ICER: Формат сжатия изображений для марсоходов NASA

Введение

Формат файла сжатия изображений

ICER — это формат файла сжатия изображений, основанный на вейвлетах, который используется марсоходами NASA. ICER поддерживает как сжатие с потерями, так и без потерь. Марсоходы Spirit и Opportunity использовали ICER. Бортовое сжатие изображений широко применяется для оптимального использования пропускной способности канала связи с Землей. Марсоход Curiosity поддерживает использование ICER для своих навигационных камер (однако для всех остальных камер используются другие форматы файлов). Большинство изображений, полученных в рамках миссии MER, сжаты с помощью программного обеспечения для сжатия изображений ICER. Для сжатия остальных изображений MER используется модифицированное программное обеспечение LOCO (Low Complexity Lossless Compression) – подрежим сжатия без потерь, являющийся частью ICER. ICER — это вейвлет-компрессор, обеспечивающий гибкий компромисс между степенью сжатия (измеряемой объемом сжатых данных в битах на пиксель) и ухудшением качества изображения (искажениями). ICER имеет некоторые сходства с JPEG2000 в отношении определенных вейвлет-операций. Разработка ICER была обусловлена стремлением к достижению высокой эффективности сжатия при одновременном удовлетворении специфических требований к приложениям в дальнем космосе.

Практические соображения

Для контроля качества изображения и степени сжатия в ICER пользователь задает квоту байтов (номинальный объем байтов, используемый для хранения сжатого изображения) и параметр уровня качества (фактически, целевое значение качества). ICER стремится создать сжатое изображение, соответствующее заданному уровню качества, используя при этом минимально возможное количество сжатых байтов. Процесс создания сжатых байтов прекращается, как только достигнут либо заданный уровень качества, либо квота байтов – в зависимости от того, что произойдет раньше. Такая организация обеспечивает большую гибкость по сравнению с компрессорами (например, JPEG-компрессором, использованным в Mars Pathfinder), которые предоставляют только один параметр для управления качеством изображения. При использовании ICER, если основной проблемой является пропускная способность, доступная для передачи сжатого изображения, можно установить целевой уровень качества на без потерь, а заданная квота байтов определит степень сжатия. С другой стороны, если единственным важным фактором является минимально допустимое качество изображения, можно указать достаточно большую квоту байтов, и степень сжатия будет определяться заданным уровнем качества. Для обеспечения устойчивости к ошибкам ICER формирует сжатый битовый поток в виде отдельных фрагментов или сегментов, которые могут быть декодированы независимо друг от друга. Эти сегменты представляют собой прямоугольные области исходного изображения, но определены в пространстве преобразований. Если бы изображение было разделено напрямую, а волновое преобразование применялось бы отдельно к каждому сегменту, то при сжатии с потерями границы между сегментами, как правило, были бы заметны на восстановленном изображении, даже если бы не было потеряно сжатых данных. Поскольку ICER предоставляет возможность автоматической настройки количества сегментов, эффективность сжатия можно оптимизировать в зависимости от необходимости защиты от потери пакетов, учитывая различные уровни ошибок канала. Увеличение количества сегментов не всегда негативно влияет на эффективность сжатия: многие изображения наиболее эффективно сжимаются с использованием 4–6 сегментов (для изображений с мегапиксельным разрешением), поскольку различные области изображения попадают в разные сегменты.

To control the image quality and amount of compression in ICER, the user specifies a byte quota (the nominal number of bytes to be used to store the compressed image) and a quality level parameter (which is essentially a quality goal). ICER attempts to produce a compressed image that meets the quality level using as few compressed bytes as possible. It stops producing compressed bytes once the quality level or byte quota is met, whichever comes first. This arrangement provides added flexibility compared to compressors (like the JPEG compressor used on Mars Pathfinder) that provide only a single parameter to control image quality. Using ICER, when the primary concern is the bandwidth available to transmit the compressed image, one can set the quality goal to lossless and the given byte quota will determine the amount of compression obtained. At the other extreme—when the only important consideration is a minimum acceptable image quality—it is possible to specify sufficiently large byte quota and the amount of compression will be determined by the quality level specified. To achieve error containment, ICER produces the compressed bitstream in separate pieces or segments that can be decoded independently. These segments represent rectangular regions of the original image, but are defined in the transform domain. If, instead, the image were partitioned directly and the wavelet transform separately applied to each segment, under lossy compression the boundaries between segments would tend to be noticeable in the reconstructed image even when no compressed data is lost. Since ICER provides a facility for automated flexibility in choosing the number of segments, compression effectiveness can be traded against packet loss protection, thereby accommodating different channel error rates. More segments are not always bad for compression effectiveness: many images are most effectively compressed using 4 to 6 segments (for megapixel images) because disparate regions of the image end up in different segments.

Когда следует использовать ICER или ICER-3D

ICER был разработан для маломощных 32-битных процессоров (фактически, встраиваемых компьютеров) на космических аппаратах. В конечном итоге он был использован в марсоходах. Он никогда не применялся в приложениях реального времени, только в околореальном времени. JPEG2000 используется многими приложениями для обработки изображений как в околореальном, так и в реальном времени (цифровое кино, вещание). Главное преимущество кодека заключается в его отсутствии лицензионных отчислений (JPEG2000 PART1). Комитет JPEG заявил: «Всегда одной из главных целей комитета JPEG было обеспечение возможности реализации его стандартов в базовой конфигурации без выплаты роялти и лицензионных сборов. [ ] Достигнуты соглашения с более чем 20 крупными организациями, владеющими многочисленными патентами в этой области, разрешающие использование их интеллектуальной собственности в связи со стандартом без уплаты лицензионных сборов или роялти». Программное обеспечение удалённой графики Hewlett Packard использует видеокодек HP3 (кодек), который, как утверждается, основан на алгоритме сжатия, использованном в марсоходах – это может быть реализацией ICER в реальном времени. ICER предлагает новый режим под названием Spectral+ICER, который позволяет достичь более низкого уровня искажений (также известных как ошибки в градациях серого) при использовании изображений ICER. Пока этот режим применяется только в Mars Pathfinders, но в будущем может быть включён в стандарт ICER.