深空通信中的自適應容錯圖像編碼器實現方法研究

《深空通信中的自適應容錯圖像編碼器實現方法研究》是依託西安電子科技大學，由雷傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深空通信中的自適應容錯圖像編碼器實現方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：雷傑
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

深空通信的最大特點是通信距離遠、測控時延大，這種套用環境下如果圖像編碼器載荷出現故障而依靠地面控制系統來修復的話，會導致探測任務長時間中斷，影響關鍵科學數據的及時獲取。因此，研究具有線上自修復功能的強容錯圖像編碼器顯得尤為重要。然而，隨著深空探測圖像類型和解析度的增加，對於圖像編碼器的編碼性能要求也在不斷提高。但是，提高編碼性能勢必會增加編碼器硬體結構的複雜度，難以增加容錯保護電路而導致編碼器的容錯性能下降。如何克服這個矛盾，使得編碼性能和容錯性能在同一個圖像編碼套用系統中兼得？針對這一問題，我們將通過研究自適應硬體結構調整的方法和硬體容錯的方法，針對圖像編碼器電路結構進行最佳化設計，在有限的邏輯資源上實現具有錯誤自修復功能的、能夠根據外部環境變化自適應調整自身硬體結構以增強容錯性能的圖像編碼器硬體系統，滿足深空通信環境的套用需求。

結題摘要

深空通信的最大特點是通信距離遠、測控時延大，這種套用環境下如果圖像編碼器載荷出現故障而依靠地面控制系統來修復的話，會導致探測任務長時間中斷，影響關鍵科學數據的及時獲取。因此，研究具有線上自修復功能的強容錯圖像編碼器顯得尤為重要。為了使得編碼性能和容錯性能在同一個圖像編碼套用系統中兼得，我們通過研究自適應硬體結構調整的方法和硬體容錯的方法，針對圖像編碼器電路結構進行最佳化設計，在有限的邏輯資源上實現了低存儲、多級變換復用DWT的VLSI電路結構，僅消耗1179個FPGA的Slices資源的情況下實現了接近96MPixels/s的處理速率，設計實現了基於重要性信息糾錯的比特平面並行的BPE編碼器電路，使用電路高級綜合的方式設計實現了批量處理單元動態管理調度的電路結構，具有靈活的擴展性，已將其套用到了DNA序列分析的BWA-MEM算法的FPGA加速，取得了相比於24核CPU約26倍的速度提升。設計實現了JPEG-LS無損、近無損圖像編碼器的VLSI結構，處理速度達到了66MPixels/s；設計實現了JPEG-LS近無損圖像壓縮的碼率控制算法及其硬體結構，相對於已有的動態碼率控制算法，具有碼率控制精確度高，收斂速度快等優點。作為本項目的方法套用部分，我們成功完成了“天宮2號”伴星可見光圖像的容錯編碼器設計工作，並將一些電路結構最佳化設計方法和容錯設計、分析評估方法套用在了“嫦娥5號”載荷數據處理器圖像壓縮單元的硬體系統設計。作為本項目的延續擴展工作，我們將在我國火星探測工程中的環繞器中分、高分相機圖像的壓縮編碼任務中，借鑑使用我們已做的DWT和BPE編碼器電路結構，而在火星探測器載荷中的高光譜圖像壓縮編碼器設計中將採用我們已做的JPEG-LS近無損圖像編碼器及碼率控制實現結構。