專利名稱：航天器圖像分解傳輸方法
技術領域：
本發(fā)明屬于通信領域，涉及一種航天器圖像傳輸方法。
背景技術：
隨著空間遙感對地觀測技術的發(fā)展，航天器上獲取的圖像分辨率越來越高，原始 數(shù)據率越來越大，可達到幾百Mbps至幾十Gbps。圖像質量越來越高，用途越來越廣，用戶越 來越多；即使人為降低圖像分辨率，所得圖像的質量仍相當高，圖像仍具有相當高的利用價 值。若不對航天器原始圖像進行有效的預處理、并進行高效傳輸，就難于保證地面所得的圖 像質量，也難于保證地面同時得到不同質量等級的圖像，難于滿足不同用戶的不同需求，也 難于做到圖像的收費供應?，F(xiàn)有的圖像傳輸方法，一是直接對原始圖像進行傳輸；二是將原始圖像分成若干 子塊(非子圖像)后，對各子塊分別進行壓縮傳輸；三是采用其它方法，如把圖像分解成低 頻分量和高頻分量然后分別進行壓縮傳輸或進行小波分解再進行壓縮傳輸?shù)取D像從航天 器傳輸?shù)降孛婧?，地面再進行接收處理，恢復出原始圖像。對于上述第一種方法，不但需要很大的存儲器，也需要很高速率的大規(guī)模集成電 路處理芯片(FPGA和DSP等)，由此會造成航天器上數(shù)據處理設備實現(xiàn)的困難，對航天器數(shù) 據傳輸系統(tǒng)設備，特別是空間處理設備帶來很大的壓力。對于上述第二種方法，會導致分塊 傳輸?shù)目乖肼暷芰ψ儾睿鵀榱颂岣邆鬏斂煽啃?，有時不得不采用糾錯編碼技術，卻又增加 了傳輸?shù)臄?shù)據量。對于上述第三種方法，則由于處理比較復雜，會增加航天器上實現(xiàn)的復雜 度。事實上，由于空間單粒子效應，許多星上處理設備只能用ASIC實現(xiàn)，而ASIC實現(xiàn)由于 規(guī)模有限，要求處理設備不能太復雜，處理速度也不宜很高?？傊?，上述三種方法都不能簡 單可靠地實現(xiàn)不同質量圖像的按需傳輸與分發(fā)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種簡單可靠的圖像分 解傳輸方法，對應的航天器存儲處理設備實現(xiàn)簡單、分解傳輸本身就具有壓縮效果、傳輸中 抗誤碼性能提高、僅傳輸1路合成信號即可滿足K類用戶的需求，增加非法用戶制作圖像接 收設備的難度。本發(fā)明的技術解決方案是航天器圖像分解傳輸方法，步驟如下(1)對航天器獲取的原始數(shù)字圖像X進行格式處理，利用相鄰行或相鄰列的像素 灰度值對原始數(shù)字圖像X進行像素填充，形成大小為M * N的數(shù)字圖像A，A = A(i，j)，其 中i = 1，2，...，M，j = 1，2，...N，M和N均為偶數(shù)，M為行數(shù)，N為列數(shù)，數(shù)字圖像A的總 像元數(shù)為麗，總比特數(shù)為MNQ，其中Q為每個像元的量化比特數(shù)；(2)將數(shù)字圖像A(i，j)分解成K幅子圖像At(i，j)，t= 1，2，...K，K為偶數(shù)，且 K能整除M或者N;(3)對于每一幅子圖像At (i，j)，分別采用Qt比特進行量化，Qt ( Q，然后對量化后的各子圖像分別進行不同的編碼加密，形成加密數(shù)據Dt，將各加密數(shù)據Dt進行數(shù)據合成 后發(fā)送至地面；(4)地面將接收到的合成數(shù)據進行分解，根據用戶對圖像質量的要求，從K路加密 數(shù)據中選取T路進行解密譯碼后得到T幅子圖像并送至對應的用戶，T≤ K ；(5)各用戶對其接收到的T幅子圖像進行圖像恢復處理，得到不同質量等級的圖 像BT。所述步驟(2)中對子圖像At(i，j)分解時采用以下兩種方法中的任意一種(21)列數(shù)N能被K整除時，按照圖像的列數(shù)N進行分解，將數(shù)字圖像A分解為相同 大小的K幅子圖像，大小為MN/K，各子圖像互相不重復，其組成如下At(i, j) = {A(i, j)，i = 1，2，…，M ;j = t，K+t, · · · N-K+t}(22)行數(shù)M能被K整除時，按照圖像的行數(shù)M進行分解，將數(shù)字圖像A分解為相同 大小的K幅子圖像，大小為MN/K，各子圖像互相不重復，其組成如下At(i, j) = {A(i, j)，i = t, K+t, · . . M-K+t ； j = 1，2，…，N}。所述步驟(5)中進行圖像恢復處理的方法為將T幅大小為MN/K的子圖像依照原 分解方法填充到一幅大小為M * N的圖像上的相應位置，然后對其余K-T幅子圖像進行插 值處理，得到大小為M * N的圖像BT。所述的插值方法為鄰近插值或者雙線性插值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于(1)方法簡單可靠。本發(fā)明圖像傳輸方法由發(fā)端的“圖像分解處理”部分和收端的 “圖像恢復處理”部分組成，圖像分解在傳輸前進行，圖像恢復在傳輸后進行。該方案中的圖 像分解可根據需要采用不同的方式，但分解后的總數(shù)據量不超過原圖像數(shù)據量；分解后的 每幅子圖像都含有原來圖像的全局信息；經過地面恢復處理可以得到原來圖像的信息，信 息可以完全保持(無失真)或者基本保持(有一定的允許失真)；(2)分解傳輸本身就具有壓縮效果。本發(fā)明圖像分解方法，把一幅大圖像變成幾幅 小圖像進行傳輸，即使不采用常規(guī)壓縮方法，分解處理本身就具有壓縮效果，接收端照樣能 恢復信息，等效壓縮比為KQ/ (Q1+Q2+. · · +QK)；(3)傳輸中抗誤碼性能提高。本發(fā)明圖像分解方法，小圖像具有圖像的全局信息， 把一路分幾路合成進行傳輸，即使一路子圖像信息無法恢復，還可選用其余小圖像進行恢 復。傳輸過程中如果發(fā)生誤碼，則僅限于子圖像內，對恢復的圖像影響不大。傳統(tǒng)的方法對 圖像進行分塊處理，一塊出現(xiàn)問題則對全局圖像會造成損失，其它的小塊不含有全局信息。 分塊傳輸時，如果傳輸過程中發(fā)生誤碼，則可能導致恢復的圖像在該塊中的信息丟失；(4)航天器存儲處理設備實現(xiàn)簡單。本發(fā)明圖像分解傳輸方法，具有發(fā)送端簡單的 特點，特別適合空間環(huán)境，因為采用“圖像分解處理”，是對小的子圖像進行處理而不是對原 來的大圖像進行處理，從而降低了對航天器所用存儲器的要求，因為小容量存儲器可靠性 高于大容量存儲器。對子圖像的編碼加密也比對原來大圖像編碼加密實現(xiàn)更加簡單，所用 大規(guī)模數(shù)字處理芯片(如FPGA)處理速度和資源也將大大降低。對衛(wèi)星來說，星上設備簡 單，容易實現(xiàn)，而地面設備只是處理環(huán)節(jié)稍微復雜一些，硬件成本并沒有增加，符合航天工 程特點。該方法在有些條件下可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據壓縮方法，除了進一步提高壓縮比 外，還可以降低星上傳輸設備的復雜度；
(5)僅傳輸1路信號即可滿足K類用戶的需求。如最高等級的授權用戶(K類用 戶)，利用K路子圖像就可以實現(xiàn)圖像的完全恢復。


圖1為本發(fā)明航天器圖像分解傳輸方法的原理框圖。
具體實施例方式如圖1所示，為本發(fā)明航天器圖像分解傳輸方法的原理框圖，本發(fā)明的主要步驟 如下(1)把原始數(shù)字圖像X(大小為Ml女Ni)進行格式處理，利用相鄰行或列的像素灰 度值對其進行像素填充形成大小為M * N的數(shù)字圖像A，表示為A (i，j),i = l,2,...,Μ,j =1，2，...N，M和N均為偶數(shù)，設每像元的量化比特數(shù)為Q(—般Q = 8)，則數(shù)字圖像A的 總比特數(shù)為MNQ。(2)將數(shù)字圖像A(i，j)分解成K幅子圖像At(i，j)，t= 1，2，...K，K為偶數(shù)，且 K = M/L1(K能整除Μ)或者K = N/L2(K能整除N)，L1、L2為大于1的正整數(shù)；為了保證每 一個子圖像中都包含有分解前整個圖像的全局信息，本發(fā)明在進行分解時采用如下兩種方 法中的任意一種(21)列數(shù)N能被K整除時，按數(shù)字圖像A的列數(shù)N分解，將數(shù)字圖像A分解為相同 大小的K幅子圖像Al，A2，A3，. . . AK，各子圖像互相不重復，K幅子圖像完全可以恢復原圖像。At(i, j) = {A(i, j)，i = 1，2，…，M ;j = t，K+t, · · · N-K+t}圖像行數(shù)不變，按列進行等間隔抽取，子圖像的行數(shù)不變，仍為Μ;子圖像的列數(shù) 變?yōu)棣?Κ，子圖像大小為ΜΝ/Κ。(22)行數(shù)M能被K整除時，按數(shù)字圖像A的行數(shù)M分解，將數(shù)字圖像A分解為相同 大小的K幅子圖像Al，Α2，A3，. . . ΑΚ，各子圖像互相不重復，K幅子圖像完全可以恢復原圖像。At(i, j) = {A(i, j)，i = t, K+t, . . . M-K+t ； j = 1，2，· · .，N}圖像列數(shù)不變，按行進行等間隔抽取，子圖像的列數(shù)不變，仍為N;子圖像的行數(shù) 變?yōu)镸/K，子圖像大小為MN/K。(3)對于每一幅子圖像At(i，j)，分別采用Qt比特(Qt ( Q)進行量化，然后對各 子圖像分別進行不同的編碼加密，形成數(shù)據流Dta= 1,2, ...K)，將編碼加密后的子圖像 數(shù)據流進行數(shù)據合成后發(fā)送至地面；編碼加密中的編碼包括直接量化編碼以及數(shù)據壓縮編碼，一般不采用數(shù)據壓縮。 如采用數(shù)據壓縮，可以采用常規(guī)的圖像壓縮方法，如DPCM編碼，變換編碼(如DCT離散余弦 變換編碼，小波變換編碼等)，矢量量化編碼以及JPEG算法等。編碼加密中加密包括序列加密以及分組加密，其中序列加密采用偽隨機序列與信 息序列進行異或處理；分組加密采用變換、替代的方法或其他進行加密處理。采用序列加密 體制，對數(shù)據傳輸系統(tǒng)誤碼率不影響，為優(yōu)先采用的加密方法。若子圖像直接量化后的每像元比特數(shù)或經過子圖像數(shù)據壓縮后的每像元比特數(shù)位為Qt，子圖像的大小(像元數(shù))為MN/K，子圖像每像元比特數(shù)為(Q1+Q2+...QK)/K，則分 解后編碼的K幅子圖像的總比特數(shù)為K * MN/K * {(Q1+Q2+. · · QK) /K} = (Q1+Q2+. · · QK)MN/K。由此可以得到本發(fā)明方法中圖像傳輸本身的等效壓縮比R 原總比特數(shù)/處理后 總比特數(shù)=MNQ/KQ1+Q2+· · · QK)MN/K} = KQ/(Q1+Q2+. · · +QK)，R 彡 1。若 R > 1 則具有壓
縮功能。(4)地面將接收到的合成數(shù)據進行分解，根據用戶對圖像質量等級的要求(等級 決定密鑰的分配以及所用子圖像的數(shù)目)，將1路或T路(TSK)編碼加密后的子圖像根據 不同的密鑰Key進行解密譯碼，解密譯碼根據不同的密鑰以及譯碼方法分別進行處理。授 權的用戶利用T幅子圖像(T ^ K)幅子圖像進行解密譯碼(航天器上K種密鑰不傳遞，由 地面分發(fā))。解密譯碼采用與前述編碼加密方法相對應的解密、譯碼方法。(5)用戶接收到經過解密譯碼的1路或T路子圖像進行不同等級的圖像恢復處理， 得到不同質量等級的圖像BT，對應I類，2類，...，K類用戶。未獲授權的用戶無法得到相 應質量等級的圖像，由此可以根據用戶的等級進行靈活的分配。具體處理過程如下對于第1類用戶，用1幅子圖像(大小為MN/K)依照原分解方法進行插值處理，得 到大小為M * N的圖像Bl ；對于第T類用戶，把T幅子圖像(大小為MN/K)依照原分解方 法，填充到一幅大圖像(M女N)的相應位置，對其余K-T幅子圖像進行插值處理，得到大小 為M * N的圖像BT。對于第K類用戶，把K幅子圖像(大小為MN/K)依照原分解方法，填充 到一幅大圖像(M * N)的相應位置，無需進行插值處理，就得到大小為MN的圖像BK。插值 處理方法可以采用常規(guī)的鄰近插值、雙線性插值方法或者其他任何有效的插值方法。需要說明的是，采用本發(fā)明的圖像分解傳輸方法時，數(shù)據傳輸設備包括航天器上 的發(fā)送設備以及地面站的接收設備，為此可以采用常規(guī)的航天器數(shù)據傳輸系統(tǒng)，如發(fā)送設 備一般采用信道編碼(RS編碼、卷積編碼、級聯(lián)編碼、LDPC編碼等)+QPSK調制方式；地面接 收設備采用QPSK解調，信道譯碼(RS譯碼、維特比譯碼、級聯(lián)碼譯碼、LDPC碼譯碼等)。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
航天器圖像分解傳輸方法，其特征在于步驟如下(1)對航天器獲取的原始數(shù)字圖像X進行格式處理，利用相鄰行或相鄰列的像素灰度值對原始數(shù)字圖像X進行像素填充，形成大小為M＊N的數(shù)字圖像A，A＝A(i，j)，其中i＝1，2，...，M，j＝1，2，...N，M和N均為偶數(shù)，M為行數(shù)，N為列數(shù)，數(shù)字圖像A的總像元數(shù)為MN，總比特數(shù)為MNQ，其中Q為每個像元的量化比特數(shù)；(2)將數(shù)字圖像A(i，j)分解成K幅子圖像At(i，j)，t＝1，2，...K，K為偶數(shù)，且K能整除M或者N；(3)對于每一幅子圖像At(i，j)，分別采用Qt比特進行量化，Qt≤Q，然后對量化后的各子圖像分別進行不同的編碼加密，形成加密數(shù)據Dt，將各加密數(shù)據Dt進行數(shù)據合成后發(fā)送至地面；(4)地面將接收到的合成數(shù)據進行分解，根據用戶對圖像質量的要求，從K路加密數(shù)據中選取T路進行解密譯碼后得到T幅子圖像并送至對應的用戶，T≤K；(5)各用戶對其接收到的T幅子圖像進行圖像恢復處理，得到不同質量等級的圖像BT。
2.根據權利要求1所述的航天器圖像分解傳輸方法，其特征在于所述步驟(2)中對 子圖像At(i，j)分解時采用以下兩種方法中的任意一種(21)列數(shù)N能被K整除時，按照圖像的列數(shù)N進行分解，將數(shù)字圖像A分解為相同大小 的K幅子圖像，大小為MN/K，各子圖像互相不重復，其組成如下At(i, j) = {A(i, j)，i = 1，2，…，M ;j = t，K+t, · · · N-K+t}(22)行數(shù)M能被K整除時，按照圖像的行數(shù)M進行分解，將數(shù)字圖像A分解為相同大小 的K幅子圖像，大小為MN/K，各子圖像互相不重復，其組成如下At(i, j) = {A(i, j)，i = t, K+t, · . . M-K+t ； j = 1，2，· · ·，N}。
3.根據權利要求2所述的航天器圖像分解傳輸方法，其特征在于所述步驟(5)中進 行圖像恢復處理的方法為將T幅大小為MN/K的子圖像依照原分解方法填充到一幅大小為 M^N的圖像上的相應位置，然后對其余K-T幅子圖像進行插值處理，得到大小為M * N的 圖像BT。
4.根據權利要求3所述的航天器圖像分解傳輸方法，其特征在于所述的插值方法為 鄰近插值或者雙線性插值。
全文摘要
航天器圖像分解傳輸方法，是將航天器上的高分辨圖像分解成若干不重疊的、含原圖像整體信息的子圖像，用不同的編碼加密方式處理合成后進行傳輸，傳輸中誤碼對整體圖像影響不大。地面根據對圖像質量有不同需求的K類用戶進行數(shù)據分發(fā)，做到不同用戶所收到的圖像質量不一樣高授權等級用戶得到的圖像質量高，低授權等級用戶得到的圖像質量低。采用本發(fā)明方法，可以不用常規(guī)的圖像壓縮方式而取得一定的壓縮效果，大大降低了航天器上處理傳輸設備的復雜度，同時地面圖像處理恢復設備的復雜度不變，既提高了航天器圖像傳輸?shù)男屎桶踩?，又能實現(xiàn)不同質量圖像的按需分發(fā)。
文檔編號H04N7/30GK101931809SQ20101024012
公開日2010年12月29日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權日2010年7月29日
發(fā)明者周詮, 張毅, 李敏奇, 肖化超, 黃普明 申請人:西安空間無線電技術研究所