馬豹 焦勝利 尹冬強

摘要

針對彈載遙測圖像數據量大、傳輸速度高和實時性高的特點，以FPGA為基礎平臺，結合圖像壓縮芯片ADV212，本文設計了一種彈載遙測圖像壓縮系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備高速Camera-link圖像接口，能夠實時接收外部高速圖像數據并同時進行圖像壓縮，輸出JPEG2000標準數據流。測試結果表明，系統(tǒng)的壓縮比達到40：1，且壓縮圖像基本無失真。

【關鍵詞】FPGA ADV212 JPEG2000 圖像壓縮

1 引言

近年來，隨著我國航空航天技術的不斷發(fā)展，彈載遙測技術也得到了突飛猛進的發(fā)展，成為了現代高新技術領域的重要組成部分。圖像作為信息最直觀的表達方式，在遙測系統(tǒng)的地位越來越重要，越來越多的用戶要求遙測圖像實時高速回傳到地面，與此同時遙測圖像的分辨率不斷提高以及數據規(guī)模的爆炸式增長，對頻帶的利用率和實時性要求越來越高，增加了遙測通信技術的難度。為解決這些困難，在不影響圖像觀測質量和后期處理的情況下，將遙測圖像數據按照一定壓縮比進行壓縮，來滿足遙測圖像數據傳輸帶寬的需要。

遙測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，自適應算術編碼和優(yōu)化截斷的嵌入式編碼方式，具有高壓縮比、有損壓縮和無損壓縮、感興趣區(qū)域壓縮等特點。實現JPEG2000壓縮一般有兩種方式，一種方式是FPGA+DSP實現壓縮算法，這種方式設計比較復雜，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現壓縮，與FPGA相結合實現高速壓縮處理，并通過FPGA對壓縮芯片進行初始化、參數配置和時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來實現圖像壓縮。

2 ADV212芯片原理

ADV212是AD公司的一款實現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、存儲器系統(tǒng)和內部DMA引擎等組成。ADV212內嵌了一個32位的RISC處理器，作為整個系統(tǒng)的控制者，并具有自己的ROM和RAM。ADV212集成了一個基于ADI專利的空間高效遞歸濾波小波技術（SURF技術）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。由于熵編碼的復雜度，ADV212提供了3個專用的硬件熵編碼器。內部DMA引擎為內部存儲器之間、內部存儲器和各個功能模塊之間提供高速傳輸數據能力。ADV212的視頻接口支持包括PAL在內大部分通用格式。通過對ADV212內部寄存器的配置，可以實現視頻接口的選擇，以及對圖像壓縮質量、壓縮比等參數的控制。在本系統(tǒng)中圖像像素數據輸入到ADV212的像素接口，通過該像素接口對圖像數據進行采集并發(fā)送給小波變換工具進行處理，圖像被分解為若干子帶，小波變換的系統(tǒng)都存入ADV212的內存中，最后由熵編碼進行處理獲得標準的JPEG2000壓縮碼流。圖1給出了ADV212的功能框圖。

3 系統(tǒng)設計

圖像壓縮系統(tǒng)包括兩部分設計：硬件設計和軟件設計。硬件設計部分主要介紹了系統(tǒng)組成包括FPGA、SRAM、Camera-link接口和ADV212，并對器件的功能進行說明，給出了FPGA與ADV212的接口連接方式；軟件設計部分主要簡單介紹了圖像壓縮系統(tǒng)的工作流程，詳細介紹FPGA初始化ADV212的過程和參數設置，同時對原始圖像的接收和壓縮圖像數據存儲控制進行了說明。

3.1 系統(tǒng)硬件設計

圖像壓縮系統(tǒng)基于FPGA+ADV212為架構設計，如圖2所示。通過對系統(tǒng)需求功能分解，對所需FPGA的資源進行評估后，選用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列的FPGA作為整個系統(tǒng)的控制核心[8]。FPGA外掛兩片存儲容量為16Mbits的SRAM，能夠滿足512*640*16bits圖像的數據緩存，型號為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。

圖像探測器：完成圖像采集，并將圖像數據通過LVDS接口信號發(fā)送給FPGA。

FPGA：完成數據采集、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，緩存實時原始圖像數據。

Camera_link接口：接收LVDS差分數據，解析出HVF信號、圖像數據和圖像時鐘。

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

數據綜合器：接收圖像壓縮系統(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12bit寬度的VDATA總線傳輸圖像數據至ADV212進行壓縮。FPGA將一幀數據全部成功發(fā)送給ADV212以后，ADV212壓縮完成后產生中斷給FPGA，FPGA通過控制ADV212的片選信號和讀信號從HDATA總線讀取JPEG2000壓縮碼流，如圖3所示。

3.2 軟件設計

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

（1）將ADV212設置為No-Host Boot模式，對ADV212進行初始化；

（2）下載ADV212固件到固件地址0×50000；

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

（4）設置內部寄存器：設置輸入圖像格式為單色圖、并設置尺寸寄存器512×640×12、設置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ADV212的初始化配置后，等待接收圖像數據進行壓縮。根據圖像探測器的時序，圖像預處理模塊接收Camera-link接口解串后的圖像數據，并將其在外掛的SRAM組中緩存。當檢測下一幀圖像場同步上升沿時，讀取緩存在SRAM中的上一幀圖像進行時序調整并送給ADV212進行壓縮處理；時序調整時，從SRAM中讀取數據，利用計數器分別對參考時鐘、行同步下降沿進行計數，根據計數值按照ADV212要求的時序將圖像數據輸出。設計過程中，對SRAM的讀寫時序進行嚴格的控制。

當FPGA檢測到中斷信號有效，讀取的壓縮碼流數據，開始存儲壓縮數據到FPGA內部FIFO中緩存，在這個過程中要不斷檢測JPEG2000的幀尾，當檢測到“FFD9”時表示一幀結束，同時將幀尾存儲到內部FIFO，將壓縮數據通過422接口發(fā)送給數據綜合器，數據綜合器接收到壓縮的圖像數據后，進行組幀后通過無線遙測信道發(fā)送給地面接收設備。

4 實驗結果

4.1 實驗平臺

圖像壓縮系統(tǒng)的實驗平臺由Camera-link接口單元測試臺、圖像壓縮系統(tǒng)、計算機、解壓軟件、測試用電源和測試用電纜等組成，如圖5所示。單元測試臺用來發(fā)送原始圖像源和接收壓縮后的圖像數據。計算機將原始圖像源通過網絡接口發(fā)送給單元測試臺和接收網絡接口傳輸過來的壓縮后的圖像數據，并壓縮后的圖像數據通過解壓軟件，完成解壓和圖像顯示。

4.2 實驗步驟

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）驗證系統(tǒng)的壓縮比為40：1，輸出JPEG2000格式；配置ADV212小波基參數，選取5/3可逆模式進行測試，圖像解壓后不損失圖像細節(jié)信息。

（2）測試壓縮系統(tǒng)壓縮速率，利用單元測試臺通過Camera-link接口，每秒連續(xù)發(fā)送22幅圖像，圖像壓縮系統(tǒng)適應性。

4.3 實驗結果

（1）系統(tǒng)上電后，配置ADV212完成后，通過計算機將圖像源加載到單元測試臺，單元測試臺再通過Camera-link接口發(fā)送原始圖像數據給圖像壓縮系統(tǒng)進行壓縮；壓縮完成的圖像數據通過網絡接口再傳給計算機，計算機接收壓縮后圖像，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，圖像細節(jié)信息基本無損失，如圖6、7所示。

（2）查看計算機接收的壓縮圖像數據，ADV212壓縮后的每一幅圖像數據，都會在ADV212幀頭“FFFFFFF1”后自動插入幀計數，如圖8所示，幀計數從“00000000”到“00000015”連續(xù)無丟幀，能夠滿足高速通信接口下，圖像壓縮系統(tǒng)的壓縮處理時間。

通過實驗測試，圖像壓縮系統(tǒng)能夠保證壓縮圖像的壓縮比，圖像無失真，又能保證高速圖像的壓縮性能。

5 結論

在實際的彈載遙測通信中，遙測圖像的傳輸帶寬決定了壓縮后圖像數據的大小，也就決定著圖像壓縮比，能夠在保證壓縮比的前提下，圖像壓縮后能夠無失真還原，對壓縮系統(tǒng)設計有著重要的研究意義。本文基于FPGA+ADV212的架構來完成圖像壓縮，實時輸出JPEG2000標準數據流，并對紅外圖像進行驗證測試，驗證系統(tǒng)既能滿足壓縮比40：1，又能保證圖像壓縮基本無失真，能夠最大程度保留了圖像的細節(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據，控制實現ADV212場行同步時序，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。

參考文獻

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