月基光学望远镜科学数据处理与快视方法
【专利摘要】本发明公开了一种月基光学望远镜科学数据的处理与快视方法，其包括：步骤1：将接收到的数据进行位同步、帧同步、解扰和译码，得到有效载荷的数据源包；步骤2：将所述有效载荷数据源包进行解包、去源包包头，并分别提取各个有效载荷的科学数据块；步骤3：将得到的月基光学望远镜科学数据块进行拼接，形成月基光学望远镜科学图像数据帧；步骤4：根据图像数据格式，如果为压缩图像数据，则对拼接得到的月基光学望远镜科学图像数据帧进行图像数据解压缩；步骤5：重采样并显示所述图像数据。
【专利说明】月基光学望远镜科学数据处理与快视方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及图像处理【技术领域】，尤其涉及一种月基光学望远镜(简称MUVT)科学数据的处理与快视方法，可实现对月基光学望远镜科学数据的实时处理和显示。
【背景技术】
[0002]月基光学望远镜是我国嫦娥三号工程中月球探测器着陆器的有效载荷，它承担月基光学天文观测的科学任务，这是人类首次实现依托地外天体平台开展自主天文观测。将充分利用月球没有大气干扰和白转缓慢的优势，月基光学望远镜的主要科学目标是在近紫外波段，对各种天文变源的亮度变化行为进行长时间的连续监测；选区巡天观测:监测对象主要有含致密星的相互作用双星、巨大黑洞对应的活动星系核、剧烈磁活动主导的色球活动星、短周期脉动变星等，为恒星演化、致密星和黑洞物理、高能天体等基础科学课题提供支持。仪器在科学探测过程中，为了确保MUVT能够运行正常并获得准确地和高精度的探测数据，需要实时监视设备的运行状态，需要对下传的探测数据进行实时处理和显示。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明提出了一种月基光学望远镜科学数据的处理与快视方法，其包括:
[0004]步骤1:将接收到的数据进行位同步、帧同步、解扰和译码，得到有效载荷的数据源包；
[0005]步骤2:将所述有效载荷数据源包进行解包、去源包包头，并分别提取各个有效载荷的科学数据块；
[0006]步骤3:将得到的月基光学望远镜科学数据块进行拼接，形成月基光学望远镜科学图像数据帧；
[0007]步骤4:根据图像数据格式，如果为压缩图像数据，则对拼接得到的月基光学望远镜科学图像数据帧进行图像数据解压缩；
[0008]步骤5:重采样并显示所述图像数据。
[0009]本发明针对月基天文望远镜的科学数据实时处理与监视显示的方法:对实时下传的探测器数据进行接收、传输和快视。依据MUVT的设备状态和数据特征，采用不同的模式处理和显示MUVT探测数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明中月基光学望远镜科学数据的快视方法流程图；
[0011]图2是本发明中原始图像的数据格式示意图；
[0012]图3是本发明中原始图像中图像数据的具体数据格式示意图；
[0013]图4是本发明中整幅图像的数据格式示意图；
[0014]图5是本发明中窗口图像的数据格式示意图；
[0015]图6是本发明中科学数据处理流程示意图；
[0016]图7是本发明中月基光学望远镜科学数据块的数据格式示意图；
[0017]图8是本发明中科学数据库中导头信息的数据格式示意图。
【具体实施方式】
[0018]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0019]图1示出了本发明提供的一种月基光学望远镜科学数据的快视方法流程图。如图1所示，该方法包括:
[0020]步骤101:接收月基光学望远镜下传的科学数据；
[0021]步骤102:对接收到的科学数据进行处理并显示。
[0022]依此方法，可完成对月基光学望远镜的科学数据的信道处理、科学数据重组、科学数据的快速处理转换等，支持数据的快视显示，实时监视仪器的运行和探测状态。
[0023]下面就上述方法的各个步骤的细节进行详细描述。
[0024]接收到的科学数据的格式如下:
[0025]月基光学望远镜下传的科学数据流以帧为单位，每一帧数据包括帧头信息和科学数据两部分，帧头信息的长度固定，长度恰好为CCD图像单行的长度，占一行。科学数据下传包括五种模式:原始图像、整幅不压缩图像、整幅无损压缩图像、窗口不压缩图像和窗口无损压缩图像。五种下传模式判读主要通过下传图像帧头来区分，帧头固定两字节内容用来区分图像类别。
[0026]整幅图像模式(原始图像、整幅不压缩、整幅压缩)结尾有6字节标志结束巴克码。
[0027]其中，原始图像由帧头与图像数据两部分构成，实际帧头信息包含帧同步标志、望远镜主体附加信息、其余帧头信息字节为填充，所述望远镜主体附加信息用于标识与望远镜仪器设备工作相关的参数和与获取图像相关的参数，包括望远镜曝光相关信息、LED灯状态、校验和通信信息等。图像数据在帧头数据后，其大小固定；每一行图像数据首先是行同步标志和行计数，然后为真实图像行数据。具体格式见图2。
[0028]进一步地，所述图像数据又可细分为OverScan区、Dark区和有效像元区,如图3所示:其中，从列上看，前两列是行同步和行计数，接着是OverScan区列和Dark区列，中间矩形阵列为有效像元区，之后又是Dark列和OverScan区列，矩形阵列有效像元下方是Dark行。所述OverScan区为过扫描有效数据区域；所述Dark区为暗场有效数据区域。
[0029]对于不压缩整幅图像，其与原始图像区别在于:包含载荷电控箱附加帧头和数据经过RS冗余编码。所述载荷电控箱附加帧头用于标识望远镜设备工作状态和图像获取参数，包括图像类型、观测序号、制冷器温度、转台信息和窗口信息等。
[0030]不压缩整幅图像由帧头与图像数据两部分构成，帧头信息包括帧同步信息、望远镜主体附加信息、载荷电控箱附加帧头信息，其余为填充。图像数据在帧头数据后，定长；每一行图像首先是行同步和行计数，然后为真实图像行数据，见图4。
[0031]帧头和图像数据都经过RS冗余编码，每固定字节会增加若干定长字节的冗余编码。
[0032]对于压缩整幅图像，其与原始图像区别在于:包含载荷电控箱附加帧头；图像数据中去掉了行同步和行计数；图像数据进行了无损压缩；数据经过RS冗余编码。每一行图像不包括行同步和行计数只有真实图像行数据。
[0033]整幅图像压缩模式下上述数据中帧头不压缩，图像数据分成为η块压缩，前η-1块每块大小一致。压缩之后，每一块压缩码流之前加入同步码，然后做RS编码。编码方式如下:
[0034]帧头与第一块压缩图像(包括同步码)一起进行RS编码，最后不足的字节部分直接输出不进行RS编码；第二块至第η-1块压缩图像(包括同步码)进行RS编码，最后不足的字节部分直接输出不进行RS编码。
[0035]对于不压缩窗口图像，其由帧头与窗口图像数据两部分构成，不压缩窗口图像数据由多个子窗口组成，每个子窗口包括子窗口头部和子窗口数据两部分；子窗口头部前为子窗口同步标志(子窗口同步码)，然后为子窗口左上角行坐标和列坐标，之后是子窗口图像数据，窗口图像数据无行同步和行计数信息。窗口图像格式如图5所示。
[0036]不压缩窗口图像帧头和图像数据都经过RS冗余编码。
[0037]对于压缩窗口图像，其与不压缩窗口图像区别在于:图像数据进行了无损压缩。压缩窗口图像由帧头与窗口图像数据两部分构成。压缩窗口图像数据由多个子窗口组成，每个子窗口包括子窗口头部和子窗口数据两部分；子窗口头部为子窗口同步标志，然后为子窗口左上角行坐标和列坐标，窗口图像数据无行同步和行计数信息。压缩窗口模式下上述数据中帧头不压缩，图像数据无损压缩，最后帧头和压缩后图像数据都经过RS冗余编码。
[0038]月基光学望远镜获取得到的科学数据通过着陆器有效载荷电控箱打包处理后，由LVDS接口发送给着陆器数管分系统，数管分系统对MUVT的科学数据按照虚拟信道进行打包，存储到大容量存储器内，最后通过数传通道传送到地面。月基光学望远镜共有三种下传数据:MUVT工作所产生的数传科学数据，也包含MUVT采集的描述自身工作时的工程参数，如仪器设备的基本状态，温度和电压等参数；还包括卫星通过有效载荷下行数据下行的卫星遥测数据(其中含有卫星采集的有效载荷MUVT遥测参数)。
[0039]本发明中，在接收到上述格式的科学数据之后，需要对其进行处理与快视显示，即执行步骤102。
[0040]具体地，科学数据处理流程见图6所示，具体包括如下步骤:
[0041]步骤201:将接收到的探测器数据进行位同步、帧同步、解扰和译码，得到有效载荷的数据包；
[0042]步骤202:将所述有效载荷数据源包进行解包、去源包包头，并分别提取各个有效载荷的科学数据块；
[0043]其中，该步骤中从数据包中提取完整的CCSDS (Consultative Committee forSpace Data Systems)巾贞:根据成巾贞数据格式,按照长度提取CCSDS数据中贞。
[0044]如图7所示，所接收到的CCSDS数据帧，每帧包括64字节的帧头、1024字节的V⑶U数据区和4字节的帧尾；按照长度，将每帧数据中的VCDU数据区中的数据帧提取出来；所述数据帧包括帧同步码、V⑶U主导头和V⑶U数据单元；其中，所述V⑶U主导头中包括虚拟信道标识符；所述V⑶U数据单元中包括886字节的数据域和RS校验符号，所述886字节的数据域为所述数据帧中的B-PDU数据；所述B-PDU数据中包括2字节的导头信息、4字节的时间码和880字节的位流数据域。
[0045]步骤203:将提取得到的月基光学望远镜科学数据块进行拼接，形成月基光学望远镜科学图像数据帧；
[0046]根据所述CCSDS数据帧结构中的虚拟信道标识，确定MUVT虚拟信道的数据帧(MUVT的虚拟信道VC7的标志符为010000)，提取并拼接形成MUVT的虚拟信道数据。
[0047]如图8所示，由所述CCSDS数据巾贞结构中的B-PDU(bit-protocol-data-unit)的导头信息确定位流数据域的有效数据，然后依据4字节的时间码对所述CCSDS数据帧中的位流数据进行排序，拼接合并成月基光学望远镜科学探测图像数据，同时根据图像帧同步头信息，确定完整的图像数据，提取出拼接完整科学图像数据的第一包B-PDU位流数据的4字节时间码打入图像数据的帧同步头后。
[0048]步骤204:对拼接得到的月基光学望远镜科学数据帧进行图像数据解压缩，具体为:依据图像帧头信息——载荷电控箱帧头格式中的图像类别，除原始图像外的图像数据均需调用解压缩库，进行译码或解压缩:
[0049]整幅不压缩模式下解压缩库进行RS译码，返回RS译码的信息；
[0050]整幅压缩模式解压缩库进行RS译码和图像数据解压缩并填充行同步头和行计数；
[0051 ] 窗口不压缩模式解压缩库进行RS译码；
[0052]窗口压缩模式下解压缩库进行解压缩和RS译码。
[0053]将窗口图像填充为整幅图像(1070*1027*2B):将窗口左上角的行列坐标按顺序填充至载荷电控箱附加帧头后，去掉子窗口同步标志，依据窗口坐标值、子窗口数目、子窗口行数、子窗口列数信息进行子窗口的填充，无有效数据部分以O值填充。需要指出:单帧图像中，所有的子窗口的行数列数相同，载荷电控箱帧头子窗口行数和子窗口列数域统一给出。若出现子窗口实际大小与帧头信息标定的尺寸不符情况，则按实际窗口进行填充；
[0054]步骤205:重采样并显示所述图像数据；
[0055]由于月基光学望远镜输出的图像数据为16bit量化(有符号整数)，而显示所述图像数据的量化值为8bit，即灰度值范围为O?255。因此在对月基图像的单个像元上的计数值(以下简称DN值，data number)进行从16bit到8bit的映射时,可采用以下三种重采样方法进行重采样后，进行显示:
[0056](I)对于图像中各个像元的DN(Digital Number)值取平均,得到平均值mean,所述DN值为所述图像中各个象元的亮度值；计算图像DN值的标准偏差stddev。选取zl =mean-mX stddev, z2 = mean+nX stddev,其中m、n为可设置的系数。然后根据下式将所述图像中各个象元的DN值映射到O?255级灰度级上，得到8bit量化值:
[0057](z-xl) * (z2_zl) / (xO-xl),其中，x0和xl分别为所述图像中象元最大DN值和最小DN值，z为所述图像上当前映射的象元DN值；
[0058](2)对于图像中各个像元的DN值进行排序，找到中值median ;计算图像DN值的标准偏差 stddev。选取 zl = median-mX stddev, z2 = median+ηX stddev,其中 m、n 为可设置的系数。映射方式同上。
[0059](3)选取出图像中DN排列顺序处在c % (其原始灰度级为DN (c%))及Ι-c % (其原始灰度级为DNd-C1^ ))的像元的DN值为zl和z2 ;也就是说剔除灰度最小和最大的c%的DN，将中间1-2父(:％的灰度级映射到O?255，其中c为可设置的系数。具体映射方式同上。
[0060]此外，显示图像时，对于窗口图像，在整帧图像的正确行列处显示子窗口(无子窗口处可为灰度值O)。
[0061]本发明提出的上述方法还包括:
[0062]分别将每个测站接收的MUVT图像数据按照时间码进行单站排序，形成MUVT某次过境某接收站的图像数据。
[0063]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种月基光学望远镜科学数据的处理与快视方法，其包括: 步骤1:将接收到的数据进行位同步、帧同步、解扰和译码，得到有效载荷的数据源包； 步骤2:将所述有效载荷数据源包进行解包、去源包包头，并分别提取各个有效载荷的科学数据块； 步骤3:将得到的月基光学望远镜科学数据块进行拼接，形成月基光学望远镜科学图像数据帧； 步骤4:根据图像数据格式，如果为压缩图像数据，则对拼接得到的月基光学望远镜科学图像数据帧进行图像数据解压缩； 步骤5:重采样并显示所述图像数据。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所接收到的数据包括五种数据格式:原始图像、整幅不压缩图像、整幅无损压缩图像、窗口不压缩图像和窗口无损压缩图像； 其中，所述原始图像由帧头与图像数据两部分构成，帧头包含帧同步标志、望远镜主体附加信息、其余帧头信息字节为填充信息，图像数据在帧头后，其大小固定；每一行图像数据首先是行同步标志和行计数，然后为真实图像行数据； 所述不压缩整幅图像由帧头与图像数据两部分构成，帧头包括帧同步信息、望远镜主体附加信息、载荷电控箱附加帧头信息，其余帧头信息字节为填充信息，图像数据在帧头后，其大小固定；每一行图像数据首先是行同步标志和行计数，然后为真实图像行数据；帧头和图像数据都经过RS冗余编码； 所述压缩整幅图像由帧头与图像数据两部分构成，帧头包括帧同步信息、望远镜主体附加信息、载荷电控箱附加帧头信息，其余帧头信息字节为填充信息，图像数据在帧头后，其大小固定；每一行图像数据只包括真实图像行数据；图像数据进行了无损压缩，帧头和图像数据都经过RS冗余编码； 所述不压缩窗口图像其由帧头与窗口图像数据两部分构成，帧头包括帧同步信息、望远镜主体附加信息、载荷电控箱附加帧头信息；所述窗口图像数据由多个子窗口组成，每个子窗口包括子窗口头部和子窗口数据两部分；子窗口头部前为子窗口同步标志，然后为子窗口左上角行坐标和列坐标，之后是子窗口图像数据，窗口图像数据无行同步和行计数信息；帧头和图像数据都经过RS冗余编码； 所述压缩窗口图像其由帧头与窗口图像数据两部分构成，帧头包括帧同步信息、望远镜主体附加信息、载荷电控箱附加帧头信息；所述窗口图像数据由多个子窗口组成，每个子窗口包括子窗口头部和子窗口数据两部分；子窗口头部前为子窗口同步标志，然后为子窗口左上角行坐标和列坐标，之后是子窗口图像数据，窗口图像数据无行同步和行计数信息；所述窗口图像数据进行了无损压缩；帧头和图像数据都经过RS冗余编码。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述压缩整幅图像中的图像数据分块进行压缩，每一块压缩数据前加入同步码，然后进行RS编码；其中RS编码方式如下: 帧头一第一块压缩图像一起进行RS编码，最后不足的字节部分直接输出而不进行RS编码；第二块至最后一块压缩数据进行RS编码，不足的字节部分直接输出而不进行RS编码。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所接收到的数据为按照虚拟信道进行打包后的数据，每个数据包包括多个帧；每个帧包括帧头、数据区和帧尾，所述数据区中存储CCSDS数据帧，包括帧同步码、主导头和数据单元，所述主导头中包括虚拟信道标识符；所述数据单元中包括B-PDU数据和RS校验符号。
5.如权利要求4所述的方法，其中，步骤2中将所述CCSDS数据帧从数据包中提取出来；步骤3中根据虚拟信道标识符对提取出来的数据帧进行拼接。
6.如权利要求2所述的方法，其中，步骤4中，对形成月基光学望远镜科学图像数据帧中的图像数据类型标识进行判断，并对除原始图像以外的其他类型的图像进行解压缩。
7.如权利要求2所述的方法，其中，步骤4中，对于压缩窗口图像和不压缩窗口图像，进行如下处理，以形成整幅图像: 根据帧头中窗口左上角的行坐标和列坐标，按顺序填充至载荷电控箱附加帧头后，去掉子窗口同步标志，依据窗口坐标值、子窗口数目、子窗口行数、子窗口列数信息进行子窗口的填充，无有效数据部分以O值填充；若出现子窗口实际大小与帧头标定的尺寸不符的情况，则按窗口实际进大小行填充。
8.如权利要求1所述的方法，其中，步骤5中可采用如下三种重采样方式: (1)对于图像中各个像元的DN值取平均，得到平均值mean，所述DN值为所述图像中各个象元的亮度值；计算图像DN值的标准偏差stddev ;选取zl = mean-mX stddev, z2 =mean+nXstddev,其中m、n为可设置的系数； (2)对于图像中各个像元的DN值进行排序，找到中值median;计算图像DN值的标准偏差 stddev ;选取 zl = median-mX stddev, z2 = median+ηX stddev,其中 m、n 为可设置的系数； (3)选取出图像中象元DN值排列顺序处在。％及1-。％的像元的DN值为zl和ζ2； 上述三种方式，计算出zl和ζ2之后，利用下述公式得到重采样后的图像象元值:(z-xl)*(z2_zl)/(xO-xl)； 其中，χΟ和xl分别为所述图像中象元的最大DN值和最小DN值，ζ为所述图像上当前映射的象元DN值。
【文档编号】H04N19/44GK104301670SQ201410465384
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】温卫斌, 王芳, 付强, 李海英, 肖媛, 曹莉, 王涛, 刘建军, 杨建峰, 左维, 苏彦, 李春来 申请人:中国科学院国家天文台