(jīng)過(guò)壓縮（有損壓縮）會(huì)產(chǎn)生灰度值的失真，但由于這種失真對(duì)遙感圖像品質(zhì)的影響并不是很確定的，因此只有這種失真對(duì)于遙感圖像解譯不會(huì)產(chǎn)生明顯影響才是可以接受的。目前對(duì)遙感圖像的像質(zhì)評(píng)價(jià)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但文獻(xiàn)[9]中大量的實(shí)驗(yàn)表明：在一定的壓縮范圍內(nèi)（30倍以內(nèi)），圖像小波壓縮對(duì)內(nèi)定向和相對(duì)定向的影響在精度誤差范圍以內(nèi)，而且對(duì)數(shù)字高程模型的影響也滿足精度要求。文獻(xiàn)[10]也對(duì)遙感圖像壓縮后的像質(zhì)進(jìn)行了探討，研究表明遙感圖像的壓縮（16倍以內(nèi)）不會(huì)對(duì)圖像品質(zhì)造成影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

遙感數(shù)據(jù)壓縮是遙感研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要課題。本文基于ADV212壓縮芯片，通過(guò)分析遙感CCD相機(jī)的輸出數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出了適合遙感CCD相機(jī)的遙感圖像壓縮方案，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的驗(yàn)證系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在50MHz下正常工作，滿足CCD相機(jī)輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)壓縮處理要求。

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