張海江

（①遼寧葫蘆島92941部隊91分隊，遼寧 葫蘆島 125001；②遼寧沈陽東北大學(xué)，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

隨著遙測技術(shù)的迅速發(fā)展，遙測數(shù)據(jù)量日益龐大，從存儲和傳輸?shù)确矫鎭碚f都需要對其進(jìn)行壓縮。然而，傳統(tǒng)的圖象壓縮算法都無法取得理想的壓縮效果，使得遙測圖象數(shù)據(jù)的壓縮成為遙測技術(shù)發(fā)展的一個重要瓶頸。近幾年發(fā)展迅速的基于小波的JPEG2000壓縮算法要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的編碼方法，可以很好的滿足遙測圖象壓縮“高保真、高壓縮比”的要求?；诖?，本文設(shè)計了一種基于JPEG2000的遙測圖像壓縮系統(tǒng)，圖1為JPEG2000的基本系統(tǒng)[3]。

1 JPEG2000的實現(xiàn)

基于JPEG2000圖象壓縮實現(xiàn)方式多種多樣，有的在PC上通過軟件實現(xiàn)，有的基于FPGA、DSP等硬件實現(xiàn)，還有的基于專用集成芯片來實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)的方法明顯不適合本設(shè)計應(yīng)用，而基于FPGA、DSP的硬件實現(xiàn)方式，雖然可以實現(xiàn)較高的速處理速度，但由于JPEG2000壓縮算法比較復(fù)雜，開發(fā)難度大，如若自己開發(fā)所有內(nèi)容，無疑會增加系統(tǒng)開發(fā)時間，而購買現(xiàn)成算法雖然可以減少開發(fā)時間，但是成熟的商品算法都非常昂貴，設(shè)計成本將會成倍的增加，現(xiàn)階段基于硬件實現(xiàn)的大多是運算量相對較小，實現(xiàn)起來比較容易的部分。而完整的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的實現(xiàn)較少。而基于專業(yè)芯片的實現(xiàn)方式，技術(shù)成熟，可靠性能高，在穩(wěn)定性上有較好的保證，系統(tǒng)開發(fā)周期較短?，F(xiàn)今，能夠?qū)崿F(xiàn)JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)芯片很少，其中AD公司生產(chǎn)的ADV212實現(xiàn)效果較好,而且有很好的壓縮性能和操作性，綜合考慮設(shè)計采用ADV212實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮[6]。

圖1 JPEG2000的基本系統(tǒng)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

系統(tǒng)主要功能實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集、存儲、壓縮和與下游設(shè)備的通信，其實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖像采集模塊負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的獲取，主要功能是將攝像頭輸入的模擬視頻圖像轉(zhuǎn)換數(shù)字格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出，主要包括CCD攝像頭、ADV7181視頻圖像解碼芯片和27 MHz的時鐘；圖像壓縮模塊主要負(fù)責(zé)對圖像采集模塊輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)按JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮，并輸出壓縮后的數(shù)據(jù)，主要通過ADV212芯片來實現(xiàn)；FPGA邏輯控制模塊負(fù)責(zé)各個芯片之間的時序匹配以及各芯片工作模式和某些工作參數(shù)的初始化配置，同時協(xié)調(diào)系統(tǒng)與下游設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸接口，本次設(shè)計采用的是Altera公司的一片EP2C35F484芯片；Flash采用大容量器件對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行備份，設(shè)計中采用的是三星公司的一片1GB容量的K9K8G08U0A芯片；數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到PC和LVDS接口下發(fā)給下游設(shè)備，USB2.0的實現(xiàn)采用的是CY7C68013，LVDS采用的是MAX9218。

2.2 系統(tǒng)工作原理

ADV7181芯片在完成初始化配置后，自對動輸入的模擬視頻信號進(jìn)行識別，經(jīng)過A/D變換器采集后輸出標(biāo)準(zhǔn)的8-bit ITU-R BT.656 YCbCr4:2:2格式的數(shù)字視頻圖像數(shù)據(jù)，ADV7181數(shù)據(jù)輸出時序如圖3所示。ADV212可以與ADV7181無縫連接，可直接將其輸出的圖像數(shù)據(jù)壓縮然后輸出給Flash控制器和MAX9218。

圖3 ADV7181數(shù)據(jù)輸出時序

在本設(shè)計中，ADV212由于要實時壓縮圖像數(shù)據(jù)，輸入/輸出數(shù)據(jù)量大，使用VDATA接口作為圖像數(shù)據(jù)輸入口，使用HDATA接口作為壓縮數(shù)據(jù)的輸出口,以提高其數(shù)據(jù)吞吐率。VDATA總線寬度取8位，HDATA總線寬度為16位。設(shè)計系統(tǒng)中采用ADV212的外部DMA模式，系統(tǒng)控制模塊直接對ADV212內(nèi)部碼FIFO進(jìn)行操作不與ADV212之間進(jìn)行交互，程序設(shè)計簡單容易實現(xiàn)。

系統(tǒng)控制模塊在整個工作過程中將壓縮數(shù)據(jù)通過LVDS下發(fā)給下游設(shè)備的同時將數(shù)據(jù)存儲到Flash中。在完成工作后，如果需要可通過USB2.0接口將Flash中的數(shù)據(jù)讀出與下游設(shè)備接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

3 系統(tǒng)結(jié)果測試

整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，將原始數(shù)據(jù)用UltraEdit-32打開如圖4所示，從圖中可以看到，數(shù)據(jù)中的幀起始標(biāo)志和幀結(jié)束標(biāo)志以及JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中的文件起始標(biāo)志和壓縮數(shù)據(jù)起始標(biāo)志。

圖4 圖像數(shù)據(jù)

遙測圖象壓縮硬件系統(tǒng)中各部分均工作正常。實現(xiàn)了基于JPEG2000的遙測圖象壓縮。圖5為系統(tǒng)采集到的圖象以及經(jīng)本系統(tǒng)壓縮后解壓縮的圖象。

圖5 遙測圖像

通過對壓縮后解壓圖象的觀察可以得知系統(tǒng)工作情況良好，能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)指標(biāo)，壓縮效果較好，失真較小，保留了圖象中大部分的信息，處理速度快，符合遙測圖象壓縮的要求。

4 結(jié)語

對通信帶寬有限的大量遙測圖像的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼,在節(jié)省傳輸帶寬和減少數(shù)據(jù)存儲量的同時將遙測信號更可靠、全面地進(jìn)行傳輸或是存儲到記錄器中，這樣就能幫助相關(guān)人員更加準(zhǔn)確地對各種情況作出判斷，因此對遙測圖像壓縮編碼系統(tǒng)的研究有著具有很大的價值和意義。

[1]湯少為.基于FPGA控制的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

[2]孔利東.基于FPGA的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

[3]張春田，蘇育挺，張靜.數(shù)字圖像壓縮編碼[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[4]吳繼華，王誠.Altera FPGA/CPLD設(shè)計(高級篇)[M].北京:人民郵電出版社,2005.

[5]Uwe Meyer-Baese.數(shù)字信號處理的FPGA實現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2003.

[6]位娜，卞春江.基于SOPC的通用圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息,2009(2-3)：290-291.

[7]侯伯亨，顧新.VHDL硬件描述語言與數(shù)字邏輯電路設(shè)計[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[8]劉韜，樓興華.FPGA 數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例導(dǎo)航[M]. 北京:人民郵電出版社,2005.