基于多DSP+FPGA的衛(wèi)星遙感圖像壓縮系統(tǒng)設(shè)計

目前的衛(wèi)星遙感圖像壓縮系統(tǒng)硬件方案大多基于高性能可編程邏輯器件FPGA[2-4]。但這種方案整系統(tǒng)成本居高不下，且FPGA存在單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。因此，筆者提出一種多DSP+FPGA的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)，使用DSP取代FPGA完成核心算法，而僅用一個FPGA進行管理和控制。該硬件設(shè)計成本較低。

　　1 基于雙正交疊式變換的低復(fù)雜度圖像壓縮方法

　　1.1 雙正交重疊變換的快速整數(shù)實現(xiàn)

　　在有損壓縮中，通常先對圖像矩陣進行正交/雙正交變換，使能量分布集中，表示更為稀疏。離散余弦變換(DCT)由于具有良好的去相關(guān)效果，并且存在相應(yīng)的快速算法，應(yīng)用廣泛。雙正交重疊變換繼承了DCT 計算簡便、存儲要求低的特點，同時克服了DCT的塊效應(yīng)。這里以LBT為藍本提出雙正交重疊變換的快速整數(shù)實現(xiàn)算法，所有系數(shù)均采用分母為2的冪、分子為整數(shù)的分?jǐn)?shù)近似，從而使整個變換過程只需要整數(shù)加法和位移運算。圖1給出了一維binLBT的實現(xiàn)流程，二維變換按先行后列的順序分別進行一維變換。

　　1.2 零樹編碼的簡化與改進

　　SPIHT作為一種高效零樹編碼方法，對位平面進行了集合劃分，將大量的非重要位0集中到幾個具有特定模式的集合里面，并對含有重要位的此類集合進行劃分，直至將集合劃分為具體的元素。LBT系數(shù)塊中存在著類似零樹結(jié)構(gòu)。圖2中給出了模仿小波變換中樹結(jié)構(gòu)的LBT塊變換中的零樹劃分方法，其中每一個線框?qū)?yīng)著一個系數(shù)，實線則將64個系數(shù)分為10個子帶。由于塊變換具有集中能量的作用，系數(shù)的能量由左上到右下逐漸減少。

　　在每一子帶中，首先使用Golomb方法編碼，再將其輸出碼流輸入到MQ編碼器，進行下一步的編碼。零樹編碼過程應(yīng)用了零樹結(jié)構(gòu)中父子節(jié)點間的相關(guān)性，需要在已知父節(jié)點的情況下定位它的子節(jié)點。因此，在LBT系數(shù)輸出后進入編碼器前，利用線性索引的方法對LBT系數(shù)重新排序，將其放置在一維數(shù)組里。

　　2 并行多DSP+FPGA的硬件設(shè)計方案

　　2.1 系統(tǒng)硬件整體框圖

　　數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)硬件總體框圖如圖3所示。2x-1路串行CCD數(shù)據(jù)通過LVDS接口多路并行進入FPGA進行時序轉(zhuǎn)換，每個DSP通過兩個串口以EDMA方式從FPGA讀取兩路相機數(shù)據(jù)并緩存、壓縮編碼，整個數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)需要x個DSP并行處理。壓縮后碼流數(shù)據(jù)通過串口輸出到FPGA，F(xiàn)PGA重新緩存、組幀、時序轉(zhuǎn)換后輸出到固存設(shè)備。碼流數(shù)據(jù)輸出、遙控指令輸入、遙測信號輸出和電源的接口均通過底板總線和數(shù)傳綜合處理器連接。

　　2.2 器件選擇

　　DSP選擇TMS320C6416，它是TI公司于2000年推出的一款具有C64XX系列新內(nèi)核的高性能DSPs芯片。TMS320C6416采用一種高性能的先進的VLIW(非常長指令字)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部具有8個并行處理單元。因單指令字長為32位，8個指令可組成長達256位的指令包，由內(nèi)部專門的指令分配模塊同時分配到8個處理單元同時運行。因此在600MHz主頻時，TMS320C6416的最大處理能力高達4800MIPS(百萬條指令/秒)。TMS320C6416核心電壓為1.2V，外圍電壓為3.3V，主頻為400MHz1GHz，并且在600MHz主頻下，能夠提供833B級器件。

　　FPGA選用X2V3000-5FG676C，該型號屬于Xlinix公司的Virtex-II系列，300萬門，676個管腳中包括484個I/O管腳。Xlinix FPGA的基本特點是由可配置邏輯塊(CLB)、輸入/輸出塊(IOB)以及可編程互連資源組成，另外還包括三態(tài)緩沖器、全局時鐘緩沖器和邊界掃描邏輯。CLB中包含有查找表(LUT)、寄存器和進位邏輯，IOB中包含DDR寄存器。存儲器資源主要包括分布式SelectRAM/ROM以及18KB的塊狀SelectRAM。