文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)12-0044-03
目前有很多常用的壓縮算法，其中JPEG2000圖像壓縮標準可以在獲得高壓縮比的同時確保高圖像質量，另外還具有非常好的抗誤碼性能，在大面陣CCD相機圖像壓縮領域得到了廣泛的應用。JPEG2000壓縮的實現方法有多種，通常采用專用DSP芯片和FPGA芯片編程實現[1-3]，兩者分別利用各自的優點完成不同的功能。其中，專用DSP主要完成DWT變換等高速整型和浮點型運算功能，FPGA主要完成EBCOT等高效并行編碼算法功能[4-5]，但這種實現方法JPEG2000需要處理的數據量比較大，還需要外擴SRAM等大容量數據存儲器，從而使系統的集成度降低，而且其實時性受編程方法所制約。同時，目前大面陣CCD相機的成像和圖像壓縮存儲是兩個獨立的部分，中間連接包括復雜的接口和繁重的線纜，增加了相機的復雜度和重量。
本文提出了一種基于FPGA嵌入式處理器MicroBlaze和ADV212壓縮芯片相結合的高速、實時圖像壓縮系統[6-7]，系統中圖像采集和圖像壓縮等功能均由同一個核心處理器FPGA來完成，使系統的處理速度和集成度都有所提高。
1 大面陣CCD相機高速圖像壓縮系統組成
本系統以Analog公司生產的AD212作為圖像壓縮芯片，采用內有嵌入式處理器的高性能FPGA作為核心處理器，完成大面陣CCD模擬信號處理、視頻信號采集、圖像數據緩存、ADV212初始化、固件程序和參數注入、數字圖像傳輸等功能?？紤]到衛星平臺對系統穩定性的要求，系統應用FPGA和專用圖像壓縮集成芯片ADV212的高速、實時圖像壓縮方案，將壓縮后數據流送給圖像采集卡，由上位機對圖像壓縮性能進行分析。該方法實時性強，硬件接口電路設計簡單[8-10]，其系統組成框圖如圖1所示。
2 FPGA嵌入式處理器設計
Microblaze是Xilinx公司推出的32 bit軟處理器核，支持CoreConnect總線的標準外設集合，具有兼容性和重復利用性。Microblaze在VirtexⅡPro FPGA中的工作頻率可達到200 MHz，處理速度超過166 MIPS，是用途廣泛的CPU軟核。作為完整的CPU軟核，Microblaze允許用戶根據需要進行配置。了解Microblaze結構不但有助于用戶了解配置，還可以輔助分析Microblaze應用軟件的效率。
FPGA片外晶振為50 MHz，Microblaze軟核主頻為100 MHz，使用片外低復位，支持硬件調試方式，并使用16 KB片內BlockRAM作為CPU核的數據和指令暫存，同時還包括看門狗和定時器等基本外設。添加完硬件后，系統自動生成每個硬件模塊的地址范圍，如圖2所示。
dlmb_cntlr和ilmb_cntlr作為CPU核的數據和指令暫存，分配16 KB空間。Opb_central_dma_0作為讀取ADV212壓縮數據流的DMA控制器，Generic_External_Memory_1和Generic_External_Memory作為訪問SDRAM控制器的尋址空間。由于SDRAM控制器的SYS_ADDR共25 bit地址，所以這里分配32 MB尋址空間。其他還包括定時器、WDT、調試空間等。
3 壓縮處理器設計
JPG2000算法的硬件實現方法有多種，其中Analog Devices公司的ADV212系列性能比較高，實際應用廣泛。ADV212完全符合ISO/IEC15444-1標準，內部集成了專用小波變換單元、3個熵編碼器、RISC處理器以及多種存儲器，內部功能框圖如圖3所示。
通常情況下，采集的原始圖像數據通過VDATA總線輸入，像素接口根據幀同步信號VSYNC、行同步信號HSYNC和場同步信號FIELD接收數據，并傳送給小波變換模塊，經小波變換后的小波系數被存儲到內部存儲器中。從內部存儲器讀出的小波系數被送進3個熵編碼器進行并行處理，處理過程包括量化、率失真控制、上下文編碼和碼流組織等，并將最后的碼流送回內部存儲器。編碼后的JPEG2000碼流通過高速數據總線送給編碼FIFO，編碼FIFO 用來解決內部高速總線和低速主機接口之間的沖突。最后的JPEG2000碼流通過HDATA總線結合DREQ和DACK輸出。
4 實驗及結果分析
本文在不同的壓縮碼流速率條件下，對大面陣CCD圖像進行實時壓縮，調試過程中，先將壓縮后的數據流傳送到上位機，由上位機專用解壓縮軟件進行解壓，查看測試圖像和文件格式是否正確。如果正確，則說明圖像壓縮過程正常，可進一步把壓縮后的數據流交由解壓縮部分進行解壓。由于圖像很大，所以解壓縮后截取圖中的左上象限進行顯示。在壓縮比特率為1.5 bit/pixel、0.6 bit/pixel、0.3 bit/pixel和0.15 bit/pixel等幾種情況下進行圖像壓縮，圖4和圖5分別為壓縮比特率為1.5 bit/pixel和0.15 bit/pixel時的壓縮結果。其中，壓縮比特率為0.15 bit/pixel時，壓縮比近似53:1，此時圖像已經模糊。
圖像壓縮性能通常用峰值信噪比PSNR來表示，好的重建圖像PSNR值一般為30 dB以上。本文分別對幾種不同壓縮比特率下得到的壓縮圖像進行了PSNR計算，結果如表1所示。從表1可以看出，即使在壓縮比特率為0.15(壓縮比接近53:1)的情況下得到圖像的PSNR值也達到了36 dB，可見此圖像壓縮方案的壓縮性能非常好[11-12]。
本文提出了一種基于FPGA嵌入式處理器MicroBlaze和ADV212壓縮芯片相結合的高速、實時圖像壓縮方案。結合大面陣CCD輸出的圖像數據，詳細闡述了ADV212的工作流程、固件程序和參數注入以及視頻處理等功能，并介紹了FPGA內部嵌入式處理器MicroBlaze的開發過程。實驗表明，當壓縮比為53:1時，重建圖像的PSNR值可以達到36 dB。此方案不僅提高了處理速度而且增加了系統的集成度，為今后大面陣CCD圖像的高速、實時壓縮提供了更好的解決方案。
參考文獻
[1] 商小川，周輝，張星祥，等.基于FPGA的大面陣CCD高幀頻驅動電路設計[J].液晶與顯示，2009，24（5）：735-739.
[2] 齊春東，陳亮，曾濤.多通道CCD圖像數據實時記錄系統[J].光電工程，2009，36（12）：147-150.
[3] 蘇宛新，程靈燕，程飛燕.基于DSP+FPGA的實時視頻信號處理系統設計[J].液晶與顯示，2010，25（1）：145-148.
[4] 張學全，顧曉東，孫輝先.CCSDS星載圖像壓縮模塊的FPGA設計與實現[J].半導體光電，30（6）：935-939.
[5] 武文波，王琨，陳大羽，等.CCSDS在遙感圖像壓縮中的應用研究[J].航天返回與遙感，2010，31（2）：46-50.
[6] 鄭成林，龔俊斌，劉福學，等.基于ADV202的無人機序列圖像壓縮系統設計[J].計算機與數字工程，2010，38(11)：136-141.
[7] 劉永征，劉學斌，胡炳梁，等.基于ADV212的JPEG2000靜態圖像壓縮系統設計[J].電子器件，2009，32(3)：504-508.
[8] 孫紅進.FPGA實現的視頻圖像縮放顯示[J].液晶與顯示，2010，25（1）：130-133.
[9] 張達，徐抒巖.高速多通道CCD信號并行處理系統[J].吉林大學學報：信息科學版，2008，26(3)：281-286.
[10] 王明富，楊世洪，吳欽章.大面陣CCD圖像實時顯示系統的設計[J].光學精密工程，2010，18（9）：2053-2059.
[11] 蘇令華，李綱，衣同勝.一種穩健的高光譜圖像壓縮方法[J].光學精密工程，2007，15(10)：1609-1615.
[12] 趙峰，袁東風，張海霞.多DSP圖像壓縮實時并行處理系統[J].光學精密工程，2007，15(9)：1451-1455.