大面阵CCD相机高速图像压缩系统设计

摘  要： 针对大面阵CCD相机高分辨率、高帧频等特点，提出了一种适用于大面阵CCD相机高速实时图像压缩的系统。实验结果表明，该方案在压缩比为53:1时峰值信噪比可以达到36 dB，取得了很好的压缩性能。
关键词： 面阵CCD；图像压缩；JPEG2000；FPGA
       目前有很多常用的压缩算法，其中JPEG2000图像压缩标准可以在获得高压缩比的同时确保高图像质量，另外还具有非常好的抗误码性能，在大面阵CCD相机图像压缩领域得到了广泛的应用。JPEG2000压缩的实现方法有多种，通常采用专用DSP芯片和FPGA芯片编程实现[1-3]，两者分别利用各自的优点完成不同的功能。其中，专用DSP主要完成DWT变换等高速整型和浮点型运算功能，FPGA主要完成EBCOT等高效并行编码算法功能[4-5]，但这种实现方法JPEG2000需要处理的数据量比较大，还需要外扩SRAM等大容量数据存储器，从而使系统的集成度降低，而且其实时性受编程方法所制约。同时，目前大面阵CCD相机的成像和图像压缩存储是两个独立的部分，中间连接包括复杂的接口和繁重的线缆，增加了相机的复杂度和重量。
     本文提出了一种基于FPGA嵌入式处理器MicroBlaze和ADV212压缩芯片相结合的高速、实时图像压缩系统[6-7]，系统中图像采集和图像压缩等功能均由同一个核心处理器FPGA来完成，使系统的处理速度和集成度都有所提高。
1 大面阵CCD相机高速图像压缩系统组成
     本系统以Analog公司生产的AD212作为图像压缩芯片，采用内有嵌入式处理器的高性能FPGA作为核心处理器，完成大面阵CCD模拟信号处理、视频信号采集、图像数据缓存、ADV212初始化、固件程序和参数注入、数字图像传输等功能。考虑到卫星平台对系统稳定性的要求，系统应用FPGA和专用图像压缩集成芯片ADV212的高速、实时图像压缩方案，将压缩后数据流送给图像采集卡，由上位机对图像压缩性能进行分析。该方法实时性强，硬件接口电路设计简单[8-10]，其系统组成框图如图1所示。
   
   2 FPGA嵌入式处理器设计
     Microblaze是Xilinx公司推出的32 bit软处理器核，支持CoreConnect总线的标准外设集合，具有兼容性和重复利用性。Microblaze在VirtexⅡPro FPGA中的工作频率可达到200 MHz，处理速度超过166 MIPS，是用途广泛的CPU软核。作为完整的CPU软核，Microblaze允许用户根据需要进行配置。了解Microblaze结构不但有助于用户了解配置，还可以辅助分析Microblaze应用软件的效率。
     FPGA片外晶振为50 MHz，Microblaze软核主频为100 MHz，使用片外低复位，支持硬件调试方式，并使用16 KB片内BlockRAM作为CPU核的数据和指令暂存，同时还包括看门狗和定时器等基本外设。添加完硬件后，系统自动生成每个硬件模块的地址范围，如图2所示。
   
       dlmb_cntlr和ilmb_cntlr作为CPU核的数据和指令暂存，分配16 KB空间。Opb_central_dma_0作为读取ADV212压缩数据流的DMA控制器，Generic_External_Memory_1和Generic_External_Memory作为访问SDRAM控制器的寻址空间。由于SDRAM控制器的SYS_ADDR共25 bit地址，所以这里分配32 MB寻址空间。其他还包括定时器、WDT、调试空间等。
3 压缩处理器设计