[發明專利]一種基于FPGA的星載圖像壓縮的小波變換系統及方法

有效

• 申請號: 201110156077.4
• 申請日: 2011-06-10
• 公開（公告）號: CN102289828A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發明（設計）人: 顧曉東;陳軍;王懷超;安軍社;陳曉敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院空間科學與應用研究中心
• 主分類號: G06T9/00
• 分類號: G06T9/00
• 代理公司: 北京法思騰知識產權代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;高宇

技術領域

本發明涉及圖像壓縮領域，特別是涉及一種基于FPGA的星載圖像壓縮的小波變換系統及方法。

背景技術

近年來，隨著我國航天技術的迅猛發展，星上傳感和探測設備無論在數量還是精度上都比以前大大增加，在有效觀測時間段內衛星獲取的圖像數據量越來越大，這些“海量”圖像數據給存儲和傳輸帶來了極大的壓力。由于星上存儲器的容量受制于體積、重量、功耗等方面的限制不可能無限增大，同時星-地下行鏈路的傳輸能力受制于傳輸帶寬和地面站有限的可視時間限制，于是在軌圖像壓縮就成為星上數據處理的一個必備環節。而開發高性能的星載高速圖像壓縮系統就成為解決空間數據存儲和傳輸問題的必然選擇。

圖像壓縮的硬件實現包括有基于ASIC、FPGA和DSP三種方式，其中基于FPGA的實現方式以其可靠性高、功耗低、速度快、算法適應性好、開發成本中等而成為小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇。小波變換以其良好的時頻特性而廣泛地應用于圖像壓縮領域，而高速星載圖像壓縮系統實現的瓶頸也正是小波變換模塊。空間數據系統咨詢委員會(The?Consultative?Committee?for?Space?Data?Systems，CCSDS)制定的星載圖像壓縮標準CCSDS122.0-B-1要求三級9/7小波變換，SPIHT算法要求五級9/7小波變換。另外，星載設備的要求限制了大規模FPGA的使用，因此研究最小資源消耗的高速FPGA設計具有重要的意義。

傳統的小波變換方法是先進行圖像的行變換或列變換，緩存中間結果，然后再進行列或者行的變換，這樣需要緩存整幀圖像，同時變換速度慢不適合星載圖像壓縮。適合星載應用的小波變換設計(如圖1所示)一般是使用內部行緩存來存儲單級小波變換中行變換的結果，當存儲滿一定數目的行數據后既進行列變換，行列變換同時進行，一級變換的輸出結果輸出到外部SRAM，下級變換讀取SRAM中的LL子帶數據進行運算。此設計相比傳統方法速度更快，但要實現小波變換的流水操作僅三級變換就需要6片外部SRAM，電路板的尺寸和功耗均偏大，運行可靠性差，難以滿足星載設備的要求。傳統的另一種改進(如圖2所示)是將單級變換分解的HL、LH和HH子帶送入后續的編碼模塊，而LL分量送入下一級變換模塊進行同樣的基于行的列變換。此設計極大地提高了小波變換的速度但需要大量的FPGA內部寄存器存儲變換的各級子帶系數造成難以處理大圖像塊的缺陷，同時小波變換模塊間難以實現流水。

發明內容

本發明的目的在于，為克服現有技術針對星載圖像壓縮多級二維小波變換的流水時采用多片外部SRAM這樣會造成航天應用可靠性降低且極大限度減少了FPGA內部的資源的問題，同時為了實現小波變換模塊間的流水操作節省FPGA內部寄存器等問題，本發明提供一種基于FPGA的星載圖像壓縮的小波變換系統及方法。

為了實現上述目的，本發明提出了一種采用兩片外部SRAM即可實現圖像壓縮核中小波變換部分的流水作業的多級二維小波變換同時進行的FPGA架構。本發明提供一種基于FPGA的星載圖像壓縮的多級小波變換方法，該方法基于FPGA實現9/7小波變換，利用各級變換輸出各條帶小波系數的時序特點將小波變換的所有子帶信號的數據在不同的時隙合成為一路交替輸出到外部SRAM，將輸入的所有像素點均進行小波變換并合成一路輸出；所述將多級小波變換中各級輸出的小波系數合成為一路方法進一步包含：采用內部若干個串聯先進先出緩存器緩存行變換后的數據，當緩存一定數目的行數據后即進行列變換，一級變換的LL子帶數據采用不連續態間歇的策略送入二級變換模塊中，一級變換的LH、HL、HH子帶數據經延時單元延遲數個周期后輸出；二級變換的LL子帶數據采用所述不連續態間歇的策略送入三級變換的模塊中，二級變換的LH、HL、HH子帶數據經延時單元延遲數個周期后輸出；依次類推，可同時進行多級小波變換，最后將各級變換的子帶數據通過子帶標識步驟和延時步驟合成為一路直接輸出；

其中，所述子帶標識步驟為：對各級變換的列計數和已處理的像素點計數來判斷輸出子帶標識，當列計數器為奇數時對應著行變換系數為低通系數，當已計算行計數為奇數時對應的列向變換系數為低通系數；并將得到的子帶標識和相應的子帶數據送入延時單元；

所述延時步驟為：用于接受所述子帶標識單元發出的子帶標識和相應的子帶數據，根據控制單元的控制，進行相應時長的延時，并將子帶標識及相應延時后的子帶數據送入合路單元合成為一路交替輸出到外部SRAM。

上述技術方案中，所述為了使輸入的所有的像素點均被進行小波變換所述的方法還包含如下步驟：