面向空间天文观测的序列图像无损压缩算法研究

论文摘要

天文观测对于天文学的研究具有十分重要的意义,而天文图像的完整性对于天文学家来说更为重要,对天文图像进行无损压缩既可以减少空间存储和传输的压力,又可以得到清晰完整的天文图像。本文以ASO-S先进天基太阳天文台将要获取的序列天文图像为主要研究对象,这一类的天文图像都采用定点天体连续观测的观测模式,因而它们具有一些共同的特点,如时间及空间冗余较高的特点。本文针对研究对象的这些特点,提出了一种帧内与帧间结合的序列天文图像无损压缩算法。本算法主要由帧内无损压缩算法和帧间无损压缩算法两部分组成。每组图像的第一帧做帧内无损压缩,其余帧做帧间无损压缩。帧内无损压缩算法中主要介绍了基于RICE的算法和基于JPEG-LS的算法。在基于RICE的算法中利用预处理样本的最大值改进了原有算法中的k值选择算法,降低了算法的复杂度。通过将两种算法进行对比,测试结果表明,基于JPEG-LS的算法更适合于空间天文图像的压缩,因此采用基于JPEG-LS的算法作为帧内无损压缩算法。通常帧间无损压缩算法只包括帧间预测和编码器两个部分,本文根据天文图像的特点对其进行了改进,改进后的帧间无损压缩算法由帧间预测,差值帧预测和编码器三部分组成,这种结构对于天文图像的压缩而言更具优势。帧间预测可以减少相邻帧之间的时间冗余,差值帧预测可以进一步减少空间冗余,而编码器可以减少编码冗余。在帧间预测中主要介绍了基于全局运动补偿和基于局部运动补偿的帧间预测,在差值帧预测中主要采用了JPEG-LS的固定预测器,在编码器中主要介绍了Huffman编码器和算术编码器。测试结果表明,基于全局运动补偿的帧间预测的压缩效果要优于基于局部运动补偿的帧间预测的压缩效果,而算术编码器的编码效果也优于Huffman编码器的编码效果。因而采用基于全局运动补偿的帧间预测,差值帧预测和算术编码器的算法作为本算法的帧间无损压缩算法。在日冕仪图像的测试中,改进的帧间无损压缩算法相比帧内无损压缩算法的压缩效果平均降低了1.2 bit/pixel,而在全日面图像的测试中,改进的帧间无损压缩算法相比帧内无损压缩算法的压缩效果平均降低了0.2 bit/pixel。在两组测试图像中,改进的帧间无损压缩算法的压缩时间相比帧内无损压缩算法的压缩时间降低了96%以上。

论文目录

摘要

abstract

第1章引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要内容和结构

1.3.1 论文主要内容

1.3.2 论文结构安排

1.4 本章小结

第2章图像压缩理论概述

2.1 图像压缩理论

2.1.1 图像压缩概念

2.1.2 图像压缩原理

2.2 天文图像特征

2.3 图像评价标准

2.3.1 码率

2.3.2 压缩比

2.3.3 平均码字长度

2.3.4 图像的标准差

2.3.5 图像的熵

2.4 本章小结

第3章序列天文图像无损压缩算法设计

3.1 算法需求分析

3.2 算法整体设计

3.3 本章小结

第4章帧内无损压缩算法设计

4.1 基于RICE的帧内无损压缩算法

4.1.1 预处理器

4.1.2 自适应熵编码器

4.1.3 k值优化算法

4.2 基于JPEG-LS的帧内无损压缩算法

4.2.1 正常编码方式

4.2.2 游程编码方式

4.3 实验测试与分析

4.3.1 实验测试环境

4.3.2 压缩效果测试

4.3.3 压缩时间测试

4.4 本章小结

第5章帧间无损压缩算法设计

5.1 帧间预测

5.1.1 基于全局运动补偿的帧间预测

5.1.2 基于局部运动补偿的帧间预测

5.2 差值帧预测

5.3 编码器

5.3.1 Huffman编码器

5.3.2 算术编码器

5.4 实验测试与分析

5.4.1 实验测试环境

5.4.2 压缩效果测试

5.4.3 压缩时间测试

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙建伟

导师: 薛长斌

关键词: 序列天文图像,无损压缩,帧间预测,算术编码

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 天文学,计算机软件及计算机应用

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: P11;TP391.41

总页数: 76

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面向空间天文观测的序列图像无损压缩算法研究

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