Frank RabeSchnelle Bilddatenkompression für Raumfahrtanwendungen

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Der Autor beschreibt ein spezialisiertes Verfahren zur Kompression der Bilddaten einer CCD-Kamera. Es wird bei der wissenschaftlichen Weltraummission Cassini zum Planeten Saturn eingesetzt (Start geplant für 1997). Sämtliche Darstellungen werden am Beispiel der DISR-Kamera der europäischen Cassini-Huygens-Probe zum Saturnmond Titan konkretisiert. Sowohl die verwendete Kamera als auch die Saturn-Mission sind typische Vertreter ihrer jeweiligen Klasse. Die dargestellten Ergebnisse sind daher ohne weiteres auf andere Kameras bzw. Missionen übertragbar. Die Bedingungen an Bord einer Deep-Space-Weltraumsonde unterscheiden sich ganz wesentlich von denen auf der Erde. Die resultierenden besonderen Anforderungen werden ausführlich diskutiert und durch aktuelles Zahlenmaterial von NASA- und ESA-Missionen konkretisiert. Insbesondere interessieren hier die geforderte hohe Zuverlässigkeit der Hardware, die Merkmale der Datentelemetrie, die knappen Ressourcen Masse/Energie und die Schädigungsmechanismen der Weltraumstrahlung.

Es stellt sich die Frage, inwieweit sich Standardverfahren zur Datenkompression auch für den Weltraumeinsatz eignen. Beschrieben werden daher Funktionsweise und Leistungsmerkmale mehrerer bekannter verlustfreier Verfahren: Huffman-, arithmetische, Prädiktions- und LZW-Codierung. Als besonders interessant stellt sich das bisher schlecht dokumentierte und daher wohl wenig beachtete Verfahren nach Robert F. Rice heraus, dessen Wirkungsweise hier übersichtlich dargestellt wird.

Bei den verlustbehafteten Kompressionsverfahren hat sich im kommerziellen Bereich der JPEG-DCT-Standard durchgesetzt. Angestellte Untersuchungen der Übertragungssicherheit und detaillierte Aufwandsabschätzungen machen jedoch deutlich, dass es sich für eine Weltraummission nicht eignet. Daher wird ein speziell zugeschnittenes JPEG-Derivat abgeleitet. Für die interessierenden Arbeitsbereiche liefert dieses Verfahren bei erheblich reduzierten Ressourcenanforderungen eine nur unwesentlich geringere Bildqualität. Zusätzlich verfügt das Verfahren über Einstellmöglichkeiten der Kompressionsrate bzw. der Bildqualität. Die Beschreibung einer universellen, skalierbaren Hardware-Architektur für das JPEG-Derivat einschließlich der experimentellen Verifikation vervollständigt die Darstellung.

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