太阳磁场图像无损压缩算法优化研究及FPGA设计

发布时间：2020-03-29 08:56

【摘要】：随着天文领域的发展,针对空间图像的研究日益重要。为探究太阳磁场对空间环境及天体活动的影响,“先进天基太阳天文台(ASO-S)背景型号研究”获批中国科学院空间科学战略性先导科技专项,旨在研制一颗太阳探测卫星用于太阳磁场图像的成像观测。在通过卫星获取高质量太阳磁场图像的同时,会得到大量数据,其回传受到传输信道及存储资源的限制,因此有必要在传输前对太阳磁场图像进行在轨压缩。而当前空间图像处理领域常用的压缩算法对此不具有针对性,难以做到在无数据损失的前提下有较高的压缩比。本文探究专用于太阳磁场图像的无损压缩算法,通过对图像的冗余分析,在预处理方法和熵编码方法两个方面对算法做出研究,然后基于FPGA进行设计以提高压缩效率。主要工作及成果包括:(1)基于MAlTLAB对(5,3)整数小波变换算法进行研究,该方法降低了太阳磁场图像信息熵,提高了极限压缩比,将其作为本文算法主要的预处理方法。(2)根据太阳磁场图像的像素特征,对RICE无损压缩算法适当改进,将其中的自适应熵编码部分作为本文算法的熵编码方法。(3)结合(5,3)整数小波变换算法与改进的RICE算法,基于MATLAB进行整体无损压缩算法的研究。针对单幅太阳磁场图像,提出了两种算法,并对算法进一步优化,使压缩比最高可达到4.465,优于现有的算法。针对多幅太阳磁场图像,提出了一种专用算法,使压缩比最高可达到5.668,满足工程要求。(4)基于FPGA对优化的太阳磁场图像无损压缩算法进行设计,将已有的RICE算法部分做改进,主要设计了(5,3)整数小波变换预处理和数据分块部分,然后对设计进行仿真及分析,并上板调试验证结果正确。经仿真与验证,本设计可以满足太阳磁场图像的无损压缩需求,压缩比与压缩时间符合实际要求。
【图文】：

流程图,流程图,映射器,量化器

－Ｆｉｇｕｒｅ邋２－２邋Ｂａｓｉｃ邋ｆｌｏｗ邋ｃｈａｒｔ邋ｏｆ邋ｉｍａｇｅ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ逡逑先对图像原始数据映射变换，映射器将输入数据进行转换，使其通过另表达出来。映射器要求在能够将数据有效压缩的基础上保证信息较高的一般是可逆的。数据经过映射器进行时域预测、频域变换等，从而特征更利于编码。然后被映射变换的数据经过量化器进行熵减，降低数据减少冗余的效果。量化器要求在误差允许的条件下减少量化级数，它损失，是有损图像压缩中有损的根源。最后将量化得到的数据进行编逡逑编码器一般不会产生失真，编码方式由图像数据特征和实际工程需求同方式会有不同的压缩效果。编码后的数据即为压缩后的图像数据，进行通信传输。逡逑同的图像压缩技术中，映射器、量化器、符号编码器的选择和设定是而达到不同的压缩效果以适用不同特征的图像。图像的解码过程为编，如图２－３所示，由于量化器造成数据损失不可逆，因此解码由符号解逡逑反映射器两部分组成。逡逑压缩数据一符号解码器反映射恢复数据逡逑

太阳磁场,图像,灰度值,灰度级

磁像仪对太阳连续取图像，每个通道在３２秒内会生成左旋和右旋两幅磁场图逡逑像，因此太阳磁场图像是在时间上是连续的，，如图２－６所示为连续时间即Ａ时刻与逡逑／ｉ＋ｉ时刻的两张太阳磁场图像，右图为左图下一时刻图像，两幅图非常相似。逡逑0□逡逑ａ）ｔｉ时刻逦ｂ）ｔｉ＋ｌ时刻逡逑图２－６两幅时间相邻的图像逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋２－６邋Ｔｗｏ邋ｉｍａｇｅｓ邋ａｄｊａｃｅｎｔ邋ｔｏ邋ｅａｃｈ邋ｏｔｈｅｒ邋ｉｎ邋ｔｉｍｅ逡逑太阳磁场图像的灰度级为２１６，即６５５３６，而显示器一般可显示的图像级数为逡逑２５６，因此可以在ＭＡＴＬＡＢ平台中通过按比例缩小灰度值的方法来展示图像，并逡逑且可以选择灰度值范围来观测图像局部像素。图２－７所示为截取了一幅图像的中等逡逑亮度灰度级，可以看出灰度值由中间向四周递减，有很明显的亮度区别，像素灰度逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN919.81;TN791

【参考文献】