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基于FPGA的星载图像压缩系统实现方法研究

张学全  
【摘要】: 近些年随着空间探测技术的迅猛发展,星载遥感器的分辨率迅速提高,海量数据对星上存储和下行传输造成了巨大的压力,从而使得高速星载图像压缩技术变得十分重要。我国目前已实用的星载图像压缩系统与世界先进水平还有较大差距,因此研究星上图像压缩的实现方法具有重要的应用价值。 论文在某项目“高速高保真星载图像压缩技术研究”的支持下,围绕星载图像压缩的硬件实现技术开展研究。针对星上压缩低功耗,高性能,灵活性的要求,重点研究了基于CCSDS星载图像压缩标准利用FPGA实现星载图像压缩系统的方法。 论文首先通过对比分析,得出利用FPGA实现CCSDS星载图像压缩算法的特点和相对优势。然后对CCSDS算法进行详细分析,对算法的编码选项进行针对性实验,从而确定适用于项目特点的编码选项。接下来,设计了基于FPGA的算法实现总体架构,并对小波变换、直流编码和位平面编码功能模块分别进行结构设计。针对设计的性能进行分析,通过仿真得到了设计的资源、速率参数,验证了设计合理性。最后搭建整个硬件验证系统,设计了基于FPGA的图像压缩卡、USB接口卡及上位机的图像收发软件,并通过实际测试得到系统性能。 论文的主要创新点可归纳如下: 1.提出了CCSDS算法FPGA实现的总体架构。基于算法特点进行功能划分,通过对各功能间的顺序和相关性的分析,采用并行结合流水的方法,设计了总体实现框架,并进行了性能分析。 2.提出了一种节省外存的9/7整数小波变换硬件结构,此结构基于分块变换,小波变换系数不需外存,延迟较小,可以通过边界补偿冗余分块的措施来去除块效应。 3.提出了一种实时二维小波变换硬件结构,这种结构需要占用较多外存,延迟稍大,但是占用FPGA内存较小,可以完全达到实时性能。 4.提出了一种基于并行和流水的位平面编码实现结构,并改进了原有的扫描方法,大大提高了扫描速率。此结构可依据不同速率要求适当调整并行程度。


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