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星载遥感图像实时压缩中的关键技术研究

王继东  
【摘要】: 将数据从空间实时传送到地面,是大部分卫星的主要任务。目前,光学遥感卫星高空间分辨率达到米级,最高可达0.1米,而每个像元所需的量化比特数已经达到了16。星载CCD相机成像后的数据传输速率达到几Gbps,而当前最先进的数传通道容量仅300~600Mbps,原始图像数据必须进行压缩。 论文在某重点项目“XXX卫星数据压缩设备研制”和“863”国家高技术研究发展计划项目“XXXX数据压缩技术”(项目编号:2006AA701121)的资助下,围绕星载遥感图像数据压缩中的关键技术开展研究,针对目前卫星遥感图像数据压缩算法主要采用基于离散余弦变换(DCT)或离散小波变换(DWT)的变换编码方法,重点研究了基于DCT的双正交重叠变换(LBT)的改进及其相应的编码算法和基于小波变换的JPEG2000的改进,并结合特定的DSP图像处理平台,研究了并行处理技术和上述算法的DSP并行实现。 现将论文主要研究结果与结论归纳如下: 1.针对二进整数LBT在DSP实现过程中出现的精度和计算复杂度问题,提出了一种适于DSP并行处理的LBT定点算法。其DSP并行实现根据行列变换的结构特点,设计了新的任务分配方式,采用多功能指令和并行处理方法,有效地提高了处理速度。实验结果表明,定点LBT同二进整数LBT相比,压缩性能更好,计算复杂度更低。 2.提出了一种改进的零树编码算法。编码算法中采用了线性索引和零树结构的快速辨识技术,编码器基于系数的统计特性,采用基于Golomb码的编码方法,利于DSP快速计算。并根据DSP并行处理技术,采取一定的代码优化措施,将编码算法进行DSP并行实现。LBT+改进零树编码算法的压缩性能接近SPIHT。 3.提出了一种面向LBT系数的基于上下文的算术编码算法。算法包含60种上下文概率模型,将MQ编码从位平面扫描过程中分离,设计了改进的MQ编码器。对于算法的DSP并行处理,进行了大幅度的任务分配调整和数据结构调整。LBT+基于上下文的算术编码算法压缩性能和SPIHT相当,稍逊于JPEG2000。 4.提出了一种适于DSP并行的改进JPEG2000算法。算法的改进包括:基于后拉伸的二维小波定点实现方法、嵌入式比特平面编码(EBC)过程中的符号编码独立、上下文模型的调整、MQ编码分离及编码器改进。为了节约内存,小波变换采用多级混叠基于行的实现方式。改进算法和JPEG2000压缩性能相当,但计算复杂度更低,更适于DSP并行实现。 5.设计了一套满足星载条件的基于FPGA和并行多DSP的图像压缩硬件处理平台。该平台具有数据处理能力强、并行性能好、易于扩展的优点,并进行了严格的可靠性设计。对采用LBT+改进零树编码算法和基于FPGA和并行多DSP硬件平台的压缩系统进行测试,在要求的性能指标与工作条件下,系统能完成相应的功能,工作稳定可靠;根据卫星遥感图像数据压缩评价方法,压缩算法性能良好。


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