深空通信中的自适应容错图像编码器实现方法研究

Super long-distance is the main charicteristic of deep space communication, which induces large control delay. Under this environment, it is unacceptable to repair the image coder through telecommands transmitted by the ground control system when it occurs failure, because that would lead to long-time function interruption and lost of important science data. Therefore, it is especially crucial to propose a high fault-tolerant image coder with self-healing feature. With an increasing growth of image type and resolution, the requirement for high encoding performance enlarges. However, improving encoding performance certainly will increace the complexity of hardware structure of encoder, which makes the fault-tolerant property of encoder declines for the lack of redundant resource to add error protection circuits. How to solve the conflict between encoding performance and fault-tolerance? To this problem, by thorough research on the methods of adaptive fault-tolerant hardware structure design, we will design and implement an self-healing image coding hardware system on resource limited platform that could adaptively change itself hardware architecture to accommodate environment variation satisfied for application requirement in deep space commumication.

深空通信的最大特点是通信距离远、测控时延大，这种应用环境下如果图像编码器载荷出现故障而依靠地面控制系统来修复的话，会导致探测任务长时间中断，影响关键科学数据的及时获取。因此，研究具有在线自修复功能的强容错图像编码器显得尤为重要。然而，随着深空探测图像类型和分辨率的增加，对于图像编码器的编码性能要求也在不断提高。但是，提高编码性能势必会增加编码器硬件结构的复杂度，难以增加容错保护电路而导致编码器的容错性能下降。如何克服这个矛盾，使得编码性能和容错性能在同一个图像编码应用系统中兼得？针对这一问题，我们将通过研究自适应硬件结构调整的方法和硬件容错的方法，针对图像编码器电路结构进行优化设计，在有限的逻辑资源上实现具有错误自修复功能的、能够根据外部环境变化自适应调整自身硬件结构以增强容错性能的图像编码器硬件系统，满足深空通信环境的应用需求。

深空通信的最大特点是通信距离远、测控时延大，这种应用环境下如果图像编码器载荷出现故障而依靠地面控制系统来修复的话，会导致探测任务长时间中断，影响关键科学数据的及时获取。因此，研究具有在线自修复功能的强容错图像编码器显得尤为重要。为了使得编码性能和容错性能在同一个图像编码应用系统中兼得，我们通过研究自适应硬件结构调整的方法和硬件容错的方法，针对图像编码器电路结构进行优化设计，在有限的逻辑资源上实现了低存储、多级变换复用DWT的VLSI电路结构，仅消耗1179个FPGA的Slices资源的情况下实现了接近96MPixels/s的处理速率，设计实现了基于重要性信息纠错的比特平面并行的BPE编码器电路，使用电路高级综合的方式设计实现了批量处理单元动态管理调度的电路结构，具有灵活的扩展性，已将其应用到了DNA序列分析的BWA-MEM算法的FPGA加速，取得了相比于24核CPU约26倍的速度提升。设计实现了JPEG-LS无损、近无损图像编码器的VLSI结构，处理速度达到了66MPixels/s；设计实现了JPEG-LS近无损图像压缩的码率控制算法及其硬件结构，相对于已有的动态码率控制算法，具有码率控制精确度高，收敛速度快等优点。作为本项目的方法应用部分，我们成功完成了“天宫2号”伴星可见光图像的容错编码器设计工作，并将一些电路结构优化设计方法和容错设计、分析评估方法应用在了“嫦娥5号”载荷数据处理器图像压缩单元的硬件系统设计。作为本项目的延续扩展工作，我们将在我国火星探测工程中的环绕器中分、高分相机图像的压缩编码任务中，借鉴使用我们已做的DWT和BPE编码器电路结构，而在火星探测器载荷中的高光谱图像压缩编码器设计中将采用我们已做的JPEG-LS近无损图像编码器及码率控制实现结构。