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多光谱图像自适应无损压缩算法研究与FPGA实现

作　者: 邓海涛
导　师: 邓家先
学　校: 海南大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 多光谱图像 RICE 无损压缩 FPGA
分类号: TN919.81
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


随着遥感技术的不断发展和多光谱成像技术的不断进步,多光谱遥感图像的空间分辨率、时间分辨率和光谱分辨率都不断提高,其信息量的不断增大也使得其在航空航天、环境监测、地质勘探、深空探测等诸多领域的研究变得越来越广泛和重要。同时,不断增长的图像数据量,对存储、传输和处理的要求也变得更高。另外,由于多光谱遥感图像主要通过遥感卫星获取,其成本高昂并且需要长期保存,故多光谱遥感图像一般要求采用无损压缩的方式进行存储和传输。本课题研究的主要内容是采用FPGA实现一种基于改进RICE的多光谱遥感图像无损压缩算法。分析了多光谱遥感图像的数据相关性,针对多光谱遥感图像数据中存在的谱内冗余和谱间冗余分别采用不同处理方法。针对谱内冗余,采用JPEG-LS (Lossless and near-lossless compression Standard of JPEG)图像低复杂度无损压缩内核LOCO-I (Low Complexity Lossless Compression for Images)预测器来实现谱内去相关。针对谱间冗余,采用易于硬件实现的RCT(Reversible Component Transform)变换实现谱间去相关,由于RCT是可逆的,它适用于无损压缩。联合两种去相关模块,能够快速高效的去除谱内冗余和谱间冗余。对多光谱遥感图像进行分块编码,可以有效提高编码效率、减少误码扩散,编码过程中无需引入外部RAM交换数据,可以减少星载设备的体积、质量和功耗并提高编码效率,能够很好地满足实时性的需求。在熵编码阶段,根据FPGA(Field Pogrammable Gate Array)的结构特点,对RICE算法的熵编码器进行改进,只通过简单的累加器、选择器和Golomb编码器三个部分便可实现高效的压缩,使得熵编码更加简单,计算复杂度更低,更加节省硬件资源。同时,硬件算法充分利用多路并行、流水线、乒乓操作等编码模式以提高编码效率和资源的利用率。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 课题研究背景  8-9
  1.2 多光谱遥感图像压缩研究现状  9-11
    1.2.1 基于预测编码的压缩算法  9
    1.2.2 基于变换域编码的压缩算法  9-10
    1.2.3 基于矢量量化编码的压缩算法  10-11
  1.3 FPGA和图像处理  11-12
  1.4 本论文内容安排及软硬件平台  12-13
2 多光谱遥感图像无损压缩算法的研究  13-30
  2.1 图像压缩理论简述  13-16
    2.1.1 无失真编码理论  14-15
    2.1.2 限失真编码理论  15-16
  2.2 多光谱遥感图像相关性分析  16-23
    2.2.1 QuickBird多光谱遥感图像介绍  16-17
    2.2.2 多光谱图像的空间相关性  17-21
    2.2.3 多光谱图像的谱间相关性  21-23
  2.3 编码技术  23-27
    2.3.1 预测编码  24-25
    2.3.2 熵编码  25-27
  2.4 RICE编码  27-29
    2.4.1 预处理器  27-28
    2.4.2 自适应熵编码器  28-29
  2.5 本章小结  29-30
3 基于改进RICE算法的多光谱遥感图像压缩研究  30-40
  3.1 概述  30
  3.2 改进RICE无损压缩算法  30-34
    3.2.1 RCT变换  30-31
    3.2.2 数据分块  31-32
    3.2.3 上下文建模与预测器  32-33
    3.2.4 编码选项k值的获取与熵编码  33-34
  3.3 FPGA开发环境  34-39
    3.3.1 FPGA硬件平台  34-35
    3.3.2 FPGA软件平台  35-37
    3.3.3 FPGA开发基本流程  37-39
  3.4 本章小结  39-40
4 改进RICE算法编码器的FPGA设计与实现  40-50
  4.1 FPGA设计的基本思想  40-43
    4.1.1 流水线操作  40-41
    4.1.2 电路结构与速度间的关系  41-43
    4.1.3 有限状态机设计  43
  4.2 预测模块  43-44
  4.3 熵编码模块  44-47
  4.4 顶层控制模块  47-49
  4.5 本章小结  49-50
5 编码器的仿真与性能测试  50-56
  5.1 验证方法简介  50-51
  5.2 谱间去相关性能测试  51
  5.3 与其他算法的比较  51-52
  5.4 谱内编码性能分析与验证  52-54
  5.5 静态时序分析  54-55
  5.6 综合性能分析  55
  5.7 本章小结  55-56
6 总结与展望  56-58
  6.1 全文总结  56
  6.2 下一步工作展望  56-58
参考文献  58-61
硕士期间发表的论文  61-62
致谢  62

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 通信 > 图像通信、多媒体通信 > 图像编码
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