CN101931809B - 航天器图像分解传输方法 - Google Patents

Abstract

航天器图像分解传输方法，是将航天器上的高分辨图像分解成若干不重叠的、含原图像整体信息的子图像，用不同的编码加密方式处理合成后进行传输，传输中误码对整体图像影响不大。地面根据对图像质量有不同需求的K类用户进行数据分发，做到不同用户所收到的图像质量不一样：高授权等级用户得到的图像质量高，低授权等级用户得到的图像质量低。采用本发明方法，可以不用常规的图像压缩方式而取得一定的压缩效果，大大降低了航天器上处理传输设备的复杂度，同时地面图像处理恢复设备的复杂度不变，既提高了航天器图像传输的效率和安全性，又能实现不同质量图像的按需分发。

Description

航天器图像分解传输方法

技术领域

本发明属于通信领域，涉及一种航天器图像传输方法。

背景技术

随着空间遥感对地观测技术的发展，航天器上获取的图像分辨率越来越高，原始数据率越来越大，可达到几百Mbps至几十Gbps。图像质量越来越高，用途越来越广，用户越来越多；即使人为降低图像分辨率，所得图像的质量仍相当高，图像仍具有相当高的利用价值。若不对航天器原始图像进行有效的预处理、并进行高效传输，就难于保证地面所得的图像质量，也难于保证地面同时得到不同质量等级的图像，难于满足不同用户的不同需求，也难于做到图像的收费供应。

现有的图像传输方法，一是直接对原始图像进行传输；二是将原始图像分成若干子块(非子图像)后，对各子块分别进行压缩传输；三是采用其它方法，如把图像分解成低频分量和高频分量然后分别进行压缩传输或进行小波分解再进行压缩传输等。图像从航天器传输到地面后，地面再进行接收处理，恢复出原始图像。

对于上述第一种方法，不但需要很大的存储器，也需要很高速率的大规模集成电路处理芯片(FPGA和DSP等)，由此会造成航天器上数据处理设备实现的困难，对航天器数据传输系统设备，特别是空间处理设备带来很大的压力。对于上述第二种方法，会导致分块传输的抗噪声能力变差，而为了提高传输可靠性，有时不得不采用纠错编码技术，却又增加了传输的数据量。对于上述第三种方法，则由于处理比较复杂，会增加航天器上实现的复杂度。事实上，由于空间单粒子效应，许多星上处理设备只能用ASIC实现，而ASIC实现由于规模有限，要求处理设备不能太复杂，处理速度也不宜很高。总之，上述三种方法都不能简单可靠地实现不同质量图像的按需传输与分发。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种简单可靠的图像分解传输方法，对应的航天器存储处理设备实现简单、分解传输本身就具有压缩效果、传输中抗误码性能提高、仅传输1路合成信号即可满足K类用户的需求，增加非法用户制作图像接收设备的难度。

本发明的技术解决方案是：航天器图像分解传输方法，步骤如下：

(1)对航天器获取的原始数字图像X进行格式处理，利用相邻行或相邻列的像素灰度值对原始数字图像X进行像素填充，形成大小为M＊N的数字图像A，A＝A(i，j)，其中i＝1，2，...，M，j＝1，2，...N，M和N均为偶数，M为行数，N为列数，数字图像A的总像元数为MN，总比特数为MNQ，其中Q为每个像元的量化比特数；

(2)将数字图像A(i，j)分解成K幅子图像At(i，j)，t＝1，2，...K，K为偶数，且K能整除M或者N；

(3)对于每一幅子图像At(i，j)，分别采用Qt比特进行量化，Qt≤Q，然后对量化后的各子图像分别进行不同的编码加密，形成加密数据Dt，将各加密数据Dt进行数据合成后发送至地面；

(4)地面将接收到的合成数据进行分解，根据用户对图像质量的要求，从K路加密数据中选取T路进行解密译码后得到T幅子图像并送至对应的用户，T≤K；

(5)各用户对其接收到的T幅子图像进行图像恢复处理，得到不同质量等级的图像BT。

所述步骤(2)中对子图像At(i，j)分解时采用以下两种方法中的任意一种：

(21)列数N能被K整除时，按照图像的列数N进行分解，将数字图像A分解为相同大小的K幅子图像，大小为MN/K，各子图像互相不重复，其组成如下：

At(i，j)＝{A(i，j)，i＝1，2，...，M；j＝t，K+t，...N-K+t}

(22)行数M能被K整除时，按照图像的行数M进行分解，将数字图像A分解为相同大小的K幅子图像，大小为MN/K，各子图像互相不重复，其组成如下：

At(i，j)＝{A(i，j)，i＝t，K+t，...M-K+t；j＝1，2，...，N}。

所述步骤(5)中进行图像恢复处理的方法为：将T幅大小为MN/K的子图像依照原分解方法填充到一幅大小为M＊N的图像上的相应位置，然后对其余K-T幅子图像进行插值处理，得到大小为M＊N的图像BT。

所述的插值方法为邻近插值或者双线性插值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)方法简单可靠。本发明图像传输方法由发端的“图像分解处理”部分和收端的“图像恢复处理”部分组成，图像分解在传输前进行，图像恢复在传输后进行。该方案中的图像分解可根据需要采用不同的方式，但分解后的总数据量不超过原图像数据量；分解后的每幅子图像都含有原来图像的全局信息；经过地面恢复处理可以得到原来图像的信息，信息可以完全保持(无失真)或者基本保持(有一定的允许失真)；

(2)分解传输本身就具有压缩效果。本发明图像分解方法，把一幅大图像变成几幅小图像进行传输，即使不采用常规压缩方法，分解处理本身就具有压缩效果，接收端照样能恢复信息，等效压缩比为KQ/(Q1+Q2+...+QK)；

(3)传输中抗误码性能提高。本发明图像分解方法，小图像具有图像的全局信息，把一路分几路合成进行传输，即使一路子图像信息无法恢复，还可选用其余小图像进行恢复。传输过程中如果发生误码，则仅限于子图像内，对恢复的图像影响不大。传统的方法对图像进行分块处理，一块出现问题则对全局图像会造成损失，其它的小块不含有全局信息。分块传输时，如果传输过程中发生误码，则可能导致恢复的图像在该块中的信息丢失；

(4)航天器存储处理设备实现简单。本发明图像分解传输方法，具有发送端简单的特点，特别适合空间环境，因为采用“图像分解处理”，是对小的子图像进行处理而不是对原来的大图像进行处理，从而降低了对航天器所用存储器的要求，因为小容量存储器可靠性高于大容量存储器。对子图像的编码加密也比对原来大图像编码加密实现更加简单，所用大规模数字处理芯片(如FPGA)处理速度和资源也将大大降低。对卫星来说，星上设备简单，容易实现，而地面设备只是处理环节稍微复杂一些，硬件成本并没有增加，符合航天工程特点。该方法在有些条件下可以用来代替传统的数据压缩方法，除了进一步提高压缩比外，还可以降低星上传输设备的复杂度；

(5)仅传输1路信号即可满足K类用户的需求。如最高等级的授权用户(K类用户)，利用K路子图像就可以实现图像的完全恢复。

附图说明

图1为本发明航天器图像分解传输方法的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明航天器图像分解传输方法的原理框图，本发明的主要步骤如下：

(1)把原始数字图像X(大小为M1＊N1)进行格式处理，利用相邻行或列的像素灰度值对其进行像素填充形成大小为M＊N的数字图像A，表示为A(i，j)，i＝1，2，...，M，j＝1，2，...N，M和N均为偶数，设每像元的量化比特数为Q(一般Q＝8)，则数字图像A的总比特数为MNQ。

(2)将数字图像A(i，j)分解成K幅子图像At(i，j)，t＝1，2，...K，K为偶数，且K＝M/L1(K能整除M)或者K＝N/L2(K能整除N)，L1、L2为大于1的正整数；为了保证每一个子图像中都包含有分解前整个图像的全局信息，本发明在进行分解时采用如下两种方法中的任意一种：

(21)列数N能被K整除时，按数字图像A的列数N分解，将数字图像A分解为相同大小的K幅子图像A1，A2，A3，...AK，各子图像互相不重复，K幅子图像完全可以恢复原图像。

At(i，j)＝{A(i，j)，i＝1，2，...，M；j＝t，K+t，...N-K+t}

图像行数不变，按列进行等间隔抽取，子图像的行数不变，仍为M；子图像的列数变为N/K，子图像大小为MN/K。

(22)行数M能被K整除时，按数字图像A的行数M分解，将数字图像A分解为相同大小的K幅子图像A1，A2，A3，...AK，各子图像互相不重复，K幅子图像完全可以恢复原图像。

At(i，j)＝{A(i，j)，i＝t，K+t，...M-K+t；j＝1，2，...，N}

图像列数不变，按行进行等间隔抽取，子图像的列数不变，仍为N；子图像的行数变为M/K，子图像大小为MN/K。

(3)对于每一幅子图像At(i，j)，分别采用Qt比特(Qt≤Q)进行量化，然后对各子图像分别进行不同的编码加密，形成数据流Dt(t＝1，2，...K)，将编码加密后的子图像数据流进行数据合成后发送至地面；

编码加密中的编码包括直接量化编码以及数据压缩编码，一般不采用数据压缩。如采用数据压缩，可以采用常规的图像压缩方法，如DPCM编码，变换编码(如DCT离散余弦变换编码，小波变换编码等)，矢量量化编码以及JPEG算法等。

编码加密中加密包括序列加密以及分组加密，其中序列加密采用伪随机序列与信息序列进行异或处理；分组加密采用变换、替代的方法或其他进行加密处理。采用序列加密体制，对数据传输系统误码率不影响，为优先采用的加密方法。

若子图像直接量化后的每像元比特数或经过子图像数据压缩后的每像元比特数位为Qt，子图像的大小(像元数)为MN/K，子图像每像元比特数为(Q1+Q2+...QK)/K，则分解后编码的K幅子图像的总比特数为：

K＊MN/K＊{(Q1+Q2+...QK)/K}＝(Q1+Q2+...QK)MN/K。

由此可以得到本发明方法中图像传输本身的等效压缩比R：原总比特数/处理后总比特数＝MNQ/{(Q1+Q2+...QK)MN/K}＝KQ/(Q1+Q2+...+QK)，R≥1。若R＞1则具有压缩功能。

(4)地面将接收到的合成数据进行分解，根据用户对图像质量等级的要求(等级决定密钥的分配以及所用子图像的数目)，将1路或T路(T≤K)编码加密后的子图像根据不同的密钥Key进行解密译码，解密译码根据不同的密钥以及译码方法分别进行处理。授权的用户利用T幅子图像(T≤K)幅子图像进行解密译码(航天器上K种密钥不传递，由地面分发)。解密译码采用与前述编码加密方法相对应的解密、译码方法。

(5)用户接收到经过解密译码的1路或T路子图像进行不同等级的图像恢复处理，得到不同质量等级的图像BT，对应I类，2类，...，K类用户。未获授权的用户无法得到相应质量等级的图像，由此可以根据用户的等级进行灵活的分配。具体处理过程如下：

对于第1类用户，用1幅子图像(大小为MN/K)依照原分解方法进行插值处理，得到大小为M＊N的图像B1；对于第T类用户，把T幅子图像(大小为MN/K)依照原分解方法，填充到一幅大图像(M＊N)的相应位置，对其余K-T幅子图像进行插值处理，得到大小为M＊N的图像BT。对于第K类用户，把K幅子图像(大小为MN/K)依照原分解方法，填充到一幅大图像(M＊N)的相应位置，无需进行插值处理，就得到大小为MN的图像BK。插值处理方法可以采用常规的邻近插值、双线性插值方法或者其他任何有效的插值方法。

需要说明的是，采用本发明的图像分解传输方法时，数据传输设备包括航天器上的发送设备以及地面站的接收设备，为此可以采用常规的航天器数据传输系统，如发送设备一般采用信道编码(RS编码、卷积编码、级联编码、LDPC编码等)+QPSK调制方式；地面接收设备采用QPSK解调，信道译码(RS译码、维特比译码、级联码译码、LDPC码译码等)。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.航天器图像分解传输方法，其特征在于步骤如下：

(1)对航天器获取的原始数字图像X进行格式处理，利用相邻行或相邻列的像素灰度值对原始数字图像X进行像素填充，形成大小为M＊N的数字图像A，A＝A(i，j)，其中i＝1，2，...，M，j＝1，2，...N，M和N均为偶数，M为行数，N为列数，数字图像A的总像元数为MN，总比特数为MNQ，其中Q为每个像元的量化比特数；

(2)将数字图像A(i，j)分解成K幅子图像At(i，j)，t＝1，2，...K，K为偶数，且K能整除M或者N；分解时采用以下两种方法中的任意一种：

(21)列数N能被K整除时，按照图像的列数N进行分解，将数字图像A分解为相同大小的K幅子图像，大小为MN/K，各子图像互相不重复，其组成如下：

At(i，j)＝{A(i，j)，i＝1，2，...，M；j＝t，K+t，...N-K+t}；

(22)行数M能被K整除时，按照图像的行数M进行分解，将数字图像A分解为相同大小的K幅子图像，大小为MN/K，各子图像互相不重复，其组成如下：

At(i，j)＝{A(i，j)，i＝t，K+t，...M-K+t；j＝1，2，...，N}；

(3)对于每一幅子图像At(i，j)，分别采用Qt比特进行量化，Qt≤Q，然后对量化后的各子图像分别进行不同的编码加密，形成加密数据Dt，将各加密数据Dt进行数据合成后发送至地面；

(4)地面将接收到的合成数据进行分解，根据用户对图像质量的要求，从K路加密数据中选取T路进行解密译码后得到T幅子图像并送至对应的用户，T≤K；

(5)各用户对其接收到的T幅子图像进行图像恢复处理，得到不同质量等级的图像BT。

2.根据权利要求1所述的航天器图像分解传输方法，其特征在于：所述步骤(5)中进行图像恢复处理的方法为：将T幅大小为MN/K的子图像依照原分解方法填充到一幅大小为M＊N的图像上的相应位置，然后对其余K-T幅子图像进行插值处理，得到大小为M＊N的图像BT。

3.根据权利要求2所述的航天器图像分解传输方法，其特征在于：所述的插值方法为邻近插值或者双线性插值。

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