۱۳۹۹/۰۶/۱۸ ۱۲:۳۵ ۷۲
طبقه بندی: داده ها و سنجنده ها
چچ
چگونگی و روش های فشرده سازی داده های ماهواره ای

چگونگی و روش های فشرده سازی داده های ماهواره ای

محدودیت فضای ذخیره‌سازی داده در ماهواره و از طرفی محدودیت‌های لینک مخابراتی جهت مخابره داده از فضا به زمین، فناوری فضایی را به سمت استفاده از روش‌های مختلف فشرده‌سازی داده سوق داده است. در این تحقیق به چگونگی و روش های فشرده سازی پرداخته شده است.

حجم داده‌ های تولید شده در ماهواره‌ های تصویربرداری به مؤلفه‌ های سنجنده وابسته است. این مؤلفه‌ها شامل قدرت تفکیک مکانی، قدرت تفکیک طیفی، پهنای نوار جاروب و نرخ کوانتیزاسیون است. به‌ صورت کلی در تصاویر ماهواره‌ای فشرده‌ سازی از طریق حذف یک یا سه افزونگی داده انجام می‌گیرد که عبارت‌اند از:

  1. افزونگی رمزنگاری
  2. افزونگی مکانی
  3. افزونگی طیفی

افزونگی رمزنگاری، ناشی از کلمات رمز کمتر از بهینه (کوچک‌ترین طول)، افزونگی مکانی ناشی از همبستگی بین پیکسل‌ های مجاور در دنباله تصاویر و افزونگی طیفی ناشی از همبستگی بین باندهای طیفی است. شکل ذیل بلوک دیاگرام یک سامانه فشرده‌سازی تصویر را نشان می‌دهد. همان‌گونه که مشاهده می‌شود سامانه‌های فشرده‌سازی شامل دو بلوک ساختاری مجزای رمز کننده و رمزگشا می‌باشند. تصویر f(x,y) به رمز کننده وارد می‌شود که مجموعه‌ای از نمادها را از داده‌های ورودی تولید می‌کند و از آن‌ها برای نمایش تصویر استفاده می‌کند. بنابراین در فشردگی تصویر با از بین رفتن افزونگی حاضر داده‌ها، تعداد بیت‌ های مورد نیاز برای ارائه تصویر کاهش می‌یابد. اگر فرض کنیم n1 و n2 به ترتیب تعداد واحدهای حامل اطلاعات (بیت) در تصاویر اصلی و رمز شده باشند، فشرده‌سازی که انجام می‌گیرد می‌تواند به‌طور عددی توسط نسبت فشرده‌سازی (CR=n1/n2)، کمی ‌شود. نسبت فشرده‌سازی 1:10 نشان می‌دهد که تصویر اصلی، برای هر واحد در مجموعه داده فشرده‌ شده دارای 10 واحد حامل اطلاعات (بیت) است. برای مشاهده تصویر فشرده‌شده (رمزگذاری شده)، باید آن تصویر وارد رمزگشا شود، که در آنجا یک تصویر خروجی بازسازی‌ شده، تولید می‌شود.


بلوک دیاگرام یک سامانه فشرده‌سازی تصویر
شکل 1 – بلوک دیاگرام یک سامانه فشرده‌ سازی تصویر


فشرده‌ سازی در دو نوع بدون اتلاف و با اتلاف صورت می‌ گیرد؛ در فشرده‌ سازی بدون اتلاف، هنگام بازگردانی تصویر فشرده، داده‌ های اصلی را می‌توان به‌صورت دقیق بازتولید کرد اما در فشرده‌ سازی با اتلاف، این امکان وجود ندارد. به‌ عبارتی‌ دیگر تصویر نهایی در فشرده‌سازی با اتلاف، نسخه دقیقی از داده‌ های اصلی ارائه نمی‌ کند. فشرده‌سازی با اتلاف در تصاویر با قدرت تفکیک مکانی بالا و داده‌ های فراطیفی بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ دقت استخراج اطلاعات از داده‌ های بازتولید شده به این روش، صرف‌ نظر از میزان از دست دادن داده در نتیجه فشرده‌ سازی، به عوامل متعددی ازجمله نوع تحلیل داده، الگوریتم مورداستفاده و ماهیت عوارض در تصویر بستگی دارد. به‌طور خلاصه در کاربردهای خاص باید ارزیابی‌هایی انجام شود تا نسبت فشرده‌ سازی بهینه مشخص شود. در ادامه به معرفی استاندارد JPEG، معروف‌ترین استاندارد فشرده‌سازی تصویر پرداخته‌ شده است.


استاندارد JPEG
جامع‌ ترین استانداردهای فشرده‌سازی که در سال 1992 معرفی شد، استاندارد JPEG است. این استاندارد بر مبنای تبدیل کسینوسی گسسته است و برای اغلب کاربردهای فشرده‌سازی مناسب است. تصاویر ورودی و خروجی در این استاندارد 8 بیتی می‌باشند، درحالی‌ که مقادیر ضریب تبدیل کسینوس گسسته کمی شده، به 11 بیت محدود شده‌اند. مرحله نخست در فرآیند فشرده‌سازی JPEG، تقسیم تصویر ورودی به بلوک‌های از پیکسل‌های غیر همپوشانی با اندازه 8 در 8 است. سپس آن‌ها از چپ به راست و بالا به پایین پردازش می‌شوند. هنگامیکه هر زیرتصویر 8 در 8 پردازش شد، 64 پیکسل آن به لحاظ سطح شیفت داده می‌شوند و برای این کار 2m-1 از آن‌ها تفرق می‌شود که 2m، تعداد سطوح خاکستری در تصویر است و تبدیل کسینوسی گسسته دوبعدی آن محاسبه می‌شود. سپس ضرایب حاصل، هم‌زمان به‌صورت زیر کمی‌ سازی و عکس نرمال‌سازی می‌شود:


تبدیل کسینوسی گسسته دو بعدی


که T'(u,v) برای u,v=0,1,…,7 ضرایب عکس نرمال‌ سازی و کمی‌ سازی، T(u,v) تبدیل کسینوس گسسته مربوط به بلوک 8 در 8 تصویر f(x,y) و Z(u,v) آرایه نرمال‌ سازی تبدیل است. با مقیاس بندی Z گستره‌ای از نرخ‌ های فشرده‌ سازی و کمیت‌ های تصویر بازسازی‌ شده حاصل می‌گردد. پس‌ ازاینکه هر ضریب تبدیل کسینوس گسسته بلوک کمی شد،‌ عناصر T'(u,v) با الگوی زیگزاگی دوباره مرتب می‌شوند. چون آرایه یک‌ بعدی با ترتیب مجدد، به‌طور کمی بر اساس فرکانس مکانی به‌ صورت صعودی مرتب‌شده است، در پایان فرآیند، با اعمال رمزگذار نماد از امتیاز رشته‌ای طولانی از صفرهای حاصل از ترتیب مجدد جهت بهینه سازی فشرده سازی استفاده می گردد.
قابلیت مقیاس‌بندی آرایه مذکور، شرایطی را فراهم می‌کند تا کیفیت فشرده‌سازی توسط کاربر تعیین شود؛ این قابلیت از ویژگی‌های شاخص استاندارد فشرده‌سازی JPEG محسوب می‌شود. استانداردهای فشرده سازی دیگری نظیرBMP، PNG و TIFF وجود دارند که برای مطالعه بیشتر می‌توان به مراجع مربوط رجوع کرد.


آدرس کوتاه شده: