摘 要： 針對(duì)大面陣CCD相機(jī)高分辨率、高幀頻等特點(diǎn)，提出了一種適用于大面陣CCD相機(jī)高速實(shí)時(shí)圖像壓縮的系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案在壓縮比為53:1時(shí)峰值信噪比可以達(dá)到36 dB，取得了很好的壓縮性能。
關(guān)鍵詞： 面陣CCD；圖像壓縮；JPEG2000；FPGA

目前有很多常用的壓縮算法，其中JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以在獲得高壓縮比的同時(shí)確保高圖像質(zhì)量，另外還具有非常好的抗誤碼性能，在大面陣CCD相機(jī)圖像壓縮領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。JPEG2000壓縮的實(shí)現(xiàn)方法有多種，通常采用專用DSP芯片和FPGA芯片編程實(shí)現(xiàn)[1-3]，兩者分別利用各自的優(yōu)點(diǎn)完成不同的功能。其中，專用DSP主要完成DWT變換等高速整型和浮點(diǎn)型運(yùn)算功能，F(xiàn)PGA主要完成EBCOT等高效并行編碼算法功能[4-5]，但這種實(shí)現(xiàn)方法JPEG2000需要處理的數(shù)據(jù)量比較大，還需要外擴(kuò)SRAM等大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，從而使系統(tǒng)的集成度降低，而且其實(shí)時(shí)性受編程方法所制約。同時(shí)，目前大面陣CCD相機(jī)的成像和圖像壓縮存儲(chǔ)是兩個(gè)獨(dú)立的部分，中間連接包括復(fù)雜的接口和繁重的線纜，增加了相機(jī)的復(fù)雜度和重量。
本文提出了一種基于FPGA嵌入式處理器MicroBlaze和ADV212壓縮芯片相結(jié)合的高速、實(shí)時(shí)圖像壓縮系統(tǒng)[6-7]，系統(tǒng)中圖像采集和圖像壓縮等功能均由同一個(gè)核心處理器FPGA來完成，使系統(tǒng)的處理速度和集成度都有所提高。
1 大面陣CCD相機(jī)高速圖像壓縮系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)以Analog公司生產(chǎn)的AD212作為圖像壓縮芯片，采用內(nèi)有嵌入式處理器的高性能FPGA作為核心處理器，完成大面陣CCD模擬信號(hào)處理、視頻信號(hào)采集、圖像數(shù)據(jù)緩存、ADV212初始化、固件程序和參數(shù)注入、數(shù)字圖像傳輸?shù)裙δ?。考慮到衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，系統(tǒng)應(yīng)用FPGA和專用圖像壓縮集成芯片ADV212的高速、實(shí)時(shí)圖像壓縮方案，將壓縮后數(shù)據(jù)流送給圖像采集卡，由上位機(jī)對(duì)圖像壓縮性能進(jìn)行分析。該方法實(shí)時(shí)性強(qiáng)，硬件接口電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單[8-10]，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 FPGA嵌入式處理器設(shè)計(jì)
Microblaze是Xilinx公司推出的32 bit軟處理器核，支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合，具有兼容性和重復(fù)利用性。Microblaze在VirtexⅡPro FPGA中的工作頻率可達(dá)到200 MHz，處理速度超過166 MIPS，是用途廣泛的CPU軟核。作為完整的CPU軟核，Microblaze允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行配置。了解Microblaze結(jié)構(gòu)不但有助于用戶了解配置，還可以輔助分析Microblaze應(yīng)用軟件的效率。
FPGA片外晶振為50 MHz，Microblaze軟核主頻為100 MHz，使用片外低復(fù)位，支持硬件調(diào)試方式，并使用16 KB片內(nèi)BlockRAM作為CPU核的數(shù)據(jù)和指令暫存，同時(shí)還包括看門狗和定時(shí)器等基本外設(shè)。添加完硬件后，系統(tǒng)自動(dòng)生成每個(gè)硬件模塊的地址范圍，如圖2所示。

dlmb_cntlr和ilmb_cntlr作為CPU核的數(shù)據(jù)和指令暫存，分配16 KB空間。Opb_central_dma_0作為讀取ADV212壓縮數(shù)據(jù)流的DMA控制器，Generic_External_Memory_1和Generic_External_Memory作為訪問SDRAM控制器的尋址空間。由于SDRAM控制器的SYS_ADDR共25 bit地址，所以這里分配32 MB尋址空間。其他還包括定時(shí)器、WDT、調(diào)試空間等。
3 壓縮處理器設(shè)計(jì)