多光谱可见光遥感图像压缩系统设计

摘要：为了实现多光谱可见光遥感图像高质量压缩的要求，提出以JPEG2000压缩标准为理论，将FPGA与专用压缩芯片ADV212相结 合的空间遥感图像压缩方法。该系统设计采用ADV212，通过小波变换及熵编码实现对大数据量的空间遥感图像进行高质量实时压缩，并且采用FPGA完成图 像数据输入、压缩码流输出、图像预处理以及对ADV212的工作模式进行控制。实验结果表明，该系统设计功耗低、成本低、调试简单合理，具有较好的压缩效 果。可满足多光谱可见光遥感图像对高质量压缩比的要求。
关键词：遥感图像；JPEG2000；ADV212；FPGA

近年来，随着航天遥感技术的发展空间遥感数据量日益庞大，图像数据量的巨大带来传输的瓶颈。同时，空间相机图像细节丰富，卫星飞行高度通常几百千米以上， 对地面覆盖范围广，地面上的小目标在卫星成像后，通常只有几个像素，因此研究空间相机图像压缩系统具有重要意义。由于JPEG2000标准采用了许多新的 压缩编码技术；全帧离散小波变换、整数DWT滤波器、带中央死区的均匀量化器实现嵌入式编码等。由此得到最佳的嵌入式码流，改进了抗误码能力和部分空间随 机存取能力，简化了某些几何操作，得到常灵活的码流语法，其在遥感图像压缩中的应用也受到重视，因此，本文研制了基于JPEG2000的空间相机图像压缩 系统。

1 JPEG2000图像压缩标准
JPEG2000是JPEG工作组制定的静止图像压缩编码的国际标准，JPEG2000采用全帧离散小波变换(DWT)，DWT自身具有 多分辨率图像表示性能，而且在大范围内去除图像的相关性，将图像能量更好集中，使压缩效率得到提高；由于使用整数DWT滤波器，在单一码流中可以同时实现 有失真和无失真压缩；通过使用一种带中央“死区”的均匀量化器实现嵌入式编码。由此得到最佳的嵌入式码流，改进的抗误码能力，部分空间随机存取能力，简化 了某些几何操作，得到了活跃的码流语法。JPEG2000图像压缩标准主要特征：
1)良好的低比特率压缩性能 这是JPEC2000最主要的特征。之前的JPEG标准，对于细节分量多的灰度图像，当压缩码率低于0．25 bpp时，视觉失真大。JFPEG2000格式的图片压缩比可以在JPEG的基础上再提高10％～30％，而且压缩后的图像显得更细腻平滑。尤其在低比特 压缩码率下，具有良好的性能，以适应窄带网络、移动通信等带宽有限的应用需要。
2)累进式传输 现采用JPEG压缩的图像下载时是按“块”传输，因此只能一行一行显示，而采用JPEG2000格式的图像支持累进传输(Prog-ressive Transmission)。累进式图像传输允许图像按照所需的分辨率或像素精度进行编码和重构。用户根据需要，对图像传输进行控制，在获得所需的图像分辨率或质量要求后，在不必接收解码整个图像的压缩码流情况下，便可终止解码。
3)码流的随机访问和处理 这一特征允许用户在图像中随机地定义感兴趣的区域，使得这一区域的图像质量高于其他图像区域；码流的随机处理允许用户进行旋转、移动、滤波和特征提取等操作。
4)良好的抗误码性 在码流中提供抗误码性对于通信是必要的。例如在无线传输等误码很高的通信信道中传输图像时，JPEG2000系统采取一定的编码措施和码流格式来减小因解码失败造成的图像失真。

2 JPEG2000图像专用压缩芯片ADV212
实现JPEG2000的方案主要有基于DSP处理器的系统、基于FPGA进行的硬件实现，以及采用专用集成电路。由于DSP处理器处理的 串行性，其很难达到实时性。而采用FPGA硬件实现可以加快处理速度，但JPEG2000算法会占用大量的FPGA资源，同时系统功耗也会增加。采用专用 集成电路实现则可以很好解决上述问题。JPEG2000编解码器ADV212采用具有专利技术的空间超效率回归滤波(SURF)技术，具有低功耗和低成本 的特点。它是具有实时压缩和解压缩标准(SD)视屏信号和高清晰度(HDTV)视屏信号功能的编解码器。
图l是ADV212功能框图。该编解码器主要由像素接口、小波变换引擎、熵编解码器、嵌入式处理器、存储器系统和内部DMA引擎等组成。专利最大图块／图 像高度为4 096像素；不可逆模式最大输入速度为65 Ms／s。可逆模式最大输入速度为40 Ms／s的任何视频格式；灵活的异步主机接口能无缝连接到大多数16／32位微控制器。视频接口支持8、10、12位单一或多元格式，支持8、10、12 双通道位格式的视频和静止图像数据，支持单通道输入模式下YCrCb格式的数字视频和双通道输入模式下Y和CrCb分离的数字视频信号，但YCrCb数据 必须是4：2：2格式。VDATA总线可支持多种格式视频数据的输入输出。