目前有很多常用的压缩算法，其中JPEG2000图像压缩标准可以在获得高压缩比的同时确保高图像质量，另外还具有非常好的抗误码性能，在大面阵CCD相机图像压缩领域得到了广泛的应用。JPEG2000压缩的实现方法有多种，通常采用专用DSP芯片和FPGA芯片编程实现[1-3]，两者分别利用各自的优点完成不同的功能。其中，专用DSP主要完成DWT变换等高速整型和浮点型运算功能，FPGA主要完成EBCOT等高效并行编码算法功能[4-5]，但这种实现方法JPEG2000需要处理的数据量比较大，还需要外扩SRAM等大容量数据存储器，从而使系统的集成度降低，而且其实时性受编程方法所制约。同时，目前大面阵CCD相机的成像和图像压缩存储是两个独立的部分，中间连接包括复杂的接口和繁重的线缆，增加了相机的复杂度和重量。
    本文提出了一种基于FPGA嵌入式处理器MicroBlaze和ADV212压缩芯片相结合的高速、实时图像压缩系统[6-7]，系统中图像采集和图像压缩等功能均由同一个核心处理器FPGA来完成，使系统的处理速度和集成度都有所提高。
1 大面阵CCD相机高速图像压缩系统组成
    本系统以Analog公司生产的AD212作为图像压缩芯片，采用内有嵌入式处理器的高性能FPGA作为核心处理器，完成大面阵CCD模拟信号处理、视频信号采集、图像数据缓存、ADV212初始化、固件程序和参数注入、数字图像传输等功能。考虑到卫星平台对系统稳定性的要求，系统应用FPGA和专用图像压缩集成芯片ADV212的高速、实时图像压缩方案，将压缩后数据流送给图像采集卡，由上位机对图像压缩性能进行分析。该方法实时性强，硬件接口电路设计简单[8-10]，其系统组成框图如图1所示。

2 FPGA嵌入式处理器设计
    Microblaze是Xilinx公司推出的32 bit软处理器核，支持CoreConnect总线的标准外设集合，具有兼容性和重复利用性。Microblaze在VirtexⅡPro FPGA中的工作频率可达到200 MHz，处理速度超过166 MIPS，是用途广泛的CPU软核。作为完整的CPU软核，Microblaze允许用户根据需要进行配置。了解Microblaze结构不但有助于用户了解配置，还可以辅助分析Microblaze应用软件的效率。
    FPGA片外晶振为50 MHz，Microblaze软核主频为100 MHz，使用片外低复位，支持硬件调试方式，并使用16 KB片内BlockRAM作为CPU核的数据和指令暂存，同时还包括看门狗和定时器等基本外设。添加完硬件后，系统自动生成每个硬件模块的地址范围，如图2所示。

    dlmb_cntlr和ilmb_cntlr作为CPU核的数据和指令暂存，分配16 KB空间。Opb_central_dma_0作为读取ADV212压缩数据流的DMA控制器，Generic_External_Memory_1和Generic_External_Memory作为访问SDRAM控制器的寻址空间。由于SDRAM控制器的SYS_ADDR共25 bit地址，所以这里分配32 MB寻址空间。其他还包括定时器、WDT、调试空间等。
3 压缩处理器设计

    JPG2000算法的硬件实现方法有多种，其中Analog Devices公司的ADV212系列性能比较高，实际应用广泛。ADV212完全符合ISO/IEC15444-1标准，内部集成了专用小波变换单元、3个熵编码器、RISC处理器以及多种存储器，内部功能框图如图3所示。

    通常情况下，采集的原始图像数据通过VDATA总线输入，像素接口根据帧同步信号VSYNC、行同步信号HSYNC和场同步信号FIELD接收数据，并传送给小波变换模块，经小波变换后的小波系数被存储到内部存储器中。从内部存储器读出的小波系数被送进3个熵编码器进行并行处理，处理过程包括量化、率失真控制、上下文编码和码流组织等，并将最后的码流送回内部存储器。编码后的JPEG2000码流通过高速数据总线送给编码FIFO，编码FIFO 用来解决内部高速总线和低速主机接口之间的冲突。最后的JPEG2000码流通过HDATA总线结合DREQ和DACK输出。
4 实验及结果分析
    本文在不同的压缩码流速率条件下，对大面阵CCD图像进行实时压缩，调试过程中，先将压缩后的数据流传送到上位机，由上位机专用解压缩软件进行解压，查看测试图像和文件格式是否正确。如果正确，则说明图像压缩过程正常，可进一步把压缩后的数据流交由解压缩部分进行解压。由于图像很大，所以解压缩后截取图中的左上象限进行显示。在压缩比特率为1.5 bit/pixel、0.6 bit/pixel、0.3 bit/pixel和0.15 bit/pixel等几种情况下进行图像压缩，图4和图5分别为压缩比特率为1.5 bit/pixel和0.15 bit/pixel时的压缩结果。其中，压缩比特率为0.15 bit/pixel时，压缩比近似53:1，此时图像已经模糊。

    图像压缩性能通常用峰值信噪比PSNR来表示，好的重建图像PSNR值一般为30 dB以上。本文分别对几种不同压缩比特率下得到的压缩图像进行了PSNR计算，结果如表1所示。从表1可以看出，即使在压缩比特率为0.15(压缩比接近53:1)的情况下得到图像的PSNR值也达到了36 dB，可见此图像压缩方案的压缩性能非常好[11-12]。

    本文提出了一种基于FPGA嵌入式处理器MicroBlaze和ADV212压缩芯片相结合的高速、实时图像压缩方案。结合大面阵CCD输出的图像数据，详细阐述了ADV212的工作流程、固件程序和参数注入以及视频处理等功能，并介绍了FPGA内部嵌入式处理器MicroBlaze的开发过程。实验表明，当压缩比为53:1时，重建图像的PSNR值可以达到36 dB。此方案不仅提高了处理速度而且增加了系统的集成度，为今后大面阵CCD图像的高速、实时压缩提供了更好的解决方案。
参考文献
[1] 商小川，周辉，张星祥，等.基于FPGA的大面阵CCD高帧频驱动电路设计[J].液晶与显示，2009，24（5）：735-739.
[2] 齐春东，陈亮，曾涛.多通道CCD图像数据实时记录系统[J].光电工程，2009，36（12）：147-150.
[3] 苏宛新，程灵燕，程飞燕.基于DSP+FPGA的实时视频信号处理系统设计[J].液晶与显示，2010，25（1）：145-148.
[4] 张学全，顾晓东，孙辉先.CCSDS星载图像压缩模块的FPGA设计与实现[J].半导体光电，30（6）：935-939.
[5] 武文波，王琨，陈大羽，等.CCSDS在遥感图像压缩中的应用研究[J].航天返回与遥感，2010，31（2）：46-50.
[6] 郑成林，龚俊斌，刘福学，等.基于ADV202的无人机序列图像压缩系统设计[J].计算机与数字工程，2010，38(11)：136-141.
[7] 刘永征，刘学斌，胡炳梁，等.基于ADV212的JPEG2000静态图像压缩系统设计[J].电子器件，2009，32(3)：504-508.
[8] 孙红进.FPGA实现的视频图像缩放显示[J].液晶与显示，2010，25（1）：130-133.
[9] 张达，徐抒岩.高速多通道CCD信号并行处理系统[J].吉林大学学报：信息科学版，2008，26(3)：281-286.
[10] 王明富，杨世洪，吴钦章.大面阵CCD图像实时显示系统的设计[J].光学精密工程，2010，18（9）：2053-2059.
[11] 苏令华，李纲，衣同胜.一种稳健的高光谱图像压缩方法[J].光学精密工程，2007，15(10)：1609-1615.
[12] 赵峰，袁东风，张海霞.多DSP图像压缩实时并行处理系统[J].光学精密工程，2007，15(9)：1451-1455.