遥感图像编码算法及其硬件实现技术研究

论文摘要

卫星遥感成像系统可以获取到丰富的地形地貌、地质构造等有用信息,因此它被广泛应用于测绘、情报侦察、资源勘探、环境监测和探月工程等诸多领域。随着卫星遥感成像技术的发展,遥感图像的分辨率不断提高,卫星上需要下传的数据量不断增加,而卫星下行信道带宽是有限的,这就需要在卫星上完成高效的图像压缩编码任务。所以,研究高效卫星遥感图像编码算法及其硬件实现技术具有重要的理论意义和应用价值。论文对标准JPEG2000和SPIHT的核心算法等进行了深入分析研究,通过优化其算法结构、改进编码流程等途径,提出了新的小波变换结构、JPEG2000码率控制算法结构和感兴趣区域(ROI)编码算法等,这些算法和硬件结构具有处理能力高,计算量和存储量少,以及适合于星载环境应用的优点。在以上新算法结构的基础上,用FPGA设计和实现了高性能的遥感图像压缩编码器硬件系统,并在我国的探月卫星上得到了应用。本文的主要研究成果可概括如下:1)提出了一种适合硬件实现的JPEG2000码率控制算法及其相应的硬件结构。它首先对小波变换和量化后编码码块的有效比特平面进行独立的熵估计,并计算出所有编码码块的估计熵总和,并依据估计熵总和指导码率预分配。该算法不仅可以有效减少图像编码器的运算量和存储量,提高编码效率,而且具有图像重建质量高和硬件结构简单的优点。2)基于码率预分配算法,提出了一种新的感兴趣区域(ROI)编码算法。算法首先对ROI进行T1编码,实现ROI的有损到无损编码。然后使用基于熵估计的码率预分配方法,确定背景区域(BG)所属码块的码率,据此控制BG码块的T1编码深度,达到有效简化编码过程的目的。3)提出了一种新的高效干涉多光谱图像压缩算法。该算法利用小波域匹配预处理来消除光谱序列图像帧间的相关性,对预测残差图像的高频区域采用基于码率预分配的ROI编码方法。该算法能有效提高恢复光谱的分辨率,提高编码效率,更好地保护光谱信息。4)提出了一种JPEG2000标准码率控制算法的VLSI结构。通过改进率失真斜率的估算方法、优化码流截取流程等技术途径,使得码率截取组织部分即T2编码器的数据处理速率得到了有效提升,其硬件复杂度得到了降低,并能很好地实现码流分层输出和ROI编码。5)提出了一种改进的小波变换算法结构和一种改进的SPIHT比特平面编码算法,并设计和实现了一个由FPGA构成的图像编码器硬件系统。改进后的小波变换算法结构运算处理速度得到明显提升,并节省了外部存储器。改进的SPIHT编码算法在小波域进行分片压缩编码,增强了算法的抗误码性能,并能通过标准JPEG2000率失真优化截取码率控制算法实现高效码流组织,通过率失真斜率提升实现ROI编码功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景和意义
• 1.1.2 图像编码方法的发展概况
• 1.1.3 图像压缩编码标准
• 1.1.4 卫星遥感图像压缩编码技术进展
• 1.2 本文的研究内容及主要贡献
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 JPEG2000 编码结构及其关键技术
• 2.1 引言
• 2.2 JPEG2000 编码结构
• 2.3 JPEG2000 关键技术
• 2.3.1 码块比特平面编码
• 2.3.2 率失真优化截取和码流组织
• 2.4 小结
• 第三章 JPEG2000 高效码率控制算法及其应用
• 3.1 引言
• 3.2 JPEG2000 率控制算法分析
• 3.2.1 EBCOT 编码分析
• 3.2.2 EBCOT 编码器效率问题分析
• 3.3 适合硬件实现的JPEG2000 码率控制算法及其VLSI 结构设计
• 3.3.1 适合硬件实现的码率控制算法
• 3.3.2 实验结果与分析
• 3.4 基于码率预分配的感兴趣区域编码算法
• 3.4.1 ROI 编码算法介绍
• 3.4.2 基于码率预分配的ROI 编码算法
• 3.4.3 实验结果与分析
• 3.5 高效干涉多光谱图像压缩算法
• 3.5.1 干涉光谱成像原理及特点分析
• 3.5.2 高效干涉光谱图像压缩算法
• 3.5.3 实验结果与分析
• 3.6 小结
• 第四章 JPEG2000 码率控制算法的VLSI 设计
• 4.1 引言
• 4.2 率失真斜率的计算
• 4.2.1 编码通道的失真估计
• 4.2.2 率失真斜率的快速计算及硬件实现
• 4.3 候选截取点的选取算法
• 4.4 码流分层及码流组织算法
• 4.4.1 码流分层的设计实现
• 4.4.2 Tag Tree 编码的设计实现
• 4.4.3 码流组织
• 4.5 T2 编码器的VLSI 结构
• 4.6 实验结果
• 4.7 小结
• 第五章 卫星遥感图像编码硬件系统
• 5.1 引言
• 5.2 高精度浮点小波变换的高速硬件实现
• 5.2.1 提升小波变换
• 5.2.2 浮点乘法的整数化处理
• 5.2.3 基于行的小波变换结构
• 5.2.4 改进的小波变换硬件结构
• 5.2.5 硬件实现结果
• 5.3 高性能SPIHT 编码算法设计及实现
• 5.3.1 原始SPIHT 算法
• 5.3.2 分层树独立编码的SPIHT 算法
• 5.3.3 小波域分块编码的SPIHT 算法
• 5.3.4 分块编码及率失真优化截取SPIHT 图像编码器硬件结构
• 5.3.5 硬件实现结果
• 5.4 实验结果与分析
• 5.5 小结
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 博士期间获奖情况
• 致谢