適于CCD相機圖像壓縮的位平面編碼器

李 進，金龍旭，韓雙麗，郝賢鵬，呂曾明，陶宏江

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100039)

責(zé)任編輯:魏雨博

隨著空間TDICCD相機空間分辨率和覆蓋寬度指標(biāo)不斷提高，導(dǎo)致CCD相機圖像數(shù)據(jù)量呈指數(shù)增加，現(xiàn)有機載存儲器容量有限，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)［1－4］。因此，必須要對CCD圖像進行壓縮。JPEG2000是目前圖像壓縮性能最好的壓縮方法，是各種圖像壓縮應(yīng)用場合的首選方案［5－6］。然而，由于JPEG2000整體算法計算復(fù)雜、占用大量內(nèi)存，難于硬件實現(xiàn)，不適于空間CCD相機的應(yīng)用。為了使JPEG2000應(yīng)用于空間CCD相機中，需要對其各部分進行改進。

JPEG2000中占用資源和耗時最大的是最優(yōu)截斷嵌入式塊編碼(EBCOT)單元，這是由于EBCOT內(nèi)在是比特級的處理算法，它不同于小波變換單元(字節(jié)級的處理方案)，因此計算十分復(fù)雜，花費了JPEG2000編碼系統(tǒng)的主要時間。EBCOT的Tier－1算法可分為兩部分:比特平面編碼器(BPC)和二進制算術(shù)編碼器(BAC)。BPC是EBCOT最核心的技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的研究以減少塊編碼的時間。文獻［7－8］主要集中減少塊編碼所要求的狀態(tài)變量數(shù)目和設(shè)計高效的掃描機制，但是這些方法效率仍然很低，占用大量的存儲資源，難以滿足空間相機的應(yīng)用。

本文在參考國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)項目背景需求，結(jié)合TDICCD圖像特點，提出一種適于空間TDICCD相機圖像壓縮的新的BPC結(jié)構(gòu)。

1 比特平面編碼器結(jié)構(gòu)的提出

1.1 比特平面編碼器

BPC是EBCOT中Tier－1的第一步，它將存儲在碼塊(CB)存儲器中量化后的小波系數(shù)進行BPC編碼后，生成上下文信息(CX)和比特位的值(D)。每個數(shù)字的比特被分割，具有相同二進制權(quán)重的比特被獨立存儲在1個緩沖中形成1個比特平面。在比特平面內(nèi)每4行形成1個Strip。在1個比特平面中，掃描順序是從頂端到底端逐Strip進行的。在每個Strip中數(shù)據(jù)掃描是按照從頂端到底端逐比特，從左到右逐列進行的。

BPC有3種主要的編碼通道:重要傳播通道SPP，幅值細化通道MRP和清除通道CUP。這些通道被應(yīng)用于1個CB的每個比特平面中，除了最重要比特(MSB)平面，都使用CUP。這是由于初始條件MSB平面所有比特在SPP和MRP中將不會被編碼，其他比特平面使用SPP，MRP和CUP按順序?qū)痪幋a。

1.2 數(shù)據(jù)路徑分析

每個Strip在垂直掃描模式中被作為一個獨立的實體。在這種模式的Strip周圍被“0”填補，如圖1所示。

圖1 Strip周圍填補“0”

BPC處理是從第0行0列開始，然后移到第1行，依次進行，在處理完第3行后，下一個處理的元素是右邊下一列的第0行，按照此規(guī)律依次進行，直到Strip末端。這種運算原理表明這是一種滑動窗口結(jié)構(gòu)。按照窗口的滑動，鄰近的位置將會被改變。圖2中的前6個數(shù)據(jù)元素的鄰近窗口如表1所示。傳統(tǒng)鑒定一幀鄰近關(guān)系按照圖2所示的方法進行。為了便于分析，將表1內(nèi)容按照表2重新組織。

圖2 掃描的元素和它的鄰近元素

表1 圖2中的前6個數(shù)據(jù)元素的鄰近窗口

表2 幀交織中的鄰近元素以及在SIPO中的位置

比較表1和表2中Strip數(shù)據(jù)行，可以觀察到標(biāo)號為1～9的元素表示圖2中的Strip第1幀，4～12的元素形成第2幀，7～15的元素形成第3幀，依次類推，10～18形成最后一幀。表2中開始和結(jié)尾的3個元素被標(biāo)為“0”，這是由于它們始終為0。因此，它們并不需要硬件實現(xiàn)，這也為使用4個3串行比特實現(xiàn)數(shù)據(jù)路徑提供了可能性(詳見文中第2節(jié))。

2 比特平面編碼器結(jié)構(gòu)

提出的BPC結(jié)構(gòu)如圖3所示。DWT引擎產(chǎn)生13 bit，它被組織和存儲在CB存儲器中，提出的結(jié)構(gòu)CB大小為32×32×14。在CB寫操作的同時符合比特信息被分離并存儲到符合平面中，狀態(tài)變量(δ，δ′和η)存儲到狀態(tài)變量平面中。在數(shù)據(jù)通道1和2中生成處理任何幅值比特的鄰近窗口。在執(zhí)行條件被生成的基礎(chǔ)上，BPC控制器決定哪個通道被執(zhí)行，選擇一個特殊的編碼原始元素，并存儲在上下文緩存中的上下文數(shù)據(jù)。

圖3 BPC結(jié)構(gòu)

圖3中2個不同的數(shù)據(jù)路徑是用來從選擇的Strip中讀取數(shù)據(jù)。由于符合和幅值比特沒有變化，因此這些平面并沒有被更新，而基于特定條件狀態(tài)變量更新和新的值必須被存儲以便將來被處理。因此，數(shù)據(jù)通道2和數(shù)據(jù)通道1略不相同。由1.2節(jié)知在4個3 bit SIPO、模5行計算器及9個4∶1多路復(fù)合器下當(dāng)前鄰近窗口可被得到，如圖4所示為本文提出的數(shù)據(jù)通道2的VLSI結(jié)構(gòu)。

圖4 數(shù)據(jù)路徑結(jié)構(gòu)

BPC一次處理1個幅值比特，為了減少存儲器訪問，數(shù)據(jù)讀寫對于每列執(zhí)行1次。為了處理第i列，第i+1列被讀并存儲在標(biāo)記為M，Q，T和W的SIPO元素中。第i列和第i－1列數(shù)據(jù)將分別在SIPO的L，P，S，V和K，N，R，U元素中。這種方法4個SIPO容納相應(yīng)3列的12個數(shù)據(jù)比特。這些比特輸入到9個4∶1多路復(fù)合器中，多路復(fù)合器一次輸出9 bit形成當(dāng)前的鄰近窗口。一個模5計數(shù)器用來選擇一個特定的以便準(zhǔn)備進行處理的行，同時用來控制多路復(fù)合器鏈的選擇行。該計數(shù)器的前4個狀態(tài)對應(yīng)一列中的行，而第5個狀態(tài)用來預(yù)獲取下一個列和存儲更新的變量。

3 實驗結(jié)果

為了驗證本文提出的BPC結(jié)構(gòu)可行性，提出的結(jié)構(gòu)在ISE8.2使用Verilgo HDL實現(xiàn)，硬件電路FPGA器件選用XC2V1000－BG575，壓縮算法其他模塊采用傳統(tǒng)JPEG2000算法。整個算法編寫調(diào)試過程使用Modelsim XE 6.3仿真軟件進行輔助設(shè)計。同時為了驗證本文提出的BPC結(jié)構(gòu)是否可行使用自主研發(fā)的圖像模擬源設(shè)備，圖像模擬源發(fā)送測試圖像，壓縮系統(tǒng)對圖像進行壓縮，并將壓縮碼率傳輸?shù)浇鈮嚎s系統(tǒng)中，重構(gòu)的圖像經(jīng)Camer－Link傳輸?shù)接嬎銠C上進行分析，圖5為原始圖像和重構(gòu)圖像。

由圖5可知本文設(shè)計的BPC能夠正常工作。

表3為本文設(shè)計的BPC結(jié)構(gòu)性能參數(shù)結(jié)果。

圖5 測試圖像壓縮結(jié)果(截圖)

表3 BPC實現(xiàn)結(jié)果

由表3知，本文提出的BPE工作頻率達到75 MHz，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

為了測試設(shè)計壓縮系統(tǒng)性能，地面檢測系統(tǒng)向壓縮系統(tǒng)發(fā)送各種測試圖像進行實驗，并與傳統(tǒng)方法進行比較，平均PSNR實驗結(jié)果如表4所示(壓縮比為8∶1)。

表4 PSNR實驗結(jié)果 dB

由表4知，本文壓縮系統(tǒng)平均PSNR達到40 dB，比傳統(tǒng)方法提高了0.91 dB。

4 結(jié)論

針對目前JPEG2000中最優(yōu)截斷嵌入式塊編碼器硬件實現(xiàn)效率低且占用大量資源問題，本文提出一種適于空間TDICCD相機圖像壓縮的JPEG2000比特平面編碼器(BPC)。本文提出的BPC結(jié)構(gòu)思想是基于數(shù)據(jù)路徑詳細分析來獲得上下文窗口的。另外，使用自主研發(fā)的地面檢測設(shè)備對采用本文提出的BPC結(jié)構(gòu)設(shè)計的JPEG2000圖像壓縮系統(tǒng)進行實驗。實驗結(jié)果表明，使用本文提出的BPC結(jié)構(gòu)CCD圖像壓縮系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地工作，BPC具有較高的工作性能，工作頻率達到75 MHz。壓縮系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法相比較，平均PSNR提高了0.91 dB。非常適于空間TDICCD相機的應(yīng)用。為空間CCD相機圖像壓縮提供了一種很好的解決方案。

［1］李彬，張建華，吳增印.一種適合星載多光譜圖像的壓縮算法研究［J］.航天返回與遙感，2011，32(1):28－32.

［2］王建軍，劉波.適于硬件實現(xiàn)的無損圖像壓縮［J］.光學(xué)精密工程，2011，19(4):922－928.

［3］王磊，吳家驥，白靜.基于整型可逆時域交疊變換的遙感圖像壓縮［J］.光子學(xué)報，2010，39(12):2251－2256.

［4］ALBERT L，CHANG C F.Implementation of CCSDS data compression for remote sensing image［C］//Proc.SPIE 7810，Satellite Data Compression，Communications and Processing VI，2010.San Diego，California:［s.n.］，2010:1－10.

［5］SON C H，KIM J W，SONG S G，et al.Low complexity embedded compression algorithm for reduction of memory size and bandwidth requirements in the JPEG2000 encoder［J］.IEEE Trans.Computer electronics，2010，56(4):2421－2429.

［6］劉永征，劉學(xué)武，胡炳樑，等.基于ADV212的JPEG2000靜態(tài)圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子器件，2009，32(3):504－508.

［7］GANGADHAR M，BHATIA D.FPGA based EBCOT architecture for JPEG 2000［J］.Microprocessors and Microsystems，2005，29(11):363－373.

［8］LI Y J，BAYOUMI M.A three－level parallel high－speed low－power architecture for EBCOT of JPEG2000［J］.IEEE Trans.Circuits and Systems for Video Technology，2006 ，16(9):1153－1163.

［9］MINSOO R，PARK I.Memory－less bit－plane coder architecture for JPEG2000 with concurrent column－stripe coding［C］//Proc.IEEE International Conference，2009 .［S.l.］:IEEE Press，2009:2673－2676.

［10］LI Baofeng，DOU Yong.Subblock－based BPE scheme to conquer mismatch in memory access pattern［C］//Proc.Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing，2008.［S.l.］:IEEE Press，2008:814－817.