專利名稱：航天器圖像分解傳輸方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信領(lǐng)域，涉及一種航天器圖像傳輸方法。
背景技術(shù)：
隨著空間遙感對地觀測技術(shù)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(jù)率越來越大，可達(dá)到幾百M(fèi)bps至幾十Gbps。圖像質(zhì)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(zhì)量仍相當(dāng)高，圖像仍具有相當(dāng)高的利用價(jià) 值。若不對航天器原始圖像進(jìn)行有效的預(yù)處理、并進(jìn)行高效傳輸，就難于保證地面所得的圖 像質(zhì)量，也難于保證地面同時(shí)得到不同質(zhì)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(fèi)供應(yīng)?，F(xiàn)有的圖像傳輸方法，一是直接對原始圖像進(jìn)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(jìn)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(jìn)行壓縮傳輸或進(jìn)行小波分解再進(jìn)行壓縮傳輸?shù)?。圖像從航天 器傳輸?shù)降孛婧?，地面再進(jìn)行接收處理，恢復(fù)出原始圖像。對于上述第一種方法，不但需要很大的存儲(chǔ)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(huì)造成航天器上數(shù)據(jù)處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)的困難，對航天器數(shù) 據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)備，特別是空間處理設(shè)備帶來很大的壓力。對于上述第二種方法，會(huì)導(dǎo)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(shí)不得不采用糾錯(cuò)編碼技術(shù)，卻又增加 了傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。對于上述第三種方法，則由于處理比較復(fù)雜，會(huì)增加航天器上實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜 度。事實(shí)上，由于空間單粒子效應(yīng)，許多星上處理設(shè)備只能用ASIC實(shí)現(xiàn)，而ASIC實(shí)現(xiàn)由于 規(guī)模有限，要求處理設(shè)備不能太復(fù)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(shí)現(xiàn)不同質(zhì)量圖像的按需傳輸與分發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種簡單可靠的圖像分 解傳輸方法，對應(yīng)的航天器存儲(chǔ)處理設(shè)備實(shí)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(shè)備的難度。本發(fā)明的技術(shù)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(jìn)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(jìn)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?cái)?shù)為MNQ，其中Q為每個(gè)像元的量化比特?cái)?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(jìn)行量化，Qt ( Q，然后對量化后的各子圖像分別進(jìn)行不同的編碼加密，形成加密數(shù)據(jù)Dt，將各加密數(shù)據(jù)Dt進(jìn)行數(shù)據(jù)合成 后發(fā)送至地面；(4)地面將接收到的合成數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，根據(jù)用戶對圖像質(zhì)量的要求，從K路加密 數(shù)據(jù)中選取T路進(jìn)行解密譯碼后得到T幅子圖像并送至對應(yīng)的用戶，T≤ K ；(5)各用戶對其接收到的T幅子圖像進(jìn)行圖像恢復(fù)處理，得到不同質(zhì)量等級的圖 像BT。所述步驟(2)中對子圖像At(i，j)分解時(shí)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(shí)，按照圖像的列數(shù)N進(jìn)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(fù)，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(shí)，按照圖像的行數(shù)M進(jìn)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(fù)，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(jìn)行圖像恢復(fù)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(yīng)位置，然后對其余K-T幅子圖像進(jìn)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(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)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(fù)處理”部分組成，圖像分解在傳輸前進(jìn)行，圖像恢復(fù)在傳輸后進(jìn)行。該方案中的圖 像分解可根據(jù)需要采用不同的方式，但分解后的總數(shù)據(jù)量不超過原圖像數(shù)據(jù)量；分解后的 每幅子圖像都含有原來圖像的全局信息；經(jīng)過地面恢復(fù)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(jìn)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(fù)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(jìn)行傳輸，即使一路子圖像信息無法恢復(fù)，還可選用其余小圖像進(jìn)行恢 復(fù)。傳輸過程中如果發(fā)生誤碼，則僅限于子圖像內(nèi)，對恢復(fù)的圖像影響不大。傳統(tǒng)的方法對 圖像進(jìn)行分塊處理，一塊出現(xiàn)問題則對全局圖像會(huì)造成損失，其它的小塊不含有全局信息。 分塊傳輸時(shí)，如果傳輸過程中發(fā)生誤碼，則可能導(dǎo)致恢復(fù)的圖像在該塊中的信息丟失；(4)航天器存儲(chǔ)處理設(shè)備實(shí)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(diǎn)，特別適合空間環(huán)境，因?yàn)椴捎谩皥D像分解處理”，是對小的子圖像進(jìn)行處理而不是對原 來的大圖像進(jìn)行處理，從而降低了對航天器所用存儲(chǔ)器的要求，因?yàn)樾∪萘看鎯?chǔ)器可靠性 高于大容量存儲(chǔ)器。對子圖像的編碼加密也比對原來大圖像編碼加密實(shí)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(shè)備簡 單，容易實(shí)現(xiàn)，而地面設(shè)備只是處理環(huán)節(jié)稍微復(fù)雜一些，硬件成本并沒有增加，符合航天工 程特點(diǎn)。該方法在有些條件下可以用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮方法，除了進(jìn)一步提高壓縮比 外，還可以降低星上傳輸設(shè)備的復(fù)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(quán)用戶(K類用 戶)，利用K路子圖像就可以實(shí)現(xiàn)圖像的完全恢復(fù)。


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(shí)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(jìn)行格式處理，利用相鄰行或列的像素灰 度值對其進(jìn)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(shè)每像元的量化比特?cái)?shù)為Q(—般Q = 8)，則數(shù)字圖像A的 總比特?cái)?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(gè)子圖像中都包含有分解前整個(gè)圖像的全局信息，本發(fā)明在進(jìn)行分解時(shí)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(shí)，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(fù)，K幅子圖像完全可以恢復(fù)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(jìn)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(shí)，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(fù)，K幅子圖像完全可以恢復(fù)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(jìn)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(jìn)行量化，然后對各 子圖像分別進(jìn)行不同的編碼加密，形成數(shù)據(jù)流Dta= 1,2, ...K)，將編碼加密后的子圖像 數(shù)據(jù)流進(jìn)行數(shù)據(jù)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(jù)壓縮編碼，一般不采用數(shù)據(jù)壓縮。 如采用數(shù)據(jù)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(jī)序列與信 息序列進(jìn)行異或處理；分組加密采用變換、替代的方法或其他進(jìn)行加密處理。采用序列加密 體制，對數(shù)據(jù)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?cái)?shù)或經(jīng)過子圖像數(shù)據(jù)壓縮后的每像元比特?cái)?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?cái)?shù)為(Q1+Q2+...QK)/K，則分 解后編碼的K幅子圖像的總比特?cái)?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?cái)?shù)/處理后 總比特?cái)?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(jù)進(jìn)行分解，根據(jù)用戶對圖像質(zhì)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(jù) 不同的密鑰Key進(jìn)行解密譯碼，解密譯碼根據(jù)不同的密鑰以及譯碼方法分別進(jìn)行處理。授 權(quán)的用戶利用T幅子圖像(T ^ K)幅子圖像進(jìn)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(yīng)的解密、譯碼方法。(5)用戶接收到經(jīng)過解密譯碼的1路或T路子圖像進(jìn)行不同等級的圖像恢復(fù)處理， 得到不同質(zhì)量等級的圖像BT，對應(yīng)I類，2類，...，K類用戶。未獲授權(quán)的用戶無法得到相 應(yīng)質(zhì)量等級的圖像，由此可以根據(jù)用戶的等級進(jìn)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(jìn)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(yīng)位置，對其余K-T幅子圖像進(jìn)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(yīng)位置，無需進(jìn)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(shí)，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備包括航天器上 的發(fā)送設(shè)備以及地面站的接收設(shè)備，為此可以采用常規(guī)的航天器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如發(fā)送設(shè) 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(diào)制方式；地面接 收設(shè)備采用QPSK解調(diào)，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(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)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(jìn)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(jìn)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?cái)?shù)為MNQ，其中Q為每個(gè)像元的量化比特?cái)?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(jìn)行量化，Qt≤Q，然后對量化后的各子圖像分別進(jìn)行不同的編碼加密，形成加密數(shù)據(jù)Dt，將各加密數(shù)據(jù)Dt進(jìn)行數(shù)據(jù)合成后發(fā)送至地面；(4)地面將接收到的合成數(shù)據(jù)進(jìn)行分解，根據(jù)用戶對圖像質(zhì)量的要求，從K路加密數(shù)據(jù)中選取T路進(jìn)行解密譯碼后得到T幅子圖像并送至對應(yīng)的用戶，T≤K；(5)各用戶對其接收到的T幅子圖像進(jìn)行圖像恢復(fù)處理，得到不同質(zhì)量等級的圖像BT。
2.根據(jù)權(quán)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(shí)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(shí)，按照圖像的列數(shù)N進(jìn)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(fù)，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(shí)，按照圖像的行數(shù)M進(jìn)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(fù)，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(jù)權(quán)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(jìn) 行圖像恢復(fù)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(yīng)位置，然后對其余K-T幅子圖像進(jìn)行插值處理，得到大小為M * N的 圖像BT。
4.根據(jù)權(quán)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(jìn)行傳輸，傳輸中誤碼對整體圖像影響不大。地面根據(jù)對圖像質(zhì)量有不同需求的K類用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，做到不同用戶所收到的圖像質(zhì)量不一樣高授權(quán)等級用戶得到的圖像質(zhì)量高，低授權(quán)等級用戶得到的圖像質(zhì)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(shè)備的復(fù)雜度，同時(shí)地面圖像處理恢復(fù)設(shè)備的復(fù)雜度不變，既提高了航天器圖像傳輸?shù)男屎桶踩裕帜軐?shí)現(xiàn)不同質(zhì)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(quán)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(shù)研究所