專利名稱：一種符合ccsds標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種適用于空間應(yīng)用 的符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，星上傳感和探測設(shè)備無論在數(shù)量還是精 度上都比以前大大增加，形成了海量數(shù)據(jù)，從而對星上數(shù)據(jù)存儲和下行傳輸造成了一定的 困難。由于航天器通信帶寬有限，不可能無限制的增大存儲設(shè)備的容量，于是在軌圖像壓縮 就成為星上數(shù)據(jù)處理的一個必備環(huán)節(jié)，而開發(fā)高性能星載圖像壓縮系統(tǒng)也成為當(dāng)務(wù)之急。
如何能在具有嚴(yán)格功耗、重量、體積的要求下，最優(yōu)的實現(xiàn)高速圖像無損壓縮系 統(tǒng)，取決于設(shè)計的方案。以通用微處理器或者DSP為核心的嵌入式系統(tǒng)，雖然能夠相對較為 方便的完成壓縮算法，但存在一個嚴(yán)重的缺陷 一 需要較高的時鐘頻率(超過200MHz)，才能 滿足實時性要求，這將引發(fā)一系列電磁兼容問題，帶來設(shè)計上的諸多不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，從而提供了一種符合CCSDS 標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法，對CCSDS 建議的無損數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)進行了兩個方面的改進(1)采用了基于JPEG-LS的預(yù)處理模塊， 有效提高了壓縮比；(2)最優(yōu)編碼選項的選取無須遍歷計算所有編碼選項，本發(fā)明的編碼
模塊僅利用預(yù)處理器輸出(預(yù)測殘差)的和t《直接得到最優(yōu)編碼選項，大大提高了硬件
,=0
的處理速度(頻率為100MHz時的數(shù)據(jù)處理速度為25Mpixels/s)，可以滿足低功耗和實時性 要求。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)包括基于JPEG-LS預(yù) 測方式的預(yù)處理模塊，RICE熵編碼模塊和碼字拼接模塊。 本發(fā)明采用基于CCSDS121.0-B-1推薦的圖像壓縮算法，并根據(jù)空間應(yīng)用的特點 改進了編碼選項選擇算法，輸入的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)控制模塊按16個采樣點分組；分組后的數(shù)據(jù) 進入預(yù)處理模塊進行去相關(guān)處理得到一組相互獨立的數(shù)據(jù)，再經(jīng)RICE編碼模塊和碼流拼 接模塊得到壓縮碼流。 所述預(yù)處理模塊通過數(shù)據(jù)線每次接收一個n位的圖像數(shù)據(jù)Dataln，信號NewBlock 表示是否為一個新數(shù)據(jù)塊Block的開始，若NewBlock信號置位則開始對該數(shù)據(jù)塊Block的 圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即去相關(guān)處理，并將預(yù)處理結(jié)果Data0ut通過數(shù)據(jù)線送入RICE熵編 碼模塊。 所述RICE熵編碼模塊對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行累加得到和S咖，然后對和Sum 查表，得到編碼選項K，最后根據(jù)編碼選項K對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行編碼，產(chǎn)生不定碼 長Len的碼字Word,并將碼字Word和碼長Len送入碼字拼接模塊，當(dāng)前塊編碼結(jié)束后，置位
4EndBlock信號; 所述編碼選項K的選擇公式為
J/2+J (2k+1) < F0《J/2+J (2k+2) 其中，J為編碼塊的長度；尸。+1/;^>,為預(yù)處理結(jié)果DataOut的和Sum ;
當(dāng)F。 > J/2[(n-k)2k+1+l-2k]成立時，不進行編碼。 所述碼字拼接模塊接收碼字Word和碼長Len，拼接碼流按8位或16位定長碼字 Byte輸出。 其中，所述預(yù)處理模塊包括預(yù)測器和映射器。 所述預(yù)測器將輸入為n比特的圖像數(shù)據(jù)，與對應(yīng)像素的預(yù)測值DataPre相減，得到 n+1比特的數(shù)據(jù)DataM即。 所述映射器對數(shù)據(jù)DataM即做映射變換，產(chǎn)生預(yù)處理結(jié)果Data0ut，該預(yù)處理結(jié)果 DataOut為近似幾何分布的預(yù)測殘差序列。 其中，所述RICE熵編碼模塊包括累加器、選擇器和編碼器。 所述累加器對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行累加得到和Sum,并將和Sum送入選擇器。
所述選擇器對和Sum進行查表操作，得到最優(yōu)編碼選項K。 所述編碼器根據(jù)最優(yōu)編碼選項K對于預(yù)處理結(jié)果DataOut進行編碼，輸出碼字 Word和碼長Len，當(dāng)本數(shù)據(jù)塊Block編碼結(jié)束后置位EndBlock。 通常最優(yōu)編碼選項的選取是通過遍歷所有編碼選項來完成的，這種串行的選擇算 法會大大降低硬件系統(tǒng)的性能，成為整個壓縮系統(tǒng)的瓶頸。本發(fā)明則僅僅利用預(yù)處理模塊
輸出(預(yù)測殘差)Si的和^《，直接得到最優(yōu)編碼選項。對于最優(yōu)編碼選項的選取，僅僅
通過累加、移位和比較等易于硬件實現(xiàn)的操作就可以完成。 本發(fā)明提供的一種符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理方法，包括以下步驟
(1)預(yù)處理模塊通過數(shù)據(jù)線每次接收一個n位的圖像數(shù)據(jù)Dataln，若NewBlock信 號置位則開始對該數(shù)據(jù)塊的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即去相關(guān)處理，并將預(yù)處理結(jié)果DataOut 通過數(shù)據(jù)線送入RICE熵編碼模塊；所述信號NewBlock表示是否為一個新數(shù)據(jù)塊的開始。
(2) RICE熵編碼模塊對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行累加得到和Sum,然后對和Sum查 表，得到編碼選項K，最后根據(jù)編碼選項K對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行編碼，產(chǎn)生不定碼長 Len的碼字Word,并將碼字Word和碼長Len送入碼字拼接模塊，當(dāng)前塊編碼結(jié)束后，置位 EndBlock信號; 所述編碼選項K的選擇公式為
J/2+J (2k+1) < F0《J/2+J (2k+2) 其中，J為編碼塊的長度；F。=f《+ J，'2^為預(yù)處理結(jié)果DataOut的和Sum ;
當(dāng)F。 > J/2 [ (n-k) 2k+1+l_2k]成立時，不進行編碼； (3)碼字拼接模塊接收碼字Word和碼長Len，拼接碼流按定長碼字Byte輸出。
其中，所述預(yù)處理模塊采用基于CCSDS121. 0-B-1推薦的圖像壓縮算法，并根據(jù)空 間應(yīng)用的特點改進了編碼選項選擇算法，輸入的圖像數(shù)據(jù)Dataln經(jīng)控制模塊按16個采樣
5點分組；分組后的數(shù)據(jù)進入預(yù)處理器進行去相關(guān)處理得到一組相互獨立的數(shù)據(jù)，再經(jīng)RICE 編碼模塊和碼流拼接模塊得到壓縮碼流。 其中，所述步驟(1)進一步包括預(yù)處理模塊中的預(yù)測器將輸入為n比特的圖像數(shù) 據(jù)與該圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)像素的預(yù)測值DataPre相減，得到n+l比特的數(shù)據(jù)DataM即，然后將該 數(shù)據(jù)DataMap送到預(yù)處理模塊中的映射器；所述映射器對數(shù)據(jù)DataMap做映射變換，產(chǎn)生預(yù) 處理結(jié)果Data0ut的步驟；所述預(yù)處理結(jié)果DataOut為近似幾何分布的預(yù)測殘差序列。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 1、本發(fā)明的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法的無損壓縮編碼效率高(利用CCSDS提 供的實驗圖像進行測試，無損壓縮比平均為2. 0)。 2、本發(fā)明的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法的核心設(shè)計是針對分組后原始數(shù)據(jù)進 行運算，采用解碼的重同步機制可以防止空間數(shù)據(jù)傳輸中的誤碼擴散，功耗低(《lwatt/ Msamples/sec)。 3、本發(fā)明的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法采用改進的編碼選項計算方法的編碼 模塊大大提高了硬件的處理速度(頻率為100MHz時的數(shù)據(jù)處理速度為25Mpixels/s)，能滿 足星載圖像無損壓縮的要求。 4、本發(fā)明的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法支持基于幀(Frame)的輸入圖像格式 和基于條帶(Strip)的輸入圖像格式，適合于近地觀測和深層空間探測任務(wù)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的無損壓縮算法的框圖； 圖2是本發(fā)明圖像無損壓縮處理系統(tǒng)的頂層設(shè)計電路框圖；
圖3是本發(fā)明圖像無損壓縮處理系統(tǒng)中預(yù)處理模塊的電路框圖；
圖4是本發(fā)明圖像無損壓縮處理系統(tǒng)中預(yù)測器的電路框圖； 圖5是本發(fā)明圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法中為說明預(yù)測方法的像素位置示意 圖； 圖6是本發(fā)明圖像無損壓縮處理系統(tǒng)中RICE熵編碼模塊的電路框圖。
具體實施例方式
CCSDS在1997年公布了適用于空間科學(xué)數(shù)據(jù)的無損壓縮標(biāo)準(zhǔn)(CCSDS121. 0_B_1)， 建議采用RICE算法，如圖l所示。本發(fā)明對該算法進行了改進并對改進后算法進行了高速 硬件實現(xiàn)。 本發(fā)明提供的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)包括基于JPEG-LS預(yù)測方式的預(yù)處理模塊 和自適應(yīng)熵編碼模塊。預(yù)處理模塊包含預(yù)測器和映射器，預(yù)測器去除了數(shù)據(jù)的相關(guān)性，然后 映射它們?yōu)槔陟鼐幋a的特征值，對這些特征值進行自適應(yīng)熵編碼可以得到很好的壓縮效 果。熵編碼模塊是一系列變長編碼器的集合，選定一種最高壓縮比的編碼器與標(biāo)識符一起 傳輸。由于每塊(J個前處理樣本)均可選擇編碼模式(基本序列編碼、分裂樣本編碼、低 熵值編碼和無壓縮編碼四種模式)，所以RICE算法能適應(yīng)信源統(tǒng)計特性的變化。
本發(fā)明對CCSDS建議的無損數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)進行了兩個方面的改進(1)采用了基 于JPEG-LS的預(yù)處理模塊，有效提高了壓縮比；(2)最優(yōu)編碼選項的選取無須遍歷計算所有編碼選項，本發(fā)明的編碼模塊僅利用預(yù)處理器輸出(預(yù)測殘差)的和^《直接得到最優(yōu)編
/=0
碼選項，大大提高了硬件的處理速度(頻率為100MHz時的數(shù)據(jù)處理速度為25Mpixels/s)。
圖像無損壓縮處理系統(tǒng)總體架構(gòu) 本發(fā)明的無損壓縮處理系統(tǒng)采用的算法基于CCSDS 121. 0_B_1數(shù)據(jù)壓縮算法，壓 縮處理系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主要包括預(yù)處理模塊PrePrcessor和熵編碼模塊 Encoder 。預(yù)處理模塊通過數(shù)據(jù)線Dataln每次接收一個n位的圖像數(shù)據(jù)，信號NewBlock表 示是否為一個新Block的開始，若此信號置位則開始對這個Block的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理； 預(yù)處理的結(jié)果通過數(shù)據(jù)線DataOut送入RICE熵編碼器產(chǎn)生不定碼長Len的碼字Word，當(dāng)前 Block編碼結(jié)束后，置位EndBlock信號；碼字拼接模塊ByteBuilder接收碼字Word和碼長 Len，拼接碼流按定長碼字Byte輸出。
預(yù)處理模塊 預(yù)處理模塊硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示，主要包括預(yù)測器Predictor (如圖4)和映
射器M即per。本發(fā)明采用JPEG-LS預(yù)測器，在像素位置如圖5所示的情況下，JPEG-LS預(yù)測
器如下
x0
min:
max1
, x3)如果;\:2 = max(x!, x2, x3) 、，-x3) 如果12 = min(XpX2,X3) (1) 其他 其中，S。為x。的預(yù)測值。 其中，輸入圖像數(shù)據(jù)Dataln為n比特，與對應(yīng)像素的預(yù)測值DataPre相減，得到 n+l比特的數(shù)據(jù)DataM即。映射器Ma卯er對DataM即做映射變換，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)Data0ut。 預(yù)測結(jié)果；。由多路選擇器進行選擇，待選值分別為min(Xl，x3) ，max(Xl，x3)和Xl-X2+x3 ;再通 過映射可以得到近似幾何分布的預(yù)測殘差序列。
熵編碼模塊 RICE熵編碼模塊結(jié)構(gòu)，如圖6所示。其中，累加器Accumulator對預(yù)處理器 Preprocessor的輸出Data0ut進行累力口，將禾口 Sum送入選擇器Selector,在Selector中 進行一個簡單的查表操作，得到最優(yōu)編碼選項K ;編碼器Encoder根據(jù)最優(yōu)編碼選項K對 Data0ut進行編碼，輸出碼字Word和碼長Len，當(dāng)本數(shù)據(jù)塊編碼結(jié)束后置位EndBlock。
通常最優(yōu)編碼選項的選取是通過遍歷所有編碼選項來完成的，這種串行的選擇算 法會大大降低硬件系統(tǒng)的性能，成為整個壓縮系統(tǒng)的瓶頸。本發(fā)明則僅僅利用預(yù)處理器輸
出(預(yù)測殘差)S i的和^A ，直接得到最優(yōu)編碼選項。最優(yōu)編碼選項k的選擇公式為 J/2+J (2k+1) < F?！禞/2+J (2k+2) (2) 其中，J為編碼塊的長度，F(xiàn)。 =土《^，當(dāng) F0 > J/2[(n-k)2k+1+l_2k] (3) 成立時，不進行編碼。由式(2)、 (3)可以看出，對于最優(yōu)編碼選項的選取，僅僅通 過累加、移位和比較等易于硬件實現(xiàn)的操作就可以完成。
權(quán)利要求
一種符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括基于JPEG-LS預(yù)測方式的預(yù)處理模塊，RICE熵編碼模塊和碼字拼接模塊；所述預(yù)處理模塊通過數(shù)據(jù)線每次接收一個n位的圖像數(shù)據(jù)DataIn，若NewBlock信號置位則開始對該數(shù)據(jù)塊的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即去相關(guān)處理，并將預(yù)處理結(jié)果DataOut通過數(shù)據(jù)線送入RICE熵編碼模塊；所述信號NewBlock表示是否為一個新數(shù)據(jù)塊的開始；所述RICE熵編碼模塊對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行累加得到和Sum，然后對和Sum查表，得到編碼選項K，最后根據(jù)編碼選項K對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行編碼，產(chǎn)生不定碼長Len的碼字Word，并將碼字Word和碼長Len送入碼字拼接模塊，當(dāng)前塊編碼結(jié)束后，置位EndBlock信號；所述編碼選項K的選擇公式為J/2+J(2k+1)＜F0≤J/2+J(2k+2)其中，J為編碼塊的長度；為預(yù)處理結(jié)果DataOut的和Sum；當(dāng)F0＞J/2[(n-k)2k+1+1-2k]成立時，不進行編碼；所述碼字拼接模塊接收碼字Word和碼長Len，拼接碼流按定長碼字Byte輸出。F2008102267204C0000011.tif,F2008102267204C0000012.tif
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)處理模塊采用 基于CCSDS121. O-B-l推薦的圖像壓縮算法；輸入的圖像數(shù)據(jù)Dataln經(jīng)控制模塊按16個采 樣點分組，分組后的數(shù)據(jù)進入預(yù)處理模塊進行去相關(guān)處理得到一組相互獨立的數(shù)據(jù)，再經(jīng) RICE編碼模塊和碼流拼接模塊得到壓縮碼流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)處理模塊包 括預(yù)測器和映射器；所述預(yù)測器將輸入為n比特的圖像數(shù)據(jù)與該圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)像素的預(yù)測值DataPre相 減，得到n+1比特的數(shù)據(jù)DataM即，然后將該數(shù)據(jù)DataM即送到映射器；所述映射器對數(shù)據(jù)DataM即做映射變換，產(chǎn)生預(yù)處理結(jié)果DataOut ;所述預(yù)處理結(jié)果 DataOut為近似幾何分布的預(yù)測殘差序列。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)，其特征在于，所述RICE熵編碼 模塊包括累加器、選擇器和編碼器；所述累加器對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行累加得到和Sum,并將和Sum送入選擇器； 所述選擇器對和Sum進行查表操作，得到編碼選項K ;所述編碼器根據(jù)編碼選項K對于預(yù)處理結(jié)果DataOut進行編碼，輸出碼字Word和碼長 Len，當(dāng)本數(shù)據(jù)塊Block編碼結(jié)束后置位EndBlock。
5. —種符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理方法，所述方法包括以下步驟(1) 預(yù)處理模塊通過數(shù)據(jù)線每次接收一個n位的圖像數(shù)據(jù)Dataln，若NewBlock信號置 位則開始對該數(shù)據(jù)塊的圖像數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，即去相關(guān)處理，并將預(yù)處理結(jié)果DataOut通 過數(shù)據(jù)線送入RICE熵編碼模塊；所述信號NewBlock表示是否為一個新數(shù)據(jù)塊的開始；(2) RICE熵編碼模塊對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行累加得到和S咖，然后對和Sum查 表，得到編碼選項K，最后根據(jù)編碼選項K對預(yù)處理結(jié)果DataOut進行編碼，產(chǎn)生不定碼長 Len的碼字Word,并將碼字Word和碼長Len送入碼字拼接模塊，當(dāng)前塊編碼結(jié)束后，置位 EndBlock信號;所述編碼選項K的選擇公式為 J/2+J(2k+1) <F0《J/2+J(2k+2)其中，J為編碼塊的長度；F。 =^>,. ^A為預(yù)處理結(jié)果Data0ut的和Sum ; 當(dāng)F。 > J/2[(n-k)2k+1+l-2k]成立時，不進行編碼；(3)碼字拼接模塊接收碼字Word和碼長Len，拼接碼流按定長碼字Byte輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的圖像無損壓縮處理方法，其特征在于，所述預(yù)處理模塊采用 基于CCSDS121. 0-B-1推薦的圖像壓縮算法；輸入的圖像數(shù)據(jù)Dataln經(jīng)控制模塊按16個 采樣點分組，分組后的數(shù)據(jù)進入預(yù)處理器進行去相關(guān)處理得到一組相互獨立的數(shù)據(jù)，再經(jīng) RICE編碼模塊和碼流拼接模塊得到壓縮碼流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的圖像無損壓縮處理方法，其特征在于，所述步驟(1)進一 步包括預(yù)處理模塊中的預(yù)測器將輸入為n比特的圖像數(shù)據(jù)與該圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)像素的預(yù)測 值DataPre相減，得到n+1比特的數(shù)據(jù)DataMap，然后將該數(shù)據(jù)DataMap送到預(yù)處理模塊中 的映射器；所述映射器對數(shù)據(jù)DataMap做映射變換，產(chǎn)生預(yù)處理結(jié)果Data0ut的步驟；所述 預(yù)處理結(jié)果DataOut為近似幾何分布的預(yù)測殘差序列。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的圖像無損壓縮處理系統(tǒng)及方法。該處理系統(tǒng)包括控制模塊、JPEG-LS預(yù)處理模塊、RICE編碼模塊和碼流拼接模塊。所述系統(tǒng)及方法的處理過程是輸入的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)控制模塊按16個采樣點分組；分組后的數(shù)據(jù)進入預(yù)處理模塊進行去相關(guān)處理，得到一組相互獨立的數(shù)據(jù)，再經(jīng)RICE編碼模塊和碼流拼接模塊得到壓縮碼流。本發(fā)明無損壓縮處理系統(tǒng)及方法的無損壓縮編碼效率高，且由于處理系統(tǒng)的核心設(shè)計是針對分組后原始數(shù)據(jù)進行運算，采用解碼的重同步機制可以防止空間數(shù)據(jù)傳輸中的誤碼擴散，功耗低；另外，改進的編碼選項計算方法大大提高了硬件的處理速度，能滿足星載圖像無損壓縮的要求。
文檔編號H04N7/26GK101742299SQ200810226720
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月21日
發(fā)明者王懷超, 陳曉敏, 陳裕華, 顧曉東 申請人:中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心