文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)01-0017-03
隨著空間TDICCD相機空間分辨率和覆蓋寬度指標的不斷提高，CCD相機圖像數據量呈指數增加，而現有的機載存儲器容量有限，使數傳系統帶寬受限，無法適應空間CCD圖像的海量數據[1-2]。因此，必須對CCD圖像進行壓縮。
空間CCD相機圖像壓縮不同于其他壓縮場合，它要求整個壓縮系統具有實時性且采用硬件設計，但存儲資源和板面十分有限，而遙感圖像資源又十分寶貴。因此，可選用的壓縮算法復雜度不能太高而又要求具有較好的壓縮性能。下面介紹三種壓縮算法的優缺點：JPEG2000[3]具有較好的壓縮性能，然而其算法復雜度很高，難以通過硬件實現和達到實時性的要求；SPIHT算法[4]抗錯能力很差；CCSDS壓縮算法[5]專門針對深空應用，其復雜度適中，壓縮性能和JPEG2000相當。因此，本文選用CCSDS壓縮算法作為壓縮系統的設計理念。然而，CCSDS壓縮算法僅推薦了一些壓縮規范，具體編碼器的設計需根據各種應用場合進行設計。
本文在參考國內外相關技術的基礎上，根據背景項目需求，結合TDICCD圖像特點，從工程應用的角度提出了一種基于CCSDS壓縮算法的空間TDICCD相機圖像壓縮系統。
1 壓縮系統的提出
CCSDS壓縮算法總體上由離散小波變換(DWT)和位平面編碼器(BPE)兩部分組成，如圖1所示。DWT用來去除圖像空間相關性，BPE用來編碼去除相關性后的數據。
根據上述CCSDS算法原理，本文設計的CCD圖像壓縮系統組成如圖2所示。
2 關鍵技術
2.1 離散小波變換VLSI設計
CCSDS的離散小波變換使用3級二維9/7 DWT，包括浮點型和整形。浮點型在有損壓縮時具有很高的壓縮性能，而整形主要應用在無損壓縮。空間CCD相機電子學圖像壓縮單元的主處理器選擇FPGA，但FPGA處理浮點運算十分麻煩。因此，本文壓縮系統采用9/7提升整數小波變換。9/7提升整數小波變換預測與更新步驟為：
塊內DC系數采用DPCM編碼方法可以取得較好的編碼性能。本文設計的AC系數BPE編碼結構如圖5所示。
其中，OR為邏輯“或”，valij是類型i的第j個系數的值，n[i]是最大深度。由于僅需要訪問一次系數，因此訪問存儲器次數可以減少3倍。
(2)并行掃描：BPE每個段含有16個塊，本文對16個塊獨立進行掃描處理，即采用16個掃描模塊(Scan0~Scan15)并行掃描系數。每個模塊掃描一個塊，掃描結果將轉移字存儲在RAM中，極大地提高了掃描性能。
(3)轉移字存儲：熵編碼模塊由編碼選擇計算模塊(CalcOption)和編碼模塊(Encoding)組成。這兩個模塊需要訪問存儲器的轉移字，但是CalcOption僅需要長度大于1的轉移字，它并不需要訪問所有的轉移字。因此，為了加速這個模塊的計算，在存儲轉移字的同時將長度大于1的轉移字復制到另一個存儲器中，CalcOption計算時只需訪問長度大于1的轉移字的存儲器即可，大大縮短了計算時間。
(4)并行計算：在編碼前，Rice熵編碼模塊需要最優編碼選擇（它是CalcOption模塊的輸出），在1 bit平面的編碼選擇計算時需要訪問16個塊中的轉移字。為此，本文設計了兩個相同且并行工作的模塊，一個是訪問Block0~Block7的訪問字，另一個是訪問Block8~Block15的訪問字。通過比較兩個模塊的結果選擇出最優編碼。
3 實驗結果
為了驗證本文提出的壓縮系統的可行性，使用地面檢測系統對其進行測試。地面檢測系統向壓縮電路板發送測試圖像，壓縮系統將圖像壓縮、解壓后經Camera Link傳輸到PC機上進行分析，得到如圖6所示的重構圖像。由圖6可知，本文提出的壓縮系統是可行的。
為了測試本設計的壓縮系統性能，地面檢測系統向壓縮系統發送各種測試圖像進行實驗，并與傳統方法進行比較，實驗結果如表1所示（壓縮比為8：1）。
本文提出的圖像壓縮系統可以穩定可靠地工作，由以上實驗數據表明，本系統非常適于航空面陣CCD相機的應用，為空間TDICCD相機圖像壓縮提供了一種很好的解決方案。
參考文獻
[1] 李彬，張建華，吳增印.一種適合星載多光譜圖像的壓縮算法研究[J].航天返回與遙感，2011，32(1)：28-32.
[2] 王建軍，劉波.適于硬件實現的無損圖像壓縮[J].光學精密工程，2011，19(4)：922-928.
[3] Chang-Hoon Son，Ji-Won Kim，Sung-Gun Song，et al.Low complexity embedded compression algorithm for reduction of memory size and bandwidth requirements in the JPEG2000 encoder[J].IEEE Transaction on Computer Electronics，2010，56(4)：2421-2429.
[4] 劉永征，劉學武，胡炳樑，等.基于ADV212的JPEG2000 靜態圖像壓縮系統設計[J].電子器件，2009，32(3)：504-508.
[5] 鄧宸偉，趙保軍.一種快速改進型SPIHT算法[J].北京理工大學學報，2010，30(4)：478-482.
[6] SNCHEZ J E，AUGE E，SANTAL J，et al.Review and implementation of the emerging CCSDS recommended standard for multispectral and hyperspectral lossless image coding[C].IEEE International Conference on Data Compression，Communications and Processing.2011：222-228.
[7] 陳哲，凃國防，張燦，等.基于FPGA的CCSDS圖像數據壓縮系統的設計[J].中國科學院研究生院學報，2011，28(1)：101-107.
[8] CORSONELLO P，PERRI S.Low bit-rate image compression core for on board space applications[J].IEEE Transaction on Circuits and Systems for Video Technology，2006，16(1)：114-128.