Titelaufnahme

Titel
On-board processing for an infrared observatory / Ahmed Nabil Belbachir
VerfasserBelbachir, Ahmed Nabil
Begutachter / BegutachterinBischof, Horst ; Kerschbaum, Franz
Erschienen2004
UmfangXV, 150 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Infrarotastronomie / Weltraumteleskop / Bildverarbeitung / Datenkompression
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-10539 Persistent Identifier (URN)
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On-board processing for an infrared observatory [10.26 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen dem Forschungsfeld der Astronomie und der digitalen Bildverarbeitung, die neue Perspektiven in beiden dieser Gebiete eröffnet. Einerseits profitieren die Astronomen von den neuen Verarbeitungsprozessen und Analysemethoden, der verbesserten Leistungsfähigkeit sowie der Qualität der Ergebnisse, andererseits erschließt sich den Technikern ein neuer Forschungs- und Anwendungsbereich.

Ein Beispiel hierfür ist die digitale Bildverarbeitung, die durch einWeltraumprogramm initiiert wurde, ja sogar die Bildkompression hatte ihren Ursprung in einer Weltraumanwendung.

Das Ziel dieser Arbeit ist die Erkennung und die Entwicklung neuer Methoden und Software-Werkzeuge für Weltraum-Observatorien, um Kompressionsstandards in der Weltraumastronomie einzuführen. Für die Validierung der Ergebnisse wurde der Fall von Infrarotastronomie besonders analysiert. Die verwendeten Weltraumtechnologien haben grundsätzlich einen besonderen technologischen Aufbau und sind mannigfaltigen äußeren Einflüssen ausgesetzt. Vor allem Infrarotdetektoren unterscheiden sich von herkömmlichen bildgebenden Instrumenten durch ihre höhere Ausleserate, was einen sehr viel höheren Datenstrom bedingt.

Diese Arbeit stellt eine Lösung für die Infrarotastronomie dar, wobei das Konzept "On-Board Verarbeitung" (OBP) für optimale Nützung der Telemetriebandbreite und der limitiert On-Board Ressourcen eingeführt ist. JPEG 2000 könnte eine intuitive Lösung sein um die Telemetrie-Anforderungen zu erfüllen. Eine große wissenschaftliche und wirtschaftliche Gesellschaft beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Verbesserung dieser Bildkompressionsstandards.

Jedoch zeigen wir mit einem einfachen Beispiel in Kapitel 4.3, daß JPEG 2000 nicht für Infrarotastronomie geeignet ist, während OBP die optimale Lösung liefert. Thermische Infrarot Sensordaten enthalten das "Source" Signal und den Ungewünschte "Background", der tausendmal grösser als das Signal ist. Deswegen kann die generische Quantisierung (z.b. Fall von JPEG 2000) relevante Informationsverluste zur Folge haben, während OBP unter Einbeziehung von Sensoren "Know-How", die einzige Lösung für optimale Leistung ist.

Die Vorgehensweise besteht aus der Kodierung der Daten, wodurch die Redundanz in den Infrarotbildern über den Gebrauch eines Dictionarys ausgenutzt wird. Die Daten werden dann mit einem neuartigen Kompressionsalgorithmus reduziert. Die Beurteilung der Leistung der Algorithmen erfolgt unter der Rücksichtnahme von Kompressionsverhältnis, Qualität des Resultats und Komplexität des Algorithmus. Die Auswirkung auf die Zukunft der Informationstechnologie soll die Entwicklung von Datenübermittlungssystemen sein, wobei die Kommunikationsbandbreite, die Qualtität der Ergebnisse, und die Datenarchivierung berücksichtigt werden. Die OBP Lösung hat ein verbessertes Kompressionsverhältnis und qualitativ hochwertigere Ergebnisse im Vergleich zu "state-of-the art" Kompressionsalgorithmen, was eine weitere Reduzierung des Datentransfers beim Infrarot Weltraumsatelliten-downlink zur Folge hat.

Zusammenfassung (Englisch)

During the past two decades, image compression has developed from a mostly academic Rate-Distortion (R-D) field, into a highly commercial business. Various lossless and lossy image coding techniques have been developed.

This thesis represents an interdisciplinary work between the field of astronomy and digital image processing and brings new aspects into both of the fields. In fact, image compression had its beginning in an American space program for efficient data storage. The goal of this research work is to recognize and develop new methods for space observatories and software tools to incorporate compression in space astronomy standards. While the astronomers benefit from new objective processing and analysis methods and improved efficiency and quality, for technicians a new field of application and research is opened. For validation of the processing results, the case of InfraRed (IR) astronomy has been specifically analyzed.

This work presents a solution for infrared astronomy, where the concept of On-Board Processing (OBP) is introduced for efficient exploitation of the telemetry bandwidth and the budget-limited space observatories.

Indeed, IR astronomy, most commonly, requires space observatories because the Universe cannot be accessed from ground in the full IR range as Earth's atmosphere blocks most IR wavelengths. Thus, IR astronomy is a good candidate to support our investigation. Furthermore, IR imaging with dedicated observations requires specific techniques with a complex semiconductors technology.

Thus, the resulting data is very sensitive to noise, which make the feasibility of our approach challenging.

IR detectors consist, as a rule, of fewer pixels than those for the visual range, but the design of multi-sensor instruments for space applications with special technologies and a harsh radiation environment require high readout rates leading again to larger data volumes.

Therefore, although many applications exist, which generate or manipulate astronomical data (including wavelet-based methods), transmitting image information still faces a bottleneck such that the proposed techniques are often ad-hoc and sometimes inconsistent. One intuitional solution can be the JPEG 2000 standard to achieve the telemetry requirements. Indeed, a large scientific and commercial community is contributing for the development and the improvement of the JPEG 2000 compression codec. We demonstrate with a simple example the limitation of this compression method (JPEG 2000), concerning this astronomical application while OBP outperforms this generic compression codec.

Indeed, thermal IR detector raw data (at wavelengths > 5m) consist of two constituent contributions: the source signal, and the unwanted background. The background is generally higher than the source signal in the order of several thousands. Therefore, generic quantization (e.g.

case of JPEG 2000) may lead to drop away the relevant information, while a dedicated compression technique using infrared detector knowledge is the only way to optimal performance.

The performance of this solution (OBP) is being measured by considering the compression ratio, result quality and algorithmic complexity. A new complexity analysis and measure is developed for Digital Signal Processor (DSP) architecture. The OBP complexity is evaluated for the Analog Device processor ADSP 21020. The impact of this research on the future of information technology is to develop data delivery systems where communication bandwidth and quality are at a premium and archival storage is a costly endeavor. This new framework has an improved compression ratio and result quality over the best-known pre-existing compression algorithms, which will lead to a reduction of the data traffic for infrared observatories.