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随着遥感成像技术的发展,星载航天相机的覆盖宽度和分辨率不断提高,使得获取的图像数据量急剧增加。在卫星下行信道传输带宽有限的条件下,遥感图像数据必须经过压缩编码处理。星载遥感图像压缩是空间技术应用中的关键技术之一,在保证良好的图像压缩性能前提下,如何设计实现高效且复杂度适中的压缩系统,是目前研究的热点问题,具有重要的理论意义及工程应用价值。
论文以某项目“XX卫星推扫式宽覆盖相机图像压缩技术”为依据,对遥感图像压缩技术展开研究,寻找满足工程应用需求的遥感图像压缩解决方案。目前星载航天相机图像压缩主要采用基于小波变换的编码方法,论文针对小波变换表示几何奇异特征的不足以及基于二维小波变换图像压缩标准在卫星平台应用的局限性,探讨复杂度适中性能好的压缩方法。
本文的主要研究内容和结果可以概括如下:
1、针对小波变换处理图像多方向特征的不足,探讨了Bandelets变换自适应追踪几何流方向的稀疏表示方法,并分析了硬件实现的复杂性,从降低复杂度的角度考虑引入了后变换的概念。结合自适应算术编码进行压缩实验,实验结果表明基于后变换的压缩算法与小波变换的编码算法相比在同一码率下能够保留较多的边缘和纹理细节信息。但是通过调整量化步长难以精确实现定码率压缩,论文继续探讨后变换结合位平面编码的压缩方法。
2、根据二维小波系数水平、垂直和对角三个方向性特点,提出了按能量降序排列的Hadamard基向量,使变换后的小系数分布相对集中,经量化后出现很多的零值区域,更有利于BPE编码。针对改进的Hadamard后变换系数分布特点和提升小波系数输出顺序,改进了BPE编码算法,提高了图像压缩质量和编码速度。
3、根据改进的BPE算法中家族块组成方式和原CCSDS标准中码率控制方法的不足,提出了一种改进的码率控制算法,根据各编码群含有信息量大小优化码率分配,提高了重构图像的质量。实验结果表明,与改进前的算法相比,峰值信噪比可以提高0.2dB-0.8dB。本文提出的Hadamrd后变换结合CCSDS的压缩算法,能够较好地保持图像的轮廓和纹理结构,具有抗误码扩散能力,复杂度适中易于硬件实现,适合资源和功耗受限的卫星平台应用。
4、根据工程应用指标要求,按照本文方法设计了星载CCD航天相机图像压缩系统。针对推扫式CCD相机的成像特点,提出了一种二维小波变换的流水线处理结构,改进后的结构节省了大量缓存资源。根据小波系数输出时间的阶段性,设计了后变换编码过程高效缓存结构,同时采用BPE比特平面并行编码,提高了压缩系统的实时性和存储器利用率。经过遥感图像压缩测试,该系统的图像压缩质量、数据吞吐率等性能达到了工程应用指标。