[发明专利]一种基于FPGA的星载图像压缩的小波变换系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像压缩领域，特别是涉及一种基于FPGA的星载图像压缩的小波变换系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国航天技术的迅猛发展，星上传感和探测设备无论在数量还是精度上都比以前大大增加，在有效观测时间段内卫星获取的图像数据量越来越大，这些“海量”图像数据给存储和传输带来了极大的压力。由于星上存储器的容量受制于体积、重量、功耗等方面的限制不可能无限增大，同时星-地下行链路的传输能力受制于传输带宽和地面站有限的可视时间限制，于是在轨图像压缩就成为星上数据处理的一个必备环节。而开发高性能的星载高速图像压缩系统就成为解决空间数据存储和传输问题的必然选择。

图像压缩的硬件实现包括有基于ASIC、FPGA和DSP三种方式，其中基于FPGA的实现方式以其可靠性高、功耗低、速度快、算法适应性好、开发成本中等而成为小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择。小波变换以其良好的时频特性而广泛地应用于图像压缩领域，而高速星载图像压缩系统实现的瓶颈也正是小波变换模块。空间数据系统咨询委员会(The Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)制定的星载图像压缩标准CCSDS122.0-B-1要求三级9/7小波变换，SPIHT算法要求五级9/7小波变换。另外，星载设备的要求限制了大规模FPGA的使用，因此研究最小资源消耗的高速FPGA设计具有重要的意义。

传统的小波变换方法是先进行图像的行变换或列变换，缓存中间结果，然后再进行列或者行的变换，这样需要缓存整帧图像，同时变换速度慢不适合星载图像压缩。适合星载应用的小波变换设计(如图1所示)一般是使用内部行缓存来存储单级小波变换中行变换的结果，当存储满一定数目的行数据后既进行列变换，行列变换同时进行，一级变换的输出结果输出到外部SRAM，下级变换读取SRAM中的LL子带数据进行运算。此设计相比传统方法速度更快，但要实现小波变换的流水操作仅三级变换就需要6片外部SRAM，电路板的尺寸和功耗均偏大，运行可靠性差，难以满足星载设备的要求。传统的另一种改进(如图2所示)是将单级变换分解的HL、LH和HH子带送入后续的编码模块，而LL分量送入下一级变换模块进行同样的基于行的列变换。此设计极大地提高了小波变换的速度但需要大量的FPGA内部寄存器存储变换的各级子带系数造成难以处理大图像块的缺陷，同时小波变换模块间难以实现流水。

发明内容

本发明的目的在于，为克服现有技术针对星载图像压缩多级二维小波变换的流水时采用多片外部SRAM这样会造成航天应用可靠性降低且极大限度减少了FPGA内部的资源的问题，同时为了实现小波变换模块间的流水操作节省FPGA内部寄存器等问题，本发明提供一种基于FPGA的星载图像压缩的小波变换系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种采用两片外部SRAM即可实现图像压缩核中小波变换部分的流水作业的多级二维小波变换同时进行的FPGA架构。本发明提供一种基于FPGA的星载图像压缩的多级小波变换方法，该方法基于FPGA实现9/7小波变换，利用各级变换输出各条带小波系数的时序特点将小波变换的所有子带信号的数据在不同的时隙合成为一路交替输出到外部SRAM，将输入的所有像素点均进行小波变换并合成一路输出；所述将多级小波变换中各级输出的小波系数合成为一路方法进一步包含：采用内部若干个串联先进先出缓存器缓存行变换后的数据，当缓存一定数目的行数据后即进行列变换，一级变换的LL子带数据采用不连续态间歇的策略送入二级变换模块中，一级变换的LH、HL、HH子带数据经延时单元延迟数个周期后输出；二级变换的LL子带数据采用所述不连续态间歇的策略送入三级变换的模块中，二级变换的LH、HL、HH子带数据经延时单元延迟数个周期后输出；依次类推，可同时进行多级小波变换，最后将各级变换的子带数据通过子带标识步骤和延时步骤合成为一路直接输出；

其中，所述子带标识步骤为：对各级变换的列计数和已处理的像素点计数来判断输出子带标识，当列计数器为奇数时对应着行变换系数为低通系数，当已计算行计数为奇数时对应的列向变换系数为低通系数；并将得到的子带标识和相应的子带数据送入延时单元；

所述延时步骤为：用于接受所述子带标识单元发出的子带标识和相应的子带数据，根据控制单元的控制，进行相应时长的延时，并将子带标识及相应延时后的子带数据送入合路单元合成为一路交替输出到外部SRAM。

上述技术方案中，所述为了使输入的所有的像素点均被进行小波变换所述的方法还包含如下步骤：