信息時(shí)代帶來(lái)了"信息爆炸",使數(shù)據(jù)量大增，因此，無(wú)論傳輸或存儲(chǔ)都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的壓縮。在遙感技術(shù)中，各種航天探測(cè)器采用壓縮編碼技術(shù)，將獲取的巨大信息送回地面。圖像壓縮是數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在數(shù)字圖像上的應(yīng)用，它的目的是減少圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息從而用更加高效的格式存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)之所以能被壓縮，就是因?yàn)閿?shù)據(jù)中存在著冗余。圖像數(shù)據(jù)的冗余主要表現(xiàn)為：圖像中相鄰像素間的相關(guān)性引起的空間冗余；圖像序列中不同幀之間存在相關(guān)性引起的時(shí)間冗余；不同彩色平面或頻譜帶的相關(guān)性引起的頻譜冗余。數(shù)據(jù)壓縮的目的就是通過(guò)去除這些數(shù)據(jù)冗余來(lái)減少表示數(shù)據(jù)所需的比特?cái)?shù)。由于圖像數(shù)據(jù)量的龐大，在存儲(chǔ)、傳輸、處理時(shí)非常困難，因此圖像數(shù)據(jù)的壓縮就顯得非常重要。筆者提出一種多DSP+FPGA的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使用DSP取代FPGA完成算法，而僅用一個(gè)FPGA進(jìn)行管理和控制。該硬件設(shè)計(jì)成本較低。

　　1 基于雙正交疊式變換的低復(fù)雜度圖像壓縮方法

　　1.1 雙正交重疊變換的快速整數(shù)實(shí)現(xiàn)

　　在有損壓縮中，通常先對(duì)圖像矩陣進(jìn)行正交/雙正交變換，使能量分布集中，表示更為稀疏。離散余弦變換（DCT）由于具有良好的去相關(guān)效果，并且存在相應(yīng)的快速算法，應(yīng)用廣泛。雙正交重疊變換繼承了DCT 計(jì)算簡(jiǎn)便、存儲(chǔ)要求低的特點(diǎn)，同時(shí)克服了DCT的塊效應(yīng)。這里以LBT為藍(lán)本提出雙正交重疊變換的快速整數(shù)實(shí)現(xiàn)算法，所有系數(shù)均采用分母為2的冪、分子為整數(shù)的分?jǐn)?shù)近似，從而使整個(gè)變換過(guò)程只需要整數(shù)加法和位移運(yùn)算。圖1給出了一維binLBT的實(shí)現(xiàn)流程，二維變換按先行后列的順序分別進(jìn)行一維變換。

　　離散余弦變換（Discrete Cosine Transform,簡(jiǎn)稱DCT變換）是一種與傅立葉變換緊密相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。在傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式中，如果被展開(kāi)的函數(shù)是實(shí)偶函數(shù)，那么其傅立葉級(jí)數(shù)中只包含余弦項(xiàng)，再將其離散化可導(dǎo)出余弦變換，因此稱之為離散余弦變換。離散余弦變換（DCT）是N.Ahmed等人在1974年提出的正交變換方法。它常被認(rèn)為是對(duì)語(yǔ)音和圖像信號(hào)進(jìn)行變換的方法。為了工程上實(shí)現(xiàn)的需要，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者花費(fèi)了很大精力去尋找或改進(jìn)離散余弦變換的快速算法。由于近年來(lái)數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的發(fā)展，加上專用集成電路設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)，這就牢固地確立離散余弦變換（DCT）在目前圖像編碼中的重要地位，成為H.261、JPEG、MPEG 等國(guó)際上公用的編碼標(biāo)準(zhǔn)的重要環(huán)節(jié)。

　　1.2 零樹(shù)編碼的簡(jiǎn)化與改進(jìn)

　　SPIHT作為一種高效零樹(shù)編碼方法，對(duì)位平面進(jìn)行了集合劃分，將大量的非重要位0集中到幾個(gè)具有特定模式的集合里面，并對(duì)含有重要位的此類集合進(jìn)行劃分，直至將集合劃分為具體的元素。LBT系數(shù)塊中存在著類似零樹(shù)結(jié)構(gòu)。圖2中給出了模仿小波變換中樹(shù)結(jié)構(gòu)的LBT塊變換中的零樹(shù)劃分方法，其中每一個(gè)線框?qū)?yīng)著一個(gè)系數(shù)，實(shí)線則將64個(gè)系數(shù)分為10個(gè)子帶。由于塊變換具有集中能量的作用，系數(shù)的能量由左上到右下逐漸減少。

　　在每一子帶中，首先使用Golomb方法編碼，再將其輸出碼流輸入到MQ編碼器，進(jìn)行下一步的編碼。零樹(shù)編碼過(guò)程應(yīng)用了零樹(shù)結(jié)構(gòu)中父子節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性，需要在已知父節(jié)點(diǎn)的情況下定位它的子節(jié)點(diǎn)。因此，在LBT系數(shù)輸出后進(jìn)入編碼器前，利用線性索引的方法對(duì)LBT系數(shù)重新排序，將其放置在一維數(shù)組里。

　　2 并行多DSP+FPGA的硬件設(shè)計(jì)方案

　　2.1 系統(tǒng)硬件整體框圖

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA一般來(lái)說(shuō)比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無(wú)法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來(lái)改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的FPGA.因?yàn)檫@些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件備）。

　　數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示。2x-1路串行CCD數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS接口多路并行進(jìn)入FPGA進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換，每個(gè)DSP通過(guò)兩個(gè)串口以EDMA方式從FPGA讀取兩路相機(jī)數(shù)據(jù)并緩存、壓縮編碼，整個(gè)數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)需要x個(gè)DSP并行處理。壓縮后碼流數(shù)據(jù)通過(guò)串口輸出到FPGA,FPGA重新緩存、組幀、時(shí)序轉(zhuǎn)換后輸出到固存設(shè)備。碼流數(shù)據(jù)輸出、遙控指令輸入、遙測(cè)信號(hào)輸出和電源的接口均通過(guò)底板總線和數(shù)傳綜合處理器連接。

　　2.2 器件選擇

　　數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing,簡(jiǎn)稱DSP）是一門涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。德州儀器、Freescale等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬(wàn)條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是值得稱道的兩大特色。

　　DSP選擇TMS320C6416,它是TI公司于2000年推出的一款具有C64XX系列新內(nèi)核的高性能DSPs芯片。TMS320C6416采用一種高性能的先進(jìn)的VLIW（非常長(zhǎng)指令字）結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部具有8個(gè)并行處理單元。因單指令字長(zhǎng)為32位，8個(gè)指令可組成長(zhǎng)達(dá)256位的指令包，由內(nèi)部專門的指令分配模塊同時(shí)分配到8個(gè)處理單元同時(shí)運(yùn)行。因此在600MHz主頻時(shí)，TMS320C6416的處理能力高達(dá)4800MIPS（百萬(wàn)條指令/秒）。TMS320C6416電壓為1.2V,外圍電壓為3.3V,主頻為400MHz"1GHz,并且在600MHz主頻下，能夠提供833B級(jí)器件。

　　FPGA選用X2V3000-5FG676C,該型號(hào)屬于Xlinix公司的Virtex-II系列，300萬(wàn)門，676個(gè)管腳中包括484個(gè)I/O管腳。Xlinix FPGA的基本特點(diǎn)是由可配置邏輯塊（CLB）、輸入/輸出塊（IOB）以及可編程互連資源組成，另外還包括三態(tài)緩沖器、全局時(shí)鐘緩沖器和邊界掃描邏輯。CLB中包含有查找表（LUT）、寄存器和進(jìn)位邏輯，IOB中包含DDR寄存器。存儲(chǔ)器資源主要包括分布式SelectRAM/ROM以及18KB的塊狀SelectRAM.

　　2.3 接口設(shè)計(jì)

　　線陣CCD相機(jī)圖像灰度數(shù)據(jù)以串行方式及LVDS信號(hào)電平輸出。為了便于DSP串口接收，由FPGA進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并依據(jù)相關(guān)串行協(xié)議進(jìn)行時(shí)序轉(zhuǎn)換。而壓縮圖像編碼則經(jīng)DSP串口輸出，由FPGA進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并依據(jù)壓縮機(jī)輸出接口時(shí)序進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

　　遙控機(jī)輸出線有指令線、地線，在使用端上拉。指令整形輸出后如需要負(fù)脈沖可再外加反相器或在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。遙測(cè)接口分為模擬遙測(cè)、數(shù)字遙測(cè)和數(shù)據(jù)遙測(cè)三部分，模擬遙測(cè)主要針對(duì)電源（5V、1.5V、1.4V等）進(jìn)行遙測(cè)，遙測(cè)輸出電平為0~5V;數(shù)字遙測(cè)主要對(duì)分機(jī)中關(guān)鍵器件工作狀態(tài)進(jìn)行遙測(cè)，遙測(cè)輸出電平為TTL電平；數(shù)據(jù)遙測(cè)主要對(duì)內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遙測(cè)。

　　3 壓縮算法在DSP實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)及并行處理

　　3.1 C6000系列CPU結(jié)構(gòu)與流水線

　　C6000系列CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，指令取指與執(zhí)行可以并行運(yùn)行。程序總線寬度為256bit,每取指操作都是取8條指令，成為一個(gè)取指包。取指、指令分配和指令譯碼都具備每周期讀取并傳遞8條32位指令的能力。C64xx系列CPU有兩個(gè)數(shù)據(jù)通路A和B,每個(gè)通路有4個(gè)功能單元（。L、。S、。M和。D），不同的8個(gè)功能單元中的指令均可并行執(zhí)行。

　　現(xiàn)代微處理器把指令分成幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作在微處理器內(nèi)部可由不同的部件來(lái)完成。在同一時(shí)間內(nèi)，可有多條指令交迭地在不同部件內(nèi)處理，這種工作方式就是"流水線"（pipeline）工作方式。TMS320C6000的特殊結(jié)構(gòu)可使多個(gè)指令包（每包多8條指令）交迭地在不同部件內(nèi)處理，大大提高了微處理器的吞吐量。

　　3.2 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)溢出問(wèn)題

　　TMS320C6000系列DSP的數(shù)據(jù)打包處理技術(shù)，可以使用寬長(zhǎng)度的存儲(chǔ)器對(duì)短字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，這樣可使編譯出的代碼性能顯著提高。壓縮算法在DSP實(shí)現(xiàn)中，采用short代替int來(lái)存儲(chǔ)圖像像素值和變換后的系數(shù)，并確保不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出。

　　對(duì)|T|的每一行求和，為2.8284.進(jìn)行行列兩次變換，終變換系數(shù)為圖像像素值的8倍。當(dāng)圖像像素占8位或10位時(shí)，包括符號(hào)位1位，16位存儲(chǔ)變換系數(shù)不會(huì)溢出。

　　3.3 并行計(jì)算

　　壓縮算法軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　各子函數(shù)采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，在C6000系列DSP中優(yōu)化代碼的關(guān)鍵是如何實(shí)現(xiàn)代碼的并行。針對(duì)C64XX系列處理器的指令特點(diǎn)，采取以下并行處理措施：

　　(1)雙通路。處理系數(shù)平均安排，分別分布在A、B兩通路;

　　(2)數(shù)據(jù)打包處理技術(shù)。用LDW和STW讀取和存儲(chǔ)兩個(gè)16位系數(shù);

　　(3)半字操作指令。每條指令處理兩個(gè)16位系數(shù);

　　(4)多功能單元。兩通路內(nèi)各8個(gè)系數(shù)的計(jì)算充分利用L、S、M和D四個(gè)功能單元。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

　　以一組40幅中科院遙感所提供的1024×1024×8圖像為樣本，用4：1和8：1兩種壓縮比，對(duì)遙感圖像壓縮系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：

　　(1)壓縮比為4：1時(shí)，PSNR平均40dB以上，38dB;壓縮比為8：1時(shí)，PSNR平均35dB以上，32dB。

　　(2)對(duì)1024×1024×8圖像，壓縮比為4：1時(shí)，單DSP處理時(shí)間在64ms以下;壓縮比為8：1時(shí)，單DSP處理時(shí)間在48ms以下，為優(yōu)化前時(shí)間的1/30。

　　(3)單DSP內(nèi)部RAM能滿足2路相機(jī)數(shù)據(jù)及中間系數(shù)緩存要求;

　　(4)單路功耗在0.5W以下，整機(jī)功耗不足15W。

　　結(jié)果表明，數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，實(shí)際工作能滿足圖像質(zhì)量和高速實(shí)時(shí)處理要求。但從人工判圖的結(jié)果看，8：1壓縮時(shí)，算法小目標(biāo)保持情況不如JPEG2000。系統(tǒng)目前已進(jìn)入初樣階段，希望在算法尤其是編碼算法上繼續(xù)研究并優(yōu)化，進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。