韓宇 劉聰聰 柴昱洲 孫鈺林 袁素春 肖化超 朱紅 袁玉 王元樂(lè)

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所,西安 710071)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展,為了能給用戶提供更寬的拍攝范圍和更高的圖像質(zhì)量,星載相機(jī)的分辨率和處理速度都在不斷提高。北京三號(hào)A/B衛(wèi)星均裝載了高分辨率大幅寬全色/多光譜雙相機(jī)組合體,可獲取星下點(diǎn)地面成像像元分辨率全色0.5m/多光譜2.0m,雙相機(jī)和成像幅寬優(yōu)于22km的高精度影像,樹(shù)立了我國(guó)商業(yè)光學(xué)遙感衛(wèi)星的技術(shù)標(biāo)桿,在商業(yè)遙感衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域具有較高的國(guó)內(nèi)外競(jìng)爭(zhēng)力。解決原始碼數(shù)據(jù)率與星地下傳通道速率的矛盾,是衛(wèi)星在軌應(yīng)用的重要技術(shù)之一。出色的原始圖像壓縮能力及較小的圖像質(zhì)量損失,也是衡量衛(wèi)星性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS主要是對(duì)靜態(tài)連續(xù)色調(diào)圖像進(jìn)行無(wú)損或近無(wú)損壓縮,于1998年正式公布,其核心算法是基于上下文的低復(fù)雜度無(wú)損壓縮(LOCO-I)。憑借優(yōu)越的壓縮性能和較小的硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,JPEG-LS無(wú)損壓縮取得了廣泛的應(yīng)用。然而,現(xiàn)有文獻(xiàn)中對(duì)JPEG-LS近無(wú)損壓縮模式的硬件實(shí)現(xiàn)研究并不多,在工程應(yīng)用中也仍然主要采用JPEG-LS無(wú)損壓縮模式,其主要原因是JPEG-LS在近無(wú)損壓縮模式下硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度增加。在文獻(xiàn)[1]中,需要在編碼過(guò)程中對(duì)輸入圖像進(jìn)行片外緩存,不僅增加了系統(tǒng)功耗,而且占用較大的板級(jí)空間,增加成本;在文獻(xiàn)[2]中,提出使用一種新的重建值計(jì)算方法,能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)計(jì)算得到像素重建值,但是這種方法改變了JPEG-LS算法標(biāo)準(zhǔn),給編碼性能帶來(lái)下降,而且會(huì)增加解碼的難度;在文獻(xiàn)[3]提出的硬件結(jié)構(gòu)中,前后兩個(gè)相鄰像素的處理相差9個(gè)時(shí)鐘周期,這樣使得編碼效率大大降低。

針對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀,文章設(shè)計(jì)了一種多路并行圖像實(shí)時(shí)壓縮系統(tǒng),該系統(tǒng)基于JPEG-LS算法,現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)作為邏輯控制核心,可以靈活選擇圖像緩存,并結(jié)合算法和硬件特點(diǎn),降低了編碼器的邏輯資源開(kāi)銷(xiāo),實(shí)現(xiàn)了一種全新的JPEG-LS無(wú)損及近無(wú)損壓縮編碼器硬件結(jié)構(gòu),提出了一種新的JPEG-LS動(dòng)態(tài)碼率控制算法,與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有編碼效率高,資源占用少,系統(tǒng)功耗低,使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

北京三號(hào)A/B衛(wèi)星配置1臺(tái)綜合智能處理器實(shí)現(xiàn)星上圖像壓縮功能,壓縮算法選用靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS。

綜合智能處理器包含3塊圖像處理單元,完成4片線陣相機(jī)的壓縮功能,圖像處理單元采用2主1備設(shè)計(jì)。雙相機(jī)焦面共采用4片線陣器件,每片器件含12288個(gè)全色譜段像元和4個(gè)多光譜譜段各3072個(gè)多光譜譜段像元。

綜合智能處理器系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 綜合智能處理器系統(tǒng)示意圖

圖像處理單元的功能是接收4片線陣相機(jī)原始圖像數(shù)據(jù),包括相機(jī)輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù),其中相機(jī)輔助數(shù)據(jù)不壓縮,僅對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮,將壓縮后的碼流與相應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接,并進(jìn)行壓縮碼流一級(jí)協(xié)議編排。

2 系統(tǒng)方案架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中壓縮系統(tǒng)由FPGA作為圖像分塊處理、圖像壓縮、多路并行輪循調(diào)度的核心處理器,外掛存儲(chǔ)器作為壓縮碼流的緩存器(使用外掛存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)單元片內(nèi)乒乓緩存壓縮碼流數(shù)據(jù),以達(dá)到實(shí)時(shí)緩存壓縮碼流的目的)及多個(gè)JPEG-LS壓縮核組成。圖像壓縮系統(tǒng)的原理見(jiàn)圖2。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單路或多路寬幅圖像的實(shí)時(shí)無(wú)損或近無(wú)損壓縮。

圖2 圖像壓縮系統(tǒng)FPGA實(shí)現(xiàn)示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 JPEG-LS壓縮算法

JPEG-LS標(biāo)準(zhǔn)[4-5]基于LOCO-I算法,該算法具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低,保真度高的優(yōu)點(diǎn),易于硬件實(shí)現(xiàn),而且不需要外部存儲(chǔ)器,有效節(jié)約了成本,因而廣泛應(yīng)用于航空航天、數(shù)字相機(jī)、無(wú)線通信以及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。JPEG-LS的主要特點(diǎn)是不對(duì)圖像進(jìn)行變換,只利用預(yù)測(cè)與哥倫布(Golomb)編碼。

JPEG-LS靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無(wú)損和近無(wú)損編碼處理基于差分預(yù)測(cè)編碼技術(shù),采用Golomb編碼對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差進(jìn)行編碼,同時(shí)建立了上下文模型對(duì)編碼參數(shù)進(jìn)行修正,具體的算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示。

注:a、b、c、d為相鄰采樣位置,x為當(dāng)前采樣位置。

在JPEG-LS標(biāo)準(zhǔn)中,編碼模型基于所謂“上下文”的概念。在“上下文”建模時(shí),對(duì)每一個(gè)采樣值都要以其相鄰的一小部分采樣為條件。圖4是當(dāng)前采樣x及其相鄰采樣位置的關(guān)系示意圖。根據(jù)在a、b、c和d采樣的重建值,該“上下文”首先決定采樣x是否采用正常模式或游長(zhǎng)模式進(jìn)行編碼。

圖4 JPEG-LS的上下文模型

根據(jù)“上下文”關(guān)系預(yù)計(jì),abs(Di)=0(在無(wú)損編碼時(shí)),或者abs(Di)≤Nnear(在近無(wú)損編碼時(shí)),那么選擇游長(zhǎng)模式,反之則選擇正常模式。Nnear是JPEG-LS算法標(biāo)準(zhǔn)中的失真量化參數(shù)。

在正常模式下,如圖5所示,當(dāng)“上下文”決定后就緊接著一個(gè)預(yù)測(cè)過(guò)程,當(dāng)前采樣點(diǎn)的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之差即為預(yù)測(cè)誤差,得到預(yù)測(cè)誤差之后被一個(gè)由Golomb編碼算法推導(dǎo)的過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)分類(lèi)編碼。

圖5 正常模式編碼

如圖6所示,在游長(zhǎng)模式下,編碼器從x開(kāi)始搜索與a的重建值具有相同值的連續(xù)采樣序列(在近無(wú)損編碼時(shí),與a的誤差在指定的界限內(nèi))。該游長(zhǎng)無(wú)論是遇到一個(gè)具有不同值的采樣(在近無(wú)損編碼時(shí),與a的誤差超出指定的界限),或者遇到當(dāng)前行的結(jié)尾都將終止,此時(shí)要接著進(jìn)行游長(zhǎng)終止采樣編碼,對(duì)于前一種結(jié)束方式,先進(jìn)行差值處理,再對(duì)所得的誤差進(jìn)行誤差自適應(yīng)編碼;后一種結(jié)束方式編碼更加簡(jiǎn)單,直接對(duì)游長(zhǎng)進(jìn)行結(jié)束編碼即可。

圖6 游長(zhǎng)編碼

3.2 圖像緩存分塊處理

由于FPGA內(nèi)部邏輯與緩存資源有限,JPEG-LS壓縮核對(duì)輸入圖像的最大尺寸有著嚴(yán)格的限制。全色與多光譜相機(jī)幅寬為12288像元,均大于單個(gè)壓縮核所能處理的極限,而本文所介紹的多個(gè)JPEG-LS壓縮核并行聯(lián)合處理的工作方式可以解決寬幅輸入圖像的壓縮問(wèn)題。

對(duì)于單路寬幅輸入圖像,一般按照?qǐng)D像行等分、塊最大的原則進(jìn)行輸入圖像的分塊處理,將分出的小塊圖像分別送給多個(gè)JPEG-LS壓縮核進(jìn)行壓縮處理,再將壓縮后的碼流按照一定的協(xié)議順序進(jìn)行排列依次送給固存、星地通道、解壓縮設(shè)備。解壓縮設(shè)備根據(jù)協(xié)議順序便可將不同JPEG-LS壓縮核壓縮的碼流進(jìn)行拼接,從而恢復(fù)出解壓縮的寬幅圖。

圖像分塊處理的方式是靈活可變的,對(duì)于多路圖像同時(shí)輸入的情況,根據(jù)圖像路數(shù)以及單路圖像的輸入數(shù)據(jù)率可以計(jì)算出輸入的總數(shù)據(jù)率,只要輸入的總數(shù)據(jù)率滿足多個(gè)JPEG-LS壓縮核的總處理能力要求,本系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)壓縮處理同時(shí)輸入的多路圖像數(shù)據(jù)。

以全色輸入圖像為例,一幅圖像單元圖像行寬為12288像素,按每幀圖像512×64進(jìn)行分塊,一幅圖像可以被分為24個(gè)塊進(jìn)行壓縮。多光譜與全色類(lèi)似,本系統(tǒng)所采用的圖像分塊處理方式如圖7所示。

圖7 圖像緩存及分幀示意圖

壓縮系統(tǒng)具備支持多路探測(cè)器獨(dú)立工作的能力,相機(jī)不同的探測(cè)器進(jìn)行合路壓縮軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于圖像緩存功能前增加了同步化處理模塊,如圖8所示。同步處理模塊采用FPGA內(nèi)部先入先出緩存器(FIFO)資源,分別對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理,探測(cè)器的時(shí)鐘、門(mén)控、數(shù)據(jù)分別作為FIFO的輸入時(shí)鐘、寫(xiě)使能、數(shù)據(jù)。FIFO的讀時(shí)鐘采用同一個(gè)本地時(shí)鐘,通過(guò)對(duì)兩片探測(cè)器的門(mén)控到來(lái)時(shí)機(jī)進(jìn)行比較選擇產(chǎn)生的使能信號(hào),作為兩個(gè)FIFO的共同讀使能信號(hào)。經(jīng)過(guò)同步處理之后,異步的多路探測(cè)器輸入實(shí)現(xiàn)完全同步,輸送給下一級(jí)進(jìn)行處理。

當(dāng)不同路的探測(cè)器圖像某一路出現(xiàn)沒(méi)有輸入時(shí),同步處理模塊可以自動(dòng)識(shí)別出該狀態(tài),根據(jù)多路間最大延遲進(jìn)行判斷,當(dāng)超出最大延遲時(shí),判斷為該路無(wú)輸入,此時(shí)同步處理模塊自動(dòng)產(chǎn)生相關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào),保證正常輸入的一路可以正常工作,提高了軟件的容錯(cuò)性。

3.3 多路并行輪循調(diào)度

本文介紹的基于JPEG-LS算法的圖像壓縮系統(tǒng),為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力,必須調(diào)度多個(gè)JPEG-LS壓縮核并行工作。由于JPEG-LS是基于像素的圖像壓縮算法,當(dāng)圖像數(shù)據(jù)以行為單位輸入至壓縮時(shí),在進(jìn)行壓縮前需要對(duì)行進(jìn)行分割處理,把相機(jī)一行分為多個(gè)圖像塊行并進(jìn)入FPGA內(nèi)部緩存,再采用統(tǒng)一的判讀條件進(jìn)行緩存讀取,保證進(jìn)入多個(gè)壓縮核的圖像數(shù)據(jù)完全同步。該方法靈活可變,可以適用于任意不同幅寬的圖像,僅需要通過(guò)輸入像素速率調(diào)整參數(shù)即可。

由于多個(gè)并行的壓縮核同時(shí)工作,壓縮碼流會(huì)以并行輸出的方式進(jìn)入緩存芯片,為了保證碼流格式完整性及協(xié)議編排,需要對(duì)多個(gè)壓縮核的輸出碼流進(jìn)行輪循調(diào)度存入雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DDR)緩存芯片。以全色為例,每個(gè)探測(cè)器采用24路并行的JPEG-LS壓縮核進(jìn)行壓縮,由于圖像中不同圖像塊的紋理不同,各壓縮核輸出壓縮碼流的時(shí)機(jī)也完全不同,壓縮碼流輸出后進(jìn)入FPGA內(nèi)部緩存進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換,當(dāng)某一路的壓縮碼流滿足寫(xiě)入DDR緩存芯片條件時(shí),產(chǎn)生DDR寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào),FIFO收到寫(xiě)請(qǐng)求信號(hào)時(shí),輸出數(shù)據(jù)至DDR,即進(jìn)行DDR寫(xiě)操作。由于FPGA的實(shí)時(shí)計(jì)算特性,保證在任意時(shí)刻均對(duì)24路壓縮核的碼流進(jìn)行實(shí)時(shí)自適應(yīng)判決。該自適應(yīng)輪循的方法相較于順序輪循,可以適用同一幅圖中不同圖像塊紋理差異過(guò)大的情況,且可以更高效的利用DDR接口帶寬,提高系統(tǒng)處理能力。

圖9是多路并行輪循調(diào)度示意圖,24個(gè)JPEG-LS壓縮核作為一組進(jìn)行并行輪循調(diào)度的應(yīng)用情況。

圖9 并行輪循調(diào)度示意圖

3.4 碼率控制算法

JPEG-LS動(dòng)態(tài)碼率控制算法一般采用的算法是將圖像分為若干個(gè)小碼塊,每壓縮完一個(gè)碼塊,就會(huì)統(tǒng)計(jì)實(shí)際碼率和目標(biāo)碼率之間的偏差,并根據(jù)碼率偏差來(lái)調(diào)節(jié)下一個(gè)碼塊所對(duì)應(yīng)的失真量化參數(shù)Nnear的值,各并行的壓縮核獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)算,使實(shí)際碼率不斷逼近目標(biāo)碼率。

本文壓縮系統(tǒng)采用了一種改進(jìn)的JPEG-LS碼率控制算法:將圖像按壓縮核個(gè)數(shù)進(jìn)行分塊,多路并行的壓縮核每壓縮完一個(gè)碼塊,根據(jù)當(dāng)前碼率偏差統(tǒng)一調(diào)整失真量化參數(shù)Nnear值,來(lái)控制下一個(gè)碼塊的輸出碼率。本算法的核心有兩點(diǎn):①連續(xù)調(diào)整失真量化參數(shù)Nnear,每1024行對(duì)碼塊基準(zhǔn)逼近值進(jìn)行更新;②多路并行壓縮核參數(shù)Nnear統(tǒng)一更新。

對(duì)于一般圖像,壓縮比控制函數(shù)可近似為線性函數(shù),設(shè)當(dāng)前壓縮比為Ccr,壓縮比控制因子為Q,k、b為控制系數(shù),則

Ccr=k×Q+b

(1)

其中,為了使Ccr接近目標(biāo)壓縮比Ocr,需要對(duì)Q進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,i時(shí)刻Q的值為

Q(i)=Q(i-1)+ΔQ(i)

(2)

根據(jù)最陡下降法,ΔQ(i)的模型為

(3)

式中:Lr為斜率,正數(shù);E為當(dāng)前壓縮比Ccr與目標(biāo)壓縮比Ocr的偏差量,可以表示為

E=(Ocr-Ccr)2

(4)

將E的函數(shù)代入式(4),可得

(5)

根據(jù)式(1)可知,Ccr是Q的線性函數(shù),故式(5)為

ΔQ(i)=α×(Ocr-Ccr),α>0

(6)

將式(6)代入式(2),可得

Q(i)=Q(i-1)+α×(Ocr-Ccr),α>0

(7)

式(7)即為最終的碼率控制數(shù)學(xué)模型,在JPEG-LS的碼率控制算法中,控制因子為Nnear,α為步長(zhǎng)系數(shù),因此Nnear值調(diào)整的數(shù)學(xué)模型為

Nnear(i)=Nnear(i-1)+α×(Ocr-Ccr),α>0

(8)

由式(8)可知,當(dāng)前壓縮比Ccr大于目標(biāo)壓縮比Ocr時(shí),即Ccr-Ocr<0時(shí),Nnear的取值要減小一個(gè)步長(zhǎng)α;反之,當(dāng)前壓縮比Ccr小于目標(biāo)壓縮比Ocr時(shí),即Ccr-Ocr>0時(shí),Nnear的取值要增大一個(gè)步長(zhǎng)α,這一點(diǎn)與實(shí)際意義相符。

一般情況下,對(duì)于連續(xù)掃描的圖像,相鄰的圖像塊之間的紋理具有很強(qiáng)的相關(guān)性,也就是說(shuō),圖像特征很相近,如果要求輸出固定的目標(biāo)碼率,那么對(duì)應(yīng)的調(diào)整因子Nnear值也必定很相近。因此,碼率調(diào)整的過(guò)程,也是跟蹤搜索與圖像特征相匹配的調(diào)整因子的過(guò)程。當(dāng)算法收斂之后,調(diào)整因子應(yīng)該是在一個(gè)恒定的均值附近上下抖動(dòng),進(jìn)行微小的調(diào)整;相反,如果調(diào)整算法中Nnear值跳動(dòng)幅值很大,說(shuō)明該算法并沒(méi)有跟蹤上圖像內(nèi)容的變化,即沒(méi)有收斂。因此,從理論上講,碼率控制的調(diào)整步長(zhǎng)不宜太大。

碼率控制算法收斂后,Nnear值將在很小的范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng),輸出的碼率也相應(yīng)趨于穩(wěn)定,但是當(dāng)遇到圖像中有紋理突變時(shí),比如一片海域之后出現(xiàn)的海岸城市,由于城市的圖像紋理信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海域,因此對(duì)于紋理處于突變區(qū)的圖像塊,其參數(shù)Nnear值處于過(guò)渡調(diào)整時(shí)期,導(dǎo)致當(dāng)前圖像塊的輸出壓縮比不能滿足要求值,為了解決這個(gè)問(wèn)題,本文提出了連續(xù)調(diào)整碼率的策略,當(dāng)實(shí)時(shí)壓縮比出現(xiàn)欠調(diào)或過(guò)調(diào)狀態(tài)時(shí),通過(guò)后續(xù)圖像塊的反相補(bǔ)償,使得一段時(shí)間之內(nèi)的平均輸出碼率快速收斂于要求值。

3.5 硬件實(shí)現(xiàn)情況

圖像壓縮系統(tǒng)通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn),FPGA內(nèi)部配置多個(gè)并行壓縮核。壓縮核可根據(jù)需要適配多種FPGA類(lèi)型。

本文實(shí)現(xiàn)的圖像壓縮系統(tǒng),單片F(xiàn)PGA處理圖像數(shù)據(jù)可達(dá)8Gbit/s,資源占用情況見(jiàn)表1。

表1 FPGA資源占用情況

4 技術(shù)特點(diǎn)

本文所采用的圖像壓縮系統(tǒng)具備多項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn),可以適用多種衛(wèi)星和載荷類(lèi)型。

4.1 靈活的圖像緩存機(jī)制

當(dāng)相機(jī)圖像輸入速率匹配JPEG-LS壓縮核處理能力,但圖像路數(shù)較多或幅寬較寬時(shí),可以采用增加圖像緩存芯片的方案,緩存芯片進(jìn)行圖像塊數(shù)據(jù)緩存及調(diào)度,如圖10(a)所示,該方案以圖像塊為單元送至JPEG-LS壓縮核。

圖10 圖像緩存機(jī)制

當(dāng)相機(jī)圖像輸入速率匹配JPEG-LS壓縮核處理能力,圖像路數(shù)為單路或圖像幅寬較小時(shí),可以采用FPGA內(nèi)部緩存,節(jié)省器件資源,這是因?yàn)镴PEG-LS是基于像素的壓縮算法,內(nèi)部緩存僅需緩存一行圖像即可向壓縮核輸入數(shù)據(jù),如圖10(b)所示,該方案以圖像行為單元送至JPEG-LS壓縮核。

該方法靈活可變,適用不同的應(yīng)用場(chǎng)景,可以節(jié)約硬件成本。片內(nèi)緩存機(jī)制邏輯控制簡(jiǎn)單,采用FPGA內(nèi)部資源即可完成圖像緩存功能,去掉了外部芯片控制邏輯,使得單位資源內(nèi)并行工作壓縮核數(shù)量更多。

4.2 更優(yōu)的碼率控制算法

JPEG-LS碼率控制問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了相應(yīng)的研究,并提出了一系列碼率控制算法。其中比較典型的是文獻(xiàn)[6]提出的基于視覺(jué)感知與內(nèi)容自適應(yīng)的碼率控制算法;文獻(xiàn)[7]提出的基于段的碼率控制算法;文獻(xiàn)[8]提出的開(kāi)環(huán)碼率控制算法;文獻(xiàn)[9]提出的高比特率下的JPEG-LS碼率控制算法;文獻(xiàn)[10]提出的JPEG-LS動(dòng)態(tài)碼率控制方法等。這些碼率控制算法,主要是根據(jù)碼率和失真量化參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行碼率控制。在壓縮過(guò)程中,根據(jù)當(dāng)前碼率偏差實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)失真量化參數(shù)值,從而形成了一種負(fù)反饋的調(diào)節(jié)方式,使得碼率最終趨于收斂。但是這些算法大多沒(méi)有深入分析JPEG-LS圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)中碼率和失真量化參數(shù)的精確關(guān)系,只是根據(jù)一種近似的線性關(guān)系來(lái)通過(guò)碼率偏差調(diào)節(jié)失真量化參數(shù)值,導(dǎo)致碼率收斂速度不夠迅速,且沒(méi)有考慮實(shí)際應(yīng)用中多路并行壓縮時(shí)的碼率控制。

本文碼率控制算法,可以根據(jù)當(dāng)前碼率偏差統(tǒng)一調(diào)整失真量化參數(shù)值,來(lái)控制下一個(gè)碼塊的輸出碼率,使得更快的逼近目標(biāo)碼率,多路并行壓縮核統(tǒng)一進(jìn)行參數(shù)更新。本文在失真量化參數(shù)值更新時(shí)采用了改進(jìn)后的閾值范圍,使得遙感圖像視覺(jué)的整體主觀感受更為均勻平滑,圖像質(zhì)量更優(yōu)。

圖11是對(duì)一幅遙感圖像進(jìn)行壓縮后的結(jié)果,圖11中的紅色曲線Average CR表示從開(kāi)始到當(dāng)前行的平均輸出碼率,藍(lán)色曲線Current CR表示當(dāng)前塊的在線輸出碼率。從圖11中可知,Current CR在算法收斂后在4倍壓縮曲線附近有微小的上下浮動(dòng),但Average CR逼近于4倍壓縮碼率,且輸出穩(wěn)定。

圖11 圖像4倍壓縮下的碼率控制結(jié)果

5 圖像評(píng)測(cè)

對(duì)本文采用的壓縮系統(tǒng)進(jìn)行了圖像評(píng)測(cè)(見(jiàn)表2),選取10幅全色圖像、10幅多光譜圖像(見(jiàn)圖12)。全色圖像進(jìn)行4倍、3倍和2.5倍3種壓縮比的壓縮解壓縮測(cè)試,多光譜圖像進(jìn)行2倍壓縮解壓縮測(cè)試,并計(jì)算峰值信噪比(PSNR)。

表2 評(píng)測(cè)圖像信息

圖12 選取的測(cè)試圖像

全色和多光譜圖像測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 全色圖像測(cè)試結(jié)果

表4 多光譜圖像測(cè)試結(jié)果

通過(guò)各類(lèi)圖像測(cè)試,本文的圖像壓縮系統(tǒng),在有損壓縮時(shí),壓縮倍率均能很好的達(dá)到要求;在無(wú)損壓縮時(shí),由于圖像紋理復(fù)雜程度不同,壓縮比范圍會(huì)存在一定的波動(dòng)。圖像質(zhì)量上,在整幅圖紋理復(fù)雜程度不均勻時(shí),提升效果較大;在紋理復(fù)雜程度比較均勻時(shí),提升效果較小。相較于傳統(tǒng)碼率控制算法,相同壓縮比下,恢復(fù)圖像的PSNR提高0.2dB以上。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的圖像壓縮系統(tǒng),描述了采用多個(gè)JPEG-LS壓縮核并行工作的壓縮編碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法,利用FPGA實(shí)現(xiàn)了基于圖像分塊處理技術(shù)及多路并行輪循調(diào)度技術(shù)的壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用了一種先進(jìn)的碼率控制策略。壓縮系統(tǒng)的功能和性能在北京三號(hào)A/B衛(wèi)星上進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果表明:壓縮系統(tǒng)可以很好的解決相機(jī)原始碼數(shù)據(jù)率與星地下傳通道速率的矛盾,滿足北京三號(hào)A/B衛(wèi)星的實(shí)時(shí)無(wú)損或近無(wú)損壓縮處理的需求,且近無(wú)損壓縮下圖像質(zhì)量客觀參數(shù)PSNR值相較傳統(tǒng)算法提升至少0.2dB。壓縮系統(tǒng)的研究是通過(guò)降低數(shù)據(jù)總量解決海量高分遙感數(shù)據(jù)傳輸能力制約的有效途徑,本文提出的圖像壓縮系統(tǒng),為未來(lái)衛(wèi)星構(gòu)建能滿足寬幅、高分辨率、全色多光譜、多遙感器、海量數(shù)據(jù)的星上高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)使用靈活、資源占用小,進(jìn)一步研究的價(jià)值大,在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。