【摘要】：在航空測繪等領(lǐng)域,高分辨率相機(jī)能夠有效提高空間精度;而在光電跟蹤測量系統(tǒng)中,高幀頻相機(jī)則可以提高運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測量和定位精度。高分辨率相機(jī)和高幀頻相機(jī)都會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)量,給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸和記錄帶來極大的挑戰(zhàn)。對(duì)此,本文圍繞高性能圖像編碼算法及其高速實(shí)現(xiàn)技術(shù)展開深入研究。小波分析以其良好的時(shí)頻特性和多分辨率分析能力而成為新一代圖像壓縮方案的主要變換工具。二維離散小波變換可以對(duì)圖像的水平和垂直方向進(jìn)行最優(yōu)稀疏表示,但對(duì)其它方向的幾何特征就無法獲得最優(yōu)的效果。為了彌補(bǔ)小波變換在圖像稀疏表示中的不足,本文提出了自適應(yīng)方向塊哈達(dá)碼變換方法。通過尋找組成圖像的各個(gè)塊的最優(yōu)方向哈達(dá)碼變換而獲得圖像的最優(yōu)稀疏表示。該變換方法計(jì)算復(fù)雜度較低、額外信息存儲(chǔ)代價(jià)小,對(duì)于幾何特征豐富的圖像能夠取得更好的稀疏效果。隨后,本文對(duì)當(dāng)今的小波圖像編碼方法進(jìn)行了研究。這些算法通常以提高編碼性能為主要目的,導(dǎo)致了算法計(jì)算量的急劇上升。復(fù)雜的編碼模型和數(shù)據(jù)的緊密相關(guān)是這些算法難于高速實(shí)現(xiàn)的主要原因。為了能夠在硬件中實(shí)現(xiàn)圖像的高速編碼,本文先后提出了一種高效的基于自適應(yīng)指數(shù)哥倫布編碼的圖像編碼方法和基于父輩的塊等級(jí)索引編碼方法。這些編碼方法計(jì)算復(fù)雜度低,易于硬件實(shí)現(xiàn)。以自適應(yīng)指數(shù)哥倫布編碼方法為基礎(chǔ),文中將多個(gè)位平面當(dāng)作一個(gè)編碼通道,設(shè)計(jì)了基于多位平面通道的嵌入式編碼方法,能夠編碼得到嵌入式碼流。圖像碼流在無線信道或其它不穩(wěn)定的信道中傳輸,容易出現(xiàn)差錯(cuò)而影響解碼圖像質(zhì)量。對(duì)此,文中按照小波變換在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)輸出各個(gè)子帶的次序進(jìn)行打包,設(shè)計(jì)了基于變長包的抗誤碼圖像編碼方法。實(shí)驗(yàn)表明,該方法能夠抵抗1%-2%的隨機(jī)比特誤碼,且計(jì)算復(fù)雜度低,能夠用硬件實(shí)現(xiàn)。在研究了VLSI計(jì)算的流水線技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一維5/3小波變換結(jié)構(gòu)、二維5/3小波變換結(jié)構(gòu)、多級(jí)二維5/3小波變換結(jié)構(gòu)、二維低頻預(yù)測模塊、零游程編碼模塊以及任意階指數(shù)哥倫布編碼結(jié)構(gòu)等多個(gè)關(guān)鍵計(jì)算結(jié)構(gòu),充分利用并行流水線技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并在FPGA上實(shí)現(xiàn),獲得了較高的綜合性能,為高速圖像編碼算法的硬件實(shí)現(xiàn)奠定了硬件基礎(chǔ)。最后,文中利用設(shè)計(jì)好的基本計(jì)算模塊,從編碼速度、資源開銷和不使用外部存儲(chǔ)單元三方面進(jìn)行綜合考慮,在FPGA上實(shí)現(xiàn)了一種子帶交織圖像編碼器和一種具有抗誤碼能力的圖像編碼器。這兩個(gè)編碼器都是基于同一個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)計(jì)的,圖像的大小、位寬、量化步長等參數(shù)都可以由用戶設(shè)定,接口使用簡單,易于芯片間的移植。此外,文中的編碼器無論資源開銷,還是編碼速度與當(dāng)今其它同類設(shè)計(jì)相比均有明顯優(yōu)勢(shì)。在工程應(yīng)用中,采用的子帶交織編碼器完成了對(duì)高分辨率圖像(10K×10K×2.0fps)的實(shí)時(shí)壓縮。壓縮比可達(dá)10倍~30倍左右,有效降低了圖像的數(shù)據(jù)量,且解碼圖像質(zhì)量良好,各個(gè)方面均滿足工程需要。本文對(duì)圖像二維變換以及基于小波變換的圖像壓縮算法進(jìn)行了深入的研究,并提出了多種低復(fù)雜度圖像編碼算法。在研究了VLSI計(jì)算的流水線技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了子帶交織圖像編碼器和抗誤碼圖像編碼器,最終應(yīng)用于工程實(shí)踐中,取得了良好的效果,有效緩解了高速圖像數(shù)據(jù)帶來的傳輸和記錄壓力。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（光電技術(shù)研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN919.8

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本文編號(hào)：2802623