JPEG2000星载图像压缩设备中的关键技术研究

【摘要】： 卫星遥感图像压缩技术是航天侦测领域中的关键技术之一,具有重要的军事应用价值。JPEG2000作为新一代静止图像压缩标准,具有大压缩比、高保真等优点,但其编码算法复杂度高、运算量大,应用于遥感图像压缩领域,必须解决压缩算法软硬件实时实现这一难题。本文在某军用光学成像卫星研制型号项目和军口863高技术研究发展计划项目“××数据压缩技术”的资助下,以成功研制某型星载图像压缩设备产品为目标,就JPEG2000星载图像压缩设备中的关键技术开展研究,具体包括高质量、低复杂度快速小波变换技术的研究,适于DSP高效实现的EBC编码算法的改进,遥感图像质量评价方法的探讨以及星载图像压缩设备硬件平台的研制等。 论文主要研究内容与创新点归纳如下: 1.针对小波变换应用于遥感图像压缩存在计算复杂度高的问题,对其定点和快速实现方法进行了深入研究。首先,提出了一种LS9/7小波定点实现方法,较之CDF9/7小波定点实现方法,其计算复杂度大大降低,且恢复图像质量与CDF9/7小波浮点实现方法相当。在此基础上,结合后拉伸变换,设计了一种空间组合推举改进体制小波变换提升算法,进一步降低了运算复杂度。最后,从JPEG2000快速实现的角度出发,提出了一种基于后拉伸小波变换提升算法的去量化方法,大大简化了JPEG2000图像压缩算法。 2.EBC算法的实时实现是JPEG2000能否成功应用于星载图像压缩设备的难点。针对EBC算法结构循环层数多,不利于DSP软件流水展开的问题,对算法结构进行了总体优化。将原来的位平面编码模块分离成位平面扫描模块和算术编码模块,并通过上下文合并的方式将位平面扫描中的多重循环进行展开。在此基础上,对算术编码和小波系数存储结构进行了改进。总体结构优化后,算术编码模块的软件流水正常建立,EBC编码的速度得到了较大的提升。 3.针对结构优化后位平面扫描模块DSP软件流水仍然无法建立的问题,提出了一种基于独立符号编码的位平面扫描方法。该方法将符号编码从位平面扫描模块中分离出来,形成独立模块,并在位平面扫描模块执行前完成。该方法大大简化了位平面扫描模块结构,建立了DSP软件流水,使位平面扫描速度得到了极大的提升。 4.为了进一步提高EBC编码的实时性能,提出了一种基于并行机制的“零时间”数据搬移策略。其基本思想是在算术编码和位平面扫描分离的基础上,开辟一段中间缓存,结合DSP的EDMA传输方式,使得FPGA与DSP之间的数据搬移过程与EBC算法的运算过程完全并行,实现EBC编码过程中数据搬移时间零开销,从而提高EBC编码的实时性。 5.针对遥感图像的特点,结合人眼视觉系统特性,提出了一种基于边缘加权的遥感图像质量评价方法。该方法利用图像的梯度函数将遥感图像分成边缘区和平坦区,赋予边缘区较高的权值,以保证边缘失真对图像质量的影响大于平坦区域失真的影响。实验证明,较之基于PSNR的评价方法,该评价方法与主观评测方法的一致性得到了显著提高。 6.基于流水线和SPMD思想,提出了一种基于FPGA+多DSP并行的硬件体系结构。在此基础上研制出了一套拥有自主知识产权的JPEG2000星载图像压缩设备原理样机,并对其压缩性能进行了测试与评价。该压缩设备在恢复图像质量、实时性和功耗方面均满足指标要求,顺利转入初样阶段,为某军用光学成像卫星型号任务的完成奠定坚实的基础。