火星車圖像壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)與關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

徐 勇，賈 陽，郭 堅(jiān)，趙 蕾，朱劍冰，王翠蓮，范延芳，佟 玲

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

引 言

對未知環(huán)境的探索是人類發(fā)展的永恒主題，火星作為太陽系地球軌道外側(cè)距離地球最近的一顆行星，許多特點(diǎn)與地球相似，最具人類開發(fā)宇宙第二家園的可能。同時(shí)研究火星可以了解太陽系產(chǎn)生和衍變的一些未解之謎。我國開展首次火星探測任務(wù)，將提升我國航天技術(shù)的水平，促進(jìn)我國空間科學(xué)的發(fā)展，成為建設(shè)航天強(qiáng)國的標(biāo)志性里程碑。

在陌生環(huán)境的探索中，圖像信息無疑是最直觀也是最核心的信息。2004年1月4日和25日分別登陸火星的“勇氣號(hào)”（Spirit）和“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）“火星探測漫游車”（Mars Exploration Rovers，MERs）已在火星漫游幾十km，發(fā)回照片十多萬張，包括火星之流星、日落、日食和小旋風(fēng)等珍貴異域照片。其中，2005年5月19日“勇氣號(hào)”拍攝的火星日落景象在2007年1月美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）組織的公眾評選中被評為最佳火星照片。更具有探索意義的是它們不僅發(fā)現(xiàn)了火星火山噴發(fā)的證據(jù)，而且（2007年5月）發(fā)現(xiàn)了硅石，為“火星生命說”添加了新的證據(jù)，且是迄今有關(guān)火星有水的最強(qiáng)有力證據(jù)[1]。

由于圖像信息中含有相當(dāng)多的時(shí)間和空間冗余，導(dǎo)致了圖像信息的數(shù)據(jù)量非常大。而火星與地球之間距離為0.56 × 108～4 × 108km，從火星到地球的通信鏈路帶寬受到極大限制，在深空數(shù)據(jù)源端對圖像進(jìn)行在軌壓縮無疑是節(jié)省發(fā)射能量、提高信息回傳效率的必由之路。我國在月球探測中取得較多的成功經(jīng)驗(yàn)，在月球車中使用復(fù)接存儲(chǔ)VCDU格式數(shù)據(jù)保存圖像壓縮碼流，而不是文件系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)圖像的靈活挑選傳輸比較困難。

火星探測任務(wù)與月球探測任務(wù)所不同的是：由于空間距離遙遠(yuǎn)，火星到地球的遙測信道帶寬極低并且發(fā)生誤碼的風(fēng)險(xiǎn)更高，傳輸數(shù)據(jù)容量更為寶貴。另外，由于火星任務(wù)的長期性、相機(jī)攜帶數(shù)量較多，火星任務(wù)對設(shè)備功耗及體積的約束也強(qiáng)于月球探測。因此，需要根據(jù)火星探測任務(wù)的應(yīng)用需求，統(tǒng)一考慮和設(shè)計(jì)圖像數(shù)據(jù)的壓縮及傳輸兩個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)火星任務(wù)的特點(diǎn)及約束，從應(yīng)用層面設(shè)計(jì)總體最優(yōu)的圖像數(shù)據(jù)壓縮及傳輸方案。

本文面向火星車圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、壓縮和傳輸需求進(jìn)行分析，提出設(shè)計(jì)需求與關(guān)鍵設(shè)計(jì)特征，開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵軟硬件架構(gòu)、圖像壓縮核心算法與傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)，滿足我國首次火星探測可靠、高效、靈活的圖像應(yīng)用需求。

1 火星車圖像管理需求分析

1.1 多相機(jī)數(shù)據(jù)管理需求

為了完成火星表面科學(xué)探測任務(wù)，火星車配置了多臺(tái)多種類的相機(jī)和傳感器設(shè)備[2]，用于完成各階段各圖像數(shù)據(jù)獲取，匯總?cè)绫?所示。

表1 多相機(jī)數(shù)據(jù)管理需求Table 1 Multi-camera data management demands

導(dǎo)航地形相機(jī)和前后避障相機(jī)用于火星車行走時(shí)的周圍環(huán)境觀察、最優(yōu)路徑規(guī)劃和障礙物規(guī)避；配置了多光譜相機(jī)用于科學(xué)考察；多功能避障敏感器和光學(xué)避障敏感器用于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航下降過程中的障礙物規(guī)避和著陸點(diǎn)選取，同時(shí)可以記錄下降過程的圖像數(shù)據(jù)。而開傘過程監(jiān)視相機(jī)和落火狀態(tài)監(jiān)視相機(jī)分別負(fù)責(zé)降落傘和落火過程的記錄監(jiān)視，Wi-Fi視頻相機(jī)則用于著陸器與巡視器分離過程的監(jiān)視?；鹦擒嚿细鲾?shù)據(jù)源端與系統(tǒng)管理單元（System Management Unit，SMU）中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與壓縮模塊連接關(guān)系如圖1所示。

其中，部分相機(jī)（如開傘過程監(jiān)視相機(jī)和落火狀態(tài)監(jiān)視相機(jī)）不用進(jìn)行壓縮，存儲(chǔ)和下傳其碼流即可，此外還有一些工程遙測數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)下傳。

1.2 需求分析

為了更加高效靈活地利用器-地傳輸鏈路，火星車提出了更靈活的圖像傳輸方式需求。為此，火星車上的大部分相機(jī)數(shù)據(jù)均采用先存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)，根據(jù)需要挑選圖像、設(shè)置需要的壓縮方式、壓縮比或其它特性，再進(jìn)行壓縮后下傳地面，避免了相機(jī)端固定壓縮比壓縮后不便于后期根據(jù)圖像內(nèi)容重要性進(jìn)行交互式傳輸。經(jīng)過分析，對火星車多臺(tái)相機(jī)圖像的存儲(chǔ)、壓縮與傳輸提出的需求包括以下幾點(diǎn)。

圖1 火星車多相機(jī)連接圖Fig. 1 Multi-camera connection diagram in Mars rover

1）基于文件的圖像存儲(chǔ)管理

我國之前“嫦娥”系列深空探測器中采用復(fù)接存儲(chǔ)管理器完成各相機(jī)圖像數(shù)據(jù)的復(fù)接存儲(chǔ)[3]，各相機(jī)進(jìn)行相機(jī)端壓縮后將碼流送給綜合電子，綜合電子采用位流業(yè)務(wù)進(jìn)行復(fù)接并形成虛擬信道數(shù)據(jù)單元（Virtual Channel Data Unit，VCDU）幀[4]，按照時(shí)間順序存儲(chǔ)于復(fù)接存儲(chǔ)器的NandFLASH芯片中，后續(xù)再根據(jù)時(shí)間和存儲(chǔ)地址對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)VCDU的下傳。可以采用挑選虛擬信道（Virtual Channel，VC）的方式進(jìn)行某相機(jī)的圖像挑選順序下傳，但是無法實(shí)現(xiàn)圖像的文件化管理，在使用靈活性上難以實(shí)現(xiàn)多相機(jī)、多圖像序列號(hào)的靈活組合挑選下傳的需求；而火星車攜帶更多臺(tái)不同分辨率、多光譜的相機(jī)，且下傳帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于“嫦娥”系列探測器，因此在火星車圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，需要支持基于文件的圖像存儲(chǔ)管理，實(shí)現(xiàn)圖像高效、靈活、準(zhǔn)確的存儲(chǔ)訪問能力。一方面使得傳輸圖像更高效，另一方面使得地面操控人員按照更接近地面計(jì)算機(jī)的文件訪問方式實(shí)現(xiàn)火星車的圖像管理和下傳。

2）靈活的壓縮比控制

各相機(jī)獲取圖像的重要性根據(jù)任務(wù)模式各不相同，即使在同一次任務(wù)中，同一相機(jī)對不同場景成像的圖像數(shù)據(jù)的壓縮需求也不盡相同。因此火星車圖像壓縮系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供更靈活、強(qiáng)大的壓縮比控制能力：支持圖像的有損/無損壓縮，有損壓縮模式下可以支持2～64倍壓縮碼率的任意設(shè)置，并支持批量圖像壓縮時(shí)的每個(gè)圖像單獨(dú)設(shè)置壓縮比，通過靈活的壓縮比設(shè)置實(shí)現(xiàn)批量圖像壓縮傳輸時(shí)更加高效地使用珍貴的傳輸信道傳輸?shù)拿恳粋€(gè)比特。

3）具備碼流質(zhì)量漸進(jìn)性特性

為了改善低碼率下圖像傳輸應(yīng)用體驗(yàn)，火星車圖像壓縮系統(tǒng)所采用的壓縮編碼算法應(yīng)具備碼流質(zhì)量漸進(jìn)性特性，使得地面所接收到的每一個(gè)比特的碼流均能起到持續(xù)改善圖像質(zhì)量的作用；即質(zhì)量漸進(jìn)性特性使得火星車在給地面?zhèn)鬏攬D像數(shù)據(jù)時(shí)，即使每幅圖像的數(shù)據(jù)沒接收完，也可以在任何時(shí)刻采用已經(jīng)接收的碼流實(shí)現(xiàn)整個(gè)圖像的解碼顯示，隨著碼流的持續(xù)傳輸，圖像質(zhì)量逐漸改善，直到所有數(shù)據(jù)傳輸完成，圖像質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)效果。如果采用無損壓縮比設(shè)置，碼流傳輸完成后，地面解壓獲得圖像即達(dá)到質(zhì)量無損。

4）支持感興趣區(qū)域（Region Of Interest，ROI）編碼

感興趣區(qū)域編碼是近年來圖像壓縮技術(shù)發(fā)展的一種新編碼特性，支持整幅圖像中不同區(qū)域根據(jù)重要性分配不同的壓縮碼率，即在重要性較大的感興趣區(qū)域分配較大碼率獲得較高圖像質(zhì)量的同時(shí)，不太重要的背景區(qū)域采用較小碼率，從總體上解決了整幅圖像高壓縮比與保障重要區(qū)域高質(zhì)量之間的矛盾；該技術(shù)提供的應(yīng)用特性較為符合火星車的低碼率傳輸信道的應(yīng)用環(huán)境，使得地面運(yùn)控用戶或科學(xué)家能夠在盡量減少總體傳輸碼率的情況下對感興趣區(qū)域保持較高圖像質(zhì)量甚至無損質(zhì)量。

5）抗誤碼擴(kuò)散機(jī)制

盡管留有一定的鏈路能力余量，并采用了優(yōu)秀的低密度奇偶檢驗(yàn)碼（Low Density Parity Check code，LDPC）信道編碼，在一定程度上緩解了傳輸誤碼，但是由于超遠(yuǎn)傳輸距離和不可預(yù)知干擾因素影響，誤碼導(dǎo)致的壓縮碼流錯(cuò)誤不可避免，缺少抗誤碼擴(kuò)散機(jī)制的話，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)圖像解壓錯(cuò)誤。因此，圖像壓縮算法與傳輸協(xié)議必須考慮誤碼影響，將誤碼影響控制在圖像局部區(qū)域。

6）縮略圖策略

類似地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，火星車提供車上存儲(chǔ)圖像縮略圖生成和預(yù)覽功能。便于地面運(yùn)控和圖像用戶在傳輸所有圖像數(shù)據(jù)前，提前利用極小碼率回傳所有圖像的縮略圖，對車上每幅圖像的內(nèi)容有所了解和評估，為后續(xù)的圖像挑選、壓縮比設(shè)置、感興趣區(qū)域設(shè)置提供依據(jù)，是圖像交互式按需傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在火星車中，圖像文件存儲(chǔ)處理系統(tǒng)位于系統(tǒng)管理單元中，主要完成各相機(jī)送來的圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理，工程載荷復(fù)接存儲(chǔ)、圖像壓縮、壓縮碼流組織傳輸、遙測/回放數(shù)據(jù)下傳、與中央處理控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信功能。圖像文件存儲(chǔ)處理系統(tǒng)采用A/B雙機(jī)冷備份模式，單份組成框圖如圖2所示，主要包括以下功能組件。

圖2 圖像存儲(chǔ)與壓縮傳輸模塊功能框圖Fig. 2 Block diagram of data storage & process module

1）LVDS接口組件：完成接收載荷的數(shù)據(jù)和下傳數(shù)據(jù)到數(shù)傳機(jī)的高速差分接口功能；

2）FPGA（Field Programmable Gate Array）芯片組件：采用抗輻照300萬門FPGA，實(shí)現(xiàn)CPU通信、圖像數(shù)據(jù)接收與NandFLASH文件系統(tǒng)，MRAM與NandFLASH接口與冗余容錯(cuò)管理；

3）MRAM&FLASH存儲(chǔ)體陣列組件：MRAM存儲(chǔ)各類非易失信息，包括壞塊表、讀寫地址等。NandFLASH用于存儲(chǔ)大容量數(shù)據(jù)；

4）DSP&SDRAM處理組件：用于圖像壓縮算法實(shí)現(xiàn)、碼流組織、下傳控制，DSP選用宇航級抗輻照DSP處理器，外掛兩片SDRAM計(jì)算緩存提供圖像壓縮算法所需計(jì)算緩存；

5）電源管理：模塊供電、上電復(fù)位、電壓轉(zhuǎn)換等，產(chǎn)生3.3 V、1.5 V、1.8 V電壓。

2.2 圖像存儲(chǔ)文件系統(tǒng)

為適應(yīng)火星車輕小型化的需求，存儲(chǔ)器陣列采用2片3D疊封的NandFLASH芯片（如圖3所示，疊封8片K9F8G08U0M基片）[5]，每片容量64 Gbits，因此板載總物理容量為：64 Gb × 2 = 128 Gb = 16 GB。

圖3 NandFLASH基片K9F8G08U0M存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)Fig. 3 NandFLASH K9F8G08U0M array organization

為了支持按照相機(jī)、按照圖像幀為單位的并行存儲(chǔ)與隨機(jī)訪問，將圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)分為11個(gè)分區(qū)的存儲(chǔ)空間按照Block進(jìn)行分配，如表2所示。

表2 圖像存儲(chǔ)分區(qū)地址分配表Table 2 Image storage partition address allocation table

MRAM中數(shù)據(jù)組織方式如圖4和圖5所示，MRAM中分配最開始的32 bit × 2 K的邏輯空間存儲(chǔ)整個(gè)Nandflash的壞塊信息，隨后分配6 K × 32 bit的空間存儲(chǔ)各分區(qū)的圖像文件的節(jié)點(diǎn)信息。每個(gè)文件的節(jié)點(diǎn)信息包括32 bit時(shí)間與若干32 bit節(jié)點(diǎn)物理地址信息。為存儲(chǔ)以上信息，板上搭載一片磁電存儲(chǔ)器（MRAM）的容量為8 Mb（32 bit × 256 K），設(shè)計(jì)對MRAM中存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)在3個(gè)地址存儲(chǔ)3份，按照TMR存儲(chǔ)訪問，那么邏輯空間為32 bit × 85 K，除去上述分析的32 bit × 8 K空間外，還剩32 bit × 77 K余量用于存儲(chǔ)其它信息。

圖4 MRAM中全色圖像數(shù)據(jù)組織方式圖Fig. 4 Organization of panchromatic image data in MRAM

文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)載體為系統(tǒng)管理單元中存儲(chǔ)復(fù)接FPGA，主要包含圖像接收創(chuàng)建寫入模塊、DSP圖像訪問模塊、圖像節(jié)點(diǎn)信息初始化模塊、MRAM控制器、FLASH訪問控制模塊共5個(gè)模塊，如圖6所示。

2.3 圖像壓縮算法

圖5 MRAM中多波段圖像數(shù)據(jù)組織方式圖Fig. 5 Organization of multi-band image data in MRAM

圖6 文件系統(tǒng)的FPGA的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig. 6 Top-level architecture design of the FPGA files system

火星車采用了一種在計(jì)算復(fù)雜度與算法性能方面較好平衡的“自適應(yīng)首1游程編碼算法”（圖7）[6]實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理，并支持所需的質(zhì)量漸進(jìn)式碼流、感興趣區(qū)域編碼和抗誤碼擴(kuò)散特性。該算法為首1游程的位面編碼算法[7]的改進(jìn)算法，在位置數(shù)據(jù)編碼時(shí)使用計(jì)數(shù)法進(jìn)行bit值進(jìn)行前向概率估計(jì)，并按照概率估計(jì)自適應(yīng)選擇最優(yōu)的游程和指數(shù)哥倫布編碼參數(shù)，利用小波系數(shù)位置系數(shù)概率分布不均勻的特性提高編碼效率。自適應(yīng)參數(shù)的選擇通過估計(jì)當(dāng)前上下文bit流的概率，選擇當(dāng)前bit最適合的變長編碼器編碼，以提高整體編碼效率，最佳編碼參數(shù)表如表3所示。

圖8中的小波變換在首1游程編碼算法中已有介紹，此處不再詳述。

其中EG（x，K）表示對整數(shù)x進(jìn)行K階的指數(shù)哥倫布編碼（Exp-Golomb）[8]。

圖7 上下文“自適應(yīng)首1位游程編碼算法”圖示Fig. 7 Illustration of Context based Adaptive First 1 bit run-length bit-plane coding algorithm

表3 最佳編碼參數(shù)表Table 3 Optimal encoding parameters table

圖8 上下文“自適應(yīng)首1位游程編碼算法”Fig. 8 Context based adaptive first 1 bit run-length bit-plane coding algorithm

圖9 上下文自適應(yīng)帶符號(hào)二進(jìn)制游程編碼算法Fig. 9 Context based adapted run-length coding of Signed binary data

2.4 其它功能設(shè)計(jì)

1）支持ROI編碼

火星車圖像壓縮軟件中，基本壓縮單位為1 024 ×1 024的圖像，并將其設(shè)置為固定的4 × 4 分段，其它尺寸圖像壓縮由該單位圖像壓縮程序組合完成。由于壓縮碼流具備質(zhì)量漸進(jìn)式特性，火星車ROI編碼基于分段碼流的位面順序調(diào)整完成，對于ROI區(qū)域?qū)?yīng)的分段則在壓縮碼率截?cái)鄷r(shí)提高其位面的傳輸優(yōu)先級，高于背景區(qū)域若干位面。

2）縮略圖策略

在存儲(chǔ)了多幅圖像后，為使得地面能夠大致看到各圖像的大致內(nèi)容，要求具備生產(chǎn)并下傳縮略圖的功能。因此，對于1 024 × 1 024的圖像，支持1/16下采樣生產(chǎn)64 × 64的縮略圖（thumbnail）。對于2 048 × 2 048的圖像，支持1/32下采樣生產(chǎn)64 × 64的縮略圖，同時(shí)包含60字節(jié)的附屬信息。

3）抗誤碼擴(kuò)散機(jī)制

軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，基本壓縮單位為1 024 × 1 024的圖像，并將其設(shè)置為固定的4 × 4 分段，其它尺寸圖像壓縮由該單位圖像壓縮程序組合完成。在進(jìn)行位面編碼時(shí)，每個(gè)分段的每個(gè)位面的碼率獨(dú)立打包，并附帶其位面與分段編號(hào)，再封裝為VCDU下傳地面，可以有效防止誤碼擴(kuò)散。

3 工程實(shí)現(xiàn)與分析

火星車中圖像存儲(chǔ)與壓縮傳輸模塊采用單板雙機(jī)設(shè)計(jì)，單機(jī)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖10所示，包括了FPGA、MRAM、Nand-FLASH、DSP、SDRAM、LVDS接口等芯片，均采用抗輻照宇航級芯片設(shè)計(jì)。

圖10 火星車中圖像存儲(chǔ)與壓縮傳輸模塊Fig. 10 Srorage and compression Module in MARS Rover

多分區(qū)并行圖像文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與FPGA中，可以完成多相機(jī)同時(shí)工作的文件并行創(chuàng)建、寫入、讀取、刪除、打開、關(guān)閉等操作，實(shí)現(xiàn)火星車圖像數(shù)據(jù)的靈活存儲(chǔ)與下傳。設(shè)計(jì)基于VHDL語言開發(fā)，其設(shè)計(jì)層次樹如圖11所示，共19個(gè)頂層模塊。

圖11 FPGA代碼層次樹Fig. 11 Hierarchy tree of FPGA design

各模塊中采用安全狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，并在關(guān)鍵寄存器與關(guān)鍵控制路徑上采用三模冗余設(shè)計(jì)，輔以在軌定期刷新（scrubing）操作，可以有效抵御空間環(huán)境下的單粒子功能中斷影響，確?；鹦擒囋谌蝿?wù)過程中的功能可靠性。該設(shè)計(jì)最終采用ISE9.2 XST綜合工具進(jìn)行了綜合實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)使用資源如表4所示。

表4 XQR2V3000（-4）FPGA資源開銷Table 4 Resources utility in XQR2V3000（-4）FPGA

選取了多種復(fù)雜度測試圖像（圖12）進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5中無損壓縮性能對比中，改進(jìn)后“自適應(yīng)首1游程編碼算法”全面優(yōu)于原F1Rrun 算法[7]和CCSDS-IDC[9]，與JPEG2000[10]算法相近，個(gè)別圖像比如baboon圖像還取得優(yōu)于JPEG2000的性能。相對于后者復(fù)雜的EBCOT+QM算法，本文利用簡單的首1游程和上下文自適應(yīng)方法即可獲得相近的性能。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)測試圖樣Fig. 12 Standard sample images for test

表5 無損壓縮性能比較Table 5 Performance of lossless image compression bpp

表6和表7給出了針對Lena圖像的有損壓縮性能的實(shí)驗(yàn)對比，均采用兼容無損壓縮的整數(shù)97小波變化時(shí)，本文算法獲得優(yōu)于改進(jìn)前的F1Rrun[7]、CCSDSIDC[10]及略優(yōu)于SPIHT[11]算法的性能，尤其是低碼速率時(shí)優(yōu)于F1Run算法0.7 dB左右。如果采用浮點(diǎn)97小波變化，本文算法仍然獲得接近SPIHT和JPEG2000算法的性能，而且該算法編碼復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者，且容易實(shí)現(xiàn)位平面間并行化編碼從而實(shí)現(xiàn)高速圖像壓縮，在工程應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。

表6 整數(shù)97小波有損壓縮性能比較Table 6 Performance in lossy compression by using Int97 DWT

表7 浮點(diǎn)97小波有損壓縮性能比較Table 7 Performance in lossy compression by using float-point97 DWT

4 結(jié) 論

本文針對火星探測任務(wù)中圖像文件存儲(chǔ)管理需求，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的并行圖像文件系統(tǒng)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)，兼顧了高速高可靠與高靈活的特點(diǎn)，且采用了數(shù)據(jù)RS編碼等多種措施抵抗誤碼，并在火星車存儲(chǔ)系統(tǒng)中完成了在系統(tǒng)中多類型，多相機(jī)數(shù)據(jù)的文件存儲(chǔ)管理，在保證高可靠的同時(shí)，提供多分區(qū)的，多圖像文件并行讀寫與按需尋址功能，有效解決了傳統(tǒng)復(fù)接存儲(chǔ)類設(shè)備中圖像數(shù)據(jù)并行存儲(chǔ)以及火星表面圖像處理按需訪問的難題。

針對宇航應(yīng)用中計(jì)算及緩存資源受限的特點(diǎn)，火星車采用了“自適應(yīng)首1游程編碼算法”作為核心算法，采用簡單的計(jì)數(shù)法估計(jì)上下文概率，對計(jì)算復(fù)雜度增加較少，且可以有效提升編碼效率，還保留了原算法的位面間并行高速的圖像壓縮特性，并保留了原算法的內(nèi)嵌式編碼特性，通過碼流截?cái)鄟砭_控制壓縮比，支持碼流的漸進(jìn)性傳輸，支持無損及有損壓縮。其無損壓縮性能優(yōu)于CCSDS-IDC、LDC等標(biāo)準(zhǔn)推薦算法，與JPEG2000相近。

最終在工程研制中實(shí)現(xiàn)了多相機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理、圖像壓縮比靈活控制、質(zhì)量漸進(jìn)性傳輸、ROI編碼、抗誤碼擴(kuò)散和圖像縮略圖生成下傳等功能，滿足我國首次火星探測任務(wù)可靠、高效、靈活的圖像應(yīng)用需求。