专利名称：对地球观测卫星的图像进行压缩的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对地球观测卫星的图像进行捕获、缩减以及发送的方法，更具体地，涉及一种在(特别是低轨道上的)卫星上使用的、用于对地球观测卫星的图像进行捕获、缩减以及发送的方法。
背景技术：
旨在获得地球的系统图像的地球观测卫星(特别是低轨道中的卫星)能够在相对较短的时间间隔内捕获大量的以及各种的图像。这些各种图像尤其地是由这些卫星在其绕轨道运行期间在地球的各个区域(尤其是海洋、沙漠、城市、森林、极地等)上飞跃这一事实而得到的。存在旨在仅捕获一种特定类型的区域、安装在卫星上的装置，例如安装在 ENVISAT卫星上的MERIS装置，其旨在测量海洋颜色。向卫星提供用于确定时段的单元是已知的，在该时段期间，由卫星携带的、用于捕获数据(尤其是图像)的每个装置不必捕获图像，这是因为所飞跃的区域不与该装置的预期目标相对应。这进一步能够限制带宽并且不会不必要地使用资源。对于每个装置而言，通常由不被观测的区域的坐标来定义这些非观测时段。根据装置的预期目标，这些被排除的区域可以是海洋、森林、城市、极地等。此外， 对于在可见频谱中操作的装置，这些被排除的区域还可以包括处于夜间的区域。这是因为， 在其绕轨道运行的一部分期间，卫星飞跃的区域处于夜间并且不被图像捕获所关注。因此，在已知的方法中用于识别所飞跃的地理区域的单元确定是否执行对所飞跃区域的图像捕获；如果识别单元已经确定应当捕获该飞跃区域的图像，则执行对该区域的图像捕获；由图像压缩单元压缩该图像；将该压缩图像发送到远程图像接收设备。用于识别所飞跃的地理区域的单元能够排除地球的某些数量的地理区域。排除地球的某些地理区域的技术形成了限制用于地面发送装置所捕获的数据的必要带宽的策略的组成部分。对带宽的这种限制还通过如下方式来获得在将实际捕获图像传输到地面之前，对这些图像进行压缩。对图像的这种压缩可以通过多种压缩算法(尤其是JPEG、 JPEG2000类型等的算法)来获得。本发明人已经确定这些已知方法的缺点一方面在于，即使地球的某些区域可能是所关注的，但是这些区域却完全被忽略了这一事实，并且另一方面在于，压缩算法并不适合于所捕获的图像这一事实。例如，对于海洋就是这种情况，通常从用于观测人类活动区域的协议中移除海洋，即使这些区域的图像可能揭示相关的以及有用的数据(例如船只、石油平台等)也是如此。此外，对将要被排除的区域进行定义是一项相对复杂的任务，尤其是对于低轨道中的卫星，考虑到其涉及卫星轨道、地球旋转等就更是如此。此外，除非将气象数据不断地传输到卫星，否则气象状况对于卫星将不是已知的，使得装置很有可能捕获并发送不被关注的模糊图像。此外，由已知压缩方法提供的图像压缩的质量取决于将被压缩的图像的类型。尤其是，本发明人已经确定在压缩大城市的图像方面有效的算法并不适合于压缩热带森林的图像。US 6031939描述了一种用于采用自动选择压缩条件来优化图像数据的压缩的方法。在该方法中，相对于将被压缩的图像或者测试图像来评估多个压缩算法，并且在对每个算法进行评估之后，根据用户选择的、表示用户目标的参数来自动地确定将使用的算法。可以将各种算法应用于同一图像的不同部分。类似地，出版物“An adaptive technique to maximize losslessimage data compression of satellite images，，XP004011783 描述了用于对卫星数据进行无损耗压缩的技术，该技术仅基于对图像的技术参数(熵、纹理、模式的规律性等)的分析。根据图像各个区域的不同的熵，应用不同的编码技术。这些方法的压缩性能仍然受到只执行图像的纯技术分析(亮度、纹理、对比度等)这一事实的限制。
发明内容
因此，存在着提供一种用于对地球观测图像进行捕获、缩减以及发送的方法的真正需求，该方法可以允许地球的任何区域的图像捕获以及适合于所观测的目标的类型的图像缩减，其目标是获得能够进一步减少带宽的传输，也就是说，该方法在压缩方面具有优秀的性能。本发明的又一个目的是提供一种与空间系统的板上集成物相兼容的方法，具体地，该方法是简单的，并可以由标准数字处理资源快速采用。本发明的一个目的是提供一种在卫星上使用的、用于对地球观测图像进行捕获、 缩减以及发送的方法，在具有相同量的发送信息的情况下，该方法允许对带宽进行减少使用。本发明的又一个目的是提供一种在卫星上采用的方法，与现有技术的方法相比， 在具有相同带宽的情况下，该方法可以发送更多的信息。本发明的又一目的是提供一种用于对地球观测图像进行捕获、缩减以及发送的方法，该方法适合于卫星所飞跃的区域。本发明的又一目的是提供一种方法，该方法的压缩步骤根据卫星所捕获的每个图像来实现特定的压缩方法。本发明的又一目的是提供一种方法，该方法排除了实施该方法的卫星具有特定白天/夜间程序的需要，其中特定白天/夜间程序阻止在夜间进行成像。本发明的又一目的是提供一种方法，该方法排除了实施该方法的卫星具有用于分析天气预报以确定云层是否有可能妨碍成像的特定程序的需要。为此，本发明涉及一种用于对地球观测卫星的图像进行捕获、缩减以及发送的方法，其中，系统地进行由该卫星携带的装置捕获图像；由图像预处理步骤处理该图像，图像预处理步骤适合于提供预处理后的图像以及被称为图像特征值的、表示图像内容的至少一个值，预处理步骤包括识别捕获图像中的预定自然物体的步骤以及用标准化物体替代这些自然物体的后续步骤；将所述特征值与值表进行比较，该值表中的每个值与一压缩算法相关联；由压缩单元使用与所述特征值相对应的压缩算法，以压缩所述预处理后的图像； 由发送单元将所述压缩图像发送到远程图像接收设备。根据本发明的方法允许卫星所携带的各种类型的光学装置对所飞跃地区执行系统性的捕获，而不会使得用于向远程设备发送图像的带宽过载。此外，采用根据本发明的方法，不必在捕获图像之前确定是否要对正在飞跃的区域执行捕获。具体地，根据本发明的方法评估观测装置所捕获的每一个图像的图像特征值。该值可以表示图像的频谱、图像的对比度、图像的亮度或者图像的纹理，并且通常可以由各种类型的图像处理算法来定义该值。 然后将该特征值与预定的特征值的表进行比较。这些预定值与可以由该装置捕获的各种类型的图像相对应。例如，某些特征值与完全被云的存在所遮盖的图像相对应，其它特征值与海洋图像相对应，而其它特征值与沙漠图像相对应等等。这些预定特征值根据经验进行定义，并存储在安装在卫星上的存储器内。因此，独立于每个所捕获的图像并在任何图像捕获之前来建立并存储值表。此外，根据本发明的方法将每个特征值与特定的、尤其适合于正被处理的图像类型的压缩算法进行关联。根据本发明的方法能够优化资源的使用，并定义用于减少发送至地面的数据量的全局策略。根据本发明的方法超出了简单的图像压缩的范围。具体地，根据本发明的方法在将图像发送到地面之前对该图像进行缩减。这种图像缩减包括处理图像的步骤，在全文中被称为预处理步骤；以及对预处理后的图像进行压缩的步骤。这种初始的处理能够提供被称为预处理后的图像的图像。该步骤可以包括对图像进行空间滤波、对图像进行阈值化、 对图像的一部分进行抑制、以及通常以为了抑制对于人理解图像而言不需要的数据而对图像进行的任何处理。具体地，有利地，根据本发明的方法包括对于每个图像，(尤其是通过识别地貌的预定形状和/或纹理等)识别图像中的预定自然物体(被称为原始物体)的步骤；以及用替代物体来替代这些原始物体的后续步骤。这些替代物体可以是预定物体或者根据原始物体而确定的物体。有利地，在对图像进行预处理的步骤期间执行这些步骤。因此，预处理步骤包括识别图像中的地貌的特定原始物体。例如，这些原始物体是云、森林区域、海滨、池塘、建筑物、 草地、白雪覆盖的地区、公路、林间小路等。然后，预处理步骤例如有利地用每个检测出的原始物体的一个或多个像素特征来替代该所识别的原始物体。该预处理步骤可以是特定于观测的预期目标的。具体地，如果所捕获的并经过预处理的图像旨在仅揭示绿色空间，那么预处理步骤然后可以尝试只检测(尤其是通过物体的特定形状和/或纹理)不是绿色空间的物体(池塘、海滨等)，并用具有特征颜色(均勻区域)的一个或多个像素来替代这些物体中的每一个。从而，与替代之前相比，可以用更少的字节对这些区域进行编码，而为了观测的预期目标不会降低图像的质量。根据另一变形，替代可以包括用于预定的图像来替代所检测的物体。例如，用预定的海滨图像来替代每个所检测的海滨，使得保留图像的视觉印象。从而，在根据本发明的方法中，有利地，从预定图像和均勻区域中选择所述标准化物体。该替代步骤能够大大降低用于编码图像所需要的字节数量和/或提高未被替代要素的质量。这是因为，在整个图像具有相同数量的字节的情况下，因为被替代的区域需要更少的字节，所以可以对未被替代区域进行更精细地编码。根据本发明的方法包括对预处理后的图像进行压缩的后续步骤。压缩算法可以是各种类型的，并且可以根据成像的预期目标而被确定。可以确定压缩算法，使得实现根据本发明的方法的卫星每单位时间所发送的数据量在预定范围内变化。也可以确定算法，使得实现根据本发明的方法的卫星所发送的平均数据速率是恒定的。有利地并根据本发明，至少一个算法(尤其是与特征值相对应的每个算法)是心理视觉压缩算法。心理视觉类型的压缩(也就是说，只保持对人类理解图像有用的信息的压缩)是特别有效的，因为其不仅提供能够大大减少将被发送到远程图像接收设备的数据量的压缩功能，还在例如云层和海洋图像下，提供对所捕获的图像进行处理的附加功能。在相关情况下，如果卫星捕获了由厚厚的云层所遮挡的图像，则心理视觉类型的压缩算法能够获得很强的图像压缩，而不需要特定的过程。类似地，心理视觉类型的压缩消除了根据本发明的装置具有特定白天/夜间程序(其在夜间阻止成像)的需要。这是因为心理视觉类型的压缩模块对在夜间获得的区域图像进行了强烈的压缩。如果图像的特征值揭示其是海洋区域图像，则所选择的压缩算法对该图像进行强烈的压缩，同时保持足够的信息以供用户识别其是海洋区域。此外，心理视觉压缩算法仅仅消除了不必要的信息，使得如果图像包含船只，则压缩算法保留该船只。根据本发明的方法调适压缩级别和压缩类型以适合所捕获的图像类型。压缩因子 (定义为相对于初始数据容量的容量增益)可以根据所捕获的图像变化很大。具体地，对于城市区域，根据本发明，压缩因子以0. 15为量级，而对于云区域，其以0. 95为量级。低轨道中的卫星(其获得所飞跃地区的系统图像)采用根据本发明的捕获、压缩和发送方法可以将被发送至地面的数据量平均每轨道降低多于50%。本发明人已经观察到，低轨道中的、获得系统图像并实现根据本发明的方法的卫星所发送的数据量是以低轨道中获得选择性图像的卫星所发送的数据量为量级的，尽管考虑到对卫星的整个轨道进行成像所发送的数据中包含的信息量是大得多的。从而，与实现现有技术方法的卫星相比，在具有相同带宽的情况下，实现根据本发明的方法的卫星提供的有用信息要多得多。与实现现有技术方法的卫星相比，在发送至地面的信息量相同的情况下，实现根据本发明的方法的卫星使用的带宽更少。根据本发明的方法特别适合于旨在获得整个地球的图像的装置。表示图像内容的图像特征值可以是各种类型的。有利地并根据本发明，图像特征值表示以下特征中的一个图像的纹理；图像的空间频率功率；图像的平均亮度；图像的平均对比度；图像的主要色彩；图像色彩的均勻度；图像的复杂度；图像的熵。根据本发明的变形，图像特征值可以取决于上文提到的一个或多个特征。应当注意的是，以优化压缩为目的，根据本发明的方法通过在所捕获的图像中检测从以下项中选择的自然物体，相对于特定于应用(即，陆地地貌观测)的语义参数，能够 (通过预处理步骤)对图像内容进行分析水域(海洋、湖泊、河流等)；白雪覆盖的表面； 冰川 ’云；均勻的沙漠区域(沙丘等)；均勻的植被区域(森林、耕地等)；以及通常允许采用有利的机制(替代步骤)以提高图像的压缩因子并增强压缩性能的任何特定自然要素。有利地并根据本发明，从包括以下各项的组中选择压缩算法DCT压缩(离散余弦变换)；小波变换压缩；分形压缩。有利地并根据本发明，对于每个图像，图像处理单元适合于处理在该图像之前捕获的图像序列，使得该图像的所述特征值取决于该图像以及该先前捕获的图像序列。从而，根据本发明的方法不仅可以根据图像的本质内容，而且可以根据在该图像之前捕获的图像的内容，来确定该图像的特征值。具体地，如果相继的图像在内容方面接近，则不必保留后续图像的全部内容。从而，如果在处理图像期间发现先前捕获的图像具有与该图像类似的内容(当在相对均勻的大区域上飞行时就是这种情况)，预处理后的图像可以只包含与先前图像不同的要素以及对于原始图像是先前图像与这些附加要素之和的指示。本发明还涉及一种用于对地球观测卫星的图像进行捕获、压缩以及发送的装置， 其包括用于对图像进行系统捕获的单元；用于对每个所捕获的图像进行处理的单元，其适合于提供预处理后的图像以及表示图像内容的至少一个图像特征值，进行处理的单元适合于识别所捕获的图像中的预定自然物体，并用标准化物体来替代这些自然物体；用于将每个特征值与值表进行比较的单元，其中，值表中的每个值与特定的压缩算法相关联；用于对每个预处理后的图像进行压缩的单元，其实现与该图像的特征值相对应的压缩算法；用于将压缩图像发送到远程图像接收设备的单元。有利地，根据本发明的装置中的图像捕获单元是配备有CXD传感器的光学摄像机。有利地，处理单元是与微处理器相关联的数字单元。有利地，比较单元是与用于存储值对照表的单元相关联的数字单元，这种存储是本地的或远程的。有利地，压缩单元是与微处理器相关联的数字单元。有利地，发送单元是用于在卫星和地球之间发送数据的射频单元。有利地，根据本发明的装置执行根据本发明的方法，并且有利地，根据本发明的方法由根据本发明的装置来执行。本发明还涉及一种用于对地球观测卫星的图像进行捕获、压缩以及发送的方法， 并涉及一种执行这种方法的装置，其特征在于上文或下文提到的一些特征或其组合。
阅读下面的描述，本发明的其它特征、目的和优点将变得很清楚，下面的描述只是通过非限制性的例子给出并且参考附图，在附图中图1是根据本发明用于对卫星图像进行捕获、压缩以及发送的方法的示意流程图；图加是城市区域的图像的示意图，并且图2b是由根据本发明的方法处理后的相同图像的示意图。
具体实施例方式如图1中所示的，根据本发明的用于对卫星图像进行捕获、压缩以及发送的方法包括图像捕获的第一步骤101，其中，由装置来捕获图像。根据本发明的方法包括处理该图像的后续步骤102，其为了提供被称为图像的特征值的、表示该图像的内容的值。该特征值可以是各种类型的。对于每个图像，该特征值可以与图像的纹理、图像的空间频率功率、图像的平均亮度、图像的平均对比度、图像的主要色彩、图像色彩的均勻度、图像的复杂度、图像的熵或者这些参数中的两个或多个的函数相对应。根据本发明的一个实施例，可以将图像划分成多个子图像，并且可以为这些子图像中的每个子图像计算图像特征值。该处理步骤102能够提供预处理后的图像。该预处理可以包括对图像进行空间滤波、对图像进行阈值化、对图像中的某些物体进行抑制以及通常有助于减少被发送到地面的数据量而不损失对于人有用的信息的特定处理操作。图加和图2b分别给出了安装在卫星上的装置所捕获的图像以及根据本发明的方法所处理的相同图像的例子。图加是埃菲尔铁塔的视图，在该图上，除了埃菲尔铁塔以外，还可以看到云2、塞纳河的一部分3、森林区域4、5、6以及草地7。图2b给出了相同的视图，在根据本发明的方法的预处理步骤102期间已经对图像进行了预处理。可以看到已经检测到了云2，并用均勻的白色区域22来替代云2。类似地， 已经检测到塞纳河的一部分3并用均勻的区域33来替代塞纳河的一部分3。已经检测到了森林区域4、5、6，并用区域44、55、66(其也是均勻的)来替代森林区域4、5、6。根据本发明的方法能够识别自然物体，并用标准化物体(均勻区域22、33、44、55、66、77)来替代这些自然物体，使得存储图2b中的图像所需要的数据量比存储图加中的图像所需要的数据量少得多。此外，在图2b中保留了图加中的相关数据。通常，预处理步骤102能够(具体地通过地貌的特定形状和/或纹理)识别图像中的物体。可以根据能够识别物体的、用于基于相关参数来(自动或手动(采用人为干预)) 识别图像中的物体的方法来执行这种识别，以识别物体。例如，这些物体可以是云、森林区域、海滨、池塘、建筑物、草地、白雪覆盖的区域、公路、林间小路等。然后有利地，该预处理步骤用预定的标准化物体，尤其是用预定图像或预定均勻区域(其可以与所检测到的自然物体的均勻表示相对应，或者与被删除的图像的区域(物体被抑制了)相对应)来替代每个所检测到的物体。例如，用预定云的图像来替代图像加中所检测到的每个云2，使得图像 2b的视觉印象基本上与图像加相同，但是却大大降低了在大容量介质上存储图像所需要的字节量。根据本发明的方法包括将步骤102中所计算出的特征值与被称为对照表的值表进行比较的后续步骤103，对照表中的每个要素与一特定的压缩算法相关联。图像特征值的目的或图像特征值的功能是对图像的类型进行特征化，以对压缩进行调适以适应该图像。 一特定的算法与对照表中的每个值相关联。对照表可以包括大量相互不同的算法。此外， 不同的值可以与相同的算法相关联，其中，例如，只是算法的参数(例如压缩因子)将针对这些值的算法彼此区分开。例如，对照表定义多个值范围，每个范围与一压缩算法相关联。从而，如果步骤102 中所计算出的特征值属于给定的值范围，则步骤104中所使用的压缩算法是与图像特征值所属的该值范围相关联的算法。根据本发明的方法包括由所选定的、与步骤102中确定的特征值相对应的压缩算法来压缩预处理后的图像的后续步骤104。所使用的算法可以是各种已知类型的。但是， 根据本发明的优选实施例，步骤103中指定的算法是心理视觉类型的压缩算法。例如，对于给定的特征值，这种算法是名为“JPEG 2000”的算法。根据本发明的方法包括将步骤104中压缩的图像发送到远程图像接收设备的后续步骤105。例如，这种图像接收设备是地面接收机站。根据本发明，可以由全部已知单元来执行图像捕获。优选地由与微处理器相关联的数字单元来执行对所捕获的图像的处理。具体地，这种处理包括对图像进行分析以从中提取表示该图像的至少一个图像特征值。图像特征值可以与图像的纹理、图像的空间频率功率、图像的平均亮度、图像的平均对比度、图像的主要色彩、图像色彩的均勻度、图像的复杂度等相对应。压缩算法可以是DCT、小波变换、分形压缩算法等。这些算法对于本领域技术人员是已知的，在本文不详细描述。本发明扩展到执行根据本发明的方法的装置。用于对卫星图像进行捕获、缩减以及发送的这种装置包括用于对图像进行系统捕获的单元；用于对每个图像进行处理的单元，该单元适合于提供预处理后的图像以及被称为图像特征值的、表示图像内容的至少一个数字值；用于将每个特征值与值表进行比较的单元，值表中的每个值与特定的图像压缩算法相关联；用于对每个预处理后的图像进行压缩的单元，该单元实现与图像特征值相对应的压缩算法；以及用于将图像发送到远程图像接收设备的单元。图像捕获单元可以是各种类型的。根据本发明的优选实施例，这些捕获单元是由卫星携带的、并适合于获取陆地表面的图像的数字摄像机。根据优选的实施例，用于进行预处理、图像处理以及图像压缩的单元是由软件单元实现的。图像发送单元对本领域技术人员是已知的，在本文不详细描述。根据本发明的装置执行根据本发明的方法，并且根据本发明的方法有利地由根据本发明的装置来执行。本发明不限于所描述的实施例。具体地，根据本发明的方法可以包括在图像预处理步骤期间对检测到的自然要素进行的各种类型的替代。此外，用于检测这些自然要素的单元可以是各种类型的，具体取决于要素的形状、要素的色彩、要素的纹理、要素的频率功率、要素的对比度、要素的主要色彩、要素色彩的均勻度、要素的复杂度等。
权利要求
1.一种用于对地球观测卫星的图像进行捕获、缩减以及发送的方法，其中系统地进行以下步骤(101)由卫星所携带的装置捕获被称为捕获图像的图像；(102)通过图像预处理步骤对所述捕获图像进行处理，所述图像预处理步骤适合于提供预处理后的图像以及被称为所述捕获图像的特征值的、表示所述图像内容的至少一个值，所述预处理步骤包括识别所述捕获图像中的预定自然物体的步骤以及用标准化物体来替代所述自然物体的后续步骤；(103)将所述特征值与值表进行比较，所述值表中的每个值与一压缩算法相关联；(104)采用与所述特征值相对应的所述压缩算法，以便对所述预处理后的图像进行压缩，以提供压缩图像；(105)由发送单元将所述压缩图像发送到远程图像接收设备。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述标准化物体是从预定的图像以及均勻的区域中选择的。
3.如权利要求1和2中的一项所述的方法，其中，所述标准化物体是从以下项中选择的水域(海洋、湖泊、河流等)； 白雪覆盖的表面； 冰川； 云；均勻的沙漠区域(沙丘等)； 均勻的植被区域(森林、耕地等)。
4.如权利要求1至3中的一项所述的方法，其中，针对所述捕获图像，所述图像预处理步骤适合于对在所述捕获图像之前捕获的图像序列进行预处理，以使得所述捕获图像的所述特征值取决于所述捕获图像以及在所述捕获图像之前捕获的所述图像序列。
5.如权利要求1至4中的一项所述的方法，其中，至少一个所述压缩算法是心理视觉压缩算法。
6.如权利要求5所述的方法，其中，每个所述压缩算法是心理视觉压缩算法。
7.如权利要求1至6中的一项所述的方法，其中，所述图像的所述特征值是从包括以下项的组中选择的所述捕获图像的纹理、所述捕获图像的空间频率功率、所述捕获图像的平均亮度、所述捕获图像的平均对比度、所述捕获图像的主要色彩、所述捕获图像的色彩的均勻度、所述捕获图像的复杂度以及图像的熵。
8.如权利要求1至7中的一项所述的方法，其中，与所述特征值相对应的压缩算法是从包括以下算法的组中选择的DCT类型的算法、小波变换算法以及分形算法。
9.一种用于对卫星图像进行捕获、压缩以及发送的装置，其包括 用于对图像进行系统性捕获的单元；用于对每个捕获图像进行处理的单元，其适合于提供预处理后的图像以及表示图像内容的至少一个图像特征值，所述用于进行处理的单元适合于识别所述捕获图像中的预定自然物体并且用标准化物体来替代这些自然物体；用于将每个特征值与值表进行比较的单元，所述值表中的每个值与一特定压缩算法相关联；用于对每个图像进行压缩的单元，其实现与所述图像特征值相对应的压缩算法； 用于将所述图像发送到远程图像接收设备的单元。
全文摘要
本发明涉及一种对卫星图像进行捕获、压缩以及发送的方法，其特征在于以系统性的方式进行对图像进行捕获(101)；由图像预处理步骤对所述图像进行处理(102)，所述预处理步骤提供图像的特征值，并通过识别捕获图像中的预定自然物体并用标准物体来替代所述自然物体的方式来提供预处理后的图像；将所述特征值与值表进行比较(103)，所述值表中的每个值与一压缩算法相关联；由用于压缩所述图像的压缩单元来实现(104)与所述特征值相对应的压缩算法；由发送单元将所述压缩图像发送(105)到远程图像接收设备。
文档编号H04N7/26GK102204252SQ200980141980
公开日2011年9月28日 申请日期2009年8月21日 优先权日2008年8月28日
发明者J-J·法维耶, J-P·安蒂基迪斯 申请人:法国国家太空研究中心