一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统和压缩方法与流程

本发明涉及星载极高清视频彩色影像的在轨压缩技术领域，是一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统和压缩方法。

背景技术：

高清视频压缩技术主要有两大类，一类以h.264为代表的动态视频压缩，其优点是压缩比高，但缺点是不支持无损压缩，除关键帧外，其余帧图像信息损伤太大，只能用于视频播放，无法利用帧间图像信息差异进行立体成像、超分辨等图像深加工，视频压缩对画幅有严格限制，一般要求符合3840×2160、1920×1080、1280×720等标准制式；另一类以jpeg2000为代表的静态图像压缩，其优点为每一帧都保留了足够的细节，但是压缩比较低，一般无损为2:1，有损一般不超过10:1，否则会引起图像质量急剧下降，一般只限制画幅总像素，以adv212芯片为例，无损模式要求画幅不超过256k像素，有损压缩不超过1m像素。

彩色视频影像压缩有两种方法，一种是直接bayer插值得到彩色图像，再转换为ycrcb等彩色空间，进行彩色图像压缩，但这种方式会使得颜色信息损失严重，且星上处理算法过于复杂，不太适合星载压缩系统；第二种是星上实现谱段分离，将每个单谱数据按照全色数据进行压缩，在地面解压缩后，再恢复为bayer彩色数据，通过地面高精度的bayer彩色插值算法，得到彩色影像，该方法具有星上处理简单、色彩信息保存完整、彩色插值效果好等优点。

星载极高清视频彩色影像具有6000万像素画幅，难以用常规的动态视频压缩以及静态图像压缩直接实现，且原始图像为rggbbayer编码方式排列，无法直接作为全色图像或彩色图像进行压缩，所以如何实现bayer彩色谱段分离并实现6000万像素超大幅面图像数据压缩，是本发明要解决的主要问题。

技术实现要素：

本发明为实现全色图像或彩色图像的压缩，本发明提供了一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统和压缩方法，本发明提供了以下技术方案：

一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统，其特征是：所述系统包括视频相机、星载压缩存储系统、数据传输系统、中心机；所述视频相机连接星载压缩存储系统，星载压缩存储系统连接数据传输系统，星载压缩存储系统连接中心机。

优选地，所述星载压缩存储系统包括cameralink、ssd存储单元、4路adv212、通信控制单元、数据缓存与调度模块、数传组帧模块和数传帧发送模块；

所述视频相机连接cameralink，cameralink连接数据缓存与调度模块，所述数据缓存与调度模块连接ssd存储单元、4路adv212、通信控制单元和数传组帧模块，数传组帧模块连接数传帧发送模块，所述数传帧发送模块与数据传输系统进行数据交互，通信控制单元通过can总线连接中心机。

优选地，所述视频相机采用bayer彩色图像传感器。

一种星载超大画幅彩色视频图像压缩方法，包括以下步骤：

步骤1：采用视频相机采集高速视频图像数据，通过cameralink接收高速视频图像数据，将高速视频图像数据存储至ssd存储单元；

步骤2：读取ssd存储单元中的高速视频图像数据，进行谱段分离、瓦片子块分割，传输至4路adc212中进行压缩；

步骤3：将压缩好的数据进行组帧，并传输至数据传输系统。

优选地，所述步骤2具体为：

步骤2.1：读取ssd存储单元中的高速视频图像数据，进行谱段分离，根据bayer彩色图像传感器的像素排布，对于每个传感器读出通道，像素均为逐行读出，不区分谱段类型，rggb四个子谱段按照bayer排布顺序夹杂读出，将全画幅高速视频图像数据按照子谱段分为4个子谱段单色图像，通过下式表示谱段分离过程：

其中，i为行序号，j为列序号；a为输出的原始像素矩阵，r为红色子谱像素矩阵，g1为第一绿色子谱像素矩阵，g2为第二绿色子谱矩阵，b为蓝色子谱像素矩阵；

步骤2.2：对谱段分离完的图像进行瓦片子块分割，瓦片大小不超过压缩子块限制，瓦片边缘保证具备一定宽度的搭接区，用于避免直接将压缩子块图像的边缘效应直接引入解压缩拼接后的图像中，行列方向搭接区域大小上均不小于5像素，不超过瓦片行/列数的5％；通过下式表示瓦片分割过程：

其中，rm,n为m行n列的红色子谱瓦片像素矩阵；m为子谱内瓦片排列总行数，n为子谱瓦片排列总列数数，x0为瓦片中心间隔，y0为瓦片中心间隔，xoverlap瓦片搭接行数，yoverlap为瓦片搭接列数；

步骤2.3：选取满足adv212对压缩瓦片大小的约束下的最大值，并传输至4路adc212中进行压缩。

优选地，根据瓦片搭接行数和列数，确定像素行和像素列的瓦片大小，通过下式表示像素行和像素列的瓦片大小：

其中，x为像素行的瓦片大小,y为像素列瓦片大小。

优选地，所述压缩子块限制为无损压缩下单方向不超过4096像素、总画幅不超过256k像素，有损压缩下单方向不超过2048像素、总画幅不超过1m像素。

优选地，瓦片大小选取满足adv212对压缩瓦片大小的约束下的最大值，即选用32的整数倍大小。

优选地，所述步骤3具体为：

将各子谱分割得到的瓦片子块按照谱段及位置编号，4路adv212，每一路的adv212负责一个子谱压缩，将各子谱图像按照编号顺序送入对应的adv212压缩芯片中，将压缩数据流按照瓦片子块编号进行压缩数据帧组织，通过下式表示帧内瓦片编号：

num＝smn+sn+s(4)

其中，num为帧内瓦片编号，s为总子谱数，s为谱段顺序号，r为0，g1为1，g2为2，b为3；

将数据帧组织存入数据传输系统，数据传输系统通过星地通信链路传输给地面系统，通过解压缩服务器进行解压，对解压后的数据极性瓦片组合和bayer插值重组视频影像。

本发明具有以下有益效果：

本发明首先解决了超大幅面视频影像的压缩画幅受限问题，通过瓦片切割，使其能够采用adv212等工业通用器件完成压缩，可以降低星载压缩存储系统的研制成本及研发难度；另外瓦片的搭接冗余可以有效解决压缩子块边缘效应引起的拼接缝问题，改善大幅面视频图像压缩效果。现有的星上bayer插值后直接彩色压缩，由于受到计算资源的影响，无法采用计算量过大的精确算法，会引起色彩精度损失，本发明中的谱段分离属于可逆过程，色彩无损失，地面解压得到子谱段数据后，可采用更高精度的插值算法，色彩还原效果更佳。

附图说明

图1是一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统结构框图；

图2是一种星载超大画幅彩色视频图像压缩方法流程框图；

图3是bayer彩色谱段分离示意图；

图4是四个子谱图像瓦片分组示意图；

图5是子谱图像瓦片分割及编号示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

根据图1所示，本发明提供一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统，一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统，其特征是：所述系统包括视频相机、星载压缩存储系统、数据传输系统、中心机；所述视频相机连接星载压缩存储系统，星载压缩存储系统连接数据传输系统，星载压缩存储系统连接中心机。

所述星载压缩存储系统包括cameralink、ssd存储单元、4路adv212、通信控制单元、数据缓存与调度模块、数传组帧模块和数传帧发送模块；

所述视频相机连接cameralink，cameralink连接数据缓存与调度模块，所述数据缓存与调度模块连接ssd存储单元、4路adv212、通信控制单元和数传组帧模块，数传组帧模块连接数传帧发送模块，所述数传帧发送模块与数据传输系统进行数据交互，通信控制单元通过can总线连接中心机。所述视频相机采用bayer彩色图像传感器。

相机成像过程中，它通过cameralink接口接收来自极高清视频相机的高速视频图像数据，经过高速缓存后，存入星上大容量ssd存储中；压缩过程中，将ssd内部存储的视频图像数据读出，经过谱段分离、瓦片子块分割后，送入adv212中进行压缩，最后将压缩后的数据进行组帧并发送给数传系统。本发明采用fpga(可编程门阵列)为控制核心，以adv212专用压缩芯片实现图像压缩。

具体实施例二：

根据图2所示，以有损情况为例，本发明提供一种星载超大画幅彩色视频图像压缩方法，具体包括以下步骤：

步骤1：采用视频相机采集高速视频图像数据，通过cameralink接收高速视频图像数据，将高速视频图像数据存储至ssd存储单元；

步骤2：读取ssd存储单元中的高速视频图像数据，进行谱段分离、瓦片子块分割，传输至4路adc212中进行压缩；

步骤2.1：读取ssd存储单元中的高速视频图像数据，进行谱段分离，根据bayer彩色图像传感器的像素排布，对于每个传感器读出通道，像素均为逐行读出，不区分谱段类型，rggb四个子谱段按照bayer排布顺序夹杂读出，将全画幅高速视频图像数据按照子谱段分为4个子谱段单色图像，如图3所示，根据bayer彩色图像传感器的像素排布(一般为rggb或者gbrg)，对于每个传感器读出通道，像素均为逐行读出，不区分谱段类型，rggb四个子谱段按照实际bayer排布顺序夹杂读出，如图4所示，原始输出的数据不能直接送入adv212进行压缩，需将全画幅按照子谱段分为4个子谱段单色图像，分离方式与传感器自身的bayer类型有关，以rggbbayer为例，通过下式表示谱段分离过程：

其中，i为行序号，j为列序号；a为输出的原始像素矩阵，r为红色子谱像素矩阵，g1为第一绿色子谱像素矩阵，g2为第二绿色子谱矩阵，b为蓝色子谱像素矩阵；

步骤2.2：由于视频相机幅面高达12000×5000，即使进行了谱段分离后，每个谱段单色图像的幅面也高达6000×2500，超过了adv212进行有损压缩的幅面大小限制(adv212芯片要求最大幅面在无损压缩下单方向不超过4096像素、总画幅不超过256k像素，有损压缩下单方向不超过2048像素、总画幅不超过1m像素)；对每个子谱图像画幅进行瓦片分割，对谱段分离完的图像进行瓦片子块分割，瓦片大小不超过压缩子块限制，瓦片边缘保证具备一定宽度的搭接区，用于避免直接将压缩子块图像的边缘效应直接引入解压缩拼接后的图像中，行列方向搭接区域大小上均不小于5像素，不超过瓦片行/列数的5％；通过下式表示瓦片分割过程：

其中，rm,n为m行n列的红色子谱瓦片像素矩阵；m为子谱内瓦片排列总行数，n为子谱瓦片排列总列数数，x0为瓦片中心间隔，y0为瓦片中心间隔，xoverlap瓦片搭接行数，yoverlap为瓦片搭接列数；

步骤2.3：选取满足adv212对压缩瓦片大小的约束下的最大值，并传输至4路adc212中进行压缩。

根据瓦片搭接行数和列数，确定像素行和像素列的瓦片大小，通过下式表示像素行和像素列的瓦片大小：

其中，x为像素行的瓦片大小,y为像素列瓦片大小。

所述压缩子块限制为无损压缩下单方向不超过4096像素、总画幅不超过256k像素，有损压缩下单方向不超过2048像素、总画幅不超过1m像素。

瓦片大小选取满足adv212对压缩瓦片大小的约束下的最大值，即选用32的整数倍大小。

步骤3：将压缩好的数据进行组帧，并传输至数据传输系统。

如图5所示，将各子谱分割得到的瓦片子块按照谱段及位置编号，4路adv212，每一路的adv212负责一个子谱压缩，将各子谱图像按照编号顺序送入对应的adv212压缩芯片中，将压缩数据流按照瓦片子块编号进行压缩数据帧组织，通过下式表示帧内瓦片编号：

num＝smn+sn+s(4)

其中，num为帧内瓦片编号，s为总子谱数，s为谱段顺序号，r为0，g1为1，g2为2，b为3；

将数据帧组织存入数据传输系统，数据传输系统通过星地通信链路传输给地面系统，通过解压缩服务器进行解压，对解压后的数据极性瓦片组合和bayer插值重组视频影像。

具体实施例三：

以吉林一号视频卫星为案例进行实施过程说明：

谱段分离：根据bayer彩色图像传感器的像素排布(rggb)，将12000×5000的全画幅按照子谱段分为4组6000×2500像素子谱图像；

瓦块分割：由于adv212有损压缩最大可容许1m像素的压缩子块，且行列最大值不能超过2048像素，压缩子块越大，压缩效果越好，由于子谱图像为6000×2500像素，约15m像素，至少需要分15块，根据瓦片最大原则，所以选择3×5瓦片分割方式，形成15个1m像素的压缩子块，每个压缩子块为2048×512像素，实现列间72像素搭接，行间15像素搭接。

瓦片子块缓存与压缩调度：四个子谱一共分割得到60个1m像素的瓦片子块，按照谱段及位置关系编号形成瓦片编号，依次送入adv212压缩，将压缩数据与其对应的帧号、瓦片编号进行组帧，存储及下传。

地面收到压缩图像文件后，先按照帧编号及帧内瓦片编号，进行压缩包谱段分离，得到各个子块编号的压缩数据包，然后进行解压缩后得到子块图像，根据瓦片编号的排布顺序，将解压后的图像进行复原，并按照搭接区中线切割，丢弃搭接区冗余边缘，得到全画幅12000×5000像素视频单帧影像，多帧影像序列按照时间先后顺序组帧成为视频影像。

以上所述仅是一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统和压缩方法的优选实施方式，一种星载超大画幅彩色视频图像压缩系统和压缩方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。