JPEG-LS无损压缩编码器抗SEU加固设计

发布时间：2020-05-21 04:18

【摘要】：随着航天事业的发展,星载图像捕捉设备分辨率日益提高,图像数据信息量不断地增大,图像压缩编码器在航天图像处理应用中越显重要。图像压缩编码器需要依照一定标准进行执行,JPEG-LS(Joint Photographic Experts Group-Lossless)是一种主流的图像无损/近无损压缩标准。它不仅有良好的压缩效果,更重要的是具有运算复杂度低、便于硬件实现的特点,节省硬件资源,更适合用于航天设备中。空间环境中存在大量的辐射粒子,工作在其中的图像压缩编码器易发生单粒子翻转效应(Single Event Upset,SEU),最终导致整幅图像数据压缩错误而无法恢复出原图像。因此需要对图像压缩编码器进行抗SEU加固设计,从而提高编码器的可靠性,降低图像的失真程度。本文首先介绍了图像压缩的基本理论知识。接着对JPEG-LS标准进行了分析,并重点对无损压缩的流程做了深入研究。在此基础之上,设计了JPEG-LS无损压缩编码器的硬件结构。提出了以下优化方案:采用有限状态机(Finite State Machine,FSM)的方式实现选择常规与游程模式的功能;利用简单的移位寄存器即可完成码流拼接任务,节省硬件资源;设计输入控制器配合编码器工作,采用流水线技术对常规模式编码器处理,提高了编码速率。最终编码器可对512×512 8bit灰度图像正确压缩。综合考虑速度、面积开销及编码器结构特点后,从以下几个方面提出了加固方案:考虑到模式选择器内的FSM在整个设计中的重要地位,使用独热码(One-Hot)结合三模冗余的方式对其加固;利用三模冗余和超时检测技术对核心编码器加固;采用EDAC(Error Detection And Correction)检纠错技术对参数更新模块加固;根据JPEG-LS编码器特点,采用帧间图像独立处理的方式减少SEU的累积。本文通过仿真验证了编码器功能的正确性及加固方案的有效性,并利用故障注入工具对编码器整体的加固效果进行了评估,结果显示加固后的编码器整体错误率降低19.48%。最后本文利用Xilinx的FPGA对设计进行了硬件实现,验证了编码器功能的正确性。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文本文需要的灰度图像。在处理对象为 512×512 的灰度图像的前提下，进行图像数据矩阵转置和像素点数据转换等操作，最终输出二进制格式的图像数据，输出数据名将以原图像名加分辨率的格式命名。如果不是灰度图像，则输出该图像信息后退出程序。图像信息处理前后的数据对比如图 3-2 所示，(a)为未经过处理的图像信息，(b)为经过处理转换后的部分二进制数据信息，此数据才可输入到图像压缩编码器中。利用 MATLAB 本身具有的像素值分析能力，可得出原来的十进制像素值。经过对比，转换后得到的二进制像素值与原十进制像素值是相同的。

- 20 -图 3-6 输入控制器仿真结果3.3 基于 JPEG-LS 的无损压缩编码器设计基于 JPEG-LS 算法的压缩编码器设计可分为五大部分：常规模式编码器设计、游程模式编码器设计、参数更新模块设计、模式选择器设计和输出码流控制器设计。采用层次化编程的方式，将整个系统的结构层次划分为 4 层，，如图 3-7 所示。第一层为顶层模块 top，包含所有模块的组织和调用，以及对所有的 I/O 信号的定义；第二层包含参数更新模块、常规模式编码模块、游程模式编码模块、模式选择模块和输出码流控制器模块，其中参数更新模块负责控制整个系统的参数更新操作，常规模式编码模块将实现 JPEG-LS 算法常规编码部分的功能，游程模
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN919.81

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