KR20210142332A - Apparatus and Method for Compressing Lossless of Aurora Spectral Data - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for lossless compression of aurora spectral data.
오로라는 자연에서 가장 아름다운 경이로 여겨지며 화려하고 끊임없이 변화한다. 우주에서 고 에너지로 하전된 입자가 태양풍에 의해 지구로 운반될 때, 지구의 극으로 지자기장에 의해 끌어당겨져 대기권의 분자와 원자가 충돌하여 결국 오로라가 발생한다.The Northern Lights are considered to be the most beautiful wonders of nature and are colorful and constantly changing. When high-energy charged particles from space are transported to Earth by the solar wind, they are attracted to the Earth's poles by the geomagnetic field, causing molecules and atoms in the atmosphere to collide, eventually causing the aurora.
오로라는 매우 중요한 연구 가치를 가지고 있으며, 태양 활동의 연구와 지구에 미치는 영향을 파악하는데 도움이 된다. 또한, 오로라 연구는 다른 행성을 연구하기 위한 참고 자료를 제공할 수 있는데, 이는 오로라가 태양계에서 자기장이 있는 행성에 흔한 현상이기 때문이다.Auroras have very important research value, helping to study solar activity and its effects on Earth. Aurora studies can also provide a reference for studying other planets, since aurora is a common phenomenon for planets with magnetic fields in the solar system.
오로라 스펙트럼 데이터는 오로라 스펙트럼의 특정 초 분광 데이터로서 극지방에 장착된 분광계에 의해 캡처되고, 태양 활동과 지상 진화 사이의 격차를 해소하는데 있어 대체할 수 없는 연구 가치를 가지고 있다.Aurora spectral data are specific hyperspectral data of the aurora spectrum, captured by pole-mounted spectrometers, and have irreplaceable research value in bridging the gap between solar activity and terrestrial evolution.
오로라의 정확한 발생 시간을 알 수 없으므로, 매우 높은 주파수에서 오로라 스펙트럼 데이터를 연속적으로 캡처하려면 분광계가 필요하다. 결과적으로 오로라 스펙트럼 데이터의 양이 매우 크기 때문에 저장 및 전송에 큰 어려움이 있다.Since the exact time of occurrence of the aurora is not known, a spectrometer is required to continuously capture aurora spectral data at very high frequencies. As a result, since the amount of aurora spectral data is very large, there is a great difficulty in storage and transmission.
이러한 문제를 해결하기 위해서 오로라 스펙트럼 데이터의 압축은 필수적이며, 손실없는 압축이 손실있는 압축보다 선호된다. 여기에는 두 가지 주요 이유가 있다. 하나는 오로라 스펙트럼 이미지의 과학적 가치가 매우 높고 획득 비용이 상당히 비싸기 때문에 오로라 스펙트럼 이미지는 장기 보존 가치가 있다는 점이고, 다른 하나는 일부 응용에서 사소한 정보 손실이 큰 오류를 유발할 수 있다는 점이다.To solve this problem, compression of aurora spectral data is essential, and lossless compression is preferred over lossy compression. There are two main reasons for this. One is that aurora spectral images have a long-term preservation value because their scientific value is very high and the acquisition cost is quite expensive.
현재까지 개발된 오로라 스펙트럼 데이터의 압축 기술은 다양한 무손실 압축 알고리즘이 제안되고 있으나, 대용량 파일의 전송 오류가 해결되지 않고 있으며, 압축 성능도 떨어져 오로라 연구에 어려움이 있다.Various lossless compression algorithms have been proposed for compression techniques for aurora spectrum data developed so far, but transmission errors of large files are not resolved, and compression performance is poor, making it difficult to study aurora.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 성능을 향상시키고, 압축 시간을 최소화할 수 있는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for lossless compression of aurora spectrum data capable of improving lossless compression performance of the aurora spectrum data and minimizing the compression time.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법은,A lossless compression method of aurora spectrum data according to a feature of the present invention for achieving the above object,
중앙 처리부는 오로라 스펙트럼 이미지를 복수의 열로 균등하게 분할하고, 상기 각각의 분할된 이미지를 인코더로 전송하는 단계;The central processing unit equally divides the aurora spectrum image into a plurality of columns, and transmits each of the divided images to an encoder;
상기 인코더는 상기 분할된 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 계수를 계산하는 단계;calculating, by the encoder, a prediction coefficient for each pixel of the segmented image;
상기 인코더는 상기 예측 계수에 기반하여 상기 각 픽셀의 예측값을 계산하는 단계;calculating, by the encoder, a predicted value of each pixel based on the prediction coefficient;
상기 인코더는 상기 분할된 이미지의 각 픽셀의 원본 픽셀값에서 상기 각 픽셀의 예측값을 감산하여 잔차를 계산하는 단계; 및calculating, by the encoder, a residual by subtracting the predicted value of each pixel from the original pixel value of each pixel of the divided image; and
상기 인코더는 상기 계산한 잔차를 정렬하여 특이값을 식별하여 제거하고, 상기 특이값의 픽셀값을 포함한 복수의 압축 정보를 코딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The encoder aligns the calculated residuals to identify and remove singular values, and coding a plurality of pieces of compressed information including pixel values of the singular values.
본 발명의 특징에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치는,A lossless compression apparatus for aurora spectrum data according to a feature of the present invention,
오로라 스펙트럼 이미지를 복수의 열로 균등하게 분할하고, 상기 각각의 분할된 이미지를 인코더로 전송하는 중앙 처리부;a central processing unit equally dividing the aurora spectrum image into a plurality of columns and transmitting each of the divided images to an encoder;
상기 분할된 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 계수를 계산하고, 상기 예측 계수에 기반하여 상기 각 픽셀의 예측값을 계산하고, 상기 분할된 이미지의 각 픽셀의 원본 픽셀값에서 상기 각 픽셀의 예측값을 감산하여 잔차를 계산하고, 상기 인코더는 상기 계산한 잔차를 정렬하여 특이값을 식별하여 제거하며, 상기 특이값의 픽셀값을 포함한 복수의 압축 정보를 코딩하는 인코더를 포함하는 것을 특징으로 한다.A prediction coefficient for each pixel of the divided image is calculated, a prediction value of each pixel is calculated based on the prediction coefficient, and a prediction value of each pixel is subtracted from the original pixel value of each pixel of the divided image. The residual is calculated, and the encoder aligns the calculated residual to identify and remove a singular value, and an encoder for coding a plurality of compressed information including a pixel value of the singular value.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 오로라 스펙트럼 데이터를 압축하는데 소요되는 시간을 최소화할 수 있고, 압축 성능이 뛰어나 대용량 파일의 전송 오류를 방지할 수 있으며, 각 파일의 계산 시간 비용이 낮아질 수 있는 효과가 있다.According to the above-described configuration, the present invention can minimize the time required to compress the aurora spectrum data, prevent transmission errors of large files due to excellent compression performance, and reduce the cost of calculating each file. there is
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SPCC 인코더의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디코더의 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 Spec-SPCC 및 Spat-SPCC를 사용한 후의 잔차 이미지를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 오로라 스펙트럼 데이터의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 7의 예측 순서를 위해 도 6의 (a)의 비트 레이트 맵을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an apparatus for lossless compression of aurora spectrum data according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of an SPCC encoder according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a process of a decoder according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram for explaining a lossless compression method of aurora spectrum data according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a result of comparing residual images after using Spec-SPCC and Spat-SPCC.
6 is a diagram illustrating an example of aurora spectrum data.
7 is a diagram illustrating a bit rate map of FIG. 6 (a) for a prediction order of 7 according to an embodiment of the present invention.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
본 발명의 무손실 압축 전략을 개선하기 위한 SPCC(Smoothing, Prediction, Classification and Coding)는 고급 예측 인코더와 프로그레시브 디코더로 구성된 코덱을 제안한다. SPCC는 평활화, 예측, 분류 및 코딩으로 이루어져 있다.Smoothing, Prediction, Classification and Coding (SPCC) for improving the lossless compression strategy of the present invention proposes a codec composed of an advanced predictive encoder and a progressive decoder. SPCC consists of smoothing, prediction, classification and coding.
인코더는 특이값 인식과 하이브리드 공간 스펙트럼 역상관을 사용한다.The encoder uses singular value recognition and hybrid spatial spectral decorrelation.
디코더는 비특이값 잔차, 특이값 픽셀값, 예측 계수 및 헤드 정보의 압축된 데이터로부터 원본 데이터를 점진적으로 복구한다.The decoder progressively recovers original data from the compressed data of non-singular value residuals, singular value pixel values, prediction coefficients and head information.
무작위로 선택된 데이터 세트의 총 파일수가 23,214개인 경우, 코덱은 다양한 무손실 압축 방법과 비교할 때 최고의 압축 성능과 계산 효율을 보여준다.When the total number of files in the randomly selected data set is 23,214, the codec shows the best compression performance and computational efficiency when compared to various lossless compression methods.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SPCC 인코더의 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디코더의 프로세스를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an apparatus for lossless compression of aurora spectrum data according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an SPCC encoder according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention It is a diagram illustrating a process of a decoder according to an example, and FIG. 4 is a diagram for explaining a method for lossless compression of aurora spectrum data according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치(100)는 입력부(110), 중앙 처리부(120), 인코더(130) 및 디코더(140)를 포함한다.The
입력부(110)는 외부 장치로부터 오로라 스펙트럼 이미지의 데이터를 수신한다.The
중앙 처리부(120)는 오로라 스펙트럼 이미지를 복수의 열로 균등하게 분할하고, 각각의 분할된 이미지를 인코더(130)로 전송한다(S100).The
인코더(130)는 SPCC(Smoothing, Prediction, Classification and Coding) 인코더로서 가장 간단한 예측 수단인 저복잡도 최소 제곱 방법(Low Complexity Least Square Method, LS)이 적용된다.The
저복잡도 최소 제곱 방법은 단방향성이고, 공간(Spatial) 또는 스펙트럼(Spectral) 차원을 따라 데이터를 역상관시킨다.The low-complexity least-squares method is unidirectional and decorrelates data along spatial or spectral dimensions.
인코더(130)는 예측 방향에 따라 공간 SPCC(Spat-SPCC)와 스펙트럼 SPCC(Spec-SPCC)의 2종류로 나뉜다.The
공간 SPCC(130)는 평활화부(131), 예측부(132), 분류부(133) 및 코딩부(134)를 포함한다.The spatial SPCC 130 includes a
공간 SPCC(130)는 평균 시프트 평활화, LS에 대한 예측, ORLS에 의해 4가지 유형으로 압축될 데이터를 분류하고, 범위 코더에 의해 분류된 데이터를 압축함으로써 잡음 필터링의 조합으로 구성된다.The
스펙트럼 SPCC(130)는 평활화하기 전에 원본 데이터의 위치나 순서를 뒤바꾸는 수정된 형태의 Spat-SPCC이다.The
직접 예측은 실제 방출 정보가 노이즈에 의해 바이어스되므로 정확도가 떨어진다.Direct prediction is less accurate because the actual emission information is biased by noise.
원본 오로라 스펙트럼 이미지의 데이터는 잡음 효과를 약화시키기 위해 평활화된다.Data from the original aurora spectral image is smoothed to attenuate noise effects.
데이터의 표준 편차는 일반적으로 크며, 가우스 노이즈에 가장 적합한 필터는 평균 필터이다.The standard deviation of the data is usually large, and the best filter for Gaussian noise is the average filter.
평활화부(131)는 분할된 이미지를 평균 시프트 필터를 이용하여 평활화 한다.The
예측부(132)는 저복잡도 최소 제곱 방법을 이용하여 분할된 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 계수를 계산한다(S110).The
예측부(132)는 예측 계수에 기반하여 각 픽셀의 예측값을 계산한다(S120).The
실제로 1×3 크기의 템플릿이 사용된다. 특정 위치(m,n)에서의 평활화된 픽셀값은 으로 표시되고 하기의 수학식 1에 의해 표현된다. 여기서, P(m,n)은 원본 픽셀값이고, a1 및 a2는 이전의 두 공간 픽셀에서 각각 예측되는 픽셀의 가중치 계수들이다.In fact, a 1×3 size template is used. The smoothed pixel value at a specific position (m, n) is and is expressed by
하기의 수학식 2는 저복잡도 최소 제곱 방법(LS)의 기본 방정식이다.
여기서, I'는 예측 순서 I와 공간 위치 인덱스 n 사이의 최소값을 나타내고, 는 공간 라인에서 대응하는 픽셀의 예측 계수이며, (m1, n1)에서 (m2, n2)까지의 이미지 블록에서 픽셀값들을 로 표시하면, 예측 계수들()은 수학식 2로 해결할 수 있다.Here, I' represents the minimum value between the prediction order I and the spatial location index n, Is It is the prediction coefficient of the corresponding pixel in the spatial line, and calculates the pixel values in the image block from (m 1 , n 1 ) to (m 2 , n 2 ). Indicated by , the prediction coefficients ( ) can be solved by Equation (2).
의 예측값은 수학식 2에서 계산된 예측 계수로 대체하여 결정된다. The predicted value of is determined by substituting the prediction coefficient calculated in Equation (2).
원본 데이터를 오류없이 재구성하기 위해서는 으로 반올림되고, 는 의 반올림값 대신에 으로 계산된다.In order to reconstruct the original data without errors rounded to , Is instead of the rounded value of is calculated as
다른 한편으로, 특정 픽셀들의 픽셀값들은 CIC(Clock Induced Charge)에 의해 심하게 바이어스되어 커지게 되고, 이에 따른 잔차들(Residuals)은 결과적으로 중요하다.On the other hand, pixel values of specific pixels are heavily biased by CIC (Clock Induced Charge) and become large, and consequently residuals are important.
모든 픽셀의 비정상적으로 높은 값의 잔차가 특이값으로 정의되어 직접 인코딩의 전체 압축 성능이 저하될 수 있다.The abnormally high-value residuals of all pixels are defined as singular values, which can degrade the overall compression performance of direct encoding.
분류부(133)는 분할된 이미지의 각 픽셀의 원본 픽셀값에서 각 픽셀의 예측값을 감산하여 잔차를 계산하고, 계산한 잔차를 정렬하여 특이값을 식별하여 제거한다(S130).The
이러한 종류의 특이값은 하기의 알고리즘(ORLS 알고리즘)에 의해 다음과 같이 식별할 수 있다.This kind of singular value can be identified by the following algorithm (ORLS algorithm) as follows.
(1) 특정 공간 라인의 모든 절대 잔차들을 내림차순으로 정렬한다.(1) Sort all absolute residuals of a specific spatial line in descending order.
예를 들어, n번째 공간 라인을 선택하면, 는 으로 재정렬되며, 은 에 매핑되고, 은 에 매핑되고, 은 에 매핑된다.For example, if we select the nth space line, Is are rearranged as silver is mapped to silver is mapped to silver is mapped to
인덱스 쌍 와 사이의 매핑 관계는 가역적이고 특이하다.index pair Wow The mapping relationship between them is reversible and unique.
(2) 의 정렬된 절대 잔차의 이전과 이후의 차이를 계산하고, 최대값 을 찾을 수 있다.(2) Calculate the difference before and after the sorted absolute residuals of can be found
(3) 기설정된 절대 잔차값 보다 큰 픽셀은 특이값으로 표시된다.(3) preset absolute residual value Larger pixels are marked with outliers.
압축될 정보는 비특이값 픽셀들(Non Outlier Pixels), 특이값 픽셀들, 예측 계수들, 헤더 설명의 4가지 유형으로 나뉜다.Information to be compressed is divided into four types: Non Outlier Pixels, Outlier Pixels, Prediction Coefficients, and Header Description.
헤더 설명을 제외하고 각 압축의 마지막 단계에서 개선된 산술 코딩인 범위 코딩(Range Coding, RC)이 사용된다.Except for the header description, an improved arithmetic coding, Range Coding (RC), is used in the last stage of each compression.
코딩부(134)는 헤더 설명을 제외한 나머지 압축 정보를 범위 코더(Range Coder)에 의해 범위 코딩한다(S140).The
전자의 두 가지 유형과 관련하여 잔차들과 원본 픽셀값들은 엔트로피(Entropy) 코딩될 각각의 엔티티 데이터이다.With respect to the former two types, the residuals and the original pixel values are respective entity data to be entropy coded.
SPCC의 설명된 절차는 특정 도메인(예를 들어 Spat-SPCC의 공간 도메인)에 관련되어 있으므로 두 도메인의 상관 절차를 활용할 수 있다. 즉, 2차 역상관 차원을 통해 잔차 이미지를 1차원 연속 데이터 스트림으로 변환하고, 이를 연속 그룹으로 분할하며, 슬라이스된 서브 스트림 대신하여 최종 코더에 입력한다.Since the described procedure of SPCC is related to a specific domain (eg, the spatial domain of Spat-SPCC), the correlation procedure of the two domains can be utilized. That is, the residual image is transformed into a one-dimensional continuous data stream through the second decorrelation dimension, divided into continuous groups, and input to the final coder instead of the sliced sub-stream.
보다 구체적으로 Spat-SPCC는 1024개의 스펙트럼 라인을 순차적으로 인코딩한다.More specifically, Spat-SPCC encodes 1024 spectral lines sequentially.
한편, 처음 2개의 공간 라인의 비특이값 픽셀의 경우, LS가 예측 순서가 3이상이어야 하므로 잔차 대신에 원본 픽셀값들이 인코딩된다.On the other hand, for the non-singular value pixels of the first two spatial lines, the original pixel values are encoded instead of the residuals because the LS must have a prediction order of 3 or greater.
부동 정밀도 예측 계수(Float Precision Prediction Coeffcients)는 전체 압축 효율을 향상시키기 위해서 양자화된다.Float Precision Prediction Coeffcients are quantized to improve overall compression efficiency.
코딩 프로세스를 직접 수행하기 전에 각 플로트(Float)의 마지막 16비트가 제거된다. 부호비트, 모든 지수비트 및 처음 7개의 10 진수 비트로 구성된 왼쪽 16 비트가 인코딩된다.The last 16 bits of each float are removed before performing the coding process directly. The left 16 bits, consisting of the sign bit, all exponent bits, and the first 7 decimal bits, are encoded.
계수와 잔차에 대해 각각 를 넘지 않는 추가적인 절대 오차가 발생한다. 잔차에는 거의 변화가 없게 된다.for coefficients and residuals respectively An additional absolute error that does not exceed . There is little change in the residuals.
모든 계수에 대한 부호 비트가 함께 결합되어 인코딩된다.The sign bits for all coefficients are combined together and encoded.
지수 및 10 진수 비트는 유사한 방식으로 코딩되어 압축된 비트 파일에 연속적으로 추가된다.Exponential and decimal bits are coded in a similar manner and added successively to the compressed bit file.
한편, 모든 맞춤 파일의 헤더는 치수 크기, 샘플링 온도, 샘플링 간격, 노출 시간과 같은 추가 데이터 분석을 위한 핵심 매개 변수에 대한 필수 설명을 제공한다. 헤더는 5760 바이트의 고정 크기를 가진다.Meanwhile, the headers of all custom files provide essential descriptions of key parameters for further data analysis, such as dimension size, sampling temperature, sampling interval, and exposure time. The header has a fixed size of 5760 bytes.
프로그레시브(Progressive) 디코더(140)는 모든 압축 파일의 범위를 디코딩한다. 플로트 정밀도 계수는 디코딩된 부호 비트, 지수 비트 및 10진수 비트로부터 각각의 계수 플로트의 처음 16비트로 순차적으로 1, 8, 및 7 비트를 시프트함으로써 하나씩 재구성된다. 나머지 절차는 도 3에 설명되어 있다.The
도 3에서 사각형 안의 숫자는 스펙트럼 위치 지수를 나타낸다. 예를 들어 1을 가진 정사각형은 첫 번째 스펙트럼 선의 픽셀을 나타낸다.In FIG. 3, numbers in squares indicate spectral position indices. For example, a square with 1 represents a pixel on the first spectral line.
원본 오로라 스펙트럼 데이터는 항상 예측된 데이터와 잔차를 추가한 것이다.The original aurora spectral data is always the predicted data plus the residuals.
데이터 재구성을 위한 도시된 절차를 참조하면, 단일 도메인(Spat-S)에서 점진적으로 디코딩하는 것이 필수적이다.Referring to the illustrated procedure for data reconstruction, it is essential to progressively decode in a single domain (Spat-S).
예측 수단은 SPCC 인코더(130)와 동일하여 현재 라인을 인코딩하는데 필요한 데이터가 미리 디코딩되도록 보장한다.The prediction means are the same as the
프로그레시브 디코더(140)는 n번째 공간 라인을 따라 원본 이미지를 예측 계수와 잔차 이미지를 이용하여 예측 이미지를 점진적으로 디코딩한다.The
도 5는 Spec-SPCC 및 Spat-SPCC를 사용한 후의 잔차 이미지를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a result of comparing residual images after using Spec-SPCC and Spat-SPCC.
중앙 처리부(120)는 공간 SPCC(Spat-SPCC)와 스펙트럼 SPCC(Spec-SPCC)의 두 가지 방식의 압축 성능을 분석한 후, 압축 성능이 더 좋은 SPCC 인코더(130)를 선택할 수 있다.After analyzing the compression performance of two types of spatial SPCC (Spat-SPCC) and spectral SPCC (Spec-SPCC), the
도 5에 도시된 바와 같이, 공간 SPCC(Spat-SPCC)와 스펙트럼 SPCC(Spec-SPCC)의 실험 결과는 둘 다 효과적인 압축 성능을 보이고 있지만, 공간 SPCC가 스펙트럼 SPCC에 비하여 좀 더 나은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 5, the experimental results of spatial SPCC (Spat-SPCC) and spectral SPCC (Spec-SPCC) both show effective compression performance, but spatial SPCC shows better performance than spectral SPCC. Able to know.
도 6의 (a)는 2015 년 10월 19일 UT 20:29:40에 ZHS에서 생성된 오로라 스펙터럼 데이터의 일례이고, 도 6의 (b)는 (a)의 확률 분포이다.6(a) is an example of aurora spectral data generated by ZHS at UT 20:29:40 on October 19, 2015, and FIG. 6(b) is a probability distribution of (a).
대부분의 픽셀들은 가우스 분포를 따르고, 픽셀은 광 신호에 해당하는 분포가 없기 때문에 배경이다.Most of the pixels follow a Gaussian distribution, and the pixels are the background because there is no distribution corresponding to the light signal.
가중치 계수와 예측 순서는 압축 성능에 영향을 준다. 도 7에서 실험한 결과를 보면, 상이한 예측 순서에 관한 비트 레이트의 맵이 유사한 것을 볼 수 있다.Weighting factors and prediction order affect compression performance. 7, it can be seen that the maps of bit rates for different prediction orders are similar.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 7의 예측 순서를 위해 도 6의 (a)의 비트 레이트 맵을 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a bit rate map of FIG. 6 (a) for a prediction order of 7 according to an embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 임의의 특정 예측 순서가 주어지면, 계수들의 4가지의 경우가 있는데, 예를 들면, (1) , (2) , (3) , (4) 이다.As shown in Figure 7, given any particular prediction order, there are four cases of coefficients, for example (1) , (2) , (3) , (4) am.
낮은 비트 전송률은 도 7에서 핫스팟 영역에 매핑된다. 픽셀 당 비트는 압축 성능이 증감함에 따라 감소한다. a1과 a2의 역수가 모두 충분히 클 때, 성능이 현저한 것을 볼 수 있다.The low bit rate is mapped to the hotspot area in FIG. 7 . Bits per pixel decreases as compression performance increases or decreases. When both the reciprocal of a1 and a2 are sufficiently large, it can be seen that the performance is remarkable.
설명의 편의를 위해서 최소 비트 레이트에 대응하는 계수가 사용된다.For convenience of description, a coefficient corresponding to the minimum bit rate is used.
7의 최적 예측 순서는 2015년 10월 19일의 데이터에 대해 대략 4에서 10 사이의 I' 범위로 시험에서 결정된다.The optimal prediction order of 7 is determined from the trial with an I' range of approximately 4 to 10 for data from October 19, 2015.
이상에서 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.In the above, the embodiment of the present invention is not implemented only through an apparatus and/or method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium in which the program is recorded, etc. And, such an implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improved forms of the present invention are also provided by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims. is within the scope of the right.
100: 무손실 압축 장치
110: 입력부
120: 중앙 처리부
130: 인코더
140: 디코더100: lossless compression device
110: input unit
120: central processing unit
130: encoder
140: decoder
Claims (9)
상기 인코더는 상기 분할된 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 계수를 계산하는 단계;
상기 인코더는 상기 예측 계수에 기반하여 상기 각 픽셀의 예측값을 계산하는 단계;
상기 인코더는 상기 분할된 이미지의 각 픽셀의 원본 픽셀값에서 상기 각 픽셀의 예측값을 감산하여 잔차를 계산하는 단계; 및
상기 인코더는 상기 계산한 잔차를 정렬하여 특이값을 식별하여 제거하고, 상기 특이값의 픽셀값을 포함한 복수의 압축 정보를 코딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법.The central processing unit equally divides the aurora spectrum image into a plurality of columns, and transmits each of the divided images to an encoder;
calculating, by the encoder, a prediction coefficient for each pixel of the segmented image;
calculating, by the encoder, a predicted value of each pixel based on the prediction coefficient;
calculating, by the encoder, a residual by subtracting the predicted value of each pixel from the original pixel value of each pixel of the divided image; and
and the encoder aligns the calculated residuals to identify and remove singular values, and coding a plurality of compressed information including pixel values of the singular values.
상기 예측 계수를 계산하는 단계는,
상기 인코더는 상기 분할된 이미지를 평균 시프트 필터를 이용하여 평활화한 후, 상기 분할된 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 계수를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법.According to claim 1,
Calculating the prediction coefficient comprises:
The method of claim 1, wherein the encoder smoothes the segmented image using an average shift filter, and then calculating a prediction coefficient for each pixel of the segmented image.
상기 예측 계수를 계산하는 단계는,
상기 인코더는 저복잡도 최소 제곱 방법(Low Complexity Least Square Method)인 하기의 수학식 1을 이용하여 상기 예측 계수를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법.
[수학식 1]
여기서, I'는 예측 순서 I와 공간 위치 인덱스 n 사이의 최소값을 나타내고, 는 공간 라인에서 대응하는 픽셀의 예측 계수이며, (m1, n1)에서 (m2, n2)까지의 이미지 블록에서 픽셀값들을 로 표시하면, 예측 계수들(), 은 특정 위치(m,n)에서의 평활화된 픽셀값임.3. The method of claim 2,
Calculating the prediction coefficient comprises:
The encoder lossless compression method of aurora spectrum data, characterized in that it further comprises the step of calculating the prediction coefficients using Equation 1 below, which is a low complexity least square method.
[Equation 1]
Here, I' represents the minimum value between the prediction order I and the spatial location index n, Is It is the prediction coefficient of the corresponding pixel in the spatial line, and calculates the pixel values in the image block from (m 1 , n 1 ) to (m 2 , n 2 ). Indicated by , the prediction coefficients ( ), is the smoothed pixel value at a specific position (m, n).
상기 평활된 픽셀값은 하기의 수학식 2로 표현되고, 상기 수학식 1의 예측 계수로 대체하여 결정되는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법.
[수학식 2]
여기서, P(m,n)은 원본 픽셀값이고, a1 및 a2는 이전의 두 공간 픽셀에서 각각 예측되는 픽셀의 가중치 계수들임.4. The method of claim 3,
The smoothed pixel value is expressed by Equation 2 below and is determined by substituting the prediction coefficient of Equation 1 above.
[Equation 2]
Here, P(m,n) is the original pixel value, and a1 and a2 are weight coefficients of pixels predicted in the previous two spatial pixels, respectively.
상기 코딩하는 단계는,
상기 분할된 이미지의 각 픽셀의 원본 픽셀값에서 상기 각 픽셀의 예측값을 감산한 잔차를 계산하고, 절대값으로 절대 잔차를 계산한 후, 특정 공간 라인의 모든 절대 잔차들을 내림차순으로 정렬하는 단계;
의 정렬된 절대 잔차의 이전과 이후의 차이를 계산하고, 최대값 을 찾는 단계; 및
기설정된 절대 잔차값 보다 큰 픽셀은 특이값으로 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법.According to claim 1,
The coding step is
calculating a residual obtained by subtracting the predicted value of each pixel from the original pixel value of each pixel of the divided image, calculating the absolute residual as an absolute value, and arranging all absolute residuals of a specific spatial line in descending order;
Calculate the difference before and after the sorted absolute residuals of finding; and
Preset absolute residual value A method for lossless compression of aurora spectral data, further comprising the step of indicating larger pixels as singular values.
상기 코딩하는 단계는,
상기 인코더는 상기 압축 정보를 비특이값 픽셀들(Non Outlier Pixels), 특이값 픽셀들, 예측 계수들, 헤더 설명의 4가지 유형으로 나누고, 상기 헤더 설명을 제외한 나머지 압축 정보를 범위 코더(Range Coder)에 의해 범위 코딩하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 방법.According to claim 1,
The coding step is
The encoder divides the compressed information into four types of non-outlier pixels, outlier pixels, prediction coefficients, and header description, and divides the compressed information except for the header description into a range coder (Range Coder). ) Lossless compression method of aurora spectral data, characterized in that it further comprises the step of range coding by.
상기 분할된 이미지의 각 픽셀에 대한 예측 계수를 계산하고, 상기 예측 계수에 기반하여 상기 각 픽셀의 예측값을 계산하고, 상기 분할된 이미지의 각 픽셀의 원본 픽셀값에서 상기 각 픽셀의 예측값을 감산하여 잔차를 계산하고, 상기 인코더는 상기 계산한 잔차를 정렬하여 특이값을 식별하여 제거하며, 상기 특이값의 픽셀값을 포함한 복수의 압축 정보를 코딩하는 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치.a central processing unit equally dividing the aurora spectrum image into a plurality of columns and transmitting each of the divided images to an encoder;
A prediction coefficient for each pixel of the divided image is calculated, a prediction value of each pixel is calculated based on the prediction coefficient, and a prediction value of each pixel is subtracted from the original pixel value of each pixel of the divided image. aurora spectral data comprising an encoder that calculates a residual, the encoder aligns the calculated residual to identify and remove a singular value, and encodes a plurality of compressed information including a pixel value of the singular value Lossless compression device.
상기 인코더는 저복잡도 최소 제곱 방법(Low Complexity Least Square Method)인 하기의 수학식 1을 이용하여 상기 예측 계수를 계산하는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치.
[수학식 1]
여기서, I'는 예측 순서 I와 공간 위치 인덱스 n 사이의 최소값을 나타내고, 는 공간 라인에서 대응하는 픽셀의 예측 계수이며, (m1, n1)에서 (m2, n2)까지의 이미지 블록에서 픽셀값들을 로 표시하면, 예측 계수들(), 은 특정 위치(m,n)에서의 평활화된 픽셀값임.8. The method of claim 7,
The encoder is a lossless compression apparatus for aurora spectrum data, characterized in that the prediction coefficient is calculated by using Equation 1 below, which is a low complexity least square method.
[Equation 1]
Here, I' represents the minimum value between the prediction order I and the spatial location index n, Is It is the prediction coefficient of the corresponding pixel in the spatial line, and calculates the pixel values in the image block from (m 1 , n 1 ) to (m 2 , n 2 ). Indicated by , the prediction coefficients ( ), is the smoothed pixel value at a specific position (m, n).
상기 평활된 픽셀값은 하기의 수학식 2로 표현되고, 상기 수학식 1의 예측 계수로 대체하여 결정되는 것을 특징으로 하는 오로라 스펙트럼 데이터의 무손실 압축 장치.
[수학식 2]
여기서, P(m,n)은 원본 픽셀값이고, a1 및 a2는 이전의 두 공간 픽셀에서 각각 예측되는 픽셀의 가중치 계수들임.9. The method of claim 8,
The smoothed pixel value is expressed by Equation 2 below and is determined by substituting the prediction coefficient of Equation 1 above.
[Equation 2]
Here, P(m,n) is the original pixel value, and a1 and a2 are weight coefficients of pixels predicted in the previous two spatial pixels, respectively.
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KR20120115729A (en) * | 2011-04-11 | 2012-10-19 | 전북대학교산학협력단 | A preprocessing to reduce influence of outliers for spectrum data |
KR102048340B1 (en) | 2017-09-06 | 2019-11-26 | 인천대학교 산학협력단 | Aurora Lossless Compression Apparatus and Method |
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JiaJi Wu, et. al., "Lossless Compression of Hyperspectral Imagery via Clustered Differential Pulse Code Modulation with Removal of Local Spectral Outliers", IEEE Signal Processing Letters, 10, June, 2015.* * |
JiaoJiao Li, et. al., "GPU Acceleration of Clustered DPCM for Lossless Compression of Hyperspectral Images", IEEE Transactions on Indusrial Informatics, 16, January, 2019.* * |
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