Результаты тестового сжатия изображений, полученных с геостационарных спутников ДЗЗ

Для увеличения скорости битового потока современной бортовой аппаратуры высокоскоростных радиолиний всего на 20% требуется увеличение ЭИИМ передатчика практически в 2 раза, что приводит к значительному ухудшению массо-габаритных характеристик бортовой аппаратуры. В то же время, увеличения информационной скорости можно добиться благодаря применению специальных алгоритмов сжатия, адаптированных к применению на борту космического аппарата.

Поскольку в процессе передачи данных могут возникать битовые ошибки, применение алгоритмов сжатия на борту космического аппарата может привести к размножению таких ошибок при распаковке принятой информации и служить причиной её полной потери. Для защиты информации от полной потери требуется изоляция размножения ошибок и применение алгоритмов только на основе блочного сжатия данных. Распространение битовой ошибки и потеря информации в этом случае будут ограничены только одним блоком.

Одним из таких блочных алгоритмов является алгоритм, описанный в рекомендации CCSDS 120.0-G-3 «Lossless Data Compression» [1]. В основе алгоритма лежит предварительное разбиение изображения на одномерные блоки по N пикселей и поблочное устранение избыточности методом линейного предсказания с последующим энтропийным сжатием методом выбора оптимального кода Голомба. Отличительной особенностью алгоритма является отсутствие потерь при сжатии данных, низкая вычислительная сложность и простота реализации. Недостатком данного алгоритма является сравнительно низкая степень сжатия. Для оценки возможностей применения данного алгоритма на борту космических аппаратов была разработана его модель в среде MATLAB и проведены эксперименты по сжатию изображений, полученных геостационарными КА ДЗЗ метеорологического назначения.

В состав тестовой выборки вошли 3 изображения диска Земли в видимом диапазоне с разрешением 11136 х 11136 и 7 изображений диска Земли в инфракрасном диапазоне с разрешением 2784 х 2784. Каждое изображение является панхроматическим и имеет глубину цвета 10 бит/пиксель. Поскольку оптико-электронная аппаратура имеет разные спектральные каналы, а атмосфера Земли имеет переменные оптические свойства, степень сжатия таких изображений так же является переменной. По тем же причинам переменной степенью сжатия характеризуются и блоки изображения, формируемые целевой аппаратурой.

Весьма важным параметром блока является его длина, соответствующая количеству пикселей в блоке. Увеличение длины блока приводит к увеличению потерь при возникновении битовой ошибки. Уменьшение длины приводит к ухудшению степени сжатия. В результате моделирования для каждого изображения тестовой выборки был получен оптимальный размер блока, дающий наибольшую степень сжатия, а также подтвержден факт различной степени сжатия для каждого блока.

Переменная степень сжатия блоков приводит к переменной скорости выходного потока, что требует интеграции в аппаратуру сжатия выходного буфера, который бы обеспечил непрерывность выходного потока бортовой аппаратуры высокоскоростной радиолинии в целом. Параметры производительности аппаратуры сжатия и объём выходного буфера зависят от конкретного космического аппарата и требуют детальных исследований.

В докладе представлено подробное описание места алгоритмов сжатия в космической радиолинии, описание алгоритма сжатия CCSDS 120.0-G-3 и его модели в MATLAB, а также результаты проведенного моделирования: степени сжатия каждого изображения в зависимости от длины блока, поблочное распределение степеней сжатия для отдельных изображений и сформированные выводы.