韓宇 袁素春 張建華 鄭小松 劉聰聰 師勇 張朗 武小棟

(西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710071)

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展，為了能給用戶提供更寬的拍攝范圍和更高的圖像質(zhì)量，星載相機的分辨率和處理速度都在不斷提高。高分七號衛(wèi)星是一顆高精度民用測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度約500 km，用于實現(xiàn)1∶10 000比例尺測繪。星上裝載了雙線陣測繪相機(包括前視相機和后視相機)，通過對同一地區(qū)不同角度的觀測，獲得地區(qū)的平面、高程、地物屬性等信息，用于測繪行業(yè)的立體測圖、資源及環(huán)境遙感應(yīng)用。衛(wèi)星上裝載的載荷較多，輸入原始碼數(shù)據(jù)率高，圖像數(shù)據(jù)保真度要求高，同時具備靈活的成像和數(shù)據(jù)傳輸能力，是目前對地觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)率最高的衛(wèi)星之一。解決原始碼數(shù)據(jù)率與星地下傳通道速率的矛盾，是衛(wèi)星在軌應(yīng)用的重要技術(shù)之一。出色的原始圖像壓縮能力及較小的圖像質(zhì)量損失，也是衡量衛(wèi)星性能的重要技術(shù)指標(biāo)。

JPEG-LS算法主要是對靜態(tài)連續(xù)色調(diào)圖像進行無損或近無損壓縮，于1998年正式公布，其核心算法是LOCO-I(Low Complexity Lossless Compression for Images)算法。憑借優(yōu)越的壓縮性能和較小的硬件實現(xiàn)復(fù)雜度，JPEG-LS無損壓縮取得了廣泛的應(yīng)用。然而現(xiàn)有文獻中對JPEG-LS近無損壓縮模式的硬件實現(xiàn)研究并不多，在工程應(yīng)用中也仍然主要采用JPEG-LS無損壓縮模式，其主要原因是JPEG-LS在近無損壓縮模式下硬件實現(xiàn)復(fù)雜度增加。在文獻[1]中，需要在編碼過程中對輸入圖像進行片外緩存，不僅增加了系統(tǒng)功耗，而且占用較大的板級空間，增加成本；在文獻[2]中，作者提出使用一種新的重建值計算方法，能夠在一個時鐘周期內(nèi)計算得到像素重建值，但是這種方法改變了JPEG-LS算法標(biāo)準(zhǔn)，給編碼性能帶來下降，而且會增加解碼的難度；在文獻[3]中提出的硬件結(jié)構(gòu)中前后兩個相鄰像素的處理相差9個時鐘周期，這樣使得編碼效率大大降低。

針對當(dāng)前研究現(xiàn)狀，文章提出并設(shè)計了一種多路并行圖像實時壓縮系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于JPEG-LS算法，F(xiàn)PGA作為邏輯控制核心，可以靈活選擇圖像緩存，并結(jié)合算法和硬件特點，降低了編碼器的邏輯資源開銷，實現(xiàn)了一種全新的JPEG-LS無損及近無損壓縮編碼器硬件結(jié)構(gòu)，提出了一種新的JPEG-LS動態(tài)碼率控制算法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有編碼效率高，資源占用少，系統(tǒng)功耗低，使用靈活等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

高分七號衛(wèi)星配置1臺數(shù)據(jù)處理器實現(xiàn)星上圖像壓縮功能，壓縮算法選用靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS。

數(shù)據(jù)處理器包含4塊圖像處理單元，完成3片后視CCD與4片前視CCD圖像的壓縮功能。其中，3塊圖像處理單元完成后視全色與后視多光譜圖像壓縮，1塊圖像處理單元完成前視全色圖像壓縮。其中，后視多光譜從圖像處理單元右路FPGA經(jīng)過板內(nèi)互連線送至圖像處理單元左路FPGA進行處理。

數(shù)據(jù)處理器與相機接口關(guān)系見如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理器與相機連接關(guān)系示意圖Fig.1 Diagram of connection with camera equipment

圖像處理單元的功能有：接收前視相機、后視相機輸出的原始圖像數(shù)據(jù)，包括相機輔助數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，其中相機輔助數(shù)據(jù)不壓縮，僅對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮，將壓縮后的碼流與相應(yīng)的輔助數(shù)據(jù)進行復(fù)接，并進行壓縮碼流一級協(xié)議編排。

2 系統(tǒng)方案架構(gòu)設(shè)計

本文中壓縮系統(tǒng)由Xilinx公司的FPGA作為圖像分塊處理、圖像壓縮、多路并行輪循調(diào)度的核心處理器，外掛存儲器作為壓縮碼流的緩存器(使用外掛存儲器作為存儲單元片內(nèi)乒乓緩存壓縮碼流數(shù)據(jù)，以達到實時緩存壓縮碼流的目的)，及多個JPEG-LS壓縮核組成。以后視全色為例，系統(tǒng)的原理框圖見圖2。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對單路或多路寬幅圖像的實時無損或近無損壓縮。

圖2 后視全色壓縮系統(tǒng)FPGA實現(xiàn)示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of compression system with FPGA

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 JPEG-LS壓縮算法

JPEG-LS標(biāo)準(zhǔn)[4-5]是基于HP實驗室提出的LOCO-I算法，該算法具有實現(xiàn)復(fù)雜度低，保真度高的優(yōu)點，易于硬件實現(xiàn)。而且不需要外部存儲器，有效節(jié)約了成本，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、數(shù)字相機、無線通訊以及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。JPEG-LS的主要特點是：不對圖像進行變換，只利用預(yù)測與Golomb編碼。

JPEG-LS靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無損和近無損編碼處理基于差分預(yù)測編碼技術(shù)，采用Golomb編碼對預(yù)測值與實際值的誤差進行編碼，同時建立了上下文模型對編碼參數(shù)進行修正，具體的算法實現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 JPEG-LS算法流程圖Fig.3 Algorithm flowchart of JPEG-LS

在JPEG-LS標(biāo)準(zhǔn)中，編碼模型基于所謂“上下文”的概念。在上下文建模時，對每一個采樣值都要以其相鄰的一小部分采樣為條件。如圖4是當(dāng)前采樣x及其相鄰采樣位置的關(guān)系示意圖。根據(jù)在a、b、c和d采樣的重建值，該上下文首先決定采樣x是否采用正常模式或游長模式進行編碼：

根據(jù)上下文關(guān)系預(yù)計，abs(Di)=0(在無損編碼時)，或者abs(Di)<= Near(在近無損編碼時)，那么就選擇游長模式，反之則選擇正常模式。Near參數(shù)是JPEG-LS算法標(biāo)準(zhǔn)中的失真量化參數(shù)。

圖4 JPEG-LS的上下文模型Fig.4 Context model of JPEG-LS

在正常模式下，如圖5所示，當(dāng)上下文決定后就緊接著一個預(yù)測過程，當(dāng)前采樣點的實際值與預(yù)測值之差即為預(yù)測誤差，得到預(yù)測誤差之后被一個由Golomb編碼算法推導(dǎo)的過程進行自適應(yīng)分類編碼。

圖5 正常模式編碼Fig.5 Normal mode coding

如圖6，在游長模式下，編碼器從x開始搜索與a的重建值具有相同值的連續(xù)采樣序列(在近無損編碼時，與a的誤差在指定的界限內(nèi))。該游長無論是遇到一個具有不同值的采樣(在近無損編碼時，與a的誤差超出指定的界限)，或者遇到當(dāng)前行的結(jié)尾都將終止，此時要接著進行游長終止采樣編碼，對于前一種結(jié)束方式，先進行差值處理，再對所得的誤差進行誤差自適應(yīng)編碼；后一種結(jié)束方式編碼更加簡單，直接對游長進行結(jié)束編碼即可。

圖6 游長編碼Fig.6 Length coding

3.2 圖像緩存分塊處理

由于FPGA內(nèi)部邏輯與緩存資源有限，JPEG-LS壓縮核對輸入圖像的最大尺寸有著嚴(yán)格的限制。相機后視全色幅寬為6144像元，前視全色幅寬8192像元，多光譜幅寬12 288像元，均大于單個壓縮核所能處理的極限。而文章所介紹的多個JPEG-LS壓縮核并行聯(lián)合處理的工作方式可解決寬幅輸入圖像的壓縮問題。

對于單路寬幅輸入圖像，一般按照圖像行等分、塊最大的原則進行輸入圖像的分塊處理，將分出的小塊圖像分別送給多個JPEG-LS壓縮核進行壓縮處理，再將壓縮后的碼流按照一定的協(xié)議順序進行排列依次送給固存、星地通道、解壓縮設(shè)備，解壓縮設(shè)備根據(jù)協(xié)議順序便可將不同JPEG-LS壓縮核壓縮的碼流進行拼接，從而恢復(fù)出解壓縮的寬幅圖。

圖像分塊處理的方式是靈活可變的，對于多路圖像同時輸入的情況，根據(jù)圖像路數(shù)以及單路圖像的輸入數(shù)據(jù)率可以計算出輸入的總數(shù)據(jù)率，只要輸入的總數(shù)據(jù)率滿足多個JPEG-LS壓縮核的總處理能力要求，本系統(tǒng)可以實時壓縮處理同時輸入的多路圖像數(shù)據(jù)。

以后視全色的輸入圖像為例，一幅圖像單元圖像行寬為6144像素，高為64行，按每幀圖像768×64進行分塊，一幅圖像可以被分為8塊進行壓縮。前視全色與后視多光譜分塊方式與后視全色類似，本系統(tǒng)所采用的圖像分塊處理方式如圖7所示。

壓縮系統(tǒng)具備支持多路CCD獨立工作的能力，相機不同的CCD進行合路壓縮軟件設(shè)計的關(guān)鍵在于圖像緩存功能前增加了同步化處理模塊，如圖8所示。同步處理模塊采用FPGA內(nèi)部FIFO資源，分別對圖像數(shù)據(jù)進行緩存處理，CCD的時鐘、門控、數(shù)據(jù)分別作為FIFO_CCD的輸入時鐘、寫使能、數(shù)據(jù)。FIFO的讀時鐘采用同一個本地時鐘，通過對2片CCD的門控到來時機進行比較選擇產(chǎn)生的使能信號，作為兩個FIFO的共同的讀使能信號。經(jīng)過同步處理之后，異步的多路CCD輸入實現(xiàn)完全同步，輸送給下一級進行處理。

當(dāng)不同路的CCD圖像某一路出現(xiàn)沒有輸入時，同步處理模塊可以自動識別出該狀態(tài)，根據(jù)多路間最大延遲進行判斷，當(dāng)超出最大延遲時，判斷為該路無輸入，此時同步處理模塊自動產(chǎn)生相關(guān)驅(qū)動信號，保證正常輸入的一路可以正常工作，提高了軟件的容錯性。

圖7 圖像緩存及分幀示意圖Fig. 7 Diagrammatic sketch of image partitioning

圖8 圖像同步處理功能框圖Fig.8 Functional diagram of image synchronization process

3.3 多路并行輪循調(diào)度

本文介紹的基于JPEG-LS算法的圖像壓縮系統(tǒng)，為了保證系統(tǒng)的實時處理能力，必須調(diào)度多個JPEG-LS壓縮核并行工作。由于JPEG-LS是基于像素的圖像壓縮算法，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)到來時以行為周期，在進行壓縮前需要對行進行分割處理，把相機一行分為多個圖像塊行并進入FPGA內(nèi)部緩存，再采用統(tǒng)一的判讀條件進行緩存讀取，保證進入多個壓縮核的圖像數(shù)據(jù)完全同步。該方法靈活可變，可以適用于任意不同幅寬的圖像，僅需要通過輸入像素速率調(diào)整參數(shù)即可。

由于多個并行的壓縮核同時工作，壓縮碼流會以并行輸出的方式進入緩存芯片，為了保證碼流格式完整性及協(xié)議編排，需要對多個壓縮核的輸出碼流進行輪循調(diào)度存入雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器(DDR)緩存芯片。以后視全色為例，每個CCD采用8路并行的JPEG-LS壓縮核進行壓縮，由于圖像不同圖像塊的紋理不同，各壓縮核輸出壓縮碼流的時機也完全不同，壓縮碼流輸出后進入FPGA內(nèi)部緩存進行格式轉(zhuǎn)換，當(dāng)某一路的壓縮碼流滿足寫入DDR緩存芯片條件時，產(chǎn)生DDR寫請求信號，先入先出(FIFO)收到寫請求信號時，輸出數(shù)據(jù)至DDR，即進行DDR寫操作。由于FPGA的實時計算特性，保證在任意時刻均對8路壓縮核的碼流進行實時自適應(yīng)判決。該自適應(yīng)輪循的方法相較于順序輪循，可以適用同一幅圖中不同圖像塊紋理差異過大的情況，且可以更高效的利用DDR接口帶寬，提高系統(tǒng)處理能力。

圖9是多路并行輪循調(diào)度示意圖，所示意的是8個JPEG-LS壓縮核作為一組進行并行輪循調(diào)度的應(yīng)用情況。

圖9 并行輪循調(diào)度示意圖Fig.9 Parallel round robin scheduling diagram

3.4 碼率控制算法

JPEG-LS動態(tài)碼率控制算法一般采用的算法是將圖像分為若干個小碼塊，每壓縮完一個碼塊，就會統(tǒng)計實際碼率和目標(biāo)碼率之間的偏差，并根據(jù)碼率偏差來調(diào)節(jié)下一個碼塊所對應(yīng)的失真量化參數(shù)Near的值，各并行的壓縮核獨立進行運算，使實際碼率不斷逼近目標(biāo)碼率。

文章壓縮系統(tǒng)采用了一種改進的JPEG-LS碼率控制算法：將圖像按壓縮核個數(shù)進行分塊，多路并行的壓縮核每壓縮完一個碼塊，根據(jù)當(dāng)前碼率偏差統(tǒng)一調(diào)整失真量化參數(shù)Near值，來控制下一個碼塊的輸出碼率。本算法的核心有兩點：①連續(xù)調(diào)整失真量化參數(shù)Near，每1024行對碼塊基準(zhǔn)逼近值進行更新；②多路并行壓縮核參數(shù)Near統(tǒng)一更新；

對于一般圖像，壓縮比控制函數(shù)可近似為線性函數(shù)，設(shè)當(dāng)前壓縮比為Ccr，壓縮比控制因子為Q，k、b為控制系數(shù)，則

Ccr=k×Q+b

(1)

其中，為了使Ccr接近目標(biāo)壓縮比Ocr，我們需要對Q進行動態(tài)調(diào)整，i時刻Q的值為

Q(i)=Q(i-1)+ΔQ(i)

(2)

根據(jù)最陡下降法，ΔQ(i)的模型為

(3)

式中：Lr為學(xué)習(xí)率，為正數(shù)；E為當(dāng)前壓縮比Lr與目標(biāo)壓縮比Ocr的偏差量，可以表示為

E=(Ocr-Ccr)2

(4)

將E的函數(shù)代入式(4)，可得

(5)

由式(1)可知，Ccr是Q的線性函數(shù)，故(5)為

ΔQ(i)=α×(Ocr-Ccr)，α>0

(6)

將式(6)代入式(2)，可得

Q(i)=Q(i-1)+α×(Ocr-Ccr)，α>0

(7)

式(7)即為最終的碼率控制的數(shù)學(xué)模型，在JPEG-LS的碼率控制算法中，控制因子為Nnear，α為步長系數(shù)，因此Near值調(diào)整的數(shù)學(xué)模型為

Nnear(i)=Nnear(i-1)+α×(Ocr-Ccr)，α>0

(8)

由式(8)可知，當(dāng)當(dāng)前壓縮比Ccr大于目標(biāo)壓縮比Ocr時，即Ccr-Ocr<0時，Nnear的取值要減小一個步長α，反之，當(dāng)當(dāng)前壓縮比Ccr小于目標(biāo)壓縮比Ocr時，即Ccr-Ocr>0時，Nnear的取值要增大一個步長α，這一點與實際意義相符。

一般情況下，對于連續(xù)掃描的圖像，相鄰的圖像塊之間的紋理具有很強的相關(guān)性，也就是說，圖像特征很相近，如果要求輸出固定的目標(biāo)碼率，那么對應(yīng)的調(diào)整因子Near值也必定很相近，因此，碼率調(diào)整的過程，即是跟蹤搜索與圖像特征相匹配的調(diào)整因子的過程，當(dāng)算法收斂之后，調(diào)整因子應(yīng)該是在一個恒定的均值附近上下抖動，進行微小的調(diào)整，相反，如果調(diào)整算法中Near值跳動幅值很大，說明該算法并沒有跟蹤上圖像內(nèi)容的變化，即沒有收斂。因此，從理論上講，碼率控制的調(diào)整步長不宜太大。

碼率控制算法收斂后，Near值將在很小的范圍內(nèi)進行波動，輸出的碼率也相應(yīng)趨于穩(wěn)定，但是當(dāng)遇到圖像中有紋理突變時，比如一片海域之后出現(xiàn)的海岸城市，由于城市的圖像紋理信息量遠遠大于海域，因此對于紋理處于突變區(qū)的圖像塊，其參數(shù)Near值處于過渡調(diào)整時期，導(dǎo)致當(dāng)前圖像塊的輸出壓縮比不能滿足要求值，為了解決這個問題，我們提出了連續(xù)調(diào)整碼率的策略，當(dāng)實時壓縮比出現(xiàn)欠調(diào)或過調(diào)狀態(tài)時，通過后續(xù)圖像塊的反相補償，使得一段時間之內(nèi)的平均輸出碼率快速收斂于要求值。

4 技術(shù)特點

本文所采用的圖像壓縮系統(tǒng)具備多項技術(shù)特點，可以適用不同衛(wèi)星不同載荷類型。

4.1 靈活的圖像緩存機制

當(dāng)相機圖像輸入速率匹配JPEG-LS壓縮核處理能力，但圖像路數(shù)較多或幅寬較寬時，可以采用增加圖像緩存芯片的方案，緩存芯片進行圖像塊數(shù)據(jù)緩存及調(diào)度，如圖10(a)所示，該方案以圖像塊為單元送至JPEG-LS壓縮核。

當(dāng)相機圖像輸入速率匹配JPEG-LS壓縮核處理能力，圖像路數(shù)為單路或圖像幅寬較小時，可以采用FPGA內(nèi)部緩存，節(jié)省器件資源，這是因為JPEG-LS是基于像素的壓縮算法，內(nèi)部緩存僅需緩存一行圖像即可向壓縮核輸入數(shù)據(jù)，如圖10(b)所示，該方案以圖像行為單元送至JPEG-LS壓縮核。

圖10 圖像緩存機制Fig.10 Mechanism of image cache storage

該方法靈活可變，適用不同的應(yīng)用場景，可以節(jié)約硬件成本。片內(nèi)緩存機制邏輯控制簡單，采用FPGA內(nèi)部資源即可完成圖像緩存功能，去掉了外部芯片控制邏輯，系統(tǒng)資源占用率降低約10%，資源占用對比情況見表1。

表1 資源占用率對比Table 1 Resource utilization comparison

4.2 先進的碼率控制算法

JPEG-LS碼率控制問題，國內(nèi)外諸多學(xué)者進行了相應(yīng)的研究，并提出了一系列碼率控制算法。其中比較典型的有文獻[6]提出的基于視覺感知與內(nèi)容自適應(yīng)的碼率控制算法；文獻[7]提出的基于段的碼率控制算法；文獻[8]提出的開環(huán)碼率控制算法；文獻[9]提出的高比特率下的JPEG-LS碼率控制算法；文獻[10]提出的JPEG-LS動態(tài)碼率控制方法等。這些碼率控制算法，主要是根據(jù)碼率和失真量化參數(shù)Near的關(guān)系進行碼率控制。在壓縮過程中，根據(jù)當(dāng)前碼率偏差實時調(diào)節(jié)Near值，從而形成了一種負(fù)反饋的調(diào)節(jié)方式，使得碼率最終趨于收斂。但是這些算法大多沒有深入分析JPEG-LS圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)中碼率和Near的精確關(guān)系，只是根據(jù)一種近似的線性關(guān)系來通過碼率偏差調(diào)節(jié)Near值，導(dǎo)致碼率收斂速度不夠迅速，且沒有考慮實際應(yīng)用中多路并行壓縮時的碼率控制。

本文碼率控制算法，可以根據(jù)當(dāng)前碼率偏差統(tǒng)一調(diào)整失真量化參數(shù)Near值，來控制下一個碼塊的輸出碼率，使得更快的逼近目標(biāo)碼率，多路并行壓縮核統(tǒng)一進行參數(shù)更新，相較其它算法可以提高圖像視覺的整體主觀感受，提高整體的圖像質(zhì)量。

圖11是對一幅11比特遙感圖像進行壓縮后的結(jié)果，圖中的紅色曲線表示從開始到當(dāng)前行的平均輸出碼率，藍色曲線表示當(dāng)前塊的在線輸出碼率，從圖11中可以看出，Current CR在算法收斂后在4倍壓縮曲線附近有微小的上下浮動，但Average CR逼近于4倍壓縮碼率，且輸出穩(wěn)定。

選取不同場景的5幅遙感衛(wèi)星圖像，大小2048×2048，位寬11bit，如圖12所示。分別采用傳統(tǒng)算法與本文改進算法進行4∶1的目標(biāo)壓縮比測試，結(jié)果見表2。

圖11 圖像4倍壓縮下的碼率控制結(jié)果Fig.11 Result of rate control under Image 4× Compression

圖12 選取的測試圖像Fig.12 Selected test image

表2 與傳統(tǒng)算法比較Table 2 Comparison with traditional algorithm

由測試結(jié)果可見，采用本文改進的碼率控制算法，在整幅圖紋理復(fù)雜程度不均勻時，提升效果較大，在紋理復(fù)雜程度比較均勻時，提升效果較小。相較于傳統(tǒng)碼率控制算法，相同壓縮比下，恢復(fù)圖像的PSNR提高0.5 dB以上。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的圖像壓縮系統(tǒng)，描述了采用多個JPEG-LS壓縮核并行工作的壓縮編碼系統(tǒng)的設(shè)計思路和設(shè)計方法，利用FPGA實現(xiàn)了基于圖像分塊處理技術(shù)及多路并行輪循調(diào)度技術(shù)的壓縮系統(tǒng)設(shè)計，采用了一種先進的碼率控制策略。對壓縮系統(tǒng)的功能和性能在高分七號衛(wèi)星上進行了測試，結(jié)果表明：壓縮系統(tǒng)可以很好地解決相機原始碼數(shù)據(jù)率與星地下傳通道速率不匹配的矛盾，滿足高分七號衛(wèi)星的實時無損或近無損壓縮處理的需求，且近無損壓縮下圖像質(zhì)量客觀參數(shù)PSNR值相較傳統(tǒng)算法提升至少0.5 dB。

壓縮系統(tǒng)的研究是通過降低數(shù)據(jù)總量解決海量高分遙感數(shù)據(jù)傳輸能力制約的有效途徑，本文提出使用在高分七號衛(wèi)星上的無損及近無損圖像壓縮系統(tǒng)，為未來衛(wèi)星構(gòu)建能滿足寬幅、高分辨率、全色多光譜、多遙感器、海量數(shù)據(jù)的星上高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)使用靈活、資源占用小，進一步研究的價值大，在軍事、地質(zhì)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)玫綇V泛的應(yīng)用。