基于FPGA的9/7小波在图像压缩中的研究

基于FPGA的9/7小波在图像压缩中的研究

论文摘要

星载图像是深空探测和近地观测所得数据的重要载体,在航天和社会经济生活领域发挥着重要作用。由于星载图像的数据量巨大,而传输信道的带宽有限,它们之间的存在着矛盾并日渐突出。因此,有必要采用实时、高效的图像压缩算法来减少图像的存储容量和传输带宽。近年来,静止图像压缩技术突飞猛进,涌现出一大批诸如JPEG2000、SPIHT等优秀的图像压缩算法,但这些算法在空间探测领域都有自己的不足,限制了在该领域的应用。为此,空间数据系统咨询委员会(CCSDS)组织提出了针对星载图像的压缩算法。该算法复杂度低,并行性好,支持高速低功耗硬件实现,能实现对空间数据的实时处理,在空间探测领域具有良好的应用前景。针对星载图像的特点,本文研究了CCSDS图像压缩算法中应用于无损压缩的9/7整数小波变换,并在提升小波算法的基础上提出了基于CCSDS的二维提升小波变换核的FPGA设计。采用内部RAM循环覆盖方式和流水结构,充分利用FPGA存储资源,实现了行变换与列变换同时进行的系统设计。同时把常系数乘法优化为最少的移位加操作,加快了运算速度,减小了电路规模。整个系统采用VHDL语言进行硬件描述,在QuartusⅡ环境下编译和仿真,并针对Altera公司的CycloneⅡ系列EP2C20Q240的FPGA芯片进行了适配,得到的结果与Matlab软件仿真的结果完全相同,验证了系统设计的可行性。搭建了9/7整数小波变换系统的硬件平台,通过Cypress公司的68013型USB接口实现了与PC机的高速数据传输,提高了系统验证的工作效率。实验证明,该系统工作稳定,使用CycloneⅡFPGA EP2C20Q240对128×128×8bit的星图进行处理,系统时钟可以达到30M以上,具有实时处理的能力,基本满足了设计要求。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • §1.1 空间图像压缩的必要性
  • §1.2 国内外研究现状
  • §1.3 本文主要工作与组织流程
  • 第二章 CCSDS图像压缩标准
  • §2.1 CCSDS图像压缩标准概述
  • §2.1.1 预处理
  • §2.1.2 离散小波变换(DWT)
  • §2.1.3 量化
  • §2.1.4 位平面编码(BPE)
  • §2.1.5 熵编码
  • §2.2 CCSDS算法与JPEG2000算法的比较
  • 第三章 小波变换理论
  • §3.1 连续小波变换
  • §3.2 离散小波变换
  • §3.3 多分辨率分析
  • §3.4 MALLAT算法
  • §3.5 提升小波变换
  • §3.6 9/7整数提升小波变换及其性能优势
  • §3.6.1 CCSDS标准中的9/7整数提升小波变换
  • §3.6.2 9/7整数提升小波变换的性能优势
  • 第四章 高效实时整数提升小波变换的FPGA实现
  • §4.1 FPGA开发环境概述
  • §4.1.1 FPGA简介
  • §4.1.2 FPGA设计流程
  • §4.2 9/7小波的系统结构设计
  • §4.2.1 设计中的一些技术问题
  • §4.2.2 系统结构
  • §4.2.3 多级变换系统设计
  • 第五章 系统的硬件设计
  • §5.1 小波变换系统的硬件结构
  • §5.1.1 多电压供电电源系统及电压监控管理
  • §5.1.2 核心FPGA的选择
  • §5.1.3 FPGA的配置电路
  • §5.1.4 USB串口的选择
  • §5.2 PCB设计
  • §5.2.1 PCB设计时的一些原则
  • §5.2.2 小波变换处理板的PCB设计
  • 第六章 系统仿真及结论
  • §6.1 系统验证方案
  • §6.2 系统板级验证
  • §6.3 结论
  • 总结与展望
  • 参考文献
  • 发表学术论文情况
  • 致谢
  • 附录
  • 相关论文文献

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