火星探测是我国最新的空间探索工程项目,是中国航天进入深空领域的第一步。针对带宽有限的地火通信信道和预期拍摄的大量火星照片,采用新一代静态图像编码标准JPEG2000进行图像压缩。JPEG2000压缩性能优异,但算法结构复杂,特别是EBCOT中的MQ编码和码率控制。MQ编码包含了相当的比特级运算和复杂的控制关系,而码率控制则需要消耗大量存储空间并进行多次的迭代截取,两者是在资源受限的火星探测硬件平台上实现JPEG2000算法的主要瓶颈。因此,MQ编码和码率控制的面积优化设计,对实现火星探测JPEG2000图像编码系统有重要意义。本文研究了JPEG2000标准的算法原理和工作流程,深入分析了MQ算术编码和码率控制的算法特征及在硬件实现中的技术瓶颈。结合现有技术与图像编码的具体需求,实现并优化了两个模块。本文的主要研究成果如下:1、本文仔细研究了MQ算术编码算法,针对其数据高度串行的特点,设计了基于三级流水的MQ编码器。在此基础上,分析了第一、二级流水的电路结构,针对其多路选择器扇出过大的资源瓶颈,通过减少选择器输入输出分支,大幅降低了面积开销;分析了MQ编码器的输出特点,针对其无法连续吞吐数据的问题,在第三级流水中添加移位寄存器,并证明该移位寄存器的最小有效位宽为3字节,实现了MQ编码器对输入数据的无间隔吞吐。2、本文研究了码率控制算法,提出了一种将斜率计算模块由Tier2编码提前至Tier1编码的EBCOT硬件结构,使得Tier1编码产生的通道信息不必进行中间缓存,有效减少了存储面积的开销。在该结构的基础上,设计并实现了码率控制模块,其主要由两个部分组成:向前剔除三次奇异点的斜率计算模块,其资源消耗优于完全剔除奇异点,而截取性能优于剔除当前奇异点;进行包头预估计的并行截取模块,与现有实现相比,提升了码率控制的精度和速度。3、本文实现的MQ编码器和码率控制模块已经应用在基于JPEG2000的火星探测图像编码系统中。该系统能够满足多种压缩模式,12比特深度,3072*4096最大分辨率等各类指标的实时图像处理要求。经过软硬件协同验证和大规模图像测试,以及对硬件实现结果的分析,最终证明该系统输出的编码码流符合JPEG2000标准,且压缩性能和资源消耗均满足火星探测工程的需求指标。本文基于火星探测的工程背景,设计并实现了面积优化的MQ编码器和码率控制模块,能够满足火星探测图像处理单元资源低耗的工程需求,但相对应,本文实现的电路工作频率不高,处理速度较慢,主要的处理对象为火星探测中的中分图像和高分图像,不适用于网络通信、医疗成像、数字图书馆等其他场景,在今后的工作中,应面向更广阔的应用领域,进一步优化编码系统,提高性能和通用性。