基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，人類關(guān)注的目光已經(jīng)由地球本身延伸到了外太空，對(duì)宇宙空間探索腳步正在不斷加快。然而受制于圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)限制，導(dǎo)致大量的空間探索數(shù)據(jù)和圖片無法及時(shí)有效地傳輸回地面，在很大程度上阻礙了科研工作開展，產(chǎn)生的影響較為深遠(yuǎn)。因此本文基于FPGA基礎(chǔ)上研發(fā)設(shè)計(jì)CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，以推動(dòng)科研工作有效展開，為數(shù)據(jù)傳輸提供幫助與支持，從而加快我國(guó)探索宇宙腳步，縮小與世界先進(jìn)水平之間差距，具有重要的促進(jìn)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)；研發(fā)與設(shè)計(jì)；空間探索

中圖分類號(hào)：TP391.41

基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，不僅能夠推動(dòng)科研工作進(jìn)一步發(fā)展，獲取海量的空間信息與數(shù)據(jù)，還能夠運(yùn)用到軍事、地理資源開發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域，已經(jīng)成為了一個(gè)國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的表現(xiàn)。通過將收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行及時(shí)傳輸，能夠提高科研水平，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步，對(duì)我國(guó)強(qiáng)國(guó)形象樹立以及綜合實(shí)力提升起到了重要的促進(jìn)作用。因此基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)就成為了本文研究的重點(diǎn)。

1 國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)解析

國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）是一個(gè)國(guó)際性空間組織，成立于1982年，至今已經(jīng)頒布了眾多有關(guān)圖像數(shù)據(jù)壓縮方面標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)空間探索以及圖像傳輸起到了重要的促進(jìn)作用。在1982年頒布的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)高級(jí)在軌系統(tǒng)建議書（AOS）具有顯著的前瞻性和創(chuàng)新性，其中所包含的理念與標(biāo)準(zhǔn)至今仍在沿用[1]。目前采用的圖像數(shù)據(jù)壓縮算法是一種基于小波的壓縮算法，主要由三部分構(gòu)成，即離散小波變換、直流系數(shù)量化編碼、位平面編碼。

1.1 離散小波變換

在小波轉(zhuǎn)換模塊當(dāng)中包含多路選擇Mux單元、行或者列緩存控制單元以及一維的小波轉(zhuǎn)換，每一段小波變換包括兩個(gè)部分，分別是一維行小波變換和一維列小波變換。在原始圖像當(dāng)中，小波變換要通過逐行對(duì)Mux的選擇，變行結(jié)果才能夠存入行緩存當(dāng)中，所有行完成變換之后再通過每列數(shù)據(jù)進(jìn)行小波轉(zhuǎn)換，最后將變換結(jié)果存進(jìn)列緩存。

由于CCSDS標(biāo)準(zhǔn)中整數(shù)小波變換方法具有節(jié)省空間、計(jì)算量少、能夠?qū)崿F(xiàn)重構(gòu)、無損壓縮等特點(diǎn)，特別適合FPGA實(shí)現(xiàn)，因此本次研究工作所選用的離散小波變換方法為整數(shù)變換。其主要的變換公式為：

1.2 直流系數(shù)量化編碼

直流系數(shù)編碼模塊是從片內(nèi)緩存當(dāng)中提取出DC系數(shù)，再進(jìn)行Rice編碼。編碼器的主要組成部分有多路選擇Mux單元、非負(fù)轉(zhuǎn)換單元、求取最佳編碼單元以及緩存器等。目前直系數(shù)量化編碼主要應(yīng)用方法為Rice算法，其主要計(jì)算公式為：

在實(shí)際運(yùn)用中需要對(duì)DC或者AC系數(shù)進(jìn)行熵編碼，所輸入的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效判斷從而采用合適的計(jì)算公式以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提高熵編碼工作效率[3]。

1.3 位平面編碼

位平面編碼實(shí)際運(yùn)用較為普遍，與目前現(xiàn)行的EZW計(jì)算方法相類似，因此可以參照此種算法來進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。以-20編碼轉(zhuǎn)換為例，符號(hào)位為1時(shí)，幅度值為10100，若進(jìn)行加權(quán)移位，編碼數(shù)值變?yōu)?時(shí)，則索引值b>4bit面掃描時(shí)，系數(shù)狀態(tài)為0；b=4bit面掃描時(shí)，AC狀態(tài)為1；4

2 基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)構(gòu)成與設(shè)計(jì)

基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成，即：DWT小波變換、直流系數(shù)編碼、位平面編碼。

2.1 DWT小波變換

DWT小波變換是子系統(tǒng)的初始運(yùn)行部分，也是將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算的重要應(yīng)用模塊。其所采取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法為常用的Rice算法。具體結(jié)構(gòu)中包括以下三部分構(gòu)成：（1）多路選擇Mux單元。通過此單元能夠保證海量的數(shù)據(jù)圖像通過多種傳輸路徑收錄到系統(tǒng)中，從而為后續(xù)計(jì)算轉(zhuǎn)換工作提供服務(wù)。目前關(guān)于多路選擇Mux單元的研究比較深入，成品種類較多，相較于發(fā)達(dá)國(guó)家制成品，我國(guó)自主化生產(chǎn)的多路選擇Mux單元具有成本低廉、使用可靠、更換方便等特點(diǎn)，因此可以成為本次研究中基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)構(gòu)件，從而在很大程度上提高了基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)使用效率，有效降低了研發(fā)成本，推廣應(yīng)用工作得到了快速發(fā)展；（2）一維小波變換。一維小波變換是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，也是海量圖像數(shù)據(jù)信息所必需經(jīng)過的模塊。實(shí)際運(yùn)用中主要包括兩部分：一維行小波變換和一維列小波變換[5]。多路選擇Mux單元篩選的數(shù)據(jù)在經(jīng)過了一維小波變換后形成兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，一部分經(jīng)過一維行小波變換后存儲(chǔ)在了小波行變換緩存中，另一部分經(jīng)過一維列小波變換后存儲(chǔ)在了小波列變換緩存中，從而實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)信息資料的收集工作。根據(jù)DWT小波變換的高頻部分中不同波段的作用，可采用不同的量化方法，從圖像的大小、壓縮比例以及圖像的質(zhì)量進(jìn)行量化，尤其在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，同一頻段的向量掃描方向要根據(jù)其所在的不同區(qū)域情況而定。由于空間研究與開發(fā)所需要的數(shù)據(jù)通常較大，受制于目前太空儀器自重以及功率制約，數(shù)據(jù)傳輸效率較慢，而采集到的圖像數(shù)據(jù)通常較大，在很大程度上加重了數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致科研工作收到嚴(yán)重阻礙。DWT小波變換的出現(xiàn)能夠?yàn)榭蒲胁块T提供有效幫助，快速轉(zhuǎn)換圖像信息，從而節(jié)約了資源與存儲(chǔ)空間，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率以及通信信道利用率，使用價(jià)值較高。

2.2 直流系數(shù)編碼

直流系數(shù)編碼直接從片內(nèi)緩存中提取已經(jīng)轉(zhuǎn)換完畢的DC數(shù)據(jù)并結(jié)合相應(yīng)系數(shù)進(jìn)行Rice算法編碼轉(zhuǎn)換，DC系數(shù)和AC塊位要通過Rice算法進(jìn)行熵編碼，如果是DC值，需要先量化，再進(jìn)行差分運(yùn)算；如果是AC塊位，可以直接進(jìn)行差分運(yùn)算，然后再對(duì)其差分值進(jìn)行非負(fù)處理，由此可知，根據(jù)不同碼長(zhǎng)的編碼項(xiàng)，可以選擇合適的編碼項(xiàng)進(jìn)行熵編碼。

直流系數(shù)編碼的主要結(jié)構(gòu)為：多路選擇Mux單元差分變換單元、非負(fù)轉(zhuǎn)換單元、緩存器、求取最佳編碼單元和熵編碼單元組成[6]。各組成部分結(jié)合使用能夠有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，在很大程度上幫助了科研人員進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換工作，不僅提高了自身工作效率，也為系統(tǒng)運(yùn)行做出了有效保障。由于海量的圖像數(shù)據(jù)需要系統(tǒng)進(jìn)行處理，而在數(shù)據(jù)處理過程中如果未采取保存或者保護(hù)，一旦發(fā)生斷電、系統(tǒng)失靈或者人為因素造成的數(shù)據(jù)丟失所造成的后果將會(huì)十分深遠(yuǎn)，因此在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了緩存器，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，為數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)保障。求取最佳編碼單元能夠根據(jù)用戶需求來進(jìn)行算法、系數(shù)、公式的針對(duì)性選取，從而實(shí)現(xiàn)了資源最優(yōu)化配置，節(jié)約了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、剔除了無效或者錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，以避免對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與運(yùn)行造成不利影響。熵編碼單元是直流系數(shù)量化編碼應(yīng)用中主要構(gòu)成部分，單元模塊的存在能夠?qū)C或者AC系數(shù)進(jìn)行熵編碼，所輸入的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行有效判斷從而采用合適的計(jì)算公式以保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，提高熵編碼工作效率。

2.3 位平面編碼

位平面編碼模塊主要是由狀態(tài)掃描單元和bit面編碼單元構(gòu)成。狀態(tài)掃描單元掃描順序是依照bit面數(shù)據(jù)高低來進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)掃描。然而狀態(tài)掃描單元掃描單一的bit面數(shù)據(jù)時(shí)在很大程度上限制了編碼效率，導(dǎo)致實(shí)際圖像數(shù)據(jù)壓縮工作受到了較為嚴(yán)重的影響。因此為了提高編碼效率，為數(shù)據(jù)壓縮做出有效幫助，本次研究中基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)使用了N個(gè)bit面并行掃描，有效的提高了編碼效率，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)工作得到進(jìn)一步發(fā)展。利用Quartus5.0平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的模擬，測(cè)試圖像通過采用8bit/pixel的灰度圖像，當(dāng)數(shù)據(jù)通過接口進(jìn)入后存入緩存，系統(tǒng)自動(dòng)從緩存器當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)，并通過bit流形式輸出，其中bit面編碼單元模塊又包括了編碼預(yù)處理、求取最佳編碼項(xiàng)和映射編碼三個(gè)小單元模塊，在單個(gè)bit面中，由于系統(tǒng)運(yùn)算方法存在著不同的系數(shù)，從而導(dǎo)致所屬子層數(shù)量出現(xiàn)明顯差異。正常系數(shù)下，所屬子層共分為5個(gè)層級(jí)（stage）：DC系數(shù)層（stage0），父系數(shù)層（stage1），子系數(shù)層（stage2），孫系數(shù)層（stage3），AC精煉系數(shù)層（stage4）[7]。基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)為了保證圖像重建過程中重要數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先傳輸，編碼重要性和優(yōu)先度的設(shè)定以stage0→stage1→stage2→stage3→stage4順序逐層遞減，從而保證了重要數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸，在很大程度上推動(dòng)了科研工作開展，為我國(guó)其他領(lǐng)域應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)所有block當(dāng)前數(shù)據(jù)均已經(jīng)編碼完成后，才能進(jìn)行下一級(jí)別圖像數(shù)據(jù)處理，采用了此種逐層串行編碼方法后，在映射編碼的過程中，各個(gè)stage不存在明顯的相關(guān)性，因此可以使用并行處理結(jié)構(gòu)來進(jìn)行各stage獨(dú)立編碼工作，從而提供了實(shí)際編碼效率[8]。

3 結(jié)束語

綜上所述，基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)在科研、航空航天、地質(zhì)探測(cè)、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮了不可估量的作用，成為目前主流的圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，在很大程度上提高了信息傳輸效率，為科研工作的進(jìn)一步發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。希望本次研究所設(shè)計(jì)的基于FPGA的CCSDS圖像數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)能夠?yàn)槠渌芯刻峁┙梃b參考，以推動(dòng)我國(guó)社會(huì)不斷向前發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張華（1979.10-），男，上海人，在校研究生，計(jì)算機(jī)技術(shù)專業(yè)，研究方向：計(jì)算機(jī)多媒體；導(dǎo)師：蔣念平。

作者單位：上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093