文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182839
中文引用格式： 連佳佳，王志有，王利斌，等. 基于JPEG2000算法的圖像編碼裝置的設計[J].電子技術應用，2019，45(3)：46-49.
英文引用格式： Lian Jiajia，Wang Zhiyou，Wang Libin，et al. Design and implementation of multi-interface high frame-rate image compression device[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：46-49.
0 引言
在現代遙感技術中，人們對于圖像傳輸的要求越來越高，其中速率和質量的提高以及圖像數據的實時傳輸是現在最主要的研究熱點[1]。而伴隨著遠程遙感設備采集到的圖像質量的不斷提高，信道中攜帶的數據量也隨之增加，增加傳輸信道帶寬的方法僅僅是治標不治本，并且信道并不能無限制使用。因此，本文基于遙感器的特殊工作環境和模式，提出了數據壓縮編碼技術的硬件實現方法，從根本上解決問題[2]。
國內某研究所針對相關遙感項目提出關鍵指標：空間遙感圖像采集、壓縮速率為100幀/s，壓縮倍數為75倍，對地圖像傳輸通道波特率為2.457 6 Mb/s。基于上述指標，本文提出了基于JPEG2000算法的圖像編碼裝置的硬件實現方法。
1 壓縮編碼算法介紹
相比JPEG算法，JPEG2000編碼算法具有更高的壓縮比和抗誤碼性能[3]，解決了在低比特率編碼時會出現的方塊效應，以及比特差錯時出現的嚴重損壞問題，其主要由四部分組成，包括預處理、DWT、均勻量化和EBCOT編碼，如圖1所示。
預處理：將不能滿足JPEG2000壓縮算法要求的原始圖像數據分成矩形塊，與JPEG編碼相比JPEG2000中的每個矩形塊的大小并不需要是規定且一致的，最小單位可以到像素大小，其中每個矩形塊都單獨使用自己的參數實現編碼[4-5]。由于在離散小波變換之前的圖像數據要求軸對稱分布，因此對于無符號數需要先進行平移，再進行歸一化處理，之后采取分量變換的方式以便除去彩色分量之間的相關性，以減少數據量。本文采用不可逆的實數彩色變換（ICT），這是一種將RGB圖像轉換為亮度和色差數據的一種變換方式，本文主要采用YCbCr4:2:2的方式，對亮度的采樣率是對顏色采樣率的兩倍關系，并且優先傳輸比較重要的亮度信息，RGB到YCbCr的變換式如式(1)所示。
DWT：離散小波變換的主要作用是將圖像的能量收斂到權重更高的低頻子帶，其本質是產生大量無限接近于0的小波系數。離散小波變換本質上是對每個矩形塊先進行水平方向的濾波，再對得到的每個輸出用同樣的濾波器組進行垂直方向的濾波。圖2為一個二級小波變換示意圖，原始圖像通過第一級小波變換后會被分為代表信號中低頻成分的LL子帶和代表信號中邊緣、紋理、細節等高頻成分的LH、HL、HH子帶，而第二級的小波變換針對的就是經過第一級變換得到的LL低頻子帶，LL低頻子帶參照第一級小波變換進行進一步分解。以此類推，經過多級小波變換后，圖像數據完成了主要信息和邊緣信息的分別存儲，為后面比特層掃描編碼和碼流優化截斷提供了條件[6]。
量化：JPEG2000編碼標準提供了一種死區標量量化的處理方式，所謂“死區”就是在零點附近的輸入區間內量化步長寬度是其他輸入區間的兩倍，應注意小波變換后的子帶已經是最小單元，因此每個子帶都只采用一個量化步長。量化的公式如式(2)所示，該處理方式主要是根據小波子帶的視覺特性或者碼率控制的要求分析得出量化步長Δ，將步長Δ帶入式(2)即可得到量化后的值q[7]。
EBCOT編碼：經過離散小波變換和量化之后的小波系數并不能完全消除它們之間的相關性，因此需要進行EBCOT編碼進一步地消除。先將經過量化的小波系數劃分為尺寸是2的整數次冪大小的矩形碼塊，以矩形碼塊為最小單位編碼。EBCOT編碼分為兩步進行：(1)Tier1部分包括比特層掃描編碼和算數編碼，比特層掃描編碼是以碼塊為單位從最高有效位平面開始編碼，通過對每一層分別進行3次掃描，將其根據一定的規則分為3個通道分別進行處理并生成上下文、決策位，這3個通道數據再通過算數編碼器，最后針對每個碼塊就生成了嵌入式編碼碼流。(2)在Tier2部分，具有截斷點的編碼碼流根據失真率優化原則，將權重較低的碼流數據舍棄，并對截斷點的位置信息進行編碼，最終將保留下的各比特層的數據碼流打包，輸出最終的JPEG2000圖像數據碼流[8-10]。
2 系統設計
本圖像壓縮裝置采用FPGA+JPEG2000標準芯片結構，以FPGA為主控芯片實現對各模塊的邏輯控制以及數據通信，實現運用JPEG2000標準編碼算法進行圖像壓縮的硬件設計。總體方案如圖3所示，本裝置主要包括以下5個模塊：系統控制、圖像接收、圖像緩存、壓縮編碼以及數據傳輸。
本裝置中系統采集到的原始圖像數據通過圖像接收模塊（LVDS接口）接收，并且進行解串之后，為了解決由于傳輸速率過快可能導致的數據丟失問題，需要先進行數據緩存，再將數據無失真地傳輸給壓縮編碼模塊。最后為了測試圖像壓縮編碼后的效果，通過數據傳輸模塊（RS422）把壓縮編碼后的數據轉化為異步串行數據傳輸到上位機[11]，再經過MATLAB解碼可以查看到圖片是否失真。
2.1 LVDS圖像采集接口設計
采集接口采用了LCD Panel通用的接口標準LVDS低壓差分信號接口，信號的傳輸速率可達幾百Mb/s，是在TTL電平方式傳輸寬帶高碼率數據時，為了降低系統功耗以及消除EMI電磁干擾而被研究出來的一種數字視頻信號傳輸方式。
圖4為LVDS信號實際測試波形圖，圖中的幀同步信號、行同步信號和同步時鐘信號都是高電平有效，當幀同步信號有效時讀取圖像數據中的一幀，行同步信號有效時讀取圖像數據中的一行。只有幀同步信號、行同步信號同時為高電平時，在時鐘的上升沿觸發下才可以讀取到LVDS接口原始圖像數據。
本裝置中LVDS接口輸入的圖像為YCbCr4：2：2格式，它的主要功能是將輸入的圖像數據進行處理，為提升系統速度，充分利用時鐘資源，使存入到SRAM的數據為16 bit，數據在FPGA內部用時鐘打2拍[11]。
2.2 圖像緩存設計
本裝置選用兩片SRAM進行乒乓緩存，以提升傳輸速率，數據處理流程如下：系統上電后，緩存模塊初始化選擇SRAM0，當檢測到有數據輸入時，SRAM0寫請求信號使能有效，開始存儲數據，數據從SRAM0的地址0開始寫入，當寫入的數據量達到已設置好的容量后，地址計數器給出SRAM0滿標志信號，停止寫入數據，同時將SRAM0的寫地址計數器清零，等待壓縮模塊讀取圖像數據。此時SRAM1寫請求信號使能有效寫入數據，同時SRAM0讀請求信號使能有效[12]。原理圖如圖5所示。
2.3 壓縮編碼模塊設計
ADV212是一款專用壓縮編解碼芯片，具有實時壓縮和解壓縮的功能。在工作時具有延遲小、功耗低、工作模式靈活可控的優點[13]。
本裝置中圖像壓縮模塊的工作流程如圖6所示。首先在系統正常工作前需要對ADV212進行參數配置，即對內部的直接寄存器和間接寄存器進行初始化操作，其中對間接寄存器的配置需要通過把要調用的地址寫入直接寄存器IADDR和STAGE中，再把數據寫入到寄存器IDATA中。本模塊的主要功能是將從存儲模塊讀取到的原始圖像數據進行JPEG2000標準編碼處理，然后通過接收讀取數據命令，回讀編碼后的數據[14]。
本裝置中，選用9/7濾波器將每個矩形塊分解成許多子帶，同時將產生的小波系數寫入到相應寄存器中[15]，其中輸出的碼流格式為包含亮度和色彩數據的YCbCr格式。在本模塊中，對于YCbCr格式，樣本值是每行像素值的兩倍。因此，壓縮一幅320×240的彩色圖像，固件參數應當設置為160×120。
3 系統測試
測試和控制該裝置接收和存儲壓縮編碼數據的地面測試軟件操作界面如圖7所示，上位機軟件正在接收經過壓縮模塊的圖像數據。
通過地面測試臺發送原始彩色圖像，如圖9所示，其尺寸為150 KB。再將接收到的壓縮編碼圖像數據通過圖像解碼顯示軟件解碼顯示，如圖10所示，一幀圖像大小約為2 KB。對比發現，系統實際實現的壓縮比約為75:1，通過實際測試發現，解碼后的圖像失真度較小，壓縮效果較好，滿足系統要求。
4 結束語
本文基于箭載的航天背景，設計并實現了一種基于JPEG2000算法的高幀頻圖像壓縮編碼裝置。最后通過系統測試平臺對壓縮編碼裝置進行了系統測試，經過分析，該裝置滿足了預期要求的壓縮倍數和壓縮速率。結果表明，本文設計的圖像壓縮編碼裝置在滿足高幀頻的同時可以實現高壓縮比的要求，并且系統穩定，具有極高實用價值。
參考文獻
[1] 翁天陽，莊宇，于瑋，等.基于HPS和FPGA的圖像壓縮感知編解碼系統[J].電子技術應用，2017，43(5)：90-93.
[2] 祁志恒，姜喆，張為.基于ADV212的雷達圖像壓縮傳輸系統[J].電子技術應用，2015，41(11)：78-80，84.
[3] 朱秀昌，劉峰，胡棟.數字圖像處理與圖像通信[M].北京：北京郵電大學出版社，2016.
[4] 祁志恒.基于ADV212的JPEG2000圖像壓縮系統設計[D].天津：天津大學， 2016.
[5] CHRYSAFITS C，ORTEGA A.Line-based, reduced memory，wavelet image compression[J].IEEE Transactions on Signal Process，2000，9(3)：378-389.
[6] 姜喆.高性能JPEG2000圖像編碼器的VLSI設計[D].天津：天津大學，2012.
[7] 王丹，楊允基.ADV212編解碼芯片原理及應用[J].艦船電子工程，2008(5)：106-109.
[8] 孫寶海.基于TI DM8148構架的視頻編碼系統的設計與實現[D].太原：中北大學，2017.
[9] 黃德祥，湯愛武，徐升，等.基于ADV212的無人機實時視頻解碼系統設計[J].無線電工程，2014，44(10)：59-63.
[10] 晁富邦.基于ARM的嵌入式視頻采集與壓縮系統設計與研究[D].重慶：重慶大學，2009.
[11] 劉敏慧，高楓，劉文怡.基于FPGA和ADV212的彩色圖像實時壓縮系統的設計[J].現代電子技術，2017，40(22)：88-90，94.
[12] 藺志強.大容量緩存壓縮裝置的設計與實現[D].太原：中北大學，2013.
[13] 齊鳳梅，孫立成.機載高速相機圖像準實時下傳方法[J].飛行器測控學報，2012，31(4)：25-28.
[14] 王剛，陳曉曙.面向無線傳輸的實時視頻壓縮編碼系統設計[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2011，34(12)：1819-1822.
[15] 關曉磊，孟立凡.JPEG2000的近距離無線視頻傳輸系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2011，11(11)：41-44.
作者信息：
連佳佳1，王志有2，王利斌3，劉文怡1，張會新1
（1.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051；
2.北京宇航系統工程研究所，北京100076；3.北京強度環境研究所，北京100076）