基于FPGA的彈載遙測(cè)圖像壓縮系統(tǒng)

馬豹 焦勝利 尹冬強(qiáng)

摘要

針對(duì)彈載遙測(cè)圖像數(shù)據(jù)量大、傳輸速度高和實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，以FPGA為基礎(chǔ)平臺(tái)，結(jié)合圖像壓縮芯片ADV212，本文設(shè)計(jì)了一種彈載遙測(cè)圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備高速Camera-link圖像接口，能夠?qū)崟r(shí)接收外部高速圖像數(shù)據(jù)并同時(shí)進(jìn)行圖像壓縮，輸出JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的壓縮比達(dá)到40：1，且壓縮圖像基本無(wú)失真。

【關(guān)鍵詞】FPGA ADV212 JPEG2000 圖像壓縮

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，彈載遙測(cè)技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成為了現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。圖像作為信息最直觀的表達(dá)方式，在遙測(cè)系統(tǒng)的地位越來(lái)越重要，越來(lái)越多的用戶要求遙測(cè)圖像實(shí)時(shí)高速回傳到地面，與此同時(shí)遙測(cè)圖像的分辨率不斷提高以及數(shù)據(jù)規(guī)模的爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)頻帶的利用率和實(shí)時(shí)性要求越來(lái)越高，增加了遙測(cè)通信技術(shù)的難度。為解決這些困難，在不影響圖像觀測(cè)質(zhì)量和后期處理的情況下，將遙測(cè)圖像數(shù)據(jù)按照一定壓縮比進(jìn)行壓縮，來(lái)滿足遙測(cè)圖像數(shù)據(jù)傳輸帶寬的需要。

遙測(cè)圖像壓縮采用最普遍的壓縮算法是JPEG2000壓縮算法，JPEG2000壓縮算法采用離散小波變換，自適應(yīng)算術(shù)編碼和優(yōu)化截?cái)嗟那度胧骄幋a方式，具有高壓縮比、有損壓縮和無(wú)損壓縮、感興趣區(qū)域壓縮等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)JPEG2000壓縮一般有兩種方式，一種方式是FPGA+DSP實(shí)現(xiàn)壓縮算法，這種方式設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，優(yōu)化比較困難，很難做到性能近一步提高.，另一種方式是基于專用圖像壓縮芯片實(shí)現(xiàn)壓縮，與FPGA相結(jié)合實(shí)現(xiàn)高速壓縮處理，并通過(guò)FPGA對(duì)壓縮芯片進(jìn)行初始化、參數(shù)配置和時(shí)序控制完成圖像壓縮。本文利用專用圖像壓縮芯片ADV212與Xilinx公司VirtexⅡ系列FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像壓縮。

2 ADV212芯片原理

ADV212是AD公司的一款實(shí)現(xiàn)JPEG2000編解碼的芯片，該芯片主要由像素接口、小波變換引擎、熵編解碼器、嵌入式處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和內(nèi)部DMA引擎等組成。ADV212內(nèi)嵌了一個(gè)32位的RISC處理器，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制者，并具有自己的ROM和RAM。ADV212集成了一個(gè)基于ADI專利的空間高效遞歸濾波小波技術(shù)（SURF技術(shù)）的小波核，支持9/7不可逆模式小波變換和5/3可逆、不可逆模式小波變換。由于熵編碼的復(fù)雜度，ADV212提供了3個(gè)專用的硬件熵編碼器。內(nèi)部DMA引擎為內(nèi)部存儲(chǔ)器之間、內(nèi)部存儲(chǔ)器和各個(gè)功能模塊之間提供高速傳輸數(shù)據(jù)能力。ADV212的視頻接口支持包括PAL在內(nèi)大部分通用格式。通過(guò)對(duì)ADV212內(nèi)部寄存器的配置，可以實(shí)現(xiàn)視頻接口的選擇，以及對(duì)圖像壓縮質(zhì)量、壓縮比等參數(shù)的控制。在本系統(tǒng)中圖像像素?cái)?shù)據(jù)輸入到ADV212的像素接口，通過(guò)該像素接口對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并發(fā)送給小波變換工具進(jìn)行處理，圖像被分解為若干子帶，小波變換的系統(tǒng)都存入ADV212的內(nèi)存中，最后由熵編碼進(jìn)行處理獲得標(biāo)準(zhǔn)的JPEG2000壓縮碼流。圖1給出了ADV212的功能框圖。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像壓縮系統(tǒng)包括兩部分設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)部分主要介紹了系統(tǒng)組成包括FPGA、SRAM、Camera-link接口和ADV212，并對(duì)器件的功能進(jìn)行說(shuō)明，給出了FPGA與ADV212的接口連接方式；軟件設(shè)計(jì)部分主要簡(jiǎn)單介紹了圖像壓縮系統(tǒng)的工作流程，詳細(xì)介紹FPGA初始化ADV212的過(guò)程和參數(shù)設(shè)置，同時(shí)對(duì)原始圖像的接收和壓縮圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制進(jìn)行了說(shuō)明。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖像壓縮系統(tǒng)基于FPGA+ADV212為架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)需求功能分解，對(duì)所需FPGA的資源進(jìn)行評(píng)估后，選用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列的FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心[8]。FPGA外掛兩片存儲(chǔ)容量為16Mbits的SRAM，能夠滿足512*640*16bits圖像的數(shù)據(jù)緩存，型號(hào)為IS61WV102416BLL。選用NS公司的DS90CR286MTD芯片作為Camera-link接口芯片，接收速率為lOOMB/s，能夠滿足14MB/S的圖像采集要求。

圖像探測(cè)器：完成圖像采集，并將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS接口信號(hào)發(fā)送給FPGA。

FPGA：完成數(shù)據(jù)采集、處理、仲裁及分發(fā)；完成ADV212初始化、SDRAM和SRAM讀寫控制。

SRAM：在FPGA控制下，緩存實(shí)時(shí)原始圖像數(shù)據(jù)。

Camera_link接口：接收LVDS差分?jǐn)?shù)據(jù)，解析出HVF信號(hào)、圖像數(shù)據(jù)和圖像時(shí)鐘。

ADV212：在FPGA的控制下，完成圖像壓縮，并輸出JPEG2000壓縮碼流。

數(shù)據(jù)綜合器：接收?qǐng)D像壓縮系統(tǒng)發(fā)送的JPEG2000壓縮碼流。

為滿足系統(tǒng)高速壓縮的需要，圖像壓縮系統(tǒng)是采用ADV212的VDATA模式，此模式通過(guò)12bit寬度的VDATA總線傳輸圖像數(shù)據(jù)至ADV212進(jìn)行壓縮。FPGA將一幀數(shù)據(jù)全部成功發(fā)送給ADV212以后，ADV212壓縮完成后產(chǎn)生中斷給FPGA，F(xiàn)PGA通過(guò)控制ADV212的片選信號(hào)和讀信號(hào)從HDATA總線讀取JPEG2000壓縮碼流，如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，首先由FPGA完成對(duì)ADV212初始化及參數(shù)配置。初始化過(guò)程如下：

（1）將ADV212設(shè)置為No-Host Boot模式，對(duì)ADV212進(jìn)行初始化；

（2）下載ADV212固件到固件地址0×50000；

（3）對(duì)固件參數(shù)地址0×57F00設(shè)置固件參數(shù)：設(shè)置ADV212為custom specific模式、設(shè)置小波變換的壓縮參數(shù)、設(shè)置圖像壓縮比為40：1等；

（4）設(shè)置內(nèi)部寄存器：設(shè)置輸入圖像格式為單色圖、并設(shè)置尺寸寄存器512×640×12、設(shè)置CODE FIFO滿128字節(jié)后觸發(fā)中斷；

（5）配置完成后使能ADV212初始化成功中斷和CODEFIFO滿中斷。圖4為壓縮芯片ADV212配置流程圖。

在FPGA完成對(duì)ADV212的初始化配置后，等待接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。根據(jù)圖像探測(cè)器的時(shí)序，圖像預(yù)處理模塊接收Camera-link接口解串后的圖像數(shù)據(jù)，并將其在外掛的SRAM組中緩存。當(dāng)檢測(cè)下一幀圖像場(chǎng)同步上升沿時(shí)，讀取緩存在SRAM中的上一幀圖像進(jìn)行時(shí)序調(diào)整并送給ADV212進(jìn)行壓縮處理；時(shí)序調(diào)整時(shí)，從SRAM中讀取數(shù)據(jù)，利用計(jì)數(shù)器分別對(duì)參考時(shí)鐘、行同步下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)計(jì)數(shù)值按照ADV212要求的時(shí)序?qū)D像數(shù)據(jù)輸出。設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)SRAM的讀寫時(shí)序進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

當(dāng)FPGA檢測(cè)到中斷信號(hào)有效，讀取的壓縮碼流數(shù)據(jù)，開始存儲(chǔ)壓縮數(shù)據(jù)到FPGA內(nèi)部FIFO中緩存，在這個(gè)過(guò)程中要不斷檢測(cè)JPEG2000的幀尾，當(dāng)檢測(cè)到“FFD9”時(shí)表示一幀結(jié)束，同時(shí)將幀尾存儲(chǔ)到內(nèi)部FIFO，將壓縮數(shù)據(jù)通過(guò)422接口發(fā)送給數(shù)據(jù)綜合器，數(shù)據(jù)綜合器接收到壓縮的圖像數(shù)據(jù)后，進(jìn)行組幀后通過(guò)無(wú)線遙測(cè)信道發(fā)送給地面接收設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖像壓縮系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由Camera-link接口單元測(cè)試臺(tái)、圖像壓縮系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、解壓軟件、測(cè)試用電源和測(cè)試用電纜等組成，如圖5所示。單元測(cè)試臺(tái)用來(lái)發(fā)送原始圖像源和接收壓縮后的圖像數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)將原始圖像源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送給單元測(cè)試臺(tái)和接收網(wǎng)絡(luò)接口傳輸過(guò)來(lái)的壓縮后的圖像數(shù)據(jù)，并壓縮后的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)解壓軟件，完成解壓和圖像顯示。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

本系統(tǒng)選用一幅紅外圖像作為圖像源，圖像大小為512*640*14bit，具體完成以下步驟：

（1）驗(yàn)證系統(tǒng)的壓縮比為40：1，輸出JPEG2000格式；配置ADV212小波基參數(shù)，選取5/3可逆模式進(jìn)行測(cè)試，圖像解壓后不損失圖像細(xì)節(jié)信息。

（2）測(cè)試壓縮系統(tǒng)壓縮速率，利用單元測(cè)試臺(tái)通過(guò)Camera-link接口，每秒連續(xù)發(fā)送22幅圖像，圖像壓縮系統(tǒng)適應(yīng)性。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）系統(tǒng)上電后，配置ADV212完成后，通過(guò)計(jì)算機(jī)將圖像源加載到單元測(cè)試臺(tái)，單元測(cè)試臺(tái)再通過(guò)Camera-link接口發(fā)送原始圖像數(shù)據(jù)給圖像壓縮系統(tǒng)進(jìn)行壓縮；壓縮完成的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口再傳給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收壓縮后圖像，每幅圖像大小為16KB左右，文件格式為.j2c，解壓后的圖像與原始圖像基本一致，圖像細(xì)節(jié)信息基本無(wú)損失，如圖6、7所示。

（2）查看計(jì)算機(jī)接收的壓縮圖像數(shù)據(jù)，ADV212壓縮后的每一幅圖像數(shù)據(jù)，都會(huì)在ADV212幀頭“FFFFFFF1”后自動(dòng)插入幀計(jì)數(shù)，如圖8所示，幀計(jì)數(shù)從“00000000”到“00000015”連續(xù)無(wú)丟幀，能夠滿足高速通信接口下，圖像壓縮系統(tǒng)的壓縮處理時(shí)間。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，圖像壓縮系統(tǒng)能夠保證壓縮圖像的壓縮比，圖像無(wú)失真，又能保證高速圖像的壓縮性能。

5 結(jié)論

在實(shí)際的彈載遙測(cè)通信中，遙測(cè)圖像的傳輸帶寬決定了壓縮后圖像數(shù)據(jù)的大小，也就決定著圖像壓縮比，能夠在保證壓縮比的前提下，圖像壓縮后能夠無(wú)失真還原，對(duì)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要的研究意義。本文基于FPGA+ADV212的架構(gòu)來(lái)完成圖像壓縮，實(shí)時(shí)輸出JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)流，并對(duì)紅外圖像進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)既能滿足壓縮比40：1，又能保證圖像壓縮基本無(wú)失真，能夠最大程度保留了圖像的細(xì)節(jié)信息；此外系統(tǒng)壓縮選用VDATA模式，利用FPGA接收外部高速輸入的圖像數(shù)據(jù)，控制實(shí)現(xiàn)ADV212場(chǎng)行同步時(shí)序，提高了ADV212的壓縮效率，從而保證了圖像壓縮系統(tǒng)的壓縮性能。

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