CCSDS图像压缩算法研究及其FPGA实现

论文摘要

随着航空航天技术的发展，人们加快了对太空探索的脚步，这对于空间图像的实时性、高速率传输提出了更高的要求。空间图像的特点是信息量大，对图像重建质量要求高，这在传输带宽资源有限的情况下，对大容量的空间图像的压缩既要实现高保真又要保证实时传输。CCSDS(空间数据系统咨询委员会)于2005年11月提出了CCSDS空间图像压缩算法。该算法兼顾了压缩效率和算法复杂度，支持高速低功耗的硬件实现，支持有损压缩和无损压缩，具有良好的应用前景。图像压缩编码的实现通常也取决于硬件的性能，而FPGA具有通用性好、良好的并行结构，并且具有小型化、低功耗、多功能、集成度高的优点，有很高的灵活性和适应性。CCSDS算法的复杂度低，算法结构适宜并行性处理。本文工作的目的就是在FPGA上实现CCSDS压缩算法，主要工作如下：(1)深入研究了CCSDS压缩编码算法，与JPEG2000和SPIHT算法在不同码率下的性能进行了比较，证实了CCSDS算法具有良好性能，比传统算法更适于硬件实现。在此基础上设计了CCSDS的实现结构。(2)用Verilog HDL语言实现了CCSDS编码器，实现了CCSDS编码器较完整的功能，详细介绍了位平面编码实现部分。该编码器支持图像的有损和无损压缩，支持码率和图像质量可调。(3)利用ISE和ModelSim软件在软件环境下对系统进行了模块级和系统级的仿真，包括功能仿真、时序仿真等，验证了系统的正确性和有效性。(4)在Xilinx公司的硬件平台上对系统进行了硬件测试。分别给出了空间图像无损压缩、2倍压缩、4倍压缩和8倍压缩的编码，重建图像取得了较好的质量。给出了图像分块小波变换和不分块小波变换的重建图像的信噪比的比较，测试结果表明CCSDS编码器的分块DWT变换比未分块DWT变换重建图像的信噪比下降了1dB左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 空间图像压缩的必要性
• 1.2 图像压缩编码
• 1.3 图像压缩编码技术发展
• 1.4 本文完成的主要工作
• 第二章 CCSDS图像压缩算法
• 2.1 离散小波变换
• 2.1.1 一维单级整数小波变换
• 2.1.2 二维单级整数小波变换
• 2.1.3 二维多级整数小波变换
• 2.1.4 小波变换后的系数特点
• 2.1.5 子带加权
• 2.2 位平面编码
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 段头信息
• 2.2.3 直流系数编码
• 2.2.4 AC系数块深度编码
• 2.2.5 位平面编码
• 2.3 CCSDS图像压缩算法性能分析及比较
• 第三章 FPGA硬件平台和开发工具
• 3.1 Virtex-II系列芯片介绍
• 3.2 开发工具
• 3.2.1 软件开发环境ISE
• 3.2.2 仿真工具ModelSim
• 3.3 VerilogHDL语言
• 3.4 FPGA设计流程
• 3.5 FPGA设计原则和方法
• 3.5.1 设计原则
• 3.5.2 自顶向下的设计方法
• 第四章 CCSDS编码器的FPGA设计实现
• 4.1 CCSDS编码器设计
• 4.1.1 复位信号和使能信号
• 4.1.2 内存（RAM）的使用
• 4.1.3 同步时序电路
• 4.1.4 小波变换域分“段”与图像域分块
• 4.2 CCSDS编码器实现
• 4.2.1 直流系数编码的实现
• 4.2.2 交流系数块（block）比特深度编码
• 4.2.3 交流系数位平面编码的实现
• 4.2.4 Putbits模块设计
• 第五章 CCSDS编码器软件与硬件验证
• 5.1 软件平台验证
• 5.1.1 软件平台设计
• 5.1.2 软件平台验证结果及分析
• 5.2 硬件平台验证
• 5.2.1 硬件平台设计
• 5.2.2 硬件平台验证结果及分析
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢