CN101742299A - 一种符合ccsds标准的图像无损压缩处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种符合CCSDS标准的图像无损压缩处理系统及方法。该处理系统包括：控制模块、JPEG-LS预处理模块、RICE编码模块和码流拼接模块。所述系统及方法的处理过程是：输入的图像数据经控制模块按16个采样点分组；分组后的数据进入预处理模块进行去相关处理，得到一组相互独立的数据，再经RICE编码模块和码流拼接模块得到压缩码流。本发明无损压缩处理系统及方法的无损压缩编码效率高，且由于处理系统的核心设计是针对分组后原始数据进行运算，采用解码的重同步机制可以防止空间数据传输中的误码扩散，功耗低；另外，改进的编码选项计算方法大大提高了硬件的处理速度，能满足星载图像无损压缩的要求。

Description

一种符合CCSDS标准的图像无损压缩处理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种图像无损压缩处理系统及方法，特别是涉及一种适用于空间应用的符合CCSDS标准的图像无损压缩处理系统及方法。
背景技术
近年来，随着我国航天技术的迅猛发展，星上传感和探测设备无论在数量还是精度上都比以前大大增加，形成了海量数据，从而对星上数据存储和下行传输造成了一定的困难。由于航天器通信带宽有限，不可能无限制的增大存储设备的容量，于是在轨图像压缩就成为星上数据处理的一个必备环节，而开发高性能星载图像压缩系统也成为当务之急。
如何能在具有严格功耗、重量、体积的要求下，最优的实现高速图像无损压缩系统，取决于设计的方案。以通用微处理器或者DSP为核心的嵌入式系统，虽然能够相对较为方便的完成压缩算法，但存在一个严重的缺陷--需要较高的时钟频率(超过200MHz)，才能满足实时性要求，这将引发一系列电磁兼容问题，带来设计上的诸多不便。
发明内容
本发明的目的在于，为了克服上述现有技术的不足，从而提供了一种符合CCSDS标准的图像无损压缩处理系统及方法。本发明的图像无损压缩处理系统及方法，对CCSDS建议的无损数据压缩标准进行了两个方面的改进：(1)采用了基于JPEG-LS的预处理模块，有效提高了压缩比；(2)最优编码选项的选取无须遍历计算所有编码选项，本发明的编码模块仅利用预处理器输出(预测残差)的和
Figure G2008102267204D0000011
直接得到最优编码选项，大大提高了硬件的处理速度(频率为100MHz时的数据处理速度为25Mpixels/s)，可以满足低功耗和实时性要求。
为实现上述目的，本发明提供的的图像无损压缩处理系统包括：基于JPEG-LS预测方式的预处理模块，RICE熵编码模块和码字拼接模块。
本发明采用基于CCSDS121.0-B-1推荐的图像压缩算法，并根据空间应用的特点改进了编码选项选择算法，输入的图像数据经控制模块按16个采样点分组；分组后的数据进入预处理模块进行去相关处理得到一组相互独立的数据，再经RICE编码模块和码流拼接模块得到压缩码流。
所述预处理模块通过数据线每次接收一个n位的图像数据DataIn，信号NewBlock表示是否为一个新数据块Block的开始，若NewBlock信号置位则开始对该数据块Block的图像数据进行预处理，即去相关处理，并将预处理结果DataOut通过数据线送入RICE熵编码模块。
所述RICE熵编码模块对预处理结果DataOut进行累加得到和Sum，然后对和Sum查表，得到编码选项K，最后根据编码选项K对预处理结果DataOut进行编码，产生不定码长Len的码字Word，并将码字Word和码长Len送入码字拼接模块，当前块编码结束后，置位EndBlock信号；
所述编码选项K的选择公式为：
J/2+J(2k+1)＜F0≤J/2+J(2k+2)
其中，J为编码块的长度；
Figure G2008102267204D0000021
Figure G2008102267204D0000022
为预处理结果DataOut的和Sum；
当F0＞J/2[(n-k)2k+1+1-2k]成立时，不进行编码。
所述码字拼接模块接收码字Word和码长Len，拼接码流按8位或16位定长码字Byte输出。
其中，所述预处理模块包括：预测器和映射器。
所述预测器将输入为n比特的图像数据，与对应像素的预测值DataPre相减，得到n+1比特的数据DataMap。
所述映射器对数据DataMap做映射变换，产生预处理结果DataOut，该预处理结果DataOut为近似几何分布的预测残差序列。
其中，所述RICE熵编码模块包括：累加器、选择器和编码器。
所述累加器对预处理结果DataOut进行累加得到和Sum，并将和Sum送入选择器。
所述选择器对和Sum进行查表操作，得到最优编码选项K。
所述编码器根据最优编码选项K对于预处理结果DataOut进行编码，输出码字Word和码长Len，当本数据块Block编码结束后置位EndBlock。
通常最优编码选项的选取是通过遍历所有编码选项来完成的，这种串行的选择算法会大大降低硬件系统的性能，成为整个压缩系统的瓶颈。本发明则仅仅利用预处理模块输出(预测残差)δi的和
Figure G2008102267204D0000023
直接得到最优编码选项。对于最优编码选项的选取，仅仅通过累加、移位和比较等易于硬件实现的操作就可以完成。
本发明提供的一种符合CCSDS标准的图像无损压缩处理方法，包括以下步骤：
(1)预处理模块通过数据线每次接收一个n位的图像数据DataIn，若NewBlock信号置位则开始对该数据块的图像数据进行预处理，即去相关处理，并将预处理结果DataOut通过数据线送入RICE熵编码模块；所述信号NewBlock表示是否为一个新数据块的开始。
(2)RICE熵编码模块对预处理结果DataOut进行累加得到和Sum，然后对和Sum查表，得到编码选项K，最后根据编码选项K对预处理结果DataOut进行编码，产生不定码长Len的码字Word，并将码字Word和码长Len送入码字拼接模块，当前块编码结束后，置位EndBlock信号；
所述编码选项K的选择公式为：
J/2+J(2k+1)＜F0≤J/2+J(2k+2)
其中，J为编码块的长度；
Figure G2008102267204D0000031
Figure G2008102267204D0000032
为预处理结果DataOut的和Sum；
当F0＞J/2[(n-k)2k+1+1-2k]成立时，不进行编码；
(3)码字拼接模块接收码字Word和码长Len，拼接码流按定长码字Byte输出。
其中，所述预处理模块采用基于CCSDS121.0-B-1推荐的图像压缩算法，并根据空间应用的特点改进了编码选项选择算法，输入的图像数据DataIn经控制模块按16个采样点分组；分组后的数据进入预处理器进行去相关处理得到一组相互独立的数据，再经RICE编码模块和码流拼接模块得到压缩码流。
其中，所述步骤(1)进一步包括：预处理模块中的预测器将输入为n比特的图像数据与该图像数据对应像素的预测值DataPre相减，得到n+1比特的数据DataMap，然后将该数据DataMap送到预处理模块中的映射器；所述映射器对数据DataMap做映射变换，产生预处理结果DataOut的步骤；所述预处理结果DataOut为近似几何分布的预测残差序列。
本发明的优点在于：
1、本发明的图像无损压缩处理系统及方法的无损压缩编码效率高(利用CCSDS提供的实验图像进行测试，无损压缩比平均为2.0)。
2、本发明的图像无损压缩处理系统及方法的核心设计是针对分组后原始数据进行运算，采用解码的重同步机制可以防止空间数据传输中的误码扩散，功耗低(≤1watt/Msamples/sec)。
3、本发明的图像无损压缩处理系统及方法采用改进的编码选项计算方法的编码模块大大提高了硬件的处理速度(频率为100MHz时的数据处理速度为25Mpixels/s)，能满足星载图像无损压缩的要求。
4、本发明的图像无损压缩处理系统及方法支持基于帧(Frame)的输入图像格式和基于条带(Strip)的输入图像格式，适合于近地观测和深层空间探测任务。
附图说明
图1是现有技术的无损压缩算法的框图；
图2是本发明图像无损压缩处理系统的顶层设计电路框图；
图3是本发明图像无损压缩处理系统中预处理模块的电路框图；
图4是本发明图像无损压缩处理系统中预测器的电路框图；
图5是本发明图像无损压缩处理系统及方法中为说明预测方法的像素位置示意图；
图6是本发明图像无损压缩处理系统中RICE熵编码模块的电路框图。
具体实施方式
CCSDS在1997年公布了适用于空间科学数据的无损压缩标准(CCSDS121.0-B-1)，建议采用RICE算法，如图1所示。本发明对该算法进行了改进并对改进后算法进行了高速硬件实现。
本发明提供的图像无损压缩处理系统包括：基于JPEG-LS预测方式的预处理模块和自适应熵编码模块。预处理模块包含预测器和映射器，预测器去除了数据的相关性，然后映射它们为利于熵编码的特征值，对这些特征值进行自适应熵编码可以得到很好的压缩效果。熵编码模块是一系列变长编码器的集合，选定一种最高压缩比的编码器与标识符一起传输。由于每块(J个前处理样本)均可选择编码模式(基本序列编码、分裂样本编码、低熵值编码和无压缩编码四种模式)，所以RICE算法能适应信源统计特性的变化。
本发明对CCSDS建议的无损数据压缩标准进行了两个方面的改进：(1)采用了基于JPEG-LS的预处理模块，有效提高了压缩比；(2)最优编码选项的选取无须遍历计算所有编码选项，本发明的编码模块仅利用预处理器输出(预测残差)的和
Figure G2008102267204D0000041
直接得到最优编码选项，大大提高了硬件的处理速度(频率为100MHz时的数据处理速度为25Mpixels/s)。
图像无损压缩处理系统总体架构
本发明的无损压缩处理系统采用的算法基于CCSDS 121.0-B-1数据压缩算法，压缩处理系统的顶层结构，如图2所示。主要包括：预处理模块PrePrcessor和熵编码模块Encoder。预处理模块通过数据线DataIn每次接收一个n位的图像数据，信号NewBlock表示是否为一个新Block的开始，若此信号置位则开始对这个Block的图像数据进行预处理；预处理的结果通过数据线DataOut送入RICE熵编码器产生不定码长Len的码字Word，当前Block编码结束后，置位EndBlock信号；码字拼接模块ByteBuilder接收码字Word和码长Len，拼接码流按定长码字Byte输出。
预处理模块
预处理模块硬件结构设计，如图3所示，主要包括预测器Predictor(如图4)和映射器Mapper。本发明采用JPEG-LS预测器，在像素位置如图5所示的情况下，JPEG-LS预测器如下：
Figure G2008102267204D0000051
其中，
Figure G2008102267204D0000052
为x0的预测值。
其中，输入图像数据DataIn为n比特，与对应像素的预测值DataPre相减，得到n+1比特的数据DataMap。映射器Mapper对DataMap做映射变换，产生输出数据DataOut。预测结果
Figure G2008102267204D0000053
由多路选择器进行选择，待选值分别为min(x1，x3)，max(x1，x3)和x1-x2+x3；再通过映射可以得到近似几何分布的预测残差序列。
熵编码模块
RICE熵编码模块结构，如图6所示。其中，累加器Accumulator对预处理器PreProcessor的输出DataOut进行累加，将和Sum送入选择器Selector，在Selector中进行一个简单的查表操作，得到最优编码选项K；编码器Encoder根据最优编码选项K对DataOut进行编码，输出码字Word和码长Len，当本数据块编码结束后置位EndBlock。
通常最优编码选项的选取是通过遍历所有编码选项来完成的，这种串行的选择算法会大大降低硬件系统的性能，成为整个压缩系统的瓶颈。本发明则仅仅利用预处理器输出(预测残差)δi的和
Figure G2008102267204D0000054
直接得到最优编码选项。最优编码选项k的选择公式为：
J/2+J(2k+1)＜F0≤J/2+J(2k+2)                    (2)
其中，J为编码块的长度，
Figure G2008102267204D0000055
当
F0＞J/2[(n-k)2k+1+1-2k]                         (3)
成立时，不进行编码。由式(2)、(3)可以看出，对于最优编码选项的选取，仅仅通过累加、移位和比较等易于硬件实现的操作就可以完成。

Claims (7)

1.一种符合CCSDS标准的图像无损压缩处理系统，其特征在于，所述系统包括：基于JPEG-LS预测方式的预处理模块，RICE熵编码模块和码字拼接模块；
所述预处理模块通过数据线每次接收一个n位的图像数据DataIn，若NewBlock信号置位则开始对该数据块的图像数据进行预处理，即去相关处理，并将预处理结果DataOut通过数据线送入RICE熵编码模块；所述信号NewBlock表示是否为一个新数据块的开始；
所述RICE熵编码模块对预处理结果DataOut进行累加得到和Sum，然后对和Sum查表，得到编码选项K，最后根据编码选项K对预处理结果DataOut进行编码，产生不定码长Len的码字Word，并将码字Word和码长Len送入码字拼接模块，当前块编码结束后，置位EndBlock信号；
所述编码选项K的选择公式为：
J/2+J(2k+1)＜F0≤J/2+J(2k+2)
其中，J为编码块的长度；
Figure F2008102267204C0000012
为预处理结果DataOut的和Sum；
当F0＞J/2[(n-k)2k+1+1-2k]成立时，不进行编码；
所述码字拼接模块接收码字Word和码长Len，拼接码流按定长码字Byte输出。
2.根据权利要求1所述的图像无损压缩处理系统，其特征在于，所述预处理模块采用基于CCSDS121.0-B-1推荐的图像压缩算法；输入的图像数据DataIn经控制模块按16个采样点分组，分组后的数据进入预处理模块进行去相关处理得到一组相互独立的数据，再经RICE编码模块和码流拼接模块得到压缩码流。
3.根据权利要求1或2所述的图像无损压缩处理系统，其特征在于，所述预处理模块包括：预测器和映射器；
所述预测器将输入为n比特的图像数据与该图像数据对应像素的预测值DataPre相减，得到n+1比特的数据DataMap，然后将该数据DataMap送到映射器；
所述映射器对数据DataMap做映射变换，产生预处理结果DataOut；所述预处理结果DataOut为近似几何分布的预测残差序列。
4.根据权利要求1或2所述的图像无损压缩处理系统，其特征在于，所述RICE熵编码模块包括：累加器、选择器和编码器；
所述累加器对预处理结果DataOut进行累加得到和Sum，并将和Sum送入选择器；
所述选择器对和Sum进行查表操作，得到编码选项K；
所述编码器根据编码选项K对于预处理结果DataOut进行编码，输出码字Word和码长Len，当本数据块Block编码结束后置位EndBlock。
5.一种符合CCSDS标准的图像无损压缩处理方法，所述方法包括以下步骤：
(1)预处理模块通过数据线每次接收一个n位的图像数据DataIn，若NewBlock信号置位则开始对该数据块的图像数据进行预处理，即去相关处理，并将预处理结果DataOut通过数据线送入RICE熵编码模块；所述信号NewBlock表示是否为一个新数据块的开始；
(2)RICE熵编码模块对预处理结果DataOut进行累加得到和Sum，然后对和Sum查表，得到编码选项K，最后根据编码选项K对预处理结果DataOut进行编码，产生不定码长Len的码字Word，并将码字Word和码长Len送入码字拼接模块，当前块编码结束后，置位EndBlock信号；
所述编码选项K的选择公式为：
J/2+J(2k+1)＜F0≤J/2+J(2k+2)
其中，J为编码块的长度；
Figure F2008102267204C0000021
Figure F2008102267204C0000022
为预处理结果DataOut的和Sum；
当F0＞J/2[(n-k)2k+1+1-2k]成立时，不进行编码；
(3)码字拼接模块接收码字Word和码长Len，拼接码流按定长码字Byte输出。
6.根据权利要求5所述的图像无损压缩处理方法，其特征在于，所述预处理模块采用基于CCSDS121.0-B-1推荐的图像压缩算法；输入的图像数据DataIn经控制模块按16个采样点分组，分组后的数据进入预处理器进行去相关处理得到一组相互独立的数据，再经RICE编码模块和码流拼接模块得到压缩码流。
7.根据权利要求5或6所述的图像无损压缩处理方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括：预处理模块中的预测器将输入为n比特的图像数据与该图像数据对应像素的预测值DataPre相减，得到n+1比特的数据DataMap，然后将该数据DataMap送到预处理模块中的映射器；所述映射器对数据DataMap做映射变换，产生预处理结果DataOut的步骤；所述预处理结果DataOut为近似几何分布的预测残差序列。
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