位平面并行的CCSDS编码研究及其FPGA实现

论文摘要

随着航天科技的发展,高分辨率的星载图像越来越多的应用于国防、科学探测等各个领域。各种视觉科学仪器所采集的图像数据量越来越大,其Giga bps量级的数据量大大超过现有下行信道的传输能力(Mega bps量级)。由于新一代高分辨率传感器所采集的海量数据和有限信道带宽的矛盾越来越突出,因此,采用在线、实时、高效的图像压缩算法来减少传送带宽就成为必然的选择。近年来,静止图像压缩技术突飞猛进,涌现出一大批优秀的图像压缩算法。其中比较高效的算法,包括EZW、SPIHT以及JPEG2000算法等,但这些算法在空间探测领域都有自己的不足之处,限制了它们在该领域的应用。为此,CCSDS组织于2005年11月正式提出了针对于星载图像的压缩算法。该算法的应用定位于太空飞行器中的高速设备,算法复杂度低,不需要复杂的算法知识就可以理解与应用,支持高速低功耗硬件实现,而且该算法的压缩性能与SPIHT、JPEG2000等算法基本相当,在空间探测领域具有良好的应用前景。本文以星载图像数据的压缩为背景,对CCSDS图像压缩算法做了深入研究。本文的主要工作包括:(1)实现了CCSDS图像压缩算法的Matlab程序。(2)对原始图像压缩算法进行了改进,提出了一种多位平面并行的编码方式并加以应用。实验结果表明,改进后的算法在提升算法性能的同时,降低了算法的复杂度。(3)用VHDL语言实现了位平面并行的CCSDS图像压缩算法的编码器。(4)在FPGA硬件平台上,验证了算法编码器的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 CCSDS图像压缩建议简述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 CCSDS图像压缩标准
• 2.1 图像压缩标准概述
• 2.1.1 预处理
• 2.1.2 离散小波变换
• 2.1.3 量化
• 2.1.4 位平面编码
• 2.1.5 熵编码
• 2.2 小波变换
• 2.2.1 连续小波变换
• 2.2.2 离散小波变换
• 2.2.3 多分辨率分析
• 2.2.4 Mallat算法
• 2.3 CCSDS位平面编码
• 2.3.1 CCSDS位平面编码概述
• 2.3.2 头文件说明
• 2.3.3 直流系数的量化与编码
• 2.3.4 块交流比特深度编码
• 2.3.5 位平面编码
• 第三章 CCSDS编码的软件实现流程及性能测试
• 3.1 基本概念
• 3.2 整体软件编码流程图
• Block_m编码'>3.3 DC系数及BitDepthAC_Block_m编码
• 3.3.1 预处理器
• 3.3.2 熵编码
• 3.3.2.1 编码选择方式
• 3.4 AC系数的比特平面编码
• 3.5 AC系数的熵编码
• 3.6 编码性能测试
• 第四章 FPGA开发环境
• 4.1 VHDL语言简介
• 4.2 FPGA软件开发平台
• 4.3 FPGA的设计方法与设计流程
• 4.3.1 面向FPGA的设计方法
• 4.3.2 基于VHDL语言的FPGA设计流程
• 第五章 位平面并行的CCSDS编码器的FPGA实现
• 5.1 关键技术
• 5.2 整体结构设计
• 5.2.1 CCSDS图像编码器系统框图及模块简介
• 5.2.2 CCSDS图像编码器总体设计方案
• 5.2.3 内存模块（RAM）的使用
• 5.3 位平面并行的CCSDS编码器各模块的设计
• 5.3.1 直流系数编码的实现
• 5.3.2 交流系数编码的实现
• 第六章 CCSDS编码器系统测试与验证
• 6.1 系统测试验证流程
• 6.2 JTAG测试接口SignalTap Ⅱ逻辑分析器
• 6.3 实验设备
• 6.4 CCSDS编码板系统结构
• 6.5 CCSDS编码测试及性能分析
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 发表或录用学术论文情况
• 致谢
• 附录