空间大面阵红外探测数据无损压缩系统的研究

发布时间：2017-08-09 16:17

  本文关键词：空间大面阵红外探测数据无损压缩系统的研究

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【摘要】：随着空间遥感技术和数字成像技术的快速发展,空间大面阵探测器获取的图像包含的信息量日益增加。海量高分辨率图像数据给有限的卫星存储容量和传输带宽造成了压力,直接影响到了探测器工作的时效性。为了解决这个问题,国内外研究人员都在积极地研究星上图像压缩技术。在保证图像质量满足应用要求的前提下,对图像数据进行可控的压缩,减少数据量从而降低对卫星数据存储和下传能力的要求。根据压缩过程中是否存在信息损失,图像压缩被分为有损压缩和无损压缩两大类。本文研究红外弱小目标检测与识别系统中的数据压缩,为了保证目标检测的有效性,避免传输过程中信息损失对目标检测的结果造成影响,本文重点研究空间大面阵红外探测数据的无损压缩技术。本课题来源于国家863某项目,大面阵红外探测器带来海量的图像数据,通过星上数据处理对可疑目标区和感兴趣目标区进行重点下传,可以减少一定的数据量,对这些重要数据进行无损压缩可以进一步降低数据量。根据应用要求,本文需要设计一个压缩比3倍以上,数据处理速率达Gbps级别的低功耗实时无损压缩系统。围绕这个目标,本文首先深入研究了常用的星上无损压缩算法的实现思想,并详细分析了多帧探测下连续红外图像序列的相关性;在此基础之上,采用基于线性预测和JPEG2000无损模式的压缩方法,相比于传统的静态图像压缩算法,该方法充分利用了连续图像的帧间相关性,通过帧间预测提高了图像的压缩比;然后,本文选用“FPGA+ASIC(Application Specific Integrated Circuit)”的架构研制了一套基于国产化高速图像压缩专用芯片(雅芯天图)的无损压缩系统,并完成了原理图和PCB(Printed Circuit Board)的设计;最后,通过编程和调试实现了系统功能,通过实验验证了系统性能,系统数据处理能力最高可达1.64Gbps;对某卫星实际探测的红外图像进行了压缩,用JPEG2000算法进行单帧压缩的无损压缩比为2.2838,用本文设计的压缩系统进行多帧分组压缩的无损压缩比为3.0142,压缩比提高了32%。
【关键词】：无损压缩 相关性 线性预测 JPEG2000 FPGA ASIC
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP751
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 课题的研究背景和意义11-12
• 1.2 卫星图像压缩算法及图像压缩系统的研究现状与发展趋势12-17
• 1.2.1 星上图像压缩算法的发展现状12-14
• 1.2.2 星上图像压缩系统的发展现状14-16
• 1.2.3 星上数据压缩技术的发展趋势16-17
• 1.3 论文的研究内容和章节安排17-18
• 第二章 图像无损压缩的基本理论18-32
• 2.1 图像无损压缩的基本原理18-23
• 2.1.1 预处理19
• 2.1.2 去相关19-22
• 2.1.3 熵编码22-23
• 2.2 三种常用的无损压缩标准算法23-29
• 2.2.1 CCSDS-LDC算法23-25
• 2.2.2 JPEG-LS算法25-27
• 2.2.3 JPEG2000算法无损压缩模式27-29
• 2.3 图像无损压缩算法的评价指标29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 基于线性预测和JPEG2000无损模式的压缩方法32-40
• 3.1 红外图像序列的相关性32-34
• 3.1.2 空间相关性32-33
• 3.1.3 时间相关性33-34
• 3.2 预测去相关34-39
• 3.2.1 帧内预测34-35
• 3.2.2 帧间预测35-37
• 3.2.3 基于线性预测和JPEG2000算法的无损压缩方法37-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 图像无损压缩系统的整体方案设计40-56
• 4.1 图像压缩系统的设计思想40-41
• 4.2 压缩系统的整体方案41-48
• 4.2.1 FPGA选型42-43
• 4.2.2 转接板的介绍43-44
• 4.2.3 压缩板的介绍44-48
• 4.3 压缩系统关键接口的设计48-55
• 4.3.1 LVDS接口设计48-51
• 4.3.2 J30J接口设计51-55
• 4.3.3 UART接口设计55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 压缩系统的FPGA设计与实现56-71
• 5.1 FPGA开发流程56
• 5.2 系统层次结构的划分56-62
• 5.2.1 转接板模块57-60
• 5.2.2 压缩板模块60-62
• 5.3 压缩系统的结果分析62-70
• 5.3.1 系统功能仿真62
• 5.3.2 红外图像压缩62-64
• 5.3.3 探测器非均匀性对压缩比的影响64-69
• 5.3.4 图像帧间偏移对压缩比的影响69
• 5.3.5 图像的重构69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 第六章 总结与展望71-73
• 6.1 总结71
• 6.2 展望71-73
• 参考文献73-76
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果76

【参考文献】

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1 祁志恒;姜U，

本文编号：646186