适于空间TDICCD相机的图像压缩系统设计-AET-电子技术应用

适于空间TDICCD相机的图像压缩系统设计

来源：电子技术应用2013年第1期

李进1，2，金龙旭1，韩双丽1，张宇1，吕曾明1，郝贤鹏1

1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100039

摘要： 提出了一种适于空间TDICCD相机的复杂度适中、高性能的图像压缩系统。其压缩系统主要分为离散小波变换（DWT）单元和位平面编码(BPE)单元。DWT采用两个并行的9/7整数1D DWT完成2D DWT；BPE单元从扫描方法、并行扫描、转移字存储及并行计算方面对传统CCSDS算法进行了改进，使其更适合CCD空间相机的应用。最后，使用地面检测设备对设计的图像压缩系统进行了试验测试。实验结果表明，该图像压缩系统可以稳定可靠地工作，与传统压缩系统相比，平均PSNR提高了0.97 dB，具有较高的数据吞吐率，在系统时钟频率为50 MHz时数据吞吐率达到12.8 Mpixels/s。非常适于空间TDICCD相机的应用。

关键词： 软件空间TDICCD相机图像压缩 CCSDS

中图分类号： TP391.4
文献标识码： A
文章编号： 0258-7998(2013)01-0017-03

Design of image compression system for space TDICCD camera

Li Jin1，2，Jin Longxu1，Han Shuangli1，Zhang Yu1，Lv Zengming1，Hao Xianpeng1

1.Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033，China； 2.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China

Abstract： The paper proposes a novel image compression system with moderate complexity and high performance for space TDICCD camera. The compression system is mainly divided into discrete wavelet transform(DWT) and bit-plane encoding(BPE). Two parallel integer 9/7 1D DWT are used to implement 2D DWT. From scan method, parallel scanning, storage of transition word and calculating in parallel, the CCSDS algorithm in BPE module is improved to make it more suitable for the application of space CCD camera. Finally, the experiments are performed using the ground test equipment. The experiments results show that the proposed image compression can work stably and reliably，compared with the traditional image compression system, the proposed compression system can improve the average PSNR by 0.97 dB，and the compression system proposed has higher throughput which achieves 12.8 Mpixels/s at the frequency of 50 MHz. Therefore，it is suitable for the application of space TDICCD camera.

Key words : space TDICCD camera；image compression；CCSDS

随着空间TDICCD相机空间分辨率和覆盖宽度指标的不断提高，CCD相机图像数据量呈指数增加，而现有的机载存储器容量有限，使数传系统带宽受限，无法适应空间CCD图像的海量数据[1-2]。因此，必须对CCD图像进行压缩。

   空间CCD相机图像压缩不同于其他压缩场合，它要求整个压缩系统具有实时性且采用硬件设计，但存储资源和板面十分有限，而遥感图像资源又十分宝贵。因此，可选用的压缩算法复杂度不能太高而又要求具有较好的压缩性能。下面介绍三种压缩算法的优缺点：JPEG2000[3]具有较好的压缩性能，然而其算法复杂度很高，难以通过硬件实现和达到实时性的要求；SPIHT算法[4]抗错能力很差；CCSDS压缩算法[5]专门针对深空应用，其复杂度适中，压缩性能和JPEG2000相当。因此，本文选用CCSDS压缩算法作为压缩系统的设计理念。然而，CCSDS压缩算法仅推荐了一些压缩规范，具体编码器的设计需根据各种应用场合进行设计。
   本文在参考国内外相关技术的基础上，根据背景项目需求，结合TDICCD图像特点，从工程应用的角度提出了一种基于CCSDS压缩算法的空间TDICCD相机图像压缩系统。
1 压缩系统的提出
   CCSDS压缩算法总体上由离散小波变换(DWT)和位平面编码器(BPE)两部分组成，如图1所示。DWT用来去除图像空间相关性，BPE用来编码去除相关性后的数据。
   根据上述CCSDS算法原理，本文设计的CCD图像压缩系统组成如图2所示。
2 关键技术
2.1 离散小波变换VLSI设计
   CCSDS的离散小波变换使用3级二维9/7 DWT，包括浮点型和整形。浮点型在有损压缩时具有很高的压缩性能，而整形主要应用在无损压缩。空间CCD相机电子学图像压缩单元的主处理器选择FPGA，但FPGA处理浮点运算十分麻烦。因此，本文压缩系统采用9/7提升整数小波变换。9/7提升整数小波变换预测与更新步骤为：

块内DC系数采用DPCM编码方法可以取得较好的编码性能。本文设计的AC系数BPE编码结构如图5所示。

其中，OR为逻辑“或”，val_i^j是类型i的第j个系数的值，n[i]是最大深度。由于仅需要访问一次系数，因此访问存储器次数可以减少3倍。
   (2)并行扫描：BPE每个段含有16个块，本文对16个块独立进行扫描处理，即采用16个扫描模块(Scan0~Scan15)并行扫描系数。每个模块扫描一个块，扫描结果将转移字存储在RAM中，极大地提高了扫描性能。
   (3)转移字存储：熵编码模块由编码选择计算模块(CalcOption)和编码模块(Encoding)组成。这两个模块需要访问存储器的转移字，但是CalcOption仅需要长度大于1的转移字，它并不需要访问所有的转移字。因此，为了加速这个模块的计算，在存储转移字的同时将长度大于1的转移字复制到另一个存储器中，CalcOption计算时只需访问长度大于1的转移字的存储器即可，大大缩短了计算时间。
   (4)并行计算：在编码前，Rice熵编码模块需要最优编码选择（它是CalcOption模块的输出），在1 bit平面的编码选择计算时需要访问16个块中的转移字。为此，本文设计了两个相同且并行工作的模块，一个是访问Block0~Block7的访问字，另一个是访问Block8~Block15的访问字。通过比较两个模块的结果选择出最优编码。
3 实验结果
   为了验证本文提出的压缩系统的可行性，使用地面检测系统对其进行测试。地面检测系统向压缩电路板发送测试图像，压缩系统将图像压缩、解压后经Camera Link传输到PC机上进行分析，得到如图6所示的重构图像。由图6可知，本文提出的压缩系统是可行的。

为了测试本设计的压缩系统性能，地面检测系统向压缩系统发送各种测试图像进行实验，并与传统方法进行比较，实验结果如表1所示（压缩比为8：1）。

本文提出的图像压缩系统可以稳定可靠地工作，由以上实验数据表明，本系统非常适于航空面阵CCD相机的应用，为空间TDICCD相机图像压缩提供了一种很好的解决方案。
参考文献
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