JPEG2000星载图像压缩设备中的关键技术研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 专用术语与缩略词说明
• 图表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 航天遥感技术
• 1.1.2 遥感图像数据压缩的必要性
• 1.2 卫星遥感图像数据压缩国内外发展现状
• 1.2.1 遥感图像压缩编码算法
• 1.2.2 卫星遥感图像压缩设备
• 1.3 JPEG2000 压缩标准
• 1.3.1 标准组成
• 1.3.2 JPEG2000 的特点
• 1.3.3 JPEG2000 的体系结构
• 1.4 JPEG2000 遥感图像压缩实现方案
• 1.4.1 传统实现方案分析
• 1.4.2 适用于JPEG200 实现的FPGA＋多DSP 方案
• 1.5 课题来源及研究目标
• 1.6 本文的研究内容和结构安排
• 第二章 高质量、低复杂度的快速小波变换技术研究
• 2.1 引言
• 2.1.1 连续与离散小波变换
• 2.1.2 多分辨率分析
• 2.1.3 Mallat 算法
• 2.1.4 提升方案
• 2.2 基于L59/7 小波的定点实现方法
• 2.2.1 L59/7 小波的提升构造
• 2.2.2 L59/7 小波定点实现
• 2.2.3 实验结果
• 2.3 基于空间组合推举改进体制的小波变换提升算法
• 2.3.1 9/7 小波提升步骤
• 2.3.2 空间组合推举体制改进
• 2.3.3 算法复杂度分析
• 2.4 基于后拉伸小波变换提升算法的JPEG2000 去量化方法
• 2.4.1 JPEG2000 量化原理
• 2.4.2 JPEG2000 去量化方法
• 2.4.3 去量化方法的定点实现
• 2.4.4 实验结果
• 2.5 本章小结
• 第三章 适于DSP 高效实现的EBC 编码改进算法
• 3.1 EBC 算法及实现分析
• 3.1.1 EBC 算法原理
• 3.1.2 DSP 软件流水
• 3.1.3 EBC 算法DSP 实现分析
• 3.2 EBC 算法总体结构优化
• 3.2.1 基于中间缓存开辟的算术编码分离
• 3.2.2 基于上下文合并的位平面扫描循环展开
• 3.2.3 小波数据存储结构优化
• 3.2.4 实验结果及分析
• 3.3 基于独立符号编码的位平面扫描方法
• 3.3.1 独立符号编码原理
• 3.3.2 符号编码规则
• 3.3.3 独立符号编码可行性分析
• 3.3.4 独立符号编码的实现
• 3.3.5 实验结果及分析
• 3.4 “零时间”数据搬移策略
• 3.4.1 JPEG2000 压缩系统硬件结构
• 3.4.2 数据搬移过程分析
• 3.4.3 EDMA 数据搬移方式
• 3.4.4 基于并行机制的数据搬移
• 3.4.5 实验结果及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 遥感图像质量评价方法研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 遥感图像压缩质量评价流程
• 4.1.2 客观评价方法
• 4.1.3 主观评价方法
• 4.1.4 主客观评价方法比较
• 4.2 基于边缘加权的遥感图像质量客观评价方法
• 4.2.1 视觉生理特性分析
• 4.2.2 EWPSNR 评价指标
• 4.2.3 加权因子的定义
• 4.2.4 基于灰度图像梯度值的边缘提取方法
• 4.2.5 评价模型兼容性
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 评测样本及压缩算法
• 4.3.2 主客观评测结果
• 4.3.3 结果分析与结论
• 4.4 本章小结
• 第五章 JPEG2000 星载遥感图像压缩设备研制及实验
• 5.1 基于FPGA+多DSP 的硬件平台设计
• 5.1.1 基于流水线和SPMD 思想的并行体系
• 5.1.2 基于FPGA＋4DSP 的硬件结构
• 5.1.3 FPGA 与DSP 间的数据传输
• 5.1.4 基于功能流水循环的SRAM 使用方案
• 5.1.5 EMIF 接口设计
• 5.1.6 基于LVDS 的相机接口设计
• 5.1.7 多DSP 的调试与引导设计
• 5.2 JPEG2000 星载遥感图像压缩设备的研制
• 5.2.1 研制流程
• 5.2.2 开发环境与工具
• 5.2.3 压缩设备调试
• 5.3 压缩设备可靠性设计
• 5.3.1 空间环境的特点及其对星载设备的影响
• 5.3.2 DSP 抗辐射设计
• 5.3.3 FPGA 抗辐射设计
• 5.3.4 电路安全设计
• 5.4 实验与测试
• 5.4.1 实验平台
• 5.4.2 图像质量评测
• 5.4.3 实时性测试
• 5.4.4 功耗测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表的论文和获得的成果