基于FPGA的彈載遙測圖像壓縮系統

馬豹 焦勝利 尹冬強

摘要

針對彈載遙測圖像數據量大、傳輸速度高和實時性高的特點，以FPGA為基礎平臺，結合圖像壓縮芯片ADV212，本文設計了一種彈載遙測圖像壓縮系統。該系統具備高速Camera-link圖像接口，能夠實時接收外部高速圖像數據并同時進行圖像壓縮，輸出JPEG2000標準數據流。測試結果表明，系統的壓縮比達到40：1，且壓縮圖像基本無失真。

【關鍵詞】FPGA ADV212 JPEG2000 圖像壓縮

1 引言

近年來，隨著我國航空航天技術的不斷發展，彈載遙測技術也得到了突飛猛進的發展，成為了現代高新技術領域的重要組成部分。圖像作為信息最直觀的表達方式，在遙測系統的地位越來越重要，越來越多的用戶要求遙測圖像實時高速回傳到地面，與此同時遙測圖像的分辨率不斷提高以及數據規模的爆炸式增長，對頻帶的利用率和實時性要求越來越高，增加了遙測通信技術的難度。為解決這些困難，在不影響圖像觀測質量和后期處理的情況下，將遙測圖像數據按照一定壓縮比進行壓縮，來滿足遙測圖像數據傳輸帶寬的需要。

遙測圖像壓縮采用最普遍的壓縮算法是JPEG2000壓縮算法，JPEG2000壓縮算法采用離散小波變換，自適應算術編碼和優化截斷的嵌入式編碼方式，具有高壓縮比、有損壓縮和無損壓縮、感興趣區域壓縮等特點。實現JPEG2000壓縮一般有兩種方式，一種方式是FPGA+DSP實現壓縮算法，這種方式設計比較復雜，優化比較困難，很難做到性能近一步提高.，另一種方式是基于專用圖像壓縮芯片實現壓縮，與FPGA相結合實現高速壓縮處理，并通過FPGA對壓縮芯片進行初始化、參數配置和時序控制完成圖像壓縮。本文利用專用圖像壓縮芯片ADV212與Xilinx公司VirtexⅡ系列FPGA來實現圖像壓縮。

2 ADV212芯片原理

ADV212是AD公司的一款實現JPEG2000編解碼的芯片，該芯片主要由像素接口、小波變換引擎、熵編解碼器、嵌入式處理器、存儲器系統和內部DMA引擎等組成。ADV212內嵌了一個32位的RISC處理器，作為整個系統的控制者，并具有自己的ROM和RAM。ADV212集成了一個基于ADI專利的空間高效遞歸濾波小波技術（SURF技術）的小波核，支持9/7不可逆模式小波變換和5/3可逆、不可逆模式小波變換。由于熵編碼的復雜度，ADV212提供了3個專用的硬件熵編碼器。內部DMA引擎為內部存儲器之間、內部存儲器和各個功能模塊之間提供高速傳輸數據能力。ADV212的視頻接口支持包括PAL在內大部分通用格式。通過對ADV212內部寄存器的配置，可以實現視頻接口的選擇，以及對圖像壓縮質量、壓縮比等參數的控制。在本系統中圖像像素數據輸入到ADV212的像素接口，通過該像素接口對圖像數據進行采集并發送給小波變換工具進行處理，圖像被分解為若干子帶，小波變換的系統都存入ADV212的內存中，最后由熵編碼進行處理獲得標準的JPEG2000壓縮碼流。圖1給出了ADV212的功能框圖。

3 系統設計

圖像壓縮系統包括兩部分設計：硬件設計和軟件設計。硬件設計部分主要介紹了系統組成包括FPGA、SRAM、Camera-link接口和ADV212，并對器件的功能進行說明，給出了FPGA與ADV212的接口連接方式；軟件設計部分主要簡單介紹了圖像壓縮系統的工作流程，詳細介紹FPGA初始化ADV212的過程和參數設置，同時對原始圖像的接收和壓縮圖像數據存儲控制進行了說明。

3.1 系統硬件設計

圖像壓縮系統基于FPGA+ADV212為架構設計，如圖2所示。通過對系統需求功能分解，對所需FPGA的資源進行評估后，選用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列的FPGA作為整個系統的控制核心[8]。FPGA外掛兩片存儲容量為16Mbits的SRAM，能夠滿足512*640*16bits圖像的數據緩存，型號為IS61WV102416BLL。選用NS公司的DS90CR286MTD芯片作為Camera-link接口芯片，接收速率為lOOMB/s，能夠滿足14MB/S的圖像采集要求。

圖像探測器：完成圖像采集，并將圖像數據通過LVDS接口信號發送給FPGA。

FPGA：完成數據采集、處理、仲裁及分發；完成ADV212初始化、SDRAM和SRAM讀寫控制。

SRAM：在FPGA控制下，緩存實時原始圖像數據。

Camera_link接口：接收LVDS差分數據，解析出HVF信號、圖像數據和圖像時鐘。

ADV212：在FPGA的控制下，完成圖像壓縮，并輸出JPEG2000壓縮碼流。

數據綜合器：接收圖像壓縮系統發送的JPEG2000壓縮碼流。

為滿足系統高速壓縮的需要，圖像壓縮系統是采用ADV212的VDATA模式，此模式通過12bit寬度的VDATA總線傳輸圖像數據至ADV212進行壓縮。FPGA將一幀數據全部成功發送給ADV212以后，ADV212壓縮完成后產生中斷給FPGA，FPGA通過控制ADV212的片選信號和讀信號從HDATA總線讀取JPEG2000壓縮碼流，如圖3所示。

3.2 軟件設計

系統上電后，首先由FPGA完成對ADV212初始化及參數配置。初始化過程如下：

（1）將ADV212設置為No-Host Boot模式，對ADV212進行初始化；

（2）下載ADV212固件到固件地址0×50000；

（3）對固件參數地址0×57F00設置固件參數：設置ADV212為custom specific模式、設置小波變換的壓縮參數、設置圖像壓縮比為40：1等；

（4）設置內部寄存器：設置輸入圖像格式為單色圖、并設置尺寸寄存器512×640×12、設置CODE FIFO滿128字節后觸發中斷；

（5）配置完成后使能ADV212初始化成功中斷和CODEFIFO滿中斷。圖4為壓縮芯片ADV212配置流程圖。

在FPGA完成對ADV212的初始化配置后，等待接收圖像數據進行壓縮。根據圖像探測器的時序，圖像預處理模塊接收Camera-link接口解串后的圖像數據，并將其在外掛的SRAM組中緩存。當檢測下一幀圖像場同步上升沿時，讀取緩存在SRAM中的上一幀圖像進行時序調整并送給ADV212進行壓縮處理；時序調整時，從SRAM中讀取數據，利用計數器分別對參考時鐘、行同步下降沿進行計數，根據計數值按照ADV212要求的時序將圖像數據輸出。設計過程中，對SRAM的讀寫時序進行嚴格的控制。

當FPGA檢測到中斷信號有效，讀取的壓縮碼流數據，開始存儲壓縮數據到FPGA內部FIFO中緩存，在這個過程中要不斷檢測JPEG2000的幀尾，當檢測到“FFD9”時表示一幀結束，同時將幀尾存儲到內部FIFO，將壓縮數據通過422接口發送給數據綜合器，數據綜合器接收到壓縮的圖像數據后，進行組幀后通過無線遙測信道發送給地面接收設備。

4 實驗結果

4.1 實驗平臺

圖像壓縮系統的實驗平臺由Camera-link接口單元測試臺、圖像壓縮系統、計算機、解壓軟件、測試用電源和測試用電纜等組成，如圖5所示。單元測試臺用來發送原始圖像源和接收壓縮后的圖像數據。計算機將原始圖像源通過網絡接口發送給單元測試臺和接收網絡接口傳輸過來的壓縮后的圖像數據，并壓縮后的圖像數據通過解壓軟件，完成解壓和圖像顯示。

4.2 實驗步驟

本系統選用一幅紅外圖像作為圖像源，圖像大小為512*640*14bit，具體完成以下步驟：

（1）驗證系統的壓縮比為40：1，輸出JPEG2000格式；配置ADV212小波基參數，選取5/3可逆模式進行測試，圖像解壓后不損失圖像細節信息。

（2）測試壓縮系統壓縮速率，利用單元測試臺通過Camera-link接口，每秒連續發送22幅圖像，圖像壓縮系統適應性。

4.3 實驗結果

（1）系統上電后，配置ADV212完成后，通過計算機將圖像源加載到單元測試臺，單元測試臺再通過Camera-link接口發送原始圖像數據給圖像壓縮系統進行壓縮；壓縮完成的圖像數據通過網絡接口再傳給計算機，計算機接收壓縮后圖像，每幅圖像大小為16KB左右，文件格式為.j2c，解壓后的圖像與原始圖像基本一致，圖像細節信息基本無損失，如圖6、7所示。

（2）查看計算機接收的壓縮圖像數據，ADV212壓縮后的每一幅圖像數據，都會在ADV212幀頭“FFFFFFF1”后自動插入幀計數，如圖8所示，幀計數從“00000000”到“00000015”連續無丟幀，能夠滿足高速通信接口下，圖像壓縮系統的壓縮處理時間。

通過實驗測試，圖像壓縮系統能夠保證壓縮圖像的壓縮比，圖像無失真，又能保證高速圖像的壓縮性能。

5 結論

在實際的彈載遙測通信中，遙測圖像的傳輸帶寬決定了壓縮后圖像數據的大小，也就決定著圖像壓縮比，能夠在保證壓縮比的前提下，圖像壓縮后能夠無失真還原，對壓縮系統設計有著重要的研究意義。本文基于FPGA+ADV212的架構來完成圖像壓縮，實時輸出JPEG2000標準數據流，并對紅外圖像進行驗證測試，驗證系統既能滿足壓縮比40：1，又能保證圖像壓縮基本無失真，能夠最大程度保留了圖像的細節信息；此外系統壓縮選用VDATA模式，利用FPGA接收外部高速輸入的圖像數據，控制實現ADV212場行同步時序，提高了ADV212的壓縮效率，從而保證了圖像壓縮系統的壓縮性能。

參考文獻

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