【文匯網訊】(香港文匯網記者 李陽波 西安報道)隨着23日中國首次火星探測任務「天問一號」探測器的成功升空，我國深空探索亦進入全新的階段。記者從西安電子科技大學獲悉，該校李雲松教授團隊參與了本次火星探測中多個科學載荷的圖像和數據壓縮任務，他們不僅將負責把「天問」的答案「打包」回傳地球，同時更要盡可能做到無損傳輸，以便後續通過智能化處理技術，讓中國火星車能夠行走的更快更穩。
火星探測圖像數據必須「看得清」「收得回」
據了解，「天問一號」火星探測器共搭載了13台科學載荷即探測儀器，涉及空間環境探測、火星表面探測、火星表層結構探測等領域。其中，火星環繞器攜帶7台，火星車攜帶6台，它們的科學目標是實現對火星的表面形貌、土壤特性、物質成分、水冰、大氣、電離層、磁場等進行科學探測，進而有利於建立起對火星全面而基礎的認識。
「探測器與地面的信號傳輸方式是無線數傳。火星車、環繞器上的天線發射信號，地面天線接收器接收信號，形成了信息傳輸的物理鏈路。」對於團隊承擔的工作，李雲松打了一個形象的比喻。「這條物理鏈路就相當於我們修了一條路，數據就是在這條路上要運輸的貨物。問題在於，想運送的東西很多，道路卻很窄。這麼一來，要麼是修寬路，要麼是把貨物進行處理。我們做的工作就是把貨物壓得緊一點。這樣就能在有限的帶寬下，傳輸更多東西。」而由於地球與火星距離最遠4億公里，最近時也有近6000萬公里。能量的損耗是與傳輸距離的平方成反比的，這樣就意味着信號衰減很厲害，信噪比就很低了，有效傳輸速率很低。想要讓火星探測到的各類圖像和數據「看得清」「收得回」，數據壓縮必不可少。
用最好的算法確保圖像和數據壓縮質量
據悉，本次任務也是李雲松團隊處理數據類型最多的一次，不僅有可見光的、高光譜的，還有雷達的，每種類型對壓縮的要求都不一樣。火星探測13個科學載荷中有5個載荷是需要進行數據壓縮的，該團隊參與了全部壓縮任務。「雖然數據壓縮得越小，就越方便信息傳送，但壓得太小可能就會有損耗，不能完全恢復原來的數據，所以就要考慮盡可能做到沒有損害。」在數據傳輸帶寬和硬件資源受限的極端情況下，圖像壓縮的效率影響獲取圖像的質量和速度。如何確保圖像和數據壓縮質量?針對不同數據類型和壓縮要求，團隊提出了不同的解決模塊。
「團隊研發了中分辨率相機和高分辨率相機壓縮模塊，首次在我國航天器上使用300萬門FPGA實現了基於JPEG2000算法的圖像壓縮和處理功能，該功能相比於現有深空探測衛星遙感圖像編碼器來說具有最好的圖像壓縮效率。」據李雲松介紹，團隊同時還研發了礦物光譜分析儀圖像壓縮模塊，針對火星礦物光譜分析儀圖像譜段數據分佈不均勻特性，提出了一種混合頻段分析的光譜圖像壓縮方法，解決了不同維度光譜像素級有損無損混合壓縮問題，在整體帶寬受限情況，確保了重點光譜數據無失真編碼。「我們要做的，就是在處理資源非常少的情況下，針對不同數據特性和質量要求設計高性能壓縮，不斷優化算法，開發性能又好、複雜度又低、安全性和可靠性又高的算法。」
新項目預計2022年加載火星車
據介紹，多年來，李雲松及其團隊一直致力於深空探測領域的研究，解決了我國現階段衛星圖像數據傳輸和存儲的瓶頸問題，在探月工程「繞落回」三大步中，每一步都凝聚着李雲松團隊的智慧。除了本次火星探測任務，團隊同時還承擔了國家科技創新2030「新一代人工智能」重大項目「地外探測無人系統自主智能精準感知與操控」中的圖像分割、檢測、定位、跟蹤和識別子課題。預計到2022年左右加載到火星車上，將顯着提升中國火星車的自主能力。
責任編輯：張岩