[发明专利]一种实时码率预分配的图像压缩方法及图像压缩装置

说明书

技术领域

本发明属于图像处理领域，涉及一种如何实时对图像进行编码方法及其工程实现装置。特别是基于小波分析和香农信息论得出的码率预分配图像压缩方法和基于现场可编程逻辑器件与数字信号处理器(FPGA+DSP)的图像压缩处理装置。

背景技术

随着航天科技的日益发展，空间飞行器的有效载荷量以及其所携带的CCD相机分辨率、采样率等不断增加，这必然给有限的传输信道带宽和大容量数据记录系统带来沉重的压力。所以应用图像压缩技术已成为迫切的需要，而图像编码的目的就是对图像数据的压缩。图像的压缩方法有很多，可以分为经典压缩方法和现代压缩方法两大类。

经典编码方法主要有预测编码、变换编码和统计编码。预测编码是根据数据的统计特性得到预测值，然后传输图像像素与其预测值的差值信号，时其传输的码率降低。目前已在JPEG、MPEG等国际标准中得到广泛应用。变换编码是给定的图像变换到另一个数据域上，使大量的信息用较少的数据来表示。常用的变换编码方法有离散傅里叶变换、离散余弦变换、离散哈达马变换。通过研究我们发现基于上述变换编码，在大压缩比时还会出现明显的“方块”效应和蚊式噪声。统计压缩编码方法是根据信息码字出现概率的分布特征而进行压缩编码，寻找概率与码字长度间的最优匹配。常用的统计编码有游程编码、Huffman编码和算术编码三种。

现代压缩方法不局限于信息论的框架，充分利用了人的视觉生理、心理和图像信源的各种特征，实现从“波形”编码到“模型”编码的转变，为了克服经典压缩方法压缩比小、图像复原质量不理想等弱点。主要有基于分形的编码、基于模型的编码、基于区域分割编码、基于神经网络的编码和基于小波变换的编码等。利用小波变换可以一次变换整幅图像，不仅可以达到高的压缩比，而且不会出现JPEG重建图像中的“方块”效应。

在实际工程中，选择什么样的嵌入式系统平台来完成对图像压缩传输也是至关重要的。目前有些图像压缩处理系统使用FPGA实现可重构计算系统，运算速度快，但对于复杂算法的实现难度较高，且灵活性差。而DSP芯片强大的数据运算处理能力以及FPGA芯片丰富的可编程逻辑资源和I/O接口使得DSP+FPGA的硬件结构成为很好图像压缩处理硬件结构，其中DSP负责实现图像处理算法，FPGA负责实现各种接口电路以及一些图像预处理工作以减轻DSP的负担。

发明内容

为了克服现有技术海量数据量给有限的传输带宽和大容量数据记录系统带来沉重的压力的技术缺陷，本发明提出了一种新的实时码率预分配的图像压缩方法及其实现处理的实时码率预分配的图像压缩装置。

为了实现所述目的，本发明的第一方面提供一种实时码率预分配的图像压缩方法，实现所述方法的步骤包括：

步骤S1：对输入的原始图像数据进行预处理，得到原始图像数据的直流电平平移；

步骤S2：利用硬件描述语言在现场可编程逻辑器件设计出多级二维5/3小波变换的智能特性核，仅需要多级二维5/3小波变换的智能特性核缓存三行原始图像数据就能实现多级整数小波变换，以去除原始图像像素之间的相关冗余，得到图像各级子带；

步骤S3：用信息论原理结合图像各级子带对重建图像质量影响，对各个子带的码率进行计算分配，得到各个子带在实际编码中所贡献的码率；

步骤S4：采用上下文相关多路量化算数编码对每个子带的位平面进行熵编码，对各个子带在实际编码中所贡献的码率进行位平面编码，当熵编码深度为达到各个子带在实际编码中所贡献的码率码率时，则编码深度控制返回位平面编码继续进行熵编码，当熵编码深度达到各个子带在实际编码中所贡献的码率码率时，则控制停止熵编码，进而得到细致的嵌入式码流，并输出码流。

为了实现所述目的，本发明的第二方面提供一种实时码率预分配的图像压缩装置，所述装置包括：相机通过相机口与现场可编程逻辑器件相连；现场可编程逻辑器件与数字信号处理器之间采用SRIO协议进行通信；现场可编程逻辑器件采集相机数据，现场可编程逻辑器件对采集后数据进行变换；变换后的数据通过SRIO模块端口传输到数字信号处理器中，数字信号处理器在利用码率预分配方法进行编码；在完成熵编码后数据通过其自带的以太网络将压缩后图像传到远方进行解压显示，或将压缩后图像存储在数字信号处理器的缓存器中，事后解压显示。