最新CCSDS图像压缩算法研究与实现

2005年CCSDS(空间数据系统咨询委员会)推出了一项新的图像数据压缩算法标准,制定算法标准的目的是为了解决有效载荷设备的数据压缩以及如何分段压缩能使地面更好地接收图像数据和解压缩.算法的应用能够减少静态图像的数据量,这样不仅可以降低传输带宽,减少数据存储,而且在给定码率情况下能缩短传输时间,这对空间数据压缩具有重要意义.针对CCSDS最新推出的图像压缩算法进行了研究并对其性能进行了阐述,分析了算法硬件实现的可行性,并将算法软件实现的结果与其他图像压缩算法的实现结果进行了测试比较,结果表明在低码率下压缩性能与JPEG 2000,SPIHT相当,甚至更好,完全符合星载图像压缩在低码率下传输的要求.      

基于FPGA的CCSDS星载数据无损压缩系统设计

星载数据的无损压缩对星载数据的存储和传输具有重要意义.CCSDS推荐的RICE算法对于实现数据的无损压缩具有很好的效果.本文针对RICE算法中k值选择算法计算量大的缺点,利用预处理样本最大值优化k值的方法,使优化后的算法计算复杂度更低,资源占用率更小,运行时间更短,但压缩比相近.利用FPGA进行硬件实现并通过仿真和试验测试,使星载数据的压缩比达到1.5以上,可以满足星载系统对数据压缩的要求,为星上其他载荷提供更多资源.      

CCSDS SCPS网络层与传输层协议分析与仿真验证

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)针对空间通信的特点制定了空间通信协议标准SCPS(Space Communications Protocal Specification)。文章从CCSDS标准在中国空间技术的实际应用出发,对CCSDS SCPS协议中网络层协议(NP)和传输层协议(TP)进行研究,分析其特点和适用性,并与TCP/IP协议进行对比,最后设计演示验证系统对所提方案进行验证并得出结论:在空间通信环境下,采用SCPS协议后的性能优于采用TCP/IP协议。     

基于DSP和FPGA技术的细胞图像采集系统设计

细胞学研究领域中需要对大量细胞的生长情况进行长期的在线跟踪、记录和分析,针对细胞图像采集和处理中的数据量大、采样频率高、运算复杂等问题,设计了一种新颖的细胞图像采集系统,讨论了DSP(Digital Signal Processor)处理系统和FPGA(Field Programmable Gate Arrays)逻辑控制系统设计中的关键技术问题,以及JPEG图像压缩算法的实现问题.系统主要由视频解码芯片、FPGA以及DSP等组成,具有功能集成、结构简单、编程灵活的特点,能够实现对大量细胞进行长期观测记录的图像采集,以及后期图像数据处理的功能.      

CCSDS图像无损压缩标准在恒速信道中的应用研究

在CCSDS建议的无损数据压缩的基本原理上 ,结合基于局域纹理特征的处理方法 ,给出数据输入输出在恒速信道条件下一种有效的面向空间应用的遥感图像无损压缩方案。该方案包括去相关处理、熵编码以及压缩缓存控制三部分。去相关操作是在局域纹理分析方法的基础上 ,通过提取两种有效的预测模型并自适应选择最佳的模型进行处理 ;然后采用快速有效的CCSDS熵编码器对最佳去相关模型的预测误差编码。在压缩方案中充分考虑了输入输出恒速信道条件下应用的特殊性 ,设计了相应的压缩码流控制方法 ,从而给出了一套有效的针对恒速输入输出信道条件下的图像无损压缩的应用方案     

关于CCSDS体制数据安全保护实施位置的探讨

主要阐述CCSDS（空间数据系统咨询委员会）标准的信息安全问题，重点是航天器安全，从分析空间数据面临的安全威胁出发，讨论了CCSDS不同安全实施位置的特点；并在此基础上，通过对CCSDS业务及数据结构的影响对比，总结出不同安全实施方法的优缺点，该结合对于采用CCSDS标准的空间数据系统如何解决信息安全问题，具有一定的参考价值。     

卫星图像零树编码及其效果分析

采用嵌套零树小波编码 (EZW)算法的核心——零树概念和连续逼近量化的思想设计了一个编码器 ,对卫星图像 (小波分解后 )进行压缩实验 ;分析了卫星图像 (小波分解后 )进行零树编码的压缩效果。设计的编码器采用六符号的零树符号集 ,从而把 EZW算法的主过程和副过程合并在一起 ,使得算法流程易于实现。对零树符号流进行无损编码时 ,对比了多种编码方案且未采用适应性算术编码 ,并依据实验结果推荐了较好的无损编码方法。     

非标准参数的CCSDS Turbo码译码器性能仿真

实现了一款具有通用性的Turbo码编译码器,对CCSDS(Consultative Committee for Space Data Systems)规范中的信息数据帧长度进行扩展,不仅支持原有的5种帧长,而且能实现16384bit内255bit的任意整数倍帧长的信息序列的编译码.针对标准外的编码参数,分别对不同译码算法(MAP,SW-MAP,log-MAP算法)的译码性能进行了仿真,并与标准参数的译码器进行比较.将算法程序以C++动态链接库的形式实现,编写Python测试程序,产生待仿真码长的随机信号,编译码后计算误码率,绘制出信噪比和误码率的关系曲线图.通过相应的仿真发现,所设计的编译码器具有所需的通用性;同时对不同算法的性能进行了分析比较;研究各项参数对于译码性能的影响,包括信息序列长度、码率、迭代次数等.     

基于CCSDS的低码率图像压缩优化算法

为了提高空间数据系统咨询委员会（CCSDS）采用的图像压缩算法的编码效率,提出了一种二维预测模型。通过利用图像像素之间的空间相关性对直流系数的预测模式及其熵编码算法进行改进和优化,该算法在有效地提高了直流系数的压缩比的同时,也增强了其抗误码性能。试验结果表明,该算法在低码率条件下能获得更好的图像编码质量,与CCSDS原有算法相比,峰值信噪比值提高了0.1~0.3dB。算法可极大地满足星载图像压缩数据在低码率下传输的要求。     

空间数据系统咨询委员会概况及相关工作建议

空间数据系统咨询委员会(CCSDS)成立于1982年,2012年是该组织成立30周年.经过30年的发展,CCSDS的工作已由最初的制定基本空间/地面通信标准延伸到制定应用于更多复杂空间任务的空间数据系统标准.     

基于局域纹理特征的图像无损压缩

局域纹理是识别图像的基本要素,因此在图像压缩处理中分析局域纹理特征是达到去相关的有效途径,在此原理基础上提出了一种新的基于局域纹理特征的无损压缩方法,该算法由去相关处理和熵编码两部分组成,去相关操作是通过一组预测模型自适应选择最佳的模型进行处理,然后使用快速有效的CCSDS编码器对最佳去相关模型的预测误差进行编码,最后给出了该算法与JPEG2000及JPEG-LS的无损压缩结果的比较,实验结果显示,该算法的压缩结果明显优于JPEG2000及JPEG-LS的无损压缩结果.      

自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计

火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式，不同探测模式下数据率不同，多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率，利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点，火星离子与中性粒子分析仪压缩算法采用合并处理、对数压缩和无损压缩三种压缩算法组合。对于每种探测模式，FPGA程序可根据压缩标志选择相应压缩算法，实现三种压缩算法串行使用，或选择其中一种或两种算法。并且压缩标志可通过注入指令改写，实现在轨时根据需求灵活配置。合并处理压缩比为2或4，对数压缩的压缩比为2，无损压缩效率与样本数据间的相关性有关。在此基础上，利用等离子体定标测试系统完成了地面测试。测试结果表明，各探测模式下科学数据经过压缩后数据率满足任务指标要求。     

机载图像无损/近无损压缩方案及其FPGA实现

根据机载图像压缩和传输的特点,在改进JPEG-LS算法基础上,设计了一种有效的图像无损/近无损压缩方案.该方案由去相关处理、熵编码及压缩位率控制三部分组成.去相关处理部分解决了JPEG-LS预测模型本身的误码扩散问题,熵编码部分使用快速有效的Golomb熵编码器完成对预测误差的编码,同时解决了机载应用中数据传输率恒定条件下压缩码率的控制问题.对压缩算法现场可编程门阵列(FPGA)设计中的一些关键问题也给出了有效的解决途径,从而形成了一套完整、可行的机载图像压缩解决方案.最后通过FPGA实现和验证了压缩方案及逻辑设计的正确性和可行性.      

小卫星设计中软件重注入的关键技术研究

针对小卫星的一体化设计思想，采用CCSDS测控体制，星上采用CAN总线的分布网络，对小卫星软件重注入的课题做了深入的研究。     

一种适用于遥感图像的可逆信息隐藏算法

可逆信息隐藏技术，可用于实现遥感图像重要目标区域的无损传输。通过对现有可逆信息隐藏算法进行研究，发现现有算法的单次嵌入容量不足，且需要额外的无损二值压缩处理附加信息，无法满足遥感图像处理的有效性和实时性要求。借助给定门限对载体图像不重叠子块的平滑性进行划分，通过编码平滑子块内基准像素与其余像素之差，并结合比特替换，实现秘密信息的可逆隐藏。对于512×512像素的灰度遥感图像，单次嵌入容量可达5×105 bit以上。试验结果表明，该算法可实现单次高嵌入容量的可逆隐藏，并不需要任何额外无损二值压缩来处理辅助信息。     

深空探测下行测距调制度变化的现象和机理分析

文章对统一S波段应答机下行测距调制度随上行信噪比以及工作模式的不同而不同的现象进行了分析,推导出计算公式,并和实测数据进行了比对。实测数据与文中的理论分析的结果是一致的。另外,文章也说明了测距下行调制度变化的具体计算公式将随不同应答机模型不同而不同。在设计计算时,应当对具体的应答机转发模型进行分析,而不能简单引用CCSDS标准所给出的公式。