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题名:
高分辨率图像实时压缩、存储及传输技术研究
作者: 张耀
学位类别: 博士
答辩日期: 2011-05
授予单位: 中国科学院研究生院
授予地点: 北京
导师: 张启衡
关键词: SOPC ; 高速图像压缩 ; 小波变换 ; NandFlash图像存储 ; 图像传输
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要:

光电跟踪测量技术的飞速发展,对新一代光电测量设备和指挥系统提出了更高的要求,一方面为了提高光电跟踪测量系统的测量精度,大量采用高分辨率、高帧频图像传感器以提高空间分辨力和时间分辨力。另一方面,为了提高对不同特性目标的探测能力,单台经纬仪经常会配备不同波段的多个传感器。因此,海量、高速的图像数据实时存储和传输面临很大的挑战。再者,当前的经纬仪设备还需要具有快速机动的特性,这就要求包括存储设备在内的所有其它设备需要实现小型化。再者,为了将现场试验图像传送到远端监控中心,就需要将高分辨率图像压缩编码后才能在有限带宽的信道上传送,实现高清图像的显示。为此,展开针对海量高速图像数据的存储和传输技术的研究,并取得突破,对现代信息化技术的发展具有重要的意义。

本文针对光电经纬仪对高速图像存储及高清图像传输技术的发展需要,就其中涉及的关键技术展开深入的研究。通过对光纤传输技术的研究,将各种高速相机的不同输出接口形式转换为统一的光纤传输,解决了高速图像的数据接收问题;通过对高分辨率、高帧频图像的低失真、实时压缩技术研究,降低了高速图像的有效带宽;通过对基于闪存阵列的高速数据存储技术的研究解决了低温、抗震环境下的高速数据存储问题;通过对视频图像编解码及千兆网络传输技术的研究,解决了视频通讯系统中高分辨率图像的实时传输与高清晰度显示问题。综合压缩、存储及传输技术,进一步对系统的小型化实现方法——SOPC(可编程片上系统)技术展开研究,最终设计了小型化的高速图像存储系统和用于高分辨率图像的实时传输与显示的高清图像编解码系统。

考虑到实际光电工程应用的要求,在充分调研当前国内外主流存储方案的基础上,提出基于SOPC技术的设计思路。单片SOC芯片内集成了高速串行数据接口,嵌入式PowerPC,千兆网络MAC层硬核和几百万门可编程逻辑,为构建小型化SOPC数据存储系统提供了丰富的资源。对图像数据的高速输入输出接口进行了研究,采用光纤传输技术接收图像数据,单路传输速度可达2Gb/s;采用千兆网络接口作为图像下载的传输方式,速度达到410Mb/s。数据存储模块采用基于NandFlash Memory作为存储介质,其抗震、宽温及低功耗的性能可适应各种恶劣环境。文中在研究NandFlash工作原理的基础上,分析了影响其写入速度的关键因素,进而提出基于并行总线技术和流水线技术使存储速度达到128MB/s,而且可通过通道扩展将存储速度进一步提高。针对不同要求的应用场合,在SOPC内通过添加用户IP(知识产权)核设计了实时高速图像压缩模块,对JPEG2000压缩标准研究分析后得出,该方法之所以取得很好的图像压缩效果,原因不仅在其采用小波变换(DWT)代替了离散余弦变换(DCT,而且在其编码部分采用了极其复杂的嵌入式可截断编码算法(EBCOT),这正是其在高速VLSI(超大规模集成电路)设计中的瓶颈所在,基于此,采用一种适于硬件的低复杂度的图像压缩算法,该算法压缩性能高于JPEG标准,与JPEG2000性能接近,而且采用VLSI方法实现了对分辨率为1280 x 1024,帧频150F/s的图像的实时压缩。设计中将实时压缩模块作为用户可选IP嵌入到SOPC系统中,可根据应用灵活配置。

在高分辨率图像实时传输及显示方面,采用对图像进行视频编码的方式,大幅降低图像带宽,通过千兆网络传输到远端实时解码显示或存储。视频编码算法采用目前性能最好的H.264算法标准,其关键技术包含帧内预测编码、帧间预测编码、运动估计、运动补偿,环路滤波等复杂的算法,通过对DSP(数字信号处理器)、FPGA(可编程逻辑电路)和专用芯片实现视频编解码的技术难度、编解码效率和图像质量的综合比较,选择了基于专用芯片的方式开展研究,以Mobilygen公司推出的新一代H.264高清编解码器MG3500 SOC为核心进行设计,同时扩展了大量的外围设备和接口,使得这种高集成度处理器更适合处理音视频码流。设计结果表明,编解码器可实现对CIF(352×288)/D1704×576/720P1280×720/1080P1920×1080)等多种格式的编解码需求,码率在128Kb/s6Mb/s可调,对高清1080p301080i60视频码率只要2Mb/s带宽就可以达到与原图像在视觉上相差无几的效果。基于该H.264编解码器,设计了高清视频在试验场指挥系统中应用的实现方案,对试验场的信息化建设提供了重要的技术支撑。

语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/569
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张耀. 高分辨率图像实时压缩、存储及传输技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2011.
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