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深空探测中多光谱图像压缩的算法设计及FPGA实现

朱建伟  
【摘要】: 随着我国航天事业的进步和深空探测活动的开展,深空探测器中大量的数据传输需求与有限的信道容量之间的冲突亟待解决。为了在有限的信道容量下能够传输更多的信息,各个航天大国也都越来越重视空间数据压缩技术的研究。其中,多光谱图像由于其信息量大而成为空间数据压缩的主要研究内容。本论文的主要研究内容是设计并实现一种多光谱图像压缩算法。 在预处理阶段,本论文分析了多光谱图像的数据特点,将多光谱图像数据中存在的数据冗余分为两大类:空间冗余和谱间冗余,再针对每种冗余使用相应的预测模型消除数据相关性。改进了JPEG-LS(Lossless and near-lossless compression Standard of JPEG)的基于上下文的预测模型来处理空间冗余;为了处理谱间冗余,本论文开发了一种谱间预测模型。通过两种模型相结合,能够很好的消除多光谱图像中的空间冗余和谱间冗余。 在编码阶段,本论文开发了一种“并行固定编码”,定义了九种固定的编码模式。该编码的特点是自适应性强,不经过复杂计算,而是采用查表的方式对预测误差进行编码。经测试,该编码方式有很高的编码效率和很好的速度性能。 在数据处理阶段,本论文引入了数据流水,获得了8.89的加速比,极大地加快了数据压缩的过程。 本课题提出的算法只使用少量的存储器就可以实现对多光谱图像数据的压缩,在实际应用当中,只需占用24片FPGA(Field Programmable Gate Array)内部的BlockRAM,而不需引入片外存储器,可以减少机载设备的质量、体积和能耗。 最后,本论文通过软硬件设计实现了所提出的算法,并以美国陆地卫星的TM(Thematic Mapper)数据样本为压缩对象进行了测试。通过与JPEG(Joint Photographic Experts Group)压缩算法进行比较,证明了所提出的算法具有比JPEG好的无损压缩性能。


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