基于DSP和LBT的遙感圖像數據壓縮系統設計

　　數據壓縮系統是衛星數傳分系統的前端模塊，接收并壓縮星載CCD相機的圖像數據。壓縮后的碼流通過(guò)固存設備傳輸給衛星發(fā)射機進(jìn)行發(fā)射，進(jìn)入數傳信道。某衛星星載多個(gè)線(xiàn)陣CCD相機，相機時(shí)鐘頻率為50MHz，幀周期為0.77ms，每幀數據為4 096字節，總碼速率為725Mbps。要求以1:1、4:1和8:1三種壓縮模式壓縮相機的圖像數據，輸出速率在8：1模式下小于100Mbps，在4：1模式下小于200Mbps。并且，機械特性、熱特性、電特性等符合接口數據單要求。

　　自2000年以來(lái)，筆者在國外著(zhù)名學(xué)者M(jìn)alvr提出的雙正交重疊變換[1](LBT)的基礎上系統地研究了整數(重疊+DCT)的塊變換算法以及低復雜度的存儲編碼算法，使其圖像壓縮質(zhì)量與JPEG 2000推薦的小波方法近似。由于克服了邊緣效應，因而質(zhì)量明顯高于JPEG壓縮方法，而且計算復雜度與存儲量又比小波方法有顯著(zhù)改善。

　　目前的衛星遙感圖像壓縮系統硬件方案大多基于高性能可編程邏輯器件FPGA[2-4]。但這種方案整系統成本居高不下，且FPGA存在單粒子翻轉效應。因此，筆者提出一種多DSP+FPGA的硬件設計結構，使用DSP取代FPGA完成核心算法，而僅用一個(gè)FPGA進(jìn)行管理和控制。該硬件設計成本較低。

　　1 基于雙正交疊式變換的低復雜度圖像壓縮方法

　　1.1 雙正交重疊變換的快速整數實(shí)現

　　在有損壓縮中，通常先對圖像矩陣進(jìn)行正交/雙正交變換，使能量分布集中，表示更為稀疏。離散余弦變換(DCT)由于具有良好的去相關(guān)效果，并且存在相應的快速算法，應用廣泛。雙正交重疊變換繼承了DCT 計算簡(jiǎn)便、存儲要求低的特點(diǎn)，同時(shí)克服了DCT的塊效應。這里以LBT為藍本提出雙正交重疊變換的快速整數實(shí)現算法[5]，所有系數均采用分母為2的冪、分子為整數的分數近似，從而使整個(gè)變換過(guò)程只需要整數加法和位移運算。圖1給出了一維binLBT的實(shí)現流程，二維變換按先行后列的順序分別進(jìn)行一維變換。

　　1.2 零樹(shù)編碼的簡(jiǎn)化與改進(jìn)

　　SPIHT作為一種高效零樹(shù)編碼方法，對位平面進(jìn)行了集合劃分，將大量的非重要位0集中到幾個(gè)具有特定模式的集合里面，并對含有重要位的此類(lèi)集合進(jìn)行劃分，直至將集合劃分為具體的元素。LBT系數塊中存在著(zhù)類(lèi)似零樹(shù)結構。圖2中給出了模仿小波變換中樹(shù)結構的LBT塊變換中的零樹(shù)劃分方法，其中每一個(gè)線(xiàn)框對應著(zhù)一個(gè)系數，實(shí)線(xiàn)則將64個(gè)系數分為10個(gè)子帶。由于塊變換具有集中能量的作用，系數的能量由左上到右下逐漸減少。

　　在每一子帶中，首先使用Golomb方法編碼，再將其輸出碼流輸入到MQ編碼器，進(jìn)行下一步的編碼。零樹(shù)編碼過(guò)程應用了零樹(shù)結構中父子節點(diǎn)間的相關(guān)性，需要在已知父節點(diǎn)的情況下定位它的子節點(diǎn)。因此，在LBT系數輸出后進(jìn)入編碼器前，利用線(xiàn)性索引的方法對LBT系數重新排序，將其放置在一維數組里。

　　2 并行多DSP+FPGA的硬件設計方案

　　2.1 系統硬件整體框圖

　　數據壓縮系統硬件總體框圖如圖3所示。2x-1路串行CCD數據通過(guò)LVDS接口多路并行進(jìn)入FPGA進(jìn)行時(shí)序轉換，每個(gè)DSP通過(guò)兩個(gè)串口以EDMA方式從FPGA讀取兩路相機數據并緩存、壓縮編碼，整個(gè)數據壓縮系統需要x個(gè)DSP并行處理。壓縮后碼流數據通過(guò)串口輸出到FPGA，FPGA重新緩存、組幀、時(shí)序轉換后輸出到固存設備。碼流數據輸出、遙控指令輸入、遙測信號輸出和電源的接口均通過(guò)底板總線(xiàn)和數傳綜合處理器連接。

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