一种适应大数据量遥感图像的星上实时压缩方法

论文摘要

目前世界上星载遥感器己发展到第四代高分辨力时期,由于探测设备的发展,人类现在不论是对地观测还是深空探测,获得的数据量越来越巨大,这对星上数据压缩提出了更高要求。而我国在星上数据压缩领域的发展水平距世界先进水平还有差距,所以研究一种针对大数据量遥感图像的压缩方案和实现方法,具有重要理论意义和的实用价值。遥感图像的特点是信息多、熵值大、码速率高,对压缩技术的要求是高实时性、高重构质量、大压缩比。通过综合分析已有的多种国内外压缩编码方法,本文以具体工程目标为背景,探索了一种基于提升型小波变换、带置零区间量化和改进游程编码的变化编码压缩方案,并进行了以高端图像处理芯片TMS320C6416 DSP为核心的硬件平台的开发。首先,研究了连续、离散小波变换的理论基础和多分辨分析的有关性质,在第一代小波变换的基础上分析了第二代提升型小波变换的实现过程。简单介绍Shannon编码理论,分析了几种典型的已有编码方法的特点,为本文所采用的“改进游程编码(MRLE)”方法的提出做铺垫。然后,基于星上数据压缩实时性至关重要,是首先要满足的技术指标这一现实,通过本论文的研究工作,制定了一种新型的数据压缩方案(XDM压缩方案)。该方案包括:采用D9/7双正交小波基和三级分解级数,以及提出带置零区间的量化策略和MRLE编码方法。计算了硬件实现所需的最佳字长,分析了采用定点DSP芯片来实现此算法的精度问题。最后,利用C6416 DSP开发板对XDM压缩方案进行实时特性分析,验证了其实时性满足“大视场航天相机”CCD像素输出的工程指标;随后通过大量实际遥感图像,对XDM压缩方案和广泛应用的JPEG标准进行压缩比和峰值信噪比的性能比较,证实了XDM的压缩性能。理论分析了XDM和JPEG的数据变换部分和编码部分的耗时情况,得出了XDM是一种耗时比JPEG少60%以上,而压缩比和峰值信噪比与JPEG相当的实用压缩方案。之后,根据工程项目中的数据接口,对XDM方案进行以TMS320C6416 DSP为核心的硬件电路系统开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表索引
• 1 绪论
• 1.1 研究遥感图像压缩的意义
• 1.2 图像压缩技术
• 1.3 遥感图像星上数据压缩方案
• 1.4 工程技术指标介绍
• 1.5 小结
• 2 小波变换编码理论
• 2.1 小波变换
• 2.2 第二代提升型（LIFTING）小波变换
• 2.3 编码理论及算法
• 2.4 小结
• 3 XDM 星上压缩方案
• 3.1 引言
• 3.2 XDM 压缩方案的实现
• 3.3 计算小波变换的最佳字长
• 3.4 定点DSP 芯片的精度分析
• 3.5 人眼所能识别灰度等级的简单分析
• 3.6 小结
• 4 XDM 实时性分析
• 4.1 引言
• 4.2 TI TMS320C6000 系列DSP 的特性
• 4.3 DSP 应用中的优化策略
• 4.4 在CCS 中进行XDM 的软件开发
• 4.5 利用C6416 对XDM 进行实时性分析
• 4.6 小结
• 5 XDM 压缩方案性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 JPEG 压缩标准
• 5.3 XDM 和JPEG 压缩结果的CR 和PSNR 联合分析
• 5.4 XDM 和JPEG 的计算量比较
• 6 硬件系统开发及容错处理
• 6.1 硬件平台开发
• 6.2 容错处理
• 6.3 小结
• 7 全文总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 7.3 小结
• 参考文献
• 致谢
• 作者个人简历
• 作者在攻读博士学位期间以第一作者发表的论文目录