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2007-2011代表性成果三
2013-04-17 17:43 ISN ISN   (已浏览:)
代表性成果三:高效图像与视频编码系统

图像与视频编码是本室的重点研究方向之一。本室从1985年左右开始本方向的研究,在国家“八五”、“九五”、“十五”和“十一五”的多个课题的支持下,进行了系统深入的理论和应用研究。相关成果先后获省部级科技进步奖6项。

当前制约多媒体通信系统性能的瓶颈是图像/视频通信的实时性。解决这个问题的关键就在于实现大压缩比高保真图像/视频压缩编码技术。

图像与视频编码的研究目的是掌握图像/视频传输和存储应用的核心基础技术,主要研究高效图像(包括可见光、红外、多光谱、超光谱、立体图像)和视频的压缩编码算法、基于FPGA、DSP、多核处理器等平台的高效实现方法、空间应用中的高可靠实时编码硬件系统、宇航专用图像压缩芯片等;为我国的卫星遥感图像/视频通信系统和其他军用民用图像/视频通信系统提供必要的技术支撑。

本成果是在国家自然科学基金重点项目:“深空通信中的若干关键技术研究”,高分辨率对地观测国家重大专项项目:“XX图像数据压缩芯片技术”,国防预研项目:“静止和活动图像一体化压缩技术”和“立体影像压缩与质量评价技术”,国家自然科学基金项目:“干涉多光谱图像高效压缩编码研究”,探月工程型号项目:“CE-2大容量存储器CCD图像压缩单元原理样机研制”、“探月工程二期嫦娥二号任务地面应用系统CCD数据高效解压缩软件研制”、“CE-3月面巡视器载荷电控箱图像压缩原理样机研制”、“CE-3着陆器载荷电控箱图像压缩原理样机研制”、“CE-3月面巡视器形貌相机图像压缩原理样机研制”,载人航天工程型号项目:“神七伴随小卫星图像压缩技术研究”、“神七伴星地面快视软件系统”、“天宫一号红外图像无损压缩IP核”,总装军用电子元器件项目“XX高性能数据压缩芯片”及实验室自主课题“高性能图像压缩编码技术研究”、“视频编码视频通信新技术国际新标准研究”、“深空通信中立体图像高效压缩技术研究”和“图像与多媒体通信系统”等课题的支持下完成的。
(1)主要的科技创新贡献
A.提出了一种基于行小波变换和比特平面并行编码的高可靠抗误码图像压缩方法。

与国外(美国于2004年1月发射勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)火星探测器、日本于2007年9月发射了“月亮女神”(SELENE)探月卫星、印度于2008年10月22日发射了“月球飞船一号”(Chandrayaan-1)探月卫星)用于深空探测的压缩编码方法相比,该方法不仅可以实现无损压缩,还可实现码率精确可控的高压缩比压缩,且压缩比在线可调,同时该压缩系统联合采用了信源和信道编码,获得了高可靠的抗误码性能。基于该压缩方法研制的“嫦娥二号”卫星图像压缩编码器采用和美国于2009年6月发射了月球勘测轨道飞行器(LRO)相同的FPGA,在单片300万门FPGA上实现了对两路CCD立体相机获取的月面图进行4倍和8倍压缩实时压缩编码,图像质量满足应用要求。

2011年7月31日,教育部在北京组织并主持召开了由西安电子科技大学和中国空间技术研究院西安分院共同完成的“深空通信压缩与传输技术”项目成果鉴定会。鉴定会委员充分肯定了该项目的研究成果,一致认为该项目研制难度大、成果创新性强,解决了我国探月工程和测绘卫星等重大工程中图像压缩和高速数据传输的关键技术问题,满足了科学和工程应用的需求,取得了重大的社会和经济效益,为我国天基信息系统的未来发展打下了坚实基础并提供了重要技术支撑,在深空探测图像压缩编码和深空数据传输技术领域处于国际领先水平
B.提出了适用于多光谱图像数据特性的分布式压缩算法。

该方法将基于LDPC的Slepian-Wolf编码器和SPIHT算法有效结合,可以同时去除帧间相关性、帧内相关性和小波系数同一方向不同尺度间的强相关性,与传统基于三维变换或帧间预测的方法相比,本算法在获得相同压缩质量的同时,具有更强的抗误码能力和更低的复杂度,适合在深空探测中的应用。
C.提出了基于混合码率分配的立体影像压缩算法。

该方法根据星载三线阵立体相机同时拍摄的三幅图像复杂度不同的特点,利用立体像对的相关性为三幅图像自适应分配码率,并采用纹理分类和区域块匹配等方法进行视差估计,使得在保持总体压缩比不变的前提下,获得最优的图像整体恢复质量。其压缩性能与单幅图像独立压缩方法相比,可提高图像PSNR达3dB,并显著改善DTM精度和主观图像质量。
D.提出了一种高效的静止与活动图像一体化压缩方案。

本方案以内嵌静止图像压缩方法为基础,结合活动图像帧间具有强相关性的特点,参考活动图像编码中的运动估计思想,设计出了高效率、高帧内图像质量、强误码扩散能力以及码率可精确控制的内嵌静止和活动军事图像一体化压缩方法。该方法将应用于嫦娥3号地形地貌相机图像压缩系统。
E.提出了一种高效视频编码标准高效MVCMS-FMM算法。

该算法通过增加视点间视频的精细视差信息,可有效提高视点间视频的预测精度和编码效率。该算法的相关提案被国际标准MVC接受,是两个提高MVC编码效率的核心技术之一。相关论文发表在视频领域最好的杂志IEEE Trans. CSVT上。
F.提出了一套完整的基于码流分析的网络视频流质量评估系统。

该系统通过分析视频流可以分别预测视频的压缩失真和数据包丢失对视频质量的影响,并结合帧率预测视频流的质量。具有计算复杂度低,与主观质量评价具有很高的一致性等优点。该成果是目前该领域最完整的解决方案,相关论文发表在视频领域最好的杂志IEEE Trans. CSVT上。
G.研制了我国第一颗航天图像压缩专用芯片,为我国下一代高分辨率对地观测的发展提供了重要的技术支撑。

课题组于2009年9月12日成功研制出我国第一颗航天图像压缩芯片。该芯片全部采用正向设计,拥有完全自主知识产权,各项指标均优于目前国际最好的JPEG2000压缩芯片ADV202,可满足我国当前星载和机载等图像压缩系统的应用要求。总参二部航天侦查局在测试结论中写道“此ASIC芯片压缩质量与目前国内卫星型号中使用的最好的压缩芯片——国外工业级同算法的ADV212芯片压缩质量相当,为目前国内自主研制的压缩质量最好的芯片。”


图像压缩芯片及测试平台

(2)国内外影响的主要证据
A.研究成果成功应用于多颗卫星型号任务。

研制了我国第一个得到深空探测应用的探月卫星光谱图像压缩系统,该系统达到无损和准无损图像压缩,压缩比为2倍。研制的图像压缩系统安装于嫦娥一号卫星,于2007年10月24日发射升空,2007年11月29日压缩系统工作正常。嫦娥一号卫星有效载荷总体单位中科院空间中心在应用证明中对西电的工作给予了肯定。该项目成果获2008年度陕西省科学技术二等奖

研制了我国第一个用于深空探测的CCD立体图像压缩系统。该系统压缩比2-8倍在线可调,处理速度为256Mbps。研制的图像压缩系统安装于嫦娥二号卫星,于2010年10月1日发射升空,2010年10月24日压缩系统工作正常。探月与航天工程中心在应用证明中写道“西安电子科技大学研制的CCD立体相机图像压缩和解压缩系统,成功实现了8:1的月面数据压缩,为我国首次在国际月球探测领域获得优于10米分辨率的全月球影像数据作出了重要贡献”。该项目获2011年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)一等奖。

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CCD立体图像压缩系统 探月卫星测控中心现场

参与研制了神舟七号伴飞小卫星压缩编码系统和地面解码系统。图像压缩可对2帧-10帧/秒的可变帧率图像进行压缩编码,取得了良好的应用效果。中国科学院空间科学与应用总体部在应用证明中写道“西安电子科技大学研制的图像压缩编码器原理样机和地面快视软件系统在功能、性能指标等方面满足研制要求,为神七伴星任务的圆满完成做出了贡献,具有重要的社会、经济价值。”

研制了我国第一个传输型立体测绘卫星图像压缩系统,并获得成功应用。总参谋部测绘局在应用证明中写道“该技术的应用极大地提高了卫星数据传输效率,降低了数传系统研制成本,直接经济效益约3100万元,具有重要的社会、经济和军事价值。”

研制了天宫一号红外无损图像压缩编码硬件IP及软件解码系统,并获得成功应用。中国科学院空间科学与应用总体部在应用证明中写道“该项目的应用提高了天宫一号数据传输效率,直接经济效益约500万元,具有重要的社会、经济、军事价值。”


神七伴随小卫星图像压缩系统 天宫一号红外无损图像压缩系统

B.完成了国家自然科学基金重点项目:“深空通信中的若干关键技术研究”、国防预研项目:“静止和活动图像一体化压缩技术”和“立体影像压缩与质量评价技术”、国家自然科学基金面上项目:“干涉多光谱图像高效压缩编码研究”、探月工程型号项目:“CE-2大容量存储器CCD图像压缩单元原理样机研制”、“探月工程二期嫦娥二号任务地面应用系统CCD数据高效解压缩软件研制”、载人航天工程型号项目:“神七伴随小卫星图像压缩技术研究”、“神七伴星地面快视软件系统”、“天宫一号红外图像无损压缩IP核”,实验室自主课题:“深空通信中立体图像高效压缩技术研究”和总装军用电子元器件项目“XX高性能数据压缩芯片”等几十项课题。
C.2008年获陕西省科学技术二等奖1项,2010年获国防科学技术二等奖1项,2011年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)一等奖1项。
D.在国内外重要期刊上发表论文100篇、在国际学术会议上发表论文60篇(SCI:21篇、EI:50篇、ISTP:60篇)
E.获得授权发明专利7项,提交国际标准提案19项。

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