Remote Sensing Data Compression

A huge amount of data is acquired nowadays by different remote sensing systems installed on satellites, aircrafts, and UAV. The acquired data then have to be transferred to image processing centres, stored and/or delivered to customers. In restricted scenarios, data compression is strongly desired or necessary. A wide diversity of coding methods can be used, depending on the requirements and their priority. In addition, the types and properties of images differ a lot, thus, practical implementation aspects have to be taken into account. The Special Issue paper collection taken as basis of this book touches on all of the aforementioned items to some degree, giving the reader an opportunity to learn about recent developments and research directions in the field of image compression. In particular, lossless and near-lossless compression of multi- and hyperspectral images still remains current, since such images constitute data arrays that are of extremely large size with rich information that can be retrieved from them for various applications. Another important aspect is the impact of lossless compression on image classification and segmentation, where a reasonable compromise between the characteristics of compression and the final tasks of data processing has to be achieved. The problems of data transition from UAV-based acquisition platforms, as well as the use of FPGA and neural networks, have become very important. Finally, attempts to apply compressive sensing approaches in remote sensing image processing with positive outcomes are observed. We hope that readers will find our book useful and interestin

Lossless compression of satellite multispectral and hyperspectral images

En esta tesis se presentan nuevas técnicas de compresión sin pérdida tendientes a reducir el espacio de almacenamiento requerido por imágenes satelitales. Dos tipos principales de imágenes son tratadas: multiespectrales e hiperespectrales. En el caso de imágenes multiespectrales, se desarrolló un compresor no lineal que explota tanto las correlaciones intra como interbanda presentes en la imagen. Este se basa en la transformada wavelet de enteros a enteros y se aplica sobre bloques no solapados de la imagen. Diferentes modelos para las dependencias estadísticas de los coeficientes de detalle de la transformada wavelet son propuestos y analizados. Aquellos coeficientes que se encuentran en las subbandas de detalle fino de la transformada son modelados como una combinación afín de coeficientes vecinos y coeficientes en bandas adyacentes, sujetos a que se encuentren en la misma clase. Este modelo se utiliza para generar predicciones de otros coficientes que ya fueron codificados. La información de clase se genera mediante la cuantización LloydMax, la cual también se utiliza para predecir y como contextos de condicionamiento para codificar los errores de predicción con un codificador aritmético adaptativo. Dado que el ordenamiento de las bandas también afecta la precisión de las predicciones, un nuevo mecanismo de ordenamiento es propuesto basado en los coeficientes de detalle de los últimos dos niveles de la transformada wavelet. Los resultados obtenidos superan a los de otros compresores 2D sin pérdida como PNG, JPEG-LS, SPIHT y JPEG2000, como también a otros compresores 3D como SLSQ-OPT, JPEG-LS diferencial y JPEG2000 para imágenes a color y 3D-SPIHT. El método propuesto provee acceso aleatorio a partes de la imagen, y puede aplicarse para la compresión sin pérdida de otros datos volumétricos. Para las imágenes hiperespectrales, algoritmos como LUT o LAIS-LUT que revisten el estado del arte para la compresión sin pérdida para este tipo de imágenes, explotan la alta correlación espectral de estas imágenes y utilizan tablas de lookup para generar predicciones. A pesar de ello, existen casos donde las predicciones no son buenas. En esta tesis, se propone una modificación a estos algoritmos de lookup permitiendo diferentes niveles de confianza a las tablas de lookup en base a las variaciones locales del factor de escala. Los resultados obtenidos son altamente satisfactorios y mejores a los de LUT y LAIS-LUT. Se han diseñado dos compresores sin pérdida para dos tipos de imágenes satelitales, las cuales tienen distintas propiedades, a saber, diferente resolución espectral, espacial y radiométrica, y también de diferentes correlaciones espectrales y espaciales. En cada caso, el compresor explota estas propiedades para incrementar las tasas de compresión.In this thesis, new lossless compression techniques aiming at reducing the size of storage of satellite images are presented. Two type of images are considered: multispectral and hyperspectral. For multispectral images, a nonlinear lossless compressor that exploits both intraband and interband correlations is developed. The compressor is based on a wavelet transform that maps integers into integers, applied to tiles of the image. Different models for statistical dependencies of wavelet detail coefficients are proposed and analyzed. Wavelet coefficients belonging to the fine detail subbands are successfully modelled as an affine combination of neighboring coefficients and the coefficient at the same location in the previous band, as long as all these coefficients belong to the same landscape. This model is used to predict wavelet coefficients by means of already coded coefficients. Lloyd-Max quantization is used to extract class information, which is used in the prediction and later used as a conditioning context to encode prediction errors with an adaptive arithmetic coder. The band order affects the accuracy of predictions: a new mechanism is proposed for ordering the bands, based on the wavelet detail coefficients of the 2 finest levels. The results obtained outperform 2D lossless compressors such as PNG, JPEG-LS, SPIHT and JPEG2000 and other 3D lossless compressors such as SLSQ-OPT, differential JPEG-LS, JPEG2000 for color images and 3D-SPIHT. Our method has random access capability, and can be applied for lossless compression of other kinds of volumetric data. For hyperspectral images, state-of-the-art algorithms LUT and LAIS-LUT proposed for lossless compression, exploit high spectral correlations in these images, and use lookup tables to perform predictions. However, there are cases where their predictions are not accurate. In this thesis a modification based also on look-up tables is proposed, giving these tables different degrees of confidence, based on the local variations of the scaling factor. Our results are highly satisfactory and outperform both LUT and LAIS-LUT methods. Two lossless compressors have been designed for two different kinds of satellite images having different properties, namely, different spectral resolution, spatial resolution, and bitdepth, as well as different spectral and spatial correlations. In each case, the compressor exploits these properties to increase compression ratios.Fil:Acevedo, Daniel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina

Compresión sin pérdida de imágenes satelitales multiespectrales e hiperespectrales

En esta tesis se presentan nuevas técnicas de compresión sin pérdida tendientes a reducir el espacio de almacenamiento requerido por imágenes satelitales. Dos tipos principales de imágenes son tratadas: multiespectrales e hiperespectrales. En el caso de imágenes multiespectrales, se desarrolló un compresor no lineal que explota tanto las correlaciones intra como interbanda presentes en la imagen. Este se basa en la transformada wavelet de enteros a enteros y se aplica sobre bloques no solapados de la imagen. Diferentes modelos para las dependencias estadísticas de los coeficientes de detalle de la transformada wavelet son propuestos y analizados. Aquellos coeficientes que se encuentran en las subbandas de detalle fino de la transformada son modelados como una combinación afín de coeficientes vecinos y coeficientes en bandas adyacentes, sujetos a que se encuentren en la misma clase. Este modelo se utiliza para generar predicciones de otros coficientes que ya fueron codificados. La información de clase se genera mediante la cuantización LloydMax, la cual también se utiliza para predecir y como contextos de condicionamiento para codificar los errores de predicción con un codificador aritmético adaptativo. Dado que el ordenamiento de las bandas también afecta la precisión de las predicciones, un nuevo mecanismo de ordenamiento es propuesto basado en los coeficientes de detalle de los últimos dos niveles de la transformada wavelet. Los resultados obtenidos superan a los de otros compresores 2D sin pérdida como PNG, JPEG-LS, SPIHT y JPEG2000, como también a otros compresores 3D como SLSQ-OPT, JPEG-LS diferencial y JPEG2000 para imágenes a color y 3D-SPIHT. El método propuesto provee acceso aleatorio a partes de la imagen, y puede aplicarse para la compresión sin pérdida de otros datos volumétricos. Para las imágenes hiperespectrales, algoritmos como LUT o LAIS-LUT que revisten el estado del arte para la compresión sin pérdida para este tipo de imágenes, explotan la alta correlación espectral de estas imágenes y utilizan tablas de lookup para generar predicciones. A pesar de ello, existen casos donde las predicciones no son buenas. En esta tesis, se propone una modificación a estos algoritmos de lookup permitiendo diferentes niveles de confianza a las tablas de lookup en base a las variaciones locales del factor de escala. Los resultados obtenidos son altamente satisfactorios y mejores a los de LUT y LAIS-LUT. Se han diseñado dos compresores sin pérdida para dos tipos de imágenes satelitales, las cuales tienen distintas propiedades, a saber, diferente resolución espectral, espacial y radiométrica, y también de diferentes correlaciones espectrales y espaciales. En cada caso, el compresor explota estas propiedades para incrementar las tasas de compresión

Image Compression Techniques: A Survey in Lossless and Lossy algorithms

The bandwidth of the communication networks has been increased continuously as results of technological advances. However, the introduction of new services and the expansion of the existing ones have resulted in even higher demand for the bandwidth. This explains the many efforts currently being invested in the area of data compression. The primary goal of these works is to develop techniques of coding information sources such as speech, image and video to reduce the number of bits required to represent a source without significantly degrading its quality. With the large increase in the generation of digital image data, there has been a correspondingly large increase in research activity in the field of image compression. The goal is to represent an image in the fewest number of bits without losing the essential information content within. Images carry three main type of information: redundant, irrelevant, and useful. Redundant information is the deterministic part of the information, which can be reproduced without loss from other information contained in the image. Irrelevant information is the part of information that has enormous details, which are beyond the limit of perceptual significance (i.e., psychovisual redundancy). Useful information, on the other hand, is the part of information, which is neither redundant nor irrelevant. Human usually observes decompressed images. Therefore, their fidelities are subject to the capabilities and limitations of the Human Visual System. This paper provides a survey on various image compression techniques, their limitations, compression rates and highlights current research in medical image compression

The 1995 Science Information Management and Data Compression Workshop

This document is the proceedings from the 'Science Information Management and Data Compression Workshop,' which was held on October 26-27, 1995, at the NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland. The Workshop explored promising computational approaches for handling the collection, ingestion, archival, and retrieval of large quantities of data in future Earth and space science missions. It consisted of fourteen presentations covering a range of information management and data compression approaches that are being or have been integrated into actual or prototypical Earth or space science data information systems, or that hold promise for such an application. The Workshop was organized by James C. Tilton and Robert F. Cromp of the NASA Goddard Space Flight Center

Técnicas de compresión de imágenes hiperespectrales sobre hardware reconfigurable

Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Informática, leída el 18-12-2020Sensors are nowadays in all aspects of human life. When possible, sensors are used remotely. This is less intrusive, avoids interferces in the measuring process, and more convenient for the scientist. One of the most recurrent concerns in the last decades has been sustainability of the planet, and how the changes it is facing can be monitored. Remote sensing of the earth has seen an explosion in activity, with satellites now being launched on a weekly basis to perform remote analysis of the earth, and planes surveying vast areas for closer analysis...Los sensores aparecen hoy en día en todos los aspectos de nuestra vida. Cuando es posible, de manera remota. Esto es menos intrusivo, evita interferencias en el proceso de medida, y además facilita el trabajo científico. Una de las preocupaciones recurrentes en las últimas décadas ha sido la sotenibilidad del planeta, y cómo menitoirzar los cambios a los que se enfrenta. Los estudios remotos de la tierra han visto un gran crecimiento, con satélites lanzados semanalmente para analizar la superficie, y aviones sobrevolando grades áreas para análisis más precisos...Fac. de InformáticaTRUEunpu

The CCSDS 123.0-B-2 Low-Complexity Lossless and Near-Lossless Multispectral and Hyperspectral Image Compression Standard: A comprehensive review

The Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) published the CCSDS 123.0-B-2, “Low- Complexity Lossless and Near-Lossless Multispectral and Hyperspectral Image Compression” standard. This standard extends the previous issue, CCSDS 123.0-B-1, which supported only lossless compression, while maintaining backward compatibility. The main novelty of the new issue is support for near-lossless compression, i.e., lossy compression with user-defined absolute and/or relative error limits in the reconstructed images. This new feature is achieved via closed-loop quantization of prediction errors. Two further additions arise from the new near lossless support: first, the calculation of predicted sample values using sample representatives that may not be equal to the reconstructed sample values, and, second, a new hybrid entropy coder designed to provide enhanced compression performance for low-entropy data, prevalent when non lossless compression is used. These new features enable significantly smaller compressed data volumes than those achievable with CCSDS 123.0-B-1 while controlling the quality of the decompressed images. As a result, larger amounts of valuable information can be retrieved given a set of bandwidth and energy consumption constraints

1994 Science Information Management and Data Compression Workshop

This document is the proceedings from the 'Science Information Management and Data Compression Workshop,' which was held on September 26-27, 1994, at the NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, Maryland. The Workshop explored promising computational approaches for handling the collection, ingestion, archival and retrieval of large quantities of data in future Earth and space science missions. It consisted of eleven presentations covering a range of information management and data compression approaches that are being or have been integrated into actual or prototypical Earth or space science data information systems, or that hold promise for such an application. The workshop was organized by James C. Tilton and Robert F. Cromp of the NASA Goddard Space Flight Center

Diseño, implementación y optimización del sistema de compresión de imágenes sobre el ordenador de a bordo del proyecto de nanosátelite Eye-Sat

Eye-Sat es un Proyecto de nano satélites, dirigido por el CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) y desarrollado principalmente por estudiantes de varias escuelas de ingeniería del territorio francés. El objetivo de este pequeño telescopio no solo radica en la oportunidad de realizar la demostración de distintos dispositivos tecnológicos, sino que también tiene como misión la adquisición de fotografías en la bandas de color e infrarrojo de la vía Láctea, así como el estudio de la intensidad y polarización de la luz Zodiacal. Los requerimientos de la misión exigen el desarrollo de un algoritmo de compresión de imágenes sin pérdidas para las imágenes “Color Filter Array” CFA (Bayer) e infrarrojas adquiridas por el satélite. Como miembro de la comisión consultativa para los sistemas espaciales, CNES ha seleccionado el estándar CCSDS-123.0-B como algoritmo base para cumplir los requerimientos de la misión. A este algoritmo se le añadirán modificaciones o mejoras, adaptadas a las imágenes tipo, con el fin de mejorar las prestaciones de compresión y de complejidad. La implementación y la optimización del algoritmo será desarrollada sobre la plataforma Xilinx Zynq® All Programmable SoC, el cual incluye una FPGA y un Dual-core ARM® Cortex™-A9 processor with NEONTM DSP/FPU Engine