摘 要：随着现代科学技术快速发展，人类关注的目光已经由地球本身延伸到了外太空，对宇宙空间探索脚步正在不断加快。然而受制于图像数据压缩技术限制，导致大量的空间探索数据和图片无法及时有效地传输回地面，在很大程度上阻碍了科研工作开展，产生的影响较为深远。因此本文基于FPGA基础上研发设计CCSDS图像数据压缩系统，以推动科研工作有效展开，为数据传输提供帮助与支持，从而加快我国探索宇宙脚步，缩小与世界先进水平之间差距，具有重要的促进作用和现实意义。
关键词：现场可编程门阵列；图像数据压缩系统；研发与设计；空间探索
中图分类号：TP391.41
基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统，不仅能够推动科研工作进一步发展，获取海量的空间信息与数据，还能够运用到军事、地理资源开发等多个领域，已经成为了一个国家综合竞争实力的表现。通过将收集到的数据信息进行及时传输，能够提高科研水平，推动社会进步，对我国强国形象树立以及综合实力提升起到了重要的促进作用。因此基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统设计与开发就成为了本文研究的重点。
1 国际空间数据系统咨询委员会图像数据压缩标准解析
国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）是一个国际性空间组织，成立于1982年，至今已经颁布了众多有关图像数据压缩方面标准，对空间探索以及图像传输起到了重要的促进作用。在1982年颁布的空间数据系统高级在轨系统建议书（AOS）具有显著的前瞻性和创新性，其中所包含的理念与标准至今仍在沿用[1]。目前采用的图像数据压缩算法是一种基于小波的压缩算法，主要由三部分构成，即离散小波变换、直流系数量化编码、位平面编码。
1.1 离散小波变换
在小波转换模块当中包含多路选择Mux单元、行或者列缓存控制单元以及一维的小波转换，每一段小波变换包括两个部分，分别是一维行小波变换和一维列小波变换。在原始图像当中，小波变换要通过逐行对Mux的选择，变行结果才能够存入行缓存当中，所有行完成变换之后再通过每列数据进行小波转换，最后将变换结果存进列缓存。
由于CCSDS标准中整数小波变换方法具有节省空间、计算量少、能够实现重构、无损压缩等特点，特别适合FPGA实现，因此本次研究工作所选用的离散小波变换方法为整数变换。其主要的变换公式为：
1.2 直流系数量化编码
直流系数编码模块是从片内缓存当中提取出DC系数，再进行Rice编码。编码器的主要组成部分有多路选择Mux单元、非负转换单元、求取最佳编码单元以及缓存器等。目前直系数量化编码主要应用方法为Rice算法，其主要计算公式为：
在实际运用中需要对DC或者AC系数进行熵编码，所输入的数据需要进行有效判断从而采用合适的计算公式以保证数据准确性，提高熵编码工作效率[3]。
1.3 位平面编码
位平面编码实际运用较为普遍，与目前现行的EZW计算方法相类似，因此可以参照此种算法来进行数据转换。以-20编码转换为例，符号位为1时，幅度值为10100，若进行加权移位，编码数值变为2时，则索引值b>4bit面扫描时，系数状态为0；b=4bit面扫描时，AC状态为1；4 2 基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统构成与设计 基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统结构主要由三部分构成，即：DWT小波变换、直流系数编码、位平面编码。 2.1 DWT小波变换 DWT小波变换是子系统的初始运行部分，也是将数据进行转换运算的重要应用模块。其所采取的数据转换算法为常用的Rice算法。具体结构中包括以下三部分构成：（1）多路选择Mux单元。通过此单元能够保证海量的数据图像通过多种传输路径收录到系统中，从而为后续计算转换工作提供服务。目前关于多路选择Mux单元的研究比较深入，成品种类较多，相较于发达国家制成品，我国自主化生产的多路选择Mux单元具有成本低廉、使用可靠、更换方便等特点，因此可以成为本次研究中基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统构件，从而在很大程度上提高了基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统使用效率，有效降低了研发成本，推广应用工作得到了快速发展；（2）一维小波变换。一维小波变换是数据处理的重要环节，也是海量图像数据信息所必需经过的模块。实际运用中主要包括两部分：一维行小波变换和一维列小波变换[5]。多路选择Mux单元筛选的数据在经过了一维小波变换后形成两部分数据，一部分经过一维行小波变换后存储在了小波行变换缓存中，另一部分经过一维列小波变换后存储在了小波列变换缓存中，从而实现了图像数据压缩系统信息资料的收集工作。根据DWT小波变换的高频部分中不同波段的作用，可采用不同的量化方法，从图像的大小、压缩比例以及图像的质量进行量化，尤其在实验当中，同一频段的向量扫描方向要根据其所在的不同区域情况而定。由于空间研究与开发所需要的数据通常较大，受制于目前太空仪器自重以及功率制约，数据传输效率较慢，而采集到的图像数据通常较大，在很大程度上加重了数据传输负担，导致科研工作收到严重阻碍。DWT小波变换的出现能够为科研部门提供有效帮助，快速转换图像信息，从而节约了资源与存储空间，提高了数据传输效率以及通信信道利用率，使用价值较高。 2.2 直流系数编码 直流系数编码直接从片内缓存中提取已经转换完毕的DC数据并结合相应系数进行Rice算法编码转换，DC系数和AC块位要通过Rice算法进行熵编码，如果是DC值，需要先量化，再进行差分运算；如果是AC块位，可以直接进行差分运算，然后再对其差分值进行非负处理，由此可知，根据不同码长的编码项，可以选择合适的编码项进行熵编码。
直流系数编码的主要结构为：多路选择Mux单元差分变换单元、非负转换单元、缓存器、求取最佳编码单元和熵编码单元组成[6]。各组成部分结合使用能够有效提高系统运行效率，在很大程度上帮助了科研人员进行数据传输转换工作，不仅提高了自身工作效率，也为系统运行做出了有效保障。由于海量的图像数据需要系统进行处理，而在数据处理过程中如果未采取保存或者保护，一旦发生断电、系统失灵或者人为因素造成的数据丢失所造成的后果将会十分深远，因此在此系统设计中加入了缓存器，从而提高了系统运行效率，为数据提供了基础保障。求取最佳编码单元能够根据用户需求来进行算法、系数、公式的针对性选取，从而实现了资源最优化配置，节约了数据存储空间、剔除了无效或者错误数据，以避免对系统数据处理与运行造成不利影响。熵编码单元是直流系数量化编码应用中主要构成部分，单元模块的存在能够对DC或者AC系数进行熵编码，所输入的数据需要进行有效判断从而采用合适的计算公式以保证数据准确性，提高熵编码工作效率。
2.3 位平面编码
位平面编码模块主要是由状态扫描单元和bit面编码单元构成。状态扫描单元扫描顺序是依照bit面数据高低来进行实际数据扫描。然而状态扫描单元扫描单一的bit面数据时在很大程度上限制了编码效率，导致实际图像数据压缩工作受到了较为严重的影响。因此为了提高编码效率，为数据压缩做出有效帮助，本次研究中基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统使用了N个bit面并行扫描，有效的提高了编码效率，数据转换与存储工作得到进一步发展。利用Quartus5.0平台进行实验环境的模拟，测试图像通过采用8bit/pixel的灰度图像，当数据通过接口进入后存入缓存，系统自动从缓存器当中读取数据，并通过bit流形式输出，其中bit面编码单元模块又包括了编码预处理、求取最佳编码项和映射编码三个小单元模块，在单个bit面中，由于系统运算方法存在着不同的系数，从而导致所属子层数量出现明显差异。正常系数下，所属子层共分为5个层级（stage）：DC系数层（stage0），父系数层（stage1），子系数层（stage2），孙系数层（stage3），AC精炼系数层（stage4）[7]。基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统为了保证图像重建过程中重要数据能够优先传输，编码重要性和优先度的设定以stage0→stage1→stage2→stage3→stage4顺序逐层递减，从而保证了重要数据及时传输，在很大程度上推动了科研工作开展，为我国其他领域应用打下了坚实基础。当所有block当前数据均已经编码完成后，才能进行下一级别图像数据处理，采用了此种逐层串行编码方法后，在映射编码的过程中，各个stage不存在明显的相关性，因此可以使用并行处理结构来进行各stage独立编码工作，从而提供了实际编码效率[8]。
3 结束语
综上所述，基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统在科研、航空航天、地质探测、军事等领域发挥了不可估量的作用，成为目前主流的图像数据压缩系统，在很大程度上提高了信息传输效率，为科研工作的进一步发展起到了重要的促进作用。希望本次研究所设计的基于FPGA的CCSDS图像数据压缩系统能够为其他研究提供借鉴参考，以推动我国社会不断向前发展。
参考文献：
[1]徐晓东.基于CCSDS IDC星载图像压缩算法的FPGA实现技术[D].山东大学，2011.
[2]刘思颖.CCSDS图像无损压缩及FPGA实现技术研究[D].西安电子科技大学，2010.
[3]胡永刚.CCSDS图像压缩算法位平面编码技术研究及其FPGA实现[D].西安电子科技大学，2011.
[4]徐洁.基于FPGA的JPEG图像压缩系统的实现[D].大连理工大学，2013.
[5]胡康韬.星载图像压缩编码系统的设计与实现[D].西安电子科技大学，2013.
[6]陈娟.基于FPGA的遥测数据压缩系统设计[D].中北大学，2012.
[7]朱元元，刘成国，徐刚.基于FPGA的实时静态图像压缩系统设计[J].导弹与航天运载技术，2014（03）：79-82.
[8]宋晓东，周振宇，肖勇.一种可重构数据压缩信息处理系统的设计实现[J].电子世界，2014（03）：157-159.
作者简介：张华（1979.10-），男，上海人，在校研究生，计算机技术专业，研究方向：计算机多媒体；导师：蒋念平。
作者单位：上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093