《超大幅面遙感圖像的快速壓縮算法研究與實現》是依託清華大學，由張利擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超大幅面遙感圖像的快速壓縮算法研究與實現
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：張利
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著遙感技術的快速發展，衛星上圖像感測器的種類也越來越多，並且它們所獲取的圖像尺寸也越來越大。在這種資源受限的特定場合下，如何對這些圖像進行快速有效的存儲與傳輸就成為了一個亟待解決的問題。要解決這一問題，需要三個方面的關鍵技術作為保障，即：高效的遙感圖像壓縮算法，可ASIC實現的硬體結構，以及抗誤碼干擾的措施。目前，圖像壓縮的主流方法仍是基於小波變換和零樹結構的熵編碼方案，該項技術的套用雖然較為成熟，但在對超大規模圖像壓縮時，仍然存在不足：由於算法機制的約束，該方案會令記憶體消耗過大，不利於其在星上系統的實現；在低比特率情況下對圖像的紋理和細節不能做到很好保持；實現對壓縮後的碼流保護以及抗誤碼也比較困難。本課題的目的是，針對現行圖像壓縮方案中上述三方面不足作以深入研究，在最小化輸入快取，低比特率條件下圖像細節保持以及碼流的保護等方面取得突破，使超大規模圖像快速壓縮算法能在星上系統中得到套用。
結題摘要
為了解決超大幅面圖像的快速壓縮問題，課題設計了一套完整的圖像壓縮硬體系統。該系統採用FPGA+ARM的核心架構，核心算法為空間組合推舉小波變換算法以及無鍊表零樹編碼算法。實驗結果證明了算法的正確性以及系統的穩定性與高效性。課題首先研究了目前乘法運算次數最少的二維小波變換方法——空間推舉體制算法，著重分析其減少乘法運算量、記憶體操作次數和小波係數快取大小的特性，將算法中不利於硬體並行操作的相互依賴關係加以改進。通過對算法進行調整，使得算法硬體實現的理論速度提升了1倍，即將本來需要2個時鐘周期完成的運算在1個時鐘周期內完成。在編碼算法的研究中，課題綜合了SPIHT算法的零樹思想和LZC算法的無鍊表硬體實現思想，提出了無鍊表零樹編碼算法，在保證壓縮性能的基礎上大幅提升硬體實現速度。同時，為了解決小波變換和編碼模組間的快取隨圖像尺寸增大而增加的問題，課題又提出了基於最小零樹的編碼算法，以犧牲一定圖像重建質量為代價，作為硬體實現的折中方案。為了驗證算法的正確性，課題先後設計了兩個硬體平台“基於THJ2K的JPEG2000圖像壓縮系統平台”和“大幅面圖像壓縮和螢幕信息記錄平台”。在課題研究初期，第一個平台主要起到算法驗證的作用。隨著研究的深入，課題結合項目需求，又專門設計了第二個平台。該平台採用FPGA+ARM的核心架構，目前最大支持4096×4096灰度圖像壓縮，同時該平台提供了很友好的人機互動界面，在脫機工作時，通過幾個按鍵即可控制圖像壓縮倍數、圖像解析度的修改等。藉助於搭建的兩個平台，課題實現並驗證所提出的壓縮算法，構建了完整的超大幅面圖像硬體壓縮系統。實驗結果表明大幅面圖像壓縮算法在性能上逼近於採用9/7小波濾波器的SPIHT的JPEG2000算法，高於LZC算法和基於DCT的JPEG算法。其硬體實現後，目前在100MHz主頻下，壓縮一幀1600×1200×24bits的YUV422真彩色圖像，耗時約59ms，壓縮一幅4032×5344×8的圖片，耗時約662ms。
