基于DSP和LBT的遥感图像数据压缩系统设计
数据压缩系统是卫星数传分系统的前端模块，接收并压缩星载CCD相机的图像数据。压缩后的码流通过固存设备传输给卫星发射机进行发射，进入数传信道。某卫星星载多个线阵CCD相机，相机时钟频率为50MHz，帧周期为0.77ms，每帧数据为4 096字节，总码速率为725Mbps。要求以1:1、4:1和8:1三种压缩模式压缩相机的图像数据，输出速率在8：1模式下小于100Mbps，在4：1模式下小于200Mbps。并且，机械特性、热特性、电特性等符合接口数据单要求。
自2000年以来，笔者在国外著名学者Malvr提出的双正交重叠变换[1](LBT)的基础上系统地研究了整数(重叠+DCT)的块变换算法以及低复杂度的存储编码算法，使其图像压缩质量与JPEG 2000推荐的小波方法近似。由于克服了边缘效应，因而质量明显高于JPEG压缩方法，而且计算复杂度与存储量又比小波方法有显著改善。
目前的卫星遥感图像压缩系统硬件方案大多基于高性能可编程逻辑器件FPGA[2-4]。但这种方案整系统成本居高不下，且FPGA存在单粒子翻转效应。因此，笔者提出一种多DSP+FPGA的硬件设计结构，使用DSP取代FPGA完成核心算法，而仅用一个FPGA进行管理和控制。该硬件设计成本较低。
1 基于双正交叠式变换的低复杂度图像压缩方法
1.1 双正交重叠变换的快速整数实现
在有损压缩中，通常先对图像矩阵进行正交/双正交变换，使能量分布集中，表示更为稀疏。离散余弦变换(DCT)由于具有良好的去相关效果，并且存在相应的快速算法，应用广泛。双正交重叠变换继承了DCT 计算简便、存储要求低的特点，同时克服了DCT的块效应。这里以LBT为蓝本提出双正交重叠变换的快速整数实现算法[5]，所有系数均采用分母为2的幂、分子为整数的分数近似，从而使整个变换过程只需要整数加法和位移运算。图1给出了一维binLBT的实现流程，二维变换按先行后列的顺序分别进行一维变换。
1.2 零树编码的简化与改进
SPIHT作为一种高效零树编码方法，对位平面进行了集合划分，将大量的非重要位0集中到几个具有特定模式的集合里面，并对含有重要位的此类集合进行划分，直至将集合划分为具体的元素。LBT系数块中存在着类似零树结构。图2中给出了模仿小波变换中树结构的LBT块变换中的零树划分方法，其中每一个线框对应着一个系数，实线则将64个系数分为10个子带。由于块变换具有集中能量的作用，系数的能量由左上到右下逐渐减少。
在每一子带中，首先使用Golomb方法编码，再将其输出码流输入到MQ编码器，进行下一步的编码。零树编码过程应用了零树结构中父子节点间的相关性，需要在已知父节点的情况下定位它的子节点。因此，在LBT系数输出后进入编码器前，利用线性索引的方法对LBT系数重新排序，将其放置在一维数组里。
2 并行多DSP+FPGA的硬件设计方案
2.1 系统硬件整体框图
数据压缩系统硬件总体框图如图3所示。2x-1路串行CCD数据通过LVDS接口多路并行进入FPGA进行时序转换，每个DSP通过两个串口以EDMA方式从FPGA读取两路相机数据并缓存、压缩编码，整个数据压缩系统需要x个DSP并行处理。压缩后码流数据通过串口输出到FPGA，FPGA重新缓存、组帧、时序转换后输出到固存设备。码流数据输出、遥控指令输入、遥测信号输出和电源的接口均通过底板总线和数传综合处理器连接。
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