一种基于CCSDS压缩算法的红外图像传输方案

任潇潇

（上海机电工程研究所，上海　201109

一种基于CCSDS压缩算法的红外图像传输方案

任潇潇

（上海机电工程研究所，上海201109

给出了一种基于CCSDS压缩算法的红外图像传输方案，其适用于某红外图像实时传输系统。重点从CCSDS图像压缩算法设计和图像编码器方案设计两个方面进行介绍。在工程实际应用中，该设计方案得到了验证，图像传输效果良好，性能稳定。

CCSDS压缩算法红外图像

1　引言

在某工程实际应用中，其获取的红外图像信息需要进行实时传输。原始红外图像信息为PAL制式模拟信号，经转化后图像大小为352288，每秒传输25帧图像，则每秒钟需要采集的图像数据是35228825=2534400字节，而采集系统的采集传输能力为每秒1.6384M，每秒钟能够采集输出的字节数为204800字节。此时，数据传输能力远远低于图像数据的采集速率，必须对图像数据进行适当的压缩才能通过完成图像信号的传输。

2　图像传输系统功能简介

图像传输系统需要完成图像采集、图像压缩、压缩码流输出、压缩码流解码、解码图像显示等功能。具体实现过程如下：

（1）将PAL制模拟视频信号转换为数字视频信号；

（2）对数字视频信号进行压缩编码和压缩码流数据输出；

（3）压缩码流数据发送和接收；

（4）压缩码流数据的解码；

（5）解码后图像的显示播放。

本文将主要从图像压缩算法设计和图像编码器方案设计两个方面进行介绍。

3　图像压缩算法设计

3.1CCSDS算法简介

随着航天技术的飞速发展，星载有效载荷数量不断增加，更多空间图像的采集也成为日益增长的需求，因此下传数据量变得异常巨大。大数据量的图像信息会给星上存储器的存储容量，通信干线信道的带宽，以及计算机的处理速度增加极大的压力。在航天器存储器容量有限，信道带宽极为珍贵的情况下，图像数据压缩成为必然的解决方法。

目前，我们接触最多的主要静态图像压缩标准是JPEG 和JPEG2000，这两大标准囊括了目前为止最主要的静态图像压缩技术，比如DCT变换、Huffman编码、DWT变换、EBCOT编码等等。这两个标准在常见图像压缩方面有它们各自的优劣，但是，对于空间图像压缩来说，由于它们的算法并不是专门为空间图像压缩所设计，所以不可避免地有着很多不足之处。

2005年，CCSDS（空间数据系统咨询委员会）推出了一项新的图像数据压缩算法标准，制定算法标准的目的是为了解决有效载荷设备的数据压缩，以及如何分段压缩能使地面更好地接收图像数据和解压缩。算法的应用能够减少静态图像的数据量，这样不仅可以降低传输带宽，减少数据存储，而且在给定码率情况下能缩短传输时间，提高实时性。

3.2CCSDS算法与各种算法的性能比较

CCSDS算法是一套用于空间领域的图像压缩算法标准，与当前主流的图像压缩算法JPEG2000和SPIHT相比，CCSDS图像压缩算法的结构更加简单易于实现。其基本单元包括离散小波变换（DWT）和位平面编码器（BPE）。小波变换使用了和JPEG2000算法一致的9/7小波变换，位平面编码器结构却要比JPEG2000算法的EBCOT编码模块简单得多，所以从整体来看CCSDS算法要比JPEG2000算法复杂度低［1］。

以无损压缩能实现比特率bpp、以及有损压缩恢复图像和原始图像的PSNR和MAE为指标，从性能上对JPEG2000算法、SPIHT算法和CCSDS算法进行了比较，来分析CCSDS算法的整体性能。测试所用的图像都使用的由CCSDS组织提供的在空间应用中具有代表性的图像，包括8bit、10bit、12bit、16bit等不同位深的图像。

比较3种算法的无损压缩性能。用3种算法程序对仿真图像进行无损压缩，然后比较压缩码流的码率。对于同一副图像，其无损压缩后码流的码率越小说明压缩算法的压缩效率越高。相关数据表明，CCSDS算法程序对图像做无损压缩后的平均码流码率与其他2种算法程序接近，差异不到0.2bits/pixel。

比较3种算法的有损压缩性能。用3种算法程序对仿真图像进行有损压缩和恢复，目标码率分别为0.25bpp（bit per pixel），0.5bpp，1.0bpp和2.0bpp，比较恢复图像和原始图像的PSNR值和MAE值。对于同一副图像，其恢复图像的PSNR值越大说明压缩算法程序性能越好，其恢复图像的MAE值越小说明压缩算法程序性能越好。相关研究中比较PSNR值可以得出：CCSDS算法程序的性能比JPEG2000算法程序和SPIHT算法程序性能略低，但是相差不大。从MAE值可以看出：CCSDS算法程序的性能比JPEG2000算法程序和SPIHT算法程序性能相当，在很多情况下会好于另外2种算法程序。综上所述，虽然CCSDS算法性能略低于JPEG2000算法和SPHIT算法，但是其结构简单，算法复杂度低，易于低功耗硬件实现，对航天图像领域具有较高的适应性［2］。

3.3CCSDS图像压缩算法设计

CCSDS建议的压缩算法原理框图如图1所示：

图1　CCSDS建议的压缩算法原理框图

在进行离散小波变换前，我们需要对图像进行一定地预处理，以提高压缩系统的性能。在这里，由于要处理的图像是8位无符号的灰度图像，因此，预处理只进行一项操作，即DC电平位移。图像压缩编码算法是整个图像压缩方案中的核心部分。为了能得到较好的解码图像质量，我们需要在软件算法阶段，根据输入图像特点等因素，在进行一定实验分析的前提下，设计出合适的改进型CCSDS图像编码算法如图2所示。

图2　图像编码算法的设计流程

4　图像编码器方案设计

图像编码器用于接收模拟视频信号，对其进行模数转换、压缩编码，最后生成PCM串行数据流对外输出。

图像编码器由2块板卡组成，分别为数字信号处理板和电源板。数字信号处理板由输入接口模块、数据处理模块、程序存储模块、数据存储模块、输出接口模块组成。输入接口模块主要用于对输入的模拟视频信号进行模数转换，得到相应的数字信号，便于后续的数据处理。数据处理模块是整个系统的核心模块，通过DSP芯片实现图像编码的全部功能。同时，数据处理模块还需完成对各种存储模块的数据调度以及与输入、输出接口模块的数据通信功能。程序存储模块用于存储DSP芯片正常运行时所需加载的启动程序。数据存储模块用于缓存数据处理模块运行时所需要临时存储的数据。输出接口模块主要用于将编码码流按照固定格式电平与码率输出到外部接收设备当中。电源板用于将外部输入电压转换成编码器各模块所需的工作电压，供其正常工作。

5　结束语

本文设计的基于CCSDS标准的红外图像压缩方案，适用于某红外图像实时传输系统，该设计方案已在工程实践中得到了验证，具有较好的抗误码能力，图像传输性能良好稳定。

［1］刁云；CCSDS图像压缩算法中量化编码器的实现［D］；西安电子科技大学；2009

［2］张兆亮；基于CCSDS算法的星载图像压缩系统的FPGA实现［D］；西安电子科技大学；2010

Design of Infrared Image Transmission Based on CCSDS Compression Method

REN Xiao-xiao
（Shanghai institute of mechanical and electrical engineering，Shanghai 201109）

The article presents an infrared image transmission scheme based on CCSDS compression method，suitable for real-time transmission system of an infrared image.In this paper，CCSDS image compression method design and image encoder program design are introduced.In practical application，the design has a good effect and stable performance in the image transmission.

CCSDS compression methodinfrared image

TP3-05

A

1008-1739（2015）11-64-3

定稿日期：2015-05-12