【摘要】：隨著航天事業(yè)的發(fā)展,星載圖像捕捉設(shè)備分辨率日益提高,圖像數(shù)據(jù)信息量不斷地增大,圖像壓縮編碼器在航天圖像處理應(yīng)用中越顯重要。圖像壓縮編碼器需要依照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行執(zhí)行,JPEG-LS(Joint Photographic Experts Group-Lossless)是一種主流的圖像無(wú)損/近無(wú)損壓縮標(biāo)準(zhǔn)。它不僅有良好的壓縮效果,更重要的是具有運(yùn)算復(fù)雜度低、便于硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),節(jié)省硬件資源,更適合用于航天設(shè)備中。空間環(huán)境中存在大量的輻射粒子,工作在其中的圖像壓縮編碼器易發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)效應(yīng)(Single Event Upset,SEU),最終導(dǎo)致整幅圖像數(shù)據(jù)壓縮錯(cuò)誤而無(wú)法恢復(fù)出原圖像。因此需要對(duì)圖像壓縮編碼器進(jìn)行抗SEU加固設(shè)計(jì),從而提高編碼器的可靠性,降低圖像的失真程度。本文首先介紹了圖像壓縮的基本理論知識(shí)。接著對(duì)JPEG-LS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了分析,并重點(diǎn)對(duì)無(wú)損壓縮的流程做了深入研究。在此基礎(chǔ)之上,設(shè)計(jì)了JPEG-LS無(wú)損壓縮編碼器的硬件結(jié)構(gòu)。提出了以下優(yōu)化方案:采用有限狀態(tài)機(jī)(Finite State Machine,FSM)的方式實(shí)現(xiàn)選擇常規(guī)與游程模式的功能;利用簡(jiǎn)單的移位寄存器即可完成碼流拼接任務(wù),節(jié)省硬件資源;設(shè)計(jì)輸入控制器配合編碼器工作,采用流水線技術(shù)對(duì)常規(guī)模式編碼器處理,提高了編碼速率。最終編碼器可對(duì)512×512 8bit灰度圖像正確壓縮。綜合考慮速度、面積開(kāi)銷(xiāo)及編碼器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后,從以下幾個(gè)方面提出了加固方案:考慮到模式選擇器內(nèi)的FSM在整個(gè)設(shè)計(jì)中的重要地位,使用獨(dú)熱碼(One-Hot)結(jié)合三模冗余的方式對(duì)其加固;利用三模冗余和超時(shí)檢測(cè)技術(shù)對(duì)核心編碼器加固;采用EDAC(Error Detection And Correction)檢糾錯(cuò)技術(shù)對(duì)參數(shù)更新模塊加固;根據(jù)JPEG-LS編碼器特點(diǎn),采用幀間圖像獨(dú)立處理的方式減少SEU的累積。本文通過(guò)仿真驗(yàn)證了編碼器功能的正確性及加固方案的有效性,并利用故障注入工具對(duì)編碼器整體的加固效果進(jìn)行了評(píng)估,結(jié)果顯示加固后的編碼器整體錯(cuò)誤率降低19.48%。最后本文利用Xilinx的FPGA對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了編碼器功能的正確性。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文本文需要的灰度圖像。在處理對(duì)象為 512×512 的灰度圖像的前提下，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)置和像素點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等操作，最終輸出二進(jìn)制格式的圖像數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)名將以原圖像名加分辨率的格式命名。如果不是灰度圖像，則輸出該圖像信息后退出程序。圖像信息處理前后的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖 3-2 所示，(a)為未經(jīng)過(guò)處理的圖像信息，(b)為經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換后的部分二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，此數(shù)據(jù)才可輸入到圖像壓縮編碼器中。利用 MATLAB 本身具有的像素值分析能力，可得出原來(lái)的十進(jìn)制像素值。經(jīng)過(guò)對(duì)比，轉(zhuǎn)換后得到的二進(jìn)制像素值與原十進(jìn)制像素值是相同的。

- 20 -圖 3-6 輸入控制器仿真結(jié)果3.3 基于 JPEG-LS 的無(wú)損壓縮編碼器設(shè)計(jì)基于 JPEG-LS 算法的壓縮編碼器設(shè)計(jì)可分為五大部分：常規(guī)模式編碼器設(shè)計(jì)、游程模式編碼器設(shè)計(jì)、參數(shù)更新模塊設(shè)計(jì)、模式選擇器設(shè)計(jì)和輸出碼流控制器設(shè)計(jì)。采用層次化編程的方式，將整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次劃分為 4 層，，如圖 3-7 所示。第一層為頂層模塊 top，包含所有模塊的組織和調(diào)用，以及對(duì)所有的 I/O 信號(hào)的定義；第二層包含參數(shù)更新模塊、常規(guī)模式編碼模塊、游程模式編碼模塊、模式選擇模塊和輸出碼流控制器模塊，其中參數(shù)更新模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)更新操作，常規(guī)模式編碼模塊將實(shí)現(xiàn) JPEG-LS 算法常規(guī)編碼部分的功能，游程模
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TN919.81

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本文編號(hào)：2673722