基于CCSDS IDC星載圖像壓縮算法的FPGA實(shí)現(xiàn)技術(shù).pdf

1、隨著航天技術(shù)的發(fā)展，不論是深空探索還是對地觀測，衛(wèi)星圖像獲取設(shè)備分辨率日益提高，獲得的遙感圖像數(shù)據(jù)越來越多，數(shù)據(jù)下傳壓力越來越大，因而星載圖像壓縮技術(shù)在深空、遙感領(lǐng)域中起著越來越重要的作用。
　　 目前，按照去相關(guān)技術(shù)，在星載圖像壓縮系統(tǒng)中主要采用了基于預(yù)測的差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)算法、基于離散余弦變換(DCT)的算法以及基于離散小波變換(DWT)的算法，具體采用的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)有CCSDS LDC、JPEG、JPEG2

2、000、SPIHT等標(biāo)準(zhǔn)，但它們存在計(jì)算復(fù)雜度高甚至分塊效應(yīng)的缺點(diǎn)，不太適合星載應(yīng)用。因而，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)著手建立一種新的適合于空間應(yīng)用的星載圖像壓縮算法，并于2005年11月正式推出了IDC(Image DataCompression)圖像數(shù)據(jù)壓縮推薦標(biāo)準(zhǔn)。IDC采用了9/7離散小波變換，支持無損壓縮和有損壓縮，支持碼流漸進(jìn)傳輸。該算法計(jì)算復(fù)雜度低，支持快速、低功耗硬件實(shí)現(xiàn)，獲得了與JPEG2000相近的性能，是

3、專門為空間應(yīng)用而設(shè)計(jì)的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，滿足星載應(yīng)用的要求。
　　 為對衛(wèi)星獲取的海量圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)壓縮，解決數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)膲毫?，本文對CCSDS推出的IDC星載圖像壓縮算法及其硬件實(shí)現(xiàn)展開研究，利用先進(jìn)的FPGA技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)了IDC算法的IP軟核，將該IP核集成于CoreConnect的PLB總線上，構(gòu)建一個(gè)較完整的單芯片星載圖像壓縮系統(tǒng)。
　　 論文的主要內(nèi)容如下：
　　 (1)研究了CCSDS IDC圖像數(shù)

4、據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，對算法進(jìn)行了分析和仿真。經(jīng)與JPEG2000壓縮算法對比，IDC壓縮算法的計(jì)算復(fù)雜度和硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較低，非常適合星載環(huán)境圖像數(shù)據(jù)壓縮的應(yīng)用。
　　 (2)研究了IDC所采用的9/7離散小波變換算法，并將其轉(zhuǎn)換為有利于快速計(jì)算和VLSI實(shí)現(xiàn)的提升格式。
　　 提出了9/7整數(shù)離散小波變換提升格式的VLSI實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，簡化了計(jì)算過程，便于數(shù)據(jù)的有序處理。改進(jìn)設(shè)計(jì)了9/7浮點(diǎn)離散小波變換卷積算法的VLSI實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，

5、設(shè)計(jì)了9/7浮點(diǎn)離散小波變換提升格式VLSI實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在9/7浮點(diǎn)離散小波變換的卷積算法和提升格式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中，采用基于CSD編碼的移位加運(yùn)算代替了常系數(shù)乘法，實(shí)現(xiàn)了無乘法計(jì)算，縮短了延時(shí)路徑，提高了計(jì)算頻率，節(jié)約了硬件資源。
　　 在研究設(shè)計(jì)的二維離散小波變換的VLSI結(jié)構(gòu)中，采用行、列并行變換結(jié)構(gòu)，加快了變換速度，提高了小波變換效率；且行變換模塊和列變換模塊均采用內(nèi)嵌邊界延拓處理方法，減少了所需的內(nèi)存容量。
　　 (3

6、)研究了IDC標(biāo)準(zhǔn)中位平面編碼器算法，與離散小波變換的計(jì)算密集型不同，它的數(shù)據(jù)運(yùn)算并不復(fù)雜，而是以大量的比較、移位和邏輯判斷操作為主的處理過程，而且數(shù)據(jù)的有序流動是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，要頻繁訪問存儲單元。
　　 基于并行技術(shù)提出了位平面編碼器VLSI實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，提高了位平面數(shù)據(jù)的處理能力。該架構(gòu)主要包括直流系數(shù)初始編碼模塊、交流系數(shù)位深編碼模塊和位平面編碼模塊。
　　 為減少塊內(nèi)掃描時(shí)間，按系數(shù)集合分類的方法進(jìn)行塊內(nèi)并行掃

7、描，大幅減少每個(gè)塊的掃描時(shí)間。為減少一個(gè)段的掃描時(shí)間，采取了塊分組并行掃描的方法。為加快位平面最優(yōu)編碼選項(xiàng)計(jì)算速度，采取了塊分組并行統(tǒng)計(jì)的方法。
　　 (4)基于Xilinx公司Virtex-Ⅱ Pro FPGA芯片內(nèi)嵌的PowerPC處理器硬核、IBMCoreConnect總線結(jié)構(gòu)和基于單芯片設(shè)計(jì)星載壓縮系統(tǒng)的思想，提出一種基于PowerPC+CoreConnect PLB+IDC IP軟核的星載圖像壓縮系統(tǒng)SoPC架構(gòu)，提供

8、了通過片上總線集成外圍IP軟核的方法，降低了小衛(wèi)星圖像壓縮有效載荷的體積、復(fù)雜度和成本，縮短了研制周期。設(shè)計(jì)了基于CoreConnect PLB總線的IDC圖像壓縮IP軟核，開發(fā)了符合PLB總線的IP核IPIF接口，將設(shè)計(jì)的軟核集成于PLB總線上，構(gòu)建了在單一芯片F(xiàn)PGA內(nèi)將各種不同的IP核連接到一起構(gòu)成一個(gè)較完整應(yīng)用的星載圖像壓縮系統(tǒng)。
　　 本文在研究設(shè)計(jì)了IDC算法IP軟核的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了功能驗(yàn)證和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)在Xi