一種基于CCSDS壓縮算法的紅外圖像傳輸方案

任瀟瀟

（上海機(jī)電工程研究所，上?！?01109

一種基于CCSDS壓縮算法的紅外圖像傳輸方案

任瀟瀟

（上海機(jī)電工程研究所，上海201109

給出了一種基于CCSDS壓縮算法的紅外圖像傳輸方案，其適用于某紅外圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)。重點(diǎn)從CCSDS圖像壓縮算法設(shè)計(jì)和圖像編碼器方案設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。在工程實(shí)際應(yīng)用中，該設(shè)計(jì)方案得到了驗(yàn)證，圖像傳輸效果良好，性能穩(wěn)定。

CCSDS壓縮算法紅外圖像

1　引言

在某工程實(shí)際應(yīng)用中，其獲取的紅外圖像信息需要進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。原始紅外圖像信息為PAL制式模擬信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)化后圖像大小為352288，每秒傳輸25幀圖像，則每秒鐘需要采集的圖像數(shù)據(jù)是35228825=2534400字節(jié)，而采集系統(tǒng)的采集傳輸能力為每秒1.6384M，每秒鐘能夠采集輸出的字節(jié)數(shù)為204800字節(jié)。此時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圖像數(shù)據(jù)的采集速率，必須對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膲嚎s才能通過完成圖像信號(hào)的傳輸。

2　圖像傳輸系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

圖像傳輸系統(tǒng)需要完成圖像采集、圖像壓縮、壓縮碼流輸出、壓縮碼流解碼、解碼圖像顯示等功能。具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）將PAL制模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號(hào)；

（2）對(duì)數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼和壓縮碼流數(shù)據(jù)輸出；

（3）壓縮碼流數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；

（4）壓縮碼流數(shù)據(jù)的解碼；

（5）解碼后圖像的顯示播放。

本文將主要從圖像壓縮算法設(shè)計(jì)和圖像編碼器方案設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3　圖像壓縮算法設(shè)計(jì)

3.1CCSDS算法簡(jiǎn)介

隨著航天技術(shù)的飛速發(fā)展，星載有效載荷數(shù)量不斷增加，更多空間圖像的采集也成為日益增長(zhǎng)的需求，因此下傳數(shù)據(jù)量變得異常巨大。大數(shù)據(jù)量的圖像信息會(huì)給星上存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量，通信干線信道的帶寬，以及計(jì)算機(jī)的處理速度增加極大的壓力。在航天器存儲(chǔ)器容量有限，信道帶寬極為珍貴的情況下，圖像數(shù)據(jù)壓縮成為必然的解決方法。

目前，我們接觸最多的主要靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)是JPEG 和JPEG2000，這兩大標(biāo)準(zhǔn)囊括了目前為止最主要的靜態(tài)圖像壓縮技術(shù)，比如DCT變換、Huffman編碼、DWT變換、EBCOT編碼等等。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在常見圖像壓縮方面有它們各自的優(yōu)劣，但是，對(duì)于空間圖像壓縮來說，由于它們的算法并不是專門為空間圖像壓縮所設(shè)計(jì)，所以不可避免地有著很多不足之處。

2005年，CCSDS（空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)）推出了一項(xiàng)新的圖像數(shù)據(jù)壓縮算法標(biāo)準(zhǔn)，制定算法標(biāo)準(zhǔn)的目的是為了解決有效載荷設(shè)備的數(shù)據(jù)壓縮，以及如何分段壓縮能使地面更好地接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)和解壓縮。算法的應(yīng)用能夠減少靜態(tài)圖像的數(shù)據(jù)量，這樣不僅可以降低傳輸帶寬，減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，而且在給定碼率情況下能縮短傳輸時(shí)間，提高實(shí)時(shí)性。

3.2CCSDS算法與各種算法的性能比較

CCSDS算法是一套用于空間領(lǐng)域的圖像壓縮算法標(biāo)準(zhǔn)，與當(dāng)前主流的圖像壓縮算法JPEG2000和SPIHT相比，CCSDS圖像壓縮算法的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。其基本單元包括離散小波變換（DWT）和位平面編碼器（BPE）。小波變換使用了和JPEG2000算法一致的9/7小波變換，位平面編碼器結(jié)構(gòu)卻要比JPEG2000算法的EBCOT編碼模塊簡(jiǎn)單得多，所以從整體來看CCSDS算法要比JPEG2000算法復(fù)雜度低［1］。

以無損壓縮能實(shí)現(xiàn)比特率bpp、以及有損壓縮恢復(fù)圖像和原始圖像的PSNR和MAE為指標(biāo)，從性能上對(duì)JPEG2000算法、SPIHT算法和CCSDS算法進(jìn)行了比較，來分析CCSDS算法的整體性能。測(cè)試所用的圖像都使用的由CCSDS組織提供的在空間應(yīng)用中具有代表性的圖像，包括8bit、10bit、12bit、16bit等不同位深的圖像。

比較3種算法的無損壓縮性能。用3種算法程序?qū)Ψ抡鎴D像進(jìn)行無損壓縮，然后比較壓縮碼流的碼率。對(duì)于同一副圖像，其無損壓縮后碼流的碼率越小說明壓縮算法的壓縮效率越高。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，CCSDS算法程序?qū)D像做無損壓縮后的平均碼流碼率與其他2種算法程序接近，差異不到0.2bits/pixel。

比較3種算法的有損壓縮性能。用3種算法程序?qū)Ψ抡鎴D像進(jìn)行有損壓縮和恢復(fù)，目標(biāo)碼率分別為0.25bpp（bit per pixel），0.5bpp，1.0bpp和2.0bpp，比較恢復(fù)圖像和原始圖像的PSNR值和MAE值。對(duì)于同一副圖像，其恢復(fù)圖像的PSNR值越大說明壓縮算法程序性能越好，其恢復(fù)圖像的MAE值越小說明壓縮算法程序性能越好。相關(guān)研究中比較PSNR值可以得出：CCSDS算法程序的性能比JPEG2000算法程序和SPIHT算法程序性能略低，但是相差不大。從MAE值可以看出：CCSDS算法程序的性能比JPEG2000算法程序和SPIHT算法程序性能相當(dāng)，在很多情況下會(huì)好于另外2種算法程序。綜上所述，雖然CCSDS算法性能略低于JPEG2000算法和SPHIT算法，但是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，算法復(fù)雜度低，易于低功耗硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)航天圖像領(lǐng)域具有較高的適應(yīng)性［2］。

3.3CCSDS圖像壓縮算法設(shè)計(jì)

CCSDS建議的壓縮算法原理框圖如圖1所示：

圖1　CCSDS建議的壓縮算法原理框圖

在進(jìn)行離散小波變換前，我們需要對(duì)圖像進(jìn)行一定地預(yù)處理，以提高壓縮系統(tǒng)的性能。在這里，由于要處理的圖像是8位無符號(hào)的灰度圖像，因此，預(yù)處理只進(jìn)行一項(xiàng)操作，即DC電平位移。圖像壓縮編碼算法是整個(gè)圖像壓縮方案中的核心部分。為了能得到較好的解碼圖像質(zhì)量，我們需要在軟件算法階段，根據(jù)輸入圖像特點(diǎn)等因素，在進(jìn)行一定實(shí)驗(yàn)分析的前提下，設(shè)計(jì)出合適的改進(jìn)型CCSDS圖像編碼算法如圖2所示。

圖2　圖像編碼算法的設(shè)計(jì)流程

4　圖像編碼器方案設(shè)計(jì)

圖像編碼器用于接收模擬視頻信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、壓縮編碼，最后生成PCM串行數(shù)據(jù)流對(duì)外輸出。

圖像編碼器由2塊板卡組成，分別為數(shù)字信號(hào)處理板和電源板。數(shù)字信號(hào)處理板由輸入接口模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、程序存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、輸出接口模塊組成。輸入接口模塊主要用于對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，通過DSP芯片實(shí)現(xiàn)圖像編碼的全部功能。同時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊還需完成對(duì)各種存儲(chǔ)模塊的數(shù)據(jù)調(diào)度以及與輸入、輸出接口模塊的數(shù)據(jù)通信功能。程序存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)DSP芯片正常運(yùn)行時(shí)所需加載的啟動(dòng)程序。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于緩存數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)行時(shí)所需要臨時(shí)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。輸出接口模塊主要用于將編碼碼流按照固定格式電平與碼率輸出到外部接收設(shè)備當(dāng)中。電源板用于將外部輸入電壓轉(zhuǎn)換成編碼器各模塊所需的工作電壓，供其正常工作。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的紅外圖像壓縮方案，適用于某紅外圖像實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)方案已在工程實(shí)踐中得到了驗(yàn)證，具有較好的抗誤碼能力，圖像傳輸性能良好穩(wěn)定。

［1］刁云；CCSDS圖像壓縮算法中量化編碼器的實(shí)現(xiàn)［D］；西安電子科技大學(xué)；2009

［2］張兆亮；基于CCSDS算法的星載圖像壓縮系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)［D］；西安電子科技大學(xué)；2010

Design of Infrared Image Transmission Based on CCSDS Compression Method

REN Xiao-xiao
（Shanghai institute of mechanical and electrical engineering，Shanghai 201109）

The article presents an infrared image transmission scheme based on CCSDS compression method，suitable for real-time transmission system of an infrared image.In this paper，CCSDS image compression method design and image encoder program design are introduced.In practical application，the design has a good effect and stable performance in the image transmission.

CCSDS compression methodinfrared image

TP3-05

A

1008-1739（2015）11-64-3

定稿日期：2015-05-12