面向遙感圖像高速壓縮的多FPGA 處理器設(shè)計(jì)（一）

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】面向遙感圖像高速壓縮的多FPGA處理器設(shè)計(jì)（一）隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展及空間傳感器分辨率的不斷提高，遙感數(shù)據(jù)量成倍增加，已到達(dá)Gbit級(jí)甚至更高的計(jì)量單位；此外，遙感設(shè)備在空間環(huán)境溫度、氣壓、宇宙射線等因素的影響下，故障率較高。針對(duì)上述應(yīng)用條件，遙感圖像壓縮處理系統(tǒng)應(yīng)具備高效處理、可靠運(yùn)行、高速通信3個(gè)基本要求。目前實(shí)現(xiàn)圖像壓縮的硬件處理系統(tǒng)可分為3類：①采用全定制專用集成電路（ASIC,ApplicationSpecificIntegratedCircuit）,它對(duì)算法開展單獨(dú)硬件處理，具有外部RAM和外圍接口，能獲得良好的處理效果，滿足高速通信的要求，現(xiàn)有圖像處理ASIC芯片（如AD公司的ADV212）得到了很好的應(yīng)用,但無(wú)軍品級(jí)和宇航級(jí)，可靠性方面存在隱患，不適合用于遙感設(shè)備；②采用通用數(shù)字信號(hào)處理（DSP,DigitalSignalProcessing）,DSP具有先進(jìn)的哈佛和流水構(gòu)造，適于計(jì)算的乘加單元和優(yōu)化的內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，使其得到了優(yōu)異的處理性能，是遙感壓縮中較好的解決方案,但由于DSP外圍接口性能的限制，DSP間的數(shù)據(jù)交互以及任務(wù)分配協(xié)調(diào)困難，難以滿足高速通信的要求；③采用半定制現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA,Field-ProgrammableGateArray）,FPGA相當(dāng)于可編程ASIC,又比DSP內(nèi)部資源豐富，可以到達(dá)較大的數(shù)據(jù)吞吐量，且保密性好，適合于遙感壓縮設(shè)備，但現(xiàn)有的FPGA方案多為特定的構(gòu)造，只解決了中低數(shù)據(jù)量的快速壓縮，無(wú)法滿足海量遙感圖像的高速壓縮應(yīng)用要求。

因此，本文提出一種基于多FPGA的壓縮處理器構(gòu)造，包括4片Virtex-5FPGA和2片Spartan-3FPGA,針對(duì)該構(gòu)造分別給出了高并行壓縮處理機(jī)制、容錯(cuò)性設(shè)計(jì)以及高速通信策略。并將此構(gòu)造應(yīng)用于遙感圖像高速壓縮系統(tǒng)中，壓縮性能到達(dá)1.6Gbit/s以上。

1遙感圖像壓縮任務(wù)概述

海量遙感圖像壓縮任務(wù)需采用高速高保真的壓縮算法。壓縮算法應(yīng)盡可能地保持圖像細(xì)節(jié)，保證弱小目標(biāo)不丟失，同時(shí)應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)單、易于硬件流水和并行處理，具體采用基于小波變換和基于上下文的位平面預(yù)測(cè)編碼并算術(shù)編碼的壓縮算法。該算法一方面利用基于小波域中紋理失真敏感性模型的視覺量化方法，不均勻量化各頻帶各系數(shù)塊，提升了恢復(fù)圖像的主觀質(zhì)量；另一方面通過改良位平面預(yù)測(cè)模型，利用系數(shù)塊內(nèi)及塊間的多維相關(guān)性，進(jìn)一步提升了熵編碼的效率。因此，在高倍壓縮條件下與JPEG2000相比，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)無(wú)畸變、無(wú)明顯失真、小目標(biāo)不丟失，能將PSNR值提高0.5~0.7dB.另外，由于采用了定點(diǎn)化的小波變換和無(wú)乘操作的熵編碼，該算法僅有簡(jiǎn)單的整數(shù)運(yùn)算和移位操作，壓縮速度快、易于數(shù)字邏輯電路高速實(shí)現(xiàn)。

基于上述算法的遙感圖像壓縮任務(wù)從功能上可劃分為數(shù)據(jù)獲取、壓縮處理和碼流輸出3個(gè)模塊，壓縮處理模塊又可分為小波變換、量化、預(yù)測(cè)、位平面編碼和算術(shù)編碼5個(gè)單元，如圖1所示。

由圖1可得知，該遙感圖像壓縮