基于FPGA的弹载遥测图像压缩系统

马豹 焦胜利 尹冬强

摘要

针对弹载遥测图像数据量大、传输速度高和实时性高的特点，以FPGA为基础平台，结合图像压缩芯片ADV212，本文设计了一种弹载遥测图像压缩系统。该系统具备高速Camera-link图像接口，能够实时接收外部高速图像数据并同时进行图像压缩，输出JPEG2000标准数据流。测试结果表明，系统的压缩比达到40：1，且压缩图像基本无失真。

【关键词】FPGA ADV212 JPEG2000 图像压缩

1 引言

近年来，随着我国航空航天技术的不断发展，弹载遥测技术也得到了突飞猛进的发展，成为了现代高新技术领域的重要组成部分。图像作为信息最直觀的表达方式，在遥测系统的地位越来越重要，越来越多的用户要求遥测图像实时高速回传到地面，与此同时遥测图像的分辨率不断提高以及数据规模的爆炸式增长，对频带的利用率和实时性要求越来越高，增加了遥测通信技术的难度。为解决这些困难，在不影响图像观测质量和后期处理的情况下，将遥测图像数据按照一定压缩比进行压缩，来满足遥测图像数据传输带宽的需要。

遥测图像压缩采用最普遍的压缩算法是JPEG2000压缩算法，JPEG2000压缩算法采用离散小波变换，自适应算术编码和优化截断的嵌入式编码方式，具有高压缩比、有损压缩和无损压缩、感兴趣区域压缩等特点。实现JPEG2000压缩一般有两种方式，一种方式是FPGA+DSP实现压缩算法，这种方式设计比较复杂，优化比较困难，很难做到性能近一步提高.，另一种方式是基于专用图像压缩芯片实现压缩，与FPGA相结合实现高速压缩处理，并通过FPGA对压缩芯片进行初始化、参数配置和时序控制完成图像压缩。本文利用专用图像压缩芯片ADV212与Xilinx公司VirtexⅡ系列FPGA来实现图像压缩。

2 ADV212芯片原理

ADV212是AD公司的一款实现JPEG2000编解码的芯片，该芯片主要由像素接口、小波变换引擎、熵编解码器、嵌入式处理器、存储器系统和内部DMA引擎等组成。ADV212内嵌了一个32位的RISC处理器，作为整个系统的控制者，并具有自己的ROM和RAM。ADV212集成了一个基于ADI专利的空间高效递归滤波小波技术（SURF技术）的小波核，支持9/7不可逆模式小波变换和5/3可逆、不可逆模式小波变换。由于熵编码的复杂度，ADV212提供了3个专用的硬件熵编码器。内部DMA引擎为内部存储器之间、内部存储器和各个功能模块之间提供高速传输数据能力。ADV212的视频接口支持包括PAL在内大部分通用格式。通过对ADV212内部寄存器的配置，可以实现视频接口的选择，以及对图像压缩质量、压缩比等参数的控制。在本系统中图像像素数据输入到ADV212的像素接口，通过该像素接口对图像数据进行采集并发送给小波变换工具进行处理，图像被分解为若干子带，小波变换的系统都存入ADV212的内存中，最后由熵编码进行处理获得标准的JPEG2000压缩码流。图1给出了ADV212的功能框图。

3 系统设计

图像压缩系统包括两部分设计：硬件设计和软件设计。硬件设计部分主要介绍了系统组成包括FPGA、SRAM、Camera-link接口和ADV212，并对器件的功能进行说明，给出了FPGA与ADV212的接口连接方式；软件设计部分主要简单介绍了图像压缩系统的工作流程，详细介绍FPGA初始化ADV212的过程和参数设置，同时对原始图像的接收和压缩图像数据存储控制进行了说明。

3.1 系统硬件设计

图像压缩系统基于FPGA+ADV212为架构设计，如图2所示。通过对系统需求功能分解，对所需FPGA的资源进行评估后，选用Xilinx公司Virtex-Ⅱ系列的FPGA作为整个系统的控制核心[8]。FPGA外挂两片存储容量为16Mbits的SRAM，能够满足512*640*16bits图像的数据缓存，型号为IS61WV102416BLL。选用NS公司的DS90CR286MTD芯片作为Camera-link接口芯片，接收速率为lOOMB/s，能够满足14MB/S的图像采集要求。

图像探测器：完成图像采集，并将图像数据通过LVDS接口信号发送给FPGA。

FPGA：完成数据采集、处理、仲裁及分发；完成ADV212初始化、SDRAM和SRAM读写控制。

SRAM：在FPGA控制下，缓存实时原始图像数据。

Camera_link接口：接收LVDS差分数据，解析出HVF信号、图像数据和图像时钟。

ADV212：在FPGA的控制下，完成图像压缩，并输出JPEG2000压缩码流。

数据综合器：接收图像压缩系统发送的JPEG2000压缩码流。

为满足系统高速压缩的需要，图像压缩系统是采用ADV212的VDATA模式，此模式通过12bit宽度的VDATA总线传输图像数据至ADV212进行压缩。FPGA将一帧数据全部成功发送给ADV212以后，ADV212压缩完成后产生中断给FPGA，FPGA通过控制ADV212的片选信号和读信号从HDATA总线读取JPEG2000压缩码流，如图3所示。

3.2 软件设计

系统上电后，首先由FPGA完成对ADV212初始化及参数配置。初始化过程如下：

（1）将ADV212设置为No-Host Boot模式，对ADV212进行初始化；

（2）下载ADV212固件到固件地址0×50000；

（3）对固件参数地址0×57F00设置固件参数：设置ADV212为custom specific模式、设置小波变换的压缩参数、设置图像压缩比为40：1等；

（4）设置内部寄存器：设置输入图像格式为单色图、并设置尺寸寄存器512×640×12、设置CODE FIFO满128字节后触发中断；

（5）配置完成后使能ADV212初始化成功中断和CODEFIFO满中断。图4为压缩芯片ADV212配置流程图。

在FPGA完成对ADV212的初始化配置后，等待接收图像数据进行压缩。根据图像探测器的时序，图像预处理模块接收Camera-link接口解串后的图像数据，并将其在外挂的SRAM组中缓存。当检测下一帧图像场同步上升沿时，读取缓存在SRAM中的上一帧图像进行时序调整并送给ADV212进行压缩处理；时序调整时，从SRAM中读取数据，利用计数器分别对参考时钟、行同步下降沿进行计数，根据计数值按照ADV212要求的时序将图像数据输出。设计过程中，对SRAM的读写时序進行严格的控制。

当FPGA检测到中断信号有效，读取的压缩码流数据，开始存储压缩数据到FPGA内部FIFO中缓存，在这个过程中要不断检测JPEG2000的帧尾，当检测到“FFD9”时表示一帧结束，同时将帧尾存储到内部FIFO，将压缩数据通过422接口发送给数据综合器，数据综合器接收到压缩的图像数据后，进行组帧后通过无线遥测信道发送给地面接收设备。

4 实验结果

4.1 实验平台

图像压缩系统的实验平台由Camera-link接口单元测试台、图像压缩系统、计算机、解压软件、测试用电源和测试用电缆等组成，如图5所示。单元测试台用来发送原始图像源和接收压缩后的图像数据。计算机将原始图像源通过网络接口发送给单元测试台和接收网络接口传输过来的压缩后的图像数据，并压缩后的图像数据通过解压软件，完成解压和图像显示。

4.2 实验步骤

本系统选用一幅红外图像作为图像源，图像大小为512*640*14bit，具体完成以下步骤：

（1）验证系统的压缩比为40：1，输出JPEG2000格式；配置ADV212小波基参数，选取5/3可逆模式进行测试，图像解压后不损失图像细节信息。

（2）测试压缩系统压缩速率，利用单元测试台通过Camera-link接口，每秒连续发送22幅图像，图像压缩系统适应性。

4.3 实验结果

（1）系统上电后，配置ADV212完成后，通过计算机将图像源加载到单元测试台，单元测试台再通过Camera-link接口发送原始图像数据给图像压缩系统进行压缩；压缩完成的图像数据通过网络接口再传给计算机，计算机接收压缩后图像，每幅图像大小为16KB左右，文件格式为.j2c，解压后的图像与原始图像基本一致，图像细节信息基本无损失，如图6、7所示。

（2）查看计算机接收的压缩图像数据，ADV212压缩后的每一幅图像数据，都会在ADV212帧头“FFFFFFF1”后自动插入帧计数，如图8所示，帧计数从“00000000”到“00000015”连续无丢帧，能够满足高速通信接口下，图像压缩系统的压缩处理时间。

通过实验测试，图像压缩系统能够保证压缩图像的压缩比，图像无失真，又能保证高速图像的压缩性能。

5 结论

在实际的弹载遥测通信中，遥测图像的传输带宽决定了压缩后图像数据的大小，也就决定着图像压缩比，能够在保证压缩比的前提下，图像压缩后能够无失真还原，对压缩系统设计有着重要的研究意义。本文基于FPGA+ADV212的架构来完成图像压缩，实时输出JPEG2000标准数据流，并对红外图像进行验证测试，验证系统既能满足压缩比40：1，又能保证图像压缩基本无失真，能够最大程度保留了图像的细节信息；此外系统压缩选用VDATA模式，利用FPGA接收外部高速输入的图像数据，控制实现ADV212场行同步时序，提高了ADV212的压缩效率，从而保证了图像压缩系统的压缩性能。

参考文献

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