基于CCSDS IDC星載圖像壓縮算法的FPGA實現(xiàn)技術.pdf

1、隨著航天技術的發(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在深空、遙感領域中起著越來越重要的作用。
　　 目前，按照去相關技術，在星載圖像壓縮系統(tǒng)中主要采用了基于預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準有CCSDS LDC、JPEG、JPEG2

2、000、SPIHT等標準，但它們存在計算復雜度高甚至分塊效應的缺點，不太適合星載應用。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)壓縮推薦標準。IDC采用了9/7離散小波變換，支持無損壓縮和有損壓縮，支持碼流漸進傳輸。該算法計算復雜度低，支持快速、低功耗硬件實現(xiàn)，獲得了與JPEG2000相近的性能，是

3、專門為空間應用而設計的壓縮標準，滿足星載應用的要求。
　　 為對衛(wèi)星獲取的海量圖像數(shù)據(jù)進行實時壓縮，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現(xiàn)展開研究，利用先進的FPGA技術，研究并設計了IDC算法的IP軟核，將該IP核集成于CoreConnect的PLB總線上，構建一個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)壓縮標準，對算法進行了分析和仿真。經(jīng)與JPEG2000壓縮算法對比，IDC壓縮算法的計算復雜度和硬件實現(xiàn)復雜度較低，非常適合星載環(huán)境圖像數(shù)據(jù)壓縮的應用。
　　 (2)研究了IDC所采用的9/7離散小波變換算法，并將其轉換為有利于快速計算和VLSI實現(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實現(xiàn)結構，簡化了計算過程，便于數(shù)據(jù)的有序處理。改進設計了9/7浮點離散小波變換卷積算法的VLSI實現(xiàn)結構，

5、設計了9/7浮點離散小波變換提升格式VLSI實現(xiàn)結構。在9/7浮點離散小波變換的卷積算法和提升格式實現(xiàn)結構中，采用基于CSD編碼的移位加運算代替了常系數(shù)乘法，實現(xiàn)了無乘法計算，縮短了延時路徑，提高了計算頻率，節(jié)約了硬件資源。
　　 在研究設計的二維離散小波變換的VLSI結構中，采用行、列并行變換結構，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標準中位平面編碼器算法，與離散小波變換的計算密集型不同，它的數(shù)據(jù)運算并不復雜，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)的有序流動是一個比較復雜的過程，要頻繁訪問存儲單元。
　　 基于并行技術提出了位平面編碼器VLSI實現(xiàn)架構，提高了位平面數(shù)據(jù)的處理能力。該架構主要包括直流系數(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)掃描時間，按系數(shù)集合分類的方法進行塊內(nèi)并行掃

7、描，大幅減少每個塊的掃描時間。為減少一個段的掃描時間，采取了塊分組并行掃描的方法。為加快位平面最優(yōu)編碼選項計算速度，采取了塊分組并行統(tǒng)計的方法。
　　 (4)基于Xilinx公司Virtex-Ⅱ Pro FPGA芯片內(nèi)嵌的PowerPC處理器硬核、IBMCoreConnect總線結構和基于單芯片設計星載壓縮系統(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，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、復雜度和成本，縮短了研制周期。設計了基于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，將設計的軟核集成于PLB總線上，構建了在單一芯片F(xiàn)PGA內(nèi)將各種不同的IP核連接到一起構成一個較完整應用的星載圖像壓縮系統(tǒng)。
　　 本文在研究設計了IDC算法IP軟核的基礎上，進行了功能驗證和系統(tǒng)設計，整個系統(tǒng)在Xi