ISO 15887:2000

Space data and information transfer systems — Data systems — Lossless data compression

Systèmes de transfert des informations et données spatiales — Systèmes de données — Compression de données sans perte

General Information

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 11-Oct-2000
• Withdrawal Date: 11-Oct-2000
• ICS: 49.140 - Space systems and operations
• Technical Committee: ISO/TC 20/SC 13 - Space data and information transfer systems
• Drafting Committee: ISO/TC 20/SC 13 - Space data and information transfer systems
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Start Date: 29-May-2013
• Completion Date: 12-Feb-2026

Relations

• Revised: ISO 15887:2013 - Space data and information transfer systems — Lossless data compression
• Effective Date: 16-Jun-2012

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15887
First edition
2000-10-01
Space data and information transfer
systems — Data systems — Lossless data
compression
Systèmes de transfert des informations et données spatiales —
Compression de données sans perte
Reference number
©
ISO 2000
PDF disclaimer
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Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies (ISO
member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO technical
committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been established has
the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and non-governmental, in
liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical
Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 3.
Draft International Standards adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting.
Publication as an International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this International Standard may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
International Standard ISO 15887 was prepared by the Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS)
(as CCSDS 121.0-B-1, May 1997) and was adopted (without modifications except those stated in clause 2 of this
International Standard) by Technical Committee ISO/TC 20, Aircraft and space vehicles, Subcommittee SC 13,
Space data and information transfer systems.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 15887:2000(E)
Space data and information transfer systems — Data systems —
Lossless data compression
1 Scope
This International Standard specifies the requirements for lossless data compression in space data and information
transfer systems. The purpose of this document is to establish common requirements for a source-coding data-
compression algorithm applied to digital data and to specify how these compressed data shall be inserted into
source packets for retrieval and decoding.
The scope and field of application are furthermore detailed in subclauses 1.2 and 1.3 of the enclosed CCSDS
publication.
2 Requirements
Requirements are the technical recommendations made in the following publication (reproduced on the following
pages), which is adopted as an International Standard:
CCSDS 121.0-B-1, May 1997, Recommendation for space data system standards — Lossless data compression.
For the purposes of international standardization, the modifications outlined below shall apply to the specific
clauses and paragraphs of publication CCSDS 121.0-B-1.
Pages i to v
This part is information which is relevant to the CCSDS publication only.
Page 1-2
Add the following information to the references indicated:
[1] Document CCSDS 101.0-B-3, May 1992, is equivalent to ISO 11754:1994.
[2] Document CCSDS 102.0-B-4, November 1995, is equivalent to ISO 13419:1997.
[3] Document CCSDS 701.0-B-2, November 1992, is equivalent to ISO 13420:1997.
3 Revision of publication CCSDS 121.0-B-1
It has been agreed with the Consultative Committee for Space Data Systems that Subcommittee ISO/TC 20/SC 13
will be consulted in the event of any revision or amendment of publication CCSDS 121.0-B-1. To this end, NASA
will act as a liaison body between CCSDS and ISO.
(blank page)
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Consultative
Committee for
Space Data Systems
RECOMMENDATION FOR SPACE
DATA SYSTEM STANDARDS
LOSSLESS
DATA
COMPRESSION
CCSDS 121.0-B-1
BLUE BOOK
May 1997
TMG 8/92
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
AUTHORITY
Issue: Blue Book, Issue 1
Date: May 1997
Location: São José dos Campos
São Paulo, Brazil
This document has been approved for publication by the Management Council of the
Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) and represents the consensus
technical agreement of the participating CCSDS Member Agencies. The procedure for review
and authorization of CCSDS Recommendations is detailed in the Procedures Manual for the
Consultative Committee for Space Data Systems (reference [B1]), and the record of Agency
participation in the authorization of this document can be obtained from the CCSDS Secretariat
at the address below.
This Recommendation is published and maintained by:
CCSDS Secretariat
Program Integration Division (Code MG)
National Aeronautics and Space Administration
Washington, DC 20546, USA
CCSDS 121.0-B-1 Page i May 1997
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CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
STATEMENT OF INTENT
The Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS) is an organization officially
established by the management of member space Agencies. The Committee meets periodically to
address data systems problems that are common to all participants, and to formulate sound
technical solutions to these problems. Inasmuch as participation in the CCSDS is completely
voluntary, the results of Committee actions are termed Recommendations and are not
considered binding on any Agency.
This Recommendation is issued by, and represents the consensus of, the CCSDS Plenary body.
Agency endorsement of this Recommendation is entirely voluntary. Endorsement, however,
indicates the following understandings:
o Whenever an Agency establishes a CCSDS-related standard, this standard will be in
accord with the relevant Recommendation. Establishing such a standard does not
preclude other provisions which an Agency may develop.
o Whenever an Agency establishes a CCSDS-related standard, the Agency will provide
other CCSDS member Agencies with the following information:
-- The standard itself.
-- The anticipated date of initial operational capability.
-- The anticipated duration of operational service.
o Specific service arrangements shall be made via memoranda of agreement. Neither this
Recommendation nor any ensuing standard is a substitute for a memorandum of
agreement.
No later than five years from its date of issuance, this Recommendation will be reviewed by the
CCSDS to determine whether it should: (1) remain in effect without change; (2) be changed to
reflect the impact of new technologies, new requirements, or new directions; or, (3) be retired or
canceled.
In those instances when a new version of a Recommendation is issued, existing CCSDS-related
Agency standards and implementations are not negated or deemed to be non-CCSDS
compatible. It is the responsibility of each Agency to determine when such standards or
implementations are to be modified. Each Agency is, however, strongly encouraged to direct
planning for its new standards and implementations towards the later version of the
Recommendation.
CCSDS 121.0-B-1 Page ii May 1997
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
FOREWORD
This Recommendation establishes a common framework and provides a common basis for a
Lossless data compression algorithm applicable to several different types of data.
Through the process of normal evolution, it is expected that expansion, deletion, or modification
of this document may occur. This Recommendation is therefore subject to CCSDS document
management and change control procedures which are defined in the Procedures Manual for the
Consultative Committee for Space Data Systems (reference [B1]). Current versions of CCSDS
documents are maintained at the CCSDS Web site:
http://www.ccsds.org/ccsds/
Questions relating to the contents or status of this document should be addressed to the CCSDS
Secretariat at the address indicated on page i.
CCSDS 121.0-B-1 Page iii May 1997
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CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
At time of publication, the active Member and Observer Agencies of the CCSDS were
Member Agencies
– Agenzia Spaziale Italiana (ASI)/Italy.
– British National Space Centre (BNSC)/United Kingdom.
– Canadian Space Agency (CSA)/Canada.
– Centre National d'Etudes Spatiales (CNES)/France.
– Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)/Germany.
– European Space Agency (ESA)/Europe.
– Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)/Brazil.
– National Aeronautics and Space Administration (NASA)/USA.
– National Space Development Agency of Japan (NASDA)/Japan.
– Russian Space Agency (RSA)/Russian Federation.
Observer Agencies
– Austrian Space Agency (ASA)/Austria.
– Central Research Institute of Machine Building (TsNIIMash)/Russian Federation.
– Centro Tecnico Aeroespacial (CTA)/Brazil.
– Chinese Academy of Space Technology (CAST)/China.
– Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO)/Australia.
– Communications Research Laboratory (CRL)/Japan.
– Danish Space Research Institute (DSRI)/Denmark.
– European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites
(EUMETSAT)/Europe.
– European Telecommunications Satellite Organization (EUTELSAT)/Europe.
– Federal Service of Scientific, Technical & Cultural Affairs (FSST&CA)/Belgium.
– Hellenic National Space Committee (HNSC)/Greece.
– Indian Space Research Organization (ISRO)/India.
– Industry Canada/Communications Research Centre (CRC)/Canada.
– Institute of Space and Astronautical Science (ISAS)/Japan.
– Institute of Space Research (IKI)/Russian Federation.
– KFKI Research Institute for Particle & Nuclear Physics (KFKI)/Hungary.
– MIKOMTEK: CSIR (CSIR)/Republic of South Africa.
– Korea Aerospace Research Institute (KARI)/Korea.
– Ministry of Communications (MOC)/Israel.
– National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA)/USA.
– National Space Program Office (NSPO)/Taipei.
– Swedish Space Corporation (SSC)/Sweden.
– United States Geological Survey (USGS)/USA.
CCSDS 121.0-B-1 Page iv May 1997
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
DOCUMENT CONTROL
Document Title Date Status
CCSDS Lossless Data May 1997 Original Issue
121.0-B-1 Compression, Blue Book,
Issue 1
CCSDS 121.0-B-1 Page v May 1997
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CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
CONTENTS
Section Page
1 INTRODUCTION .1-1
1.1 PURPOSE 1-1.
1.2SCOPE 1-1.
1.3APPLICABILITY 1-1.
1.4RATIONALE 1-1.
1.5 BIT NUMBERING CONVENTION AND NOMENCLATURE 1-2.
1.6REFERENCES 1-2.
2OVERVIEW .2-1
2.1GENERAL 2-1.
2.2 THE SOURCE CODER 2-1.
2.3 PACKETIZATION OF CODED DATA 2-3.
2.4 ERROR CONTROL 2-3.
3 ADAPTIVE ENTROPY CODER .3-1
3.1 CODE SPECIFICATION 3-1.
3.2 FUNDAMENTAL SEQUENCE 3-2.
3.3 SAMPLE SPLITTING 3-2.
3.4 LOW ENTROPY OPTIONS 3-3.
3.5 NO COMPRESSION 3-4.
3.6 CODE SELECTION 3-4.
4PREPROCESSOR .4-1
4.1 PREPROCESSOR FUNCTION 4-1.
4.2PREDICTORS 4-1.
4.3 REFERENCE SAMPLE 4-2.
4.4 PREDICTION ERROR MAPPER 4-2.
5 DATA FORMAT .5-1
5.1 LOSSLESS DATA STRUCTURES 5-1.
5.2 PACKET FORMAT 5-4.
6 COMPRESSION IDENTIFICATION PACKET (OPTIONAL) .6-1
6.1 COMPRESSION IDENTIFICATION PACKET STRUCTURE 6-1.
6.2 CIP PRIMARY HEADER 6-1.
6.3 PACKET DATA FIELD 6-2.
ANNEX A GLOSSARY OF ACRONYMS AND TERMS .A-1
ANNEX B INFORMATIVE REFERENCES . B-1
CCSDS 121.0-B-1 Page vi May 1997
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
CONTENTS (continued)
Figure Page
2-1 Schematic of the Source Coder 2-1.
3-1 The Adaptive Entropy Coder with a Preprocessor 3-1.
3-2 Split-Sample Format 3-3.
4-1 A Preprocessor 4-1.
4-2 Preprocessor Using a Unit-Delay Predictor 4-2.
5-1 CDS Format When Sample-Splitting Option Is Selected 5-2.
5-2 CDS Format When No-Compression Option Is Selected 5-3.
5-3 CDS Format When Zero-Block Option Is Selected 5-3.
5-4 CDS Format When the Second-Extension Option Is Selected 5-4.
5-5 Packet Format for l CDSes 5-4.
6-1 Compression Identification Packet Structure 6-1.
6-2 Source Configuration Field 6-3.
Table
3-1 Fundamental Sequence Codewords As a Function of the Preprocessed Samples 3-2.
3-2 Zero-Block Fundamental Sequence Codewords As a Function
of the Number of Consecutive All-Zeros Blocks 3-4.
5-1 Selected Code Option Identification Key 5-1.
CCSDS 121.0-B-1 Page vii May 1997
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CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
1 INTRODUCTION
1.1 PURPOSE
The purpose of this document is to establish a Recommendation for source-coding data-
compression algorithm applied to digital data and to specify how these compressed data shall be
inserted into source packets for retrieval and decoding.
Source coding for data compression is a method utilized in data systems to reduce the volume of
digital data to achieve benefits in areas including, but not limited to,
a) reduction of transmission channel bandwidth;
b) reduction of the buffering and storage requirement;
c) reduction of data-transmission time at a given rate.
1.2 SCOPE
The characteristics of source codes are specified only to the extent necessary to ensure multi-
mission support capabilities. The specification does not attempt to quantify the relative
bandwidth reduction, the merits of each approach discussed, or the design requirements for
coders and associated decoders. Some performance information is included in reference [B2].
This Recommendation addresses only Lossless source coding, which is applicable to a wide
range of digital data, both imaging and non-imaging, where the requirement is for a moderate
data-rate reduction constrained to allow no distortion to be added in the data compression/
decompression process. The decompression process is not addressed. See reference [B2] for an
outline of an implementation.
1.3 APPLICABILITY
This Recommendation applies to data compression applications of space missions anticipating
packetized telemetry cross support. In addition, it serves as a guideline for the development of
compatible CCSDS Agency standards in this field, based on good engineering practice.
1.4 RATIONALE
The concept and rationale for the Lossless source coding for data compression algorithm
described herein may be found in reference [B2].
CCSDS 121.0-B-1 Page 1-1 May 1997
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
1.5 BIT NUMBERING CONVENTION AND NOMENCLATURE
In this document, the following convention is used to identify each bit in an N-bit field. The first
bit in the field to be transmitted (i.e., the most left justified when drawing a figure) is defined to
be ‘Bit 0’; the following bit is defined to be ‘Bit 1’ and so on up to ‘Bit N-1’. When the field is
used to express a binary value (such as a counter), the Most Significant Bit (MSB) shall be the
first transmitted bit of the field; i.e., ‘Bit 0’.
bit 0 bit N-1
N-Bit Data Field
first bit transmitted = MSB
In accordance with modern data communications practice, spacecraft data fields are often
grouped into 8-bit ‘words’ which conform to the above convention. Throughout this
Recommendation, the following nomenclature is used to describe this grouping:
8-Bit Word = ‘Octet’
1.6 REFERENCES
The following documents contain provisions which, through reference in this text, constitute
provisions of this Recommendation. At the time of publication, the editions indicated were
valid. All documents are subject to revision, and users of this Recommendation are encouraged
to investigate the possibility of applying the most recent editions of the documents indicated
below. The CCSDS Secretariat maintains a register of currently valid CCSDS
Recommendations.
[1] Telemetry Channel Coding. Recommendation for Space Data Systems Standards, CCSDS
101.0-B-3. Blue Book. Issue 3. Washington, D.C.: CCSDS, May 1992.
[2] Packet Telemetry. Recommendation for Space Data Systems Standards, CCSDS 102.0-B-4.
Blue Book. Issue 4. Washington, D.C.: CCSDS, November 1995.
[3] Advanced Orbiting Systems, Networks and Data Links: Architectural Specification.
Recommendation for Space Data Systems Standards, CCSDS 701.0-B-2. Blue Book.
Issue 2. Washington, D.C.: CCSDS, November 1992.
CCSDS 121.0-B-1 Page 1-2 May 1997
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CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
2 OVERVIEW
2.1 GENERAL
This Recommendation defines for standardization a particular adaptive source coding algorithm
that has widespread applicability to many forms of digital data. In particular, the science data
from many types of imaging or non-imaging instruments are well suited for the application of
this algorithm.
There are two classes of source coding methods: Lossless and Lossy.
A Lossless source coding technique preserves source data accuracy and removes redundancy in
the data source. In the decoding process, the original data can be reconstructed from the
compressed data by restoring the removed redundancy; the decompression process adds no
distortion. This technique is particularly useful when data integrity cannot be compromised.
The price it pays is generally a lower Compression Ratio, which is defined as the ratio of the
number of original uncompressed bits to the number of compressed bits including overhead bits
necessary for signaling parameters.
On the other hand, a Lossy source coding method removes some of the source information
content along with the redundancy. The original data cannot be fully restored and data distortion
occurs. However, if some distortion can be tolerated, Lossy source coding generally achieves a
higher compression ratio. By controlling the amount of acceptable distortion and compression,
this technique may enable acquisition and dissemination of mission data within a critical time
span.
This Recommendation addresses only Lossless source coding and does not attempt to explain the
theory underlying the operation of the algorithm.
2.2 THE SOURCE CODER
The Lossless source coder consists of two separate functional parts: the preprocessor and the
adaptive entropy coder, as shown in figure 2-1.
Input
Data
Block
Adaptive
x y
d
Preprocessor
Entropy
Coded
Coder Block
x = x , x , . . . x
d = d, d, . . . d1 2 J
1 2 J
Figure 2-1: Schematic of the Source Coder
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-1 May 1997
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
The inputs to the source coder are
x = x , x , . . . x
1 2 J
which is a block of J n-bit samples, where n is a constant value.
Preprocessor:
The preprocessor applies a reversible function to input data samples x, to produce a ‘preferred
source’:
d = d, d, . . . d, . . . d
1 2 i J
n
where each dis an n-bit integer, 0 £ d £ (2 –1). For an ideal preprocessing stage, d will have
i i
the following properties:
a) the {d} is statistically independent and identically distributed;
i
b) the preferred probability, p , that any sample d will take on integer value m is a
m
i
n
nonincreasing function of value m, for m = 0, 1, . . . (2 –1).
The preprocessor function is a reversible operation, and, in general, the best Lossless
preprocessor will meet the above conditions and produce the lowest entropy, which is a measure
of the smallest average number of bits that can be used to represent each sample.
This Recommendation does not attempt to explain methods for choosing a preprocessing stage.
This Recommendation does provide the definition of a basic preprocessing stage that may be
suitable for many applications. However, it is important that the user carefully address this issue
since careful selection of an appropriate preprocessing stage is essential for efficient compression
and depends on the source-data characteristics. Interested users should refer to reference [B2].
Adaptive Entropy Coder:
The function of the Adaptive Entropy Coder is to calculate uniquely decipherable, variable-
length codewords corresponding to each block of samples input from the preprocessor. The
entropy coder incorporates multiple coding options, each exhibiting efficient performance over
different yet overlapping ranges of entropy. The coder selects the coding option that gives the
highest compression ratio among the various options on the same block of J samples. A code-
option ‘identifier’, requiring only a few bits, is attached before the first codeword bit in a coded
block to signal the coding option to the decoder for proper decompression. Since the block size J
is small (16 or fewer samples) and a new code option is selected for each block, the overall
coding can be adjusted to adapt to rapid changes in data statistics.
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-2 May 1997
14 © ISO 2000 – All rights reserved

CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
2.3 PACKETIZATION OF CODED DATA
The variable-length encoded bit stream representing a J-sample block forms a Coded Data Set
(CDS). CCSDS telemetry source packet structure is recommended to transport the CDSes,
which will be contained in the source data field of the packet. The information related to, for
example, the sensor, mission, time, and other mission-specific details necessary for the routing
and accounting of the packets, will be contained in the Packet Primary Header and (if present) in
the Packet Secondary Header (see references [2] and [3]).
2.4 ERROR CONTROL
Individual channel bit errors have greater consequences when data are compressed. Even then,
the consequences need not be catastrophic. For this reason, to limit error propagation when
utilizing the source coding algorithm described in this document, the following is recommended:
a) use telemetry channel coding as described in reference [1];
b) use packetized telemetry as described in references [2] and [3].
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-3 May 1997
CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DATA COMPRESSION
3 ADAPTIVE ENTROPY CODER
3.1 CODE SPECIFICATION
3.1.1 Figure 3-1 represents the general-purpose Adaptive Entropy Coder with a preprocessor.
Basically, such a coder chooses one of a set of code options to use to represent an incoming
block of preprocessed data samples, d. A unique identifier (ID) bit sequence is attached to the
code block to indicate to the decoder which decoding option to use.
Code Option
Selection
Selected
Option
Code
Zero-Block
Option
ID
Option
2nd Extension
Option
FS
d=d,d,.,dx=x ,x ,.,x
1 2 J y
1 2 J
Option
Preprocessor
k = 1
Option
k = 2
Option
No Compression
Adaptive Entropy Coder
Figure 3-1: The Adaptive Entropy Coder with a Preprocessor
NOTE – Figure 3-1 illustrates the principle of the Adaptive Entropy Coder with a
preprocessor; it does not illustrate an implementation.
3.1.2 The basic code selected is a variable-length code that utilizes Rice’s adaptive coding
technique (refer to reference [B2]). In Rice’s coding technique, several algorithms are
concurrently applied to a block of J consecutive preprocessed samples. The algorithm option
that yields the shortest codeword sequence for the current block of data is selected for
transmission. The zero-block option is a special case in that a single codeword sequence
represents one or more consecutive blocks of J preprocessed samples (see 3.4.3). In all other
options, the codeword sequence represents a single block of J consecutive preprocessed samples.
CCSDS 121.0-B-1 Page 3-1 May 1997
16 © ISO 2000 – All rights reserved

CCSDS RECOMMENDATION FOR LOSSLESS DA
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 15887
Première édition
2000-10-01
Systèmes de transfert des informations et
données spatiales — Systèmes de
données — Compression de données sans
perte
Space data and information transfer systems — Data systems — Lossless
data compression
Numéro de référence
©
ISO 2000
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Imprimé en Suisse
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiéeaux
comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude aledroit de fairepartie ducomité
technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non gouvernementales, en
liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec la Commission
électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI, Partie 3.
Les projets de Normes internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour
vote. Leur publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités
membres votants.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments delaprésente Norme internationale peuvent faire
l’objet de droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de
ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
La Norme internationale ISO 15887 a étéélaboréepar le Comité consultatif pour les systèmes de données
spatiales (CCSDS), en tant que publication CCSDS 121.0-B-1, mai 1997, et adoptée sans changements, exceptés
ceux mentionnés dans l’article 2 de la présente Norme internationale, par le comité technique ISO/TC 20,
Aéronautique et espace, sous-comité SC 13, Systèmes de transfert des informations et données spatiales.
NORME INTERNATIONALE ISO 15887:2000(F)
Systèmes de transfert des informations et données spatiales —
Systèmes de données — Compression de données sans perte
1 Domaine d'application
La présente Norme internationale spécifie les règles pour la compression de données sans perte dans les
systèmes de transfert des informations et données spatiales. Ce document a pour objet d’établir des exigences
communes pour un algorithme de compression de données par codage des données sources appliquéà des
données numériques et de spécifier la façon dont ces données compressées doivent être insérées dans des
paquets sources pour la récupération et le décodage.
L’objet et le domaine d’application sont détaillés plus avant dans les paragraphes 1.2 et 1.3 de la publication
CCSDS ci-jointe.
2 Exigences
Les exigences sont les recommandations techniques stipulées dans la publication suivante qui est adoptéecomme
Norme internationale:
1)
CCSDS 121.0-B-1, May 1997, Recommendation for space data system standards — Lossless data compression.
Aux fins de normalisation internationale, les modifications indiquées ci-après doivent être appliquées aux chapitres
et paragraphes suivants de la publication CCSDS 121.0-B-1.
Pages i à v
Cette partie est une information qui concerne la publication CCSDS seulement.
Page 1-2
Ajouter les indications suivantes aux références citées :
[1] Le document CCSDS 101.0-B-3, mai 1992, est équivalent à l'ISO 11754:1994.
[2] Le document CCSDS 102.0-B-4, novembre 1995, est équivalent à l'ISO 13419:1997.
[3] Le document CCSDS 701.0-B-2, novembre 1992, est équivalent à l’ISO 13420:1997.
3Révision de la publication CCSDS 121.0-B-1
Il a été convenu avec le Comité consultatif pour les systèmes de données spatiales (CCSDS) que le sous-comité
ISO/TC 20/SC 13 sera consulté dans l'éventualité d'une révision ou d'un amendement de la publication
CCSDS 121.0-B-1. À cette fin, la NASA agira en tant qu'organe de liaison entre le CCSDS et l'ISO.
1) Unetraduction enfrançais de ce document a étéétablie par l’Agence spatiale française. Cette traduction est reproduite
ci-après.
(page blanche)
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Comité
Consultatif pour
les Systèmes de Données Spatiales
RECOMMANDATION POUR LES NORMES SUR
LES SYSTEMES DE DONNEES SPATIALES
COMPRESSION DE
DONNEES
SANS PERTE
CCSDS 121.0-B-1
LIVRE BLEU
Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
AUTORITES COMPETENTES
Edition: Livre Bleu, Edition 1
Date: Mai 1997
Lieu: São José dos Campos
São Paulo, Brésil
Le Comité Directeur du CCSDS (Consultative Committee for Space Data Systems - Comité
Consultatif pour les Systèmes de Données Spatiales) a autorisé à la publication le présent document qui
synthétise l'accord technique général des agences membres du CCSDS participantes. La procédure de
révision et d'autorisation des Recommandations CCSDS est détaillée dans le "Manuel des Procédures du
Comité Consultatif pour les Systèmes de Données Spatiales" (référence [B1]) ; la position des agences
lors de la procédure d'autorisation de ce document est enregistrée et peut être demandée auprès du
Secrétariat CCSDS à l'adresse ci-dessous.
Cette Recommandation est publiée et mise à jour par :
CCSDS Secretariat
Program Integration Division (Code MG)
National Aeronautics and Space Administration
Washington, DC 20546, USA
CCSDS 121.0-B-1 Page i Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
DECLARATION D'INTENTION
Le Comité Consultatif pour les Systèmes de Données Spatiales (CCSDS) est une organisation créée
officiellement par des agences spatiales membres. Le Comité se réunit périodiquement afin de traiter des
problèmes de systèmes de données qui sont communs à tous les participants, et de formuler des solutions
techniques adaptées à ces problèmes. Attendu que la participation au sein du CCSDS n'est pas
obligatoire, les décisions du Comité sont appelées Recommandations et n'engagent pas les agences.
La présente Recommandation est émise par l'Assemblée Plénière du CCSDS et en représente l'accord
général. L'adhésion d'une agence à cette Recommandation n'est pas obligatoire mais elle suppose
l'acceptation des conditions suivantes :
o Chaque fois qu'une agence crée une norme qui est du ressort du CCSDS, cette norme doit être
conforme à la Recommandation applicable. La création d'une norme n'exclut pas d'autres
dispositions qu'une agence pourrait entreprendre par ailleurs.
o Chaque fois qu'une agence crée une norme qui est du ressort du CCSDS, l'agence doit fournir aux
autres agences membres du CCSDS les informations suivantes :
-- La norme elle-même.
-- La date prévue pour l'entrée en vigueur.
-- La durée prévue du service opérationnel.
o Les dispositions pour un service spécifique doivent être prises par l'intermédiaire de protocoles
d'accord. Ni la présente Recommandation ni aucune norme en résultant ne peuvent se substituer à
un protocole d'accord.
Cinq ans après sa date d'émission au plus tard, cette Recommandation sera révisée par le CCSDS afin
de déterminer : (1) si elle peut rester en vigueur sans aucune modification ; (2) si elle doit être modifiée afin
de refléter l'influence de nouvelles technologies, de nouveaux besoins ou de nouvelles orientations ; ou (3)
si elle doit être retirée ou annulée.
Lorsqu'une nouvelle version d'une Recommandation est publiée, les normes et implémentations des
agences qui sont du ressort du CCSDS, ne sont ni annulées ni jugées incompatibles avec le CCSDS. Il
incombe à chaque agence de déterminer si ces normes ou implémentations doivent être modifiées.
Toutefois, il est vivement recommandé à chaque agence de se baser, pour ses nouvelles normes et
implémentations, sur la version la plus récente de la Recommandation.
CCSDS 121.0-B-1 Page ii Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
AVANT-PROPOS
Cette Recommandation établit une base et un cadre communs pour la spécification d'un algorithme de
compression de données sans perte, applicable à différents types de données.
Au cours de l'évolution normale de ce document, on pourra procéder le cas échéant à des extensions, des
suppressions ou des modifications. Cette Recommandation est donc soumise aux procédures de contrôle
et de modification des documents CCSDS qui sont définies dans le "Manuel des Procédures du Comité
Consultatif pour les Systèmes de Données Spatiales" (référence [B1]). Les versions courantes des
documents CCSDS sont maintenues sur le site Web du CCSDS:
http://www.ccsds.org/ccsds/
Les questions relatives au contenu ou à l'état actuel de ce document doivent être adressées au Secrétariat
du CCSDS, à l'adresse indiquée en page i.
CCSDS 121.0-B-1 Page iii Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
NdT : Pour des raisons d'efficacité et suivant l'usage dans le domaine, les sigles les plus courants sont
traduits lors de leur première utilisation et éventuellement conservés.
CCSDS 121.0-B-1 Page iv Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
Agences Membres actives et Agences Observatrices du CCSDS au moment de la publication :
Agences Membres
– Agenzia Spaziale Italiana (ASI)/Italy.
– British National Space Centre (BNSC)/Royaume-Uni.
– Canadian Space Agency (CSA)/Canada.
– Centre National d’Etudes Spatiales (CNES)/France.
– Deutsche Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)/Allemagne.
– Agence Spatiale Européenne (ASE)/Europe.
– Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)/Brésil.
– National Aeronautics and Space Administration (NASA HQ)/Etats-Unis.
– National Space Development Agency of Japan (NASDA)/Japon.
– Russian Space Agency (RSA)/Fédération de Russie.
Agences Observatrices
– Australian Space Office (ASO)/Australie.
– Austrian Space Agency (ASA)/Autriche.
– Belgian Science Policy Office (SPO)/Belgique.
– Central Research Institute of Machine Building (TsNIIMash)/Fédération de Russie.
– Centro Tecnico Aeroespacial (CTA)/Brésil.
– Chinese Academy of Space Technology (CAST)/Chine.
– Communications Research Laboratory (CRL)/Japon.
– Danish Space Research Institute (DSRI)/Danemark.
– European Organization for the Exploitation of Meteorological Satellites (EUMETSAT)/Europe.
– European Telecommunications Satellite Organization (EUTELSAT)/Europe.
– Hellenic National Space Committee (HNSC)/Grèce.
– Indian Space Research Organization (ISRO)/Inde.
– Industry Canada/Communications Research Centre (CRC)/Canada.
– Institute of Space and Astronautical Science (ISAS)/Japon.
– Institute of Space Research (IKI)/Fédération de Russie.
– KFKI Research Institute for Particle & Nuclear Physics (KFKI)/Hongrie.
– Korea Aerospace Research Institute (KARI)/Korea.
– MIKOMTEK: CSIR (CSIR)/République d'Afrique du Sud.
– Ministry of Communications (MOC)/Israël.
– National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA)/Etats-Unis.
– National Space Program Office (NSPO)/Taipei.
– Swedish Space Corporation (SSC)/Suède.
– United States Geological Survey (USGS)/Etats-Unis.
CCSDS 121.0-B-1 Page v Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
GESTION DE CONFIGURATION DU DOCUMENT
Document Titre Date Statut
Compression de Données sans Mai 1997 Edition d'origine
CCSDS
Perte, Livre Bleu, Edition 1
121.0-B-1
CCSDS 121.0-B-1 Page vi Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
SOMMAIRE
Section     Page
1 INTRODUCTION.1-1
1.1 OBJET.1-1
1.2 PORTEE.1-1
1.3 APPLICABILITE.1-1
1.4 JUSTIFICATIONS.1-1
1.5 CONVENTION ET TERMINOLOGIE CONCERNANT LA NUMEROTATION BINAIRE.1-2
1.6 REFERENCES.1-2
2 PRESENTATION GENERALE.2-1
2.1 GENERALITES.2-1
2.2 LE CODEUR SOURCE.2-1
2.3 MISE EN PAQUET DES DONNEES CODEES.2-3
2.4 CONTROLE DES ERREURS.2-3
3 LE CODEUR A ENTROPIE ADAPTATIVE.3-1
3.1 SPECIFICATIONS DU CODE.3-1
3.2 LA SEQUENCE FONDAMENTALE (FS) .3-2
3.3 DECOUPAGE D'ECHANTILLON.3-2
3.4 OPTIONS A FAIBLE ENTROPIE.3-3
3.5 OPTION SANS COMPRESSION.3-4
3.6 SELECTION DE L'OPTION DE CODAGE.3-4
4. PREPROCESSEUR .4-1
4.1 FONCTION.4-1
4.2 LES PREDICTEURS.4-1
4.3 ECHANTILLON DE REFERENCE.4-2
4.4 MAPPEUR D'ERREUR DE PREDICTION.4-2
5 FORMAT DES DONNEES .5-1
5.1 STRUCTURES DES DONNEES DE COMPRESSION SANS PERTE.5-1
5.2 FORMAT DES PAQUETS .5-4
6 PAQUET D'IDENTIFICATION DE LA COMPRESSION (FACULTATIF).6-1
6.1. STRUCTURE DES PAQUETS D'IDENTIFICATION DE LA COMPRESSION .6-1
6.2. EN-TETE PRIMAIRE DES PAQUETS D'IDENTIFICATION DE LA COMPRESSION.6-1
6.3. CHAMP DE DONNEES D'UN PAQUET .6-2
ANNEXE A GLOSSAIRE DES ABREVIATIONS
ET TERMES UTILISES . A-1
ANNEXE B           DOCUMENTS DE REFERENCE. B-1
CCSDS 121.0-B-1 Page vii Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
SOMMAIRE (suite)
Figures : Page
2-1 Schéma synoptique du codeur source.2-1
3-1 Codeur à Entropie Adaptative universel associé à un préprocesseur .3-1
3-2 Format d'un échantillon découpé .3-3
4-1 Un préprocesseur .4-1
4-2 Préprocesseur utilisant un Prédicteur à Temporisation Unitaire.4-2
5-1 Format du Jeu de Données Codées (CDS) pour une Option
de Découpage des Echantillons.5-2
5-2 Format du Jeu de Données Codées (CDS) pour l'Option "Sans Compression".5-3
5-3 Format du Jeu de Données Codées (CDS) pour l'Option "Bloc-Zéro".5-3
5-4 Format du Jeu de Données Codées (CDS) pour l'Option "Seconde Extension".5-4
5-5 Format d'un Paquet pour l Jeux de Données Codées (CDS).5-4
6-1 Structure du Paquet d'Identification de la Compression.6-1
6-2 Champ de Configuration Source.6-3
Tableaux :
3-1 Mots de code de Séquence Fondamentale en fonction d'échantillons prétraités.3-2
3-2 Mots de code de Séquence Fondamentale pour les blocs comportant
seulement des zéros en fonction du nombre consécutif de blocs
comportant seulement des zéros.3-4
5-1 Clé d'Identification des Options de Codage .5-1
CCSDS 121.0-B-1 Page viii Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
1 INTRODUCTION
1.1 OBJET
Ce document a pour objet d'établir une Recommandation pour la spécification d'un algorithme de
compression de données par codage source appliqué à des données numériques et de spécifier la façon
dont ces données compressées doivent être insérées dans des paquets sources pour la récupération et le
décodage.
Le codage source en vue d'une compression de données est une méthode utilisée dans les systèmes de
données afin de diminuer le volume des données numériques, ce qui permet notamment de réduire (mais
cette liste n'est pas exhaustive) :
a) la largeur de bande du canal de transmission ;
b) le besoin en mémoire tampon et capacité de stockage ;
c) le temps de transmission des données pour un débit donné.
1.2 PORTEE
Les caractéristiques des codes utilisés pour le codage source ne sont ici spécifiées que dans l'optique d'un
support multi-mission. Ces spécifications n'ont pas pour but de quantifier la réduction relative de largeur de
bande, les mérites de chaque approche évoquée ou les exigences de conception des codeurs et décodeurs
associés. Un certain nombre d'informations concernant les performances sont cependant données dans le
document référencé [B2].
La présente Recommandation ne traite que du codage source Sans Perte, ce qui s'applique à une large
gamme de données numériques, destinées ou non à l'imagerie, lorsque le besoin consiste à réduire le débit
de données, mais de façon modérée afin d'interdire toute distorsion supplémentaire dans le processus de
compression/décompression des données. Le processus de décompression n'est pas traité dans ce
document ; voir le document référencé [B2] pour une description générale de l'implémentation.
1.3 APPLICABILITE
La présente Recommandation s'applique à la compression de données utilisée dans le cadre de missions
spatiales prévoyant un support croisé pour la télémesure par paquet. Elle sert également de ligne directrice
pour l'élaboration, dans ce domaine, au sein des agences du CCSDS, de normes compatibles entre elles et
basées sur les bonnes pratiques de l'ingénierie.
1.4 JUSTIFICATIONS
CCSDS 121.0-B-1 Page 1-1 Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
Le concept et les justifications relatifs au codage source Sans Perte, destiné à un algorithme de
compression de données décrit ici, sont présentés dans le document référencé [B2].
1.5 CONVENTION ET TERMINOLOGIE CONCERNANT LA NUMEROTATION
BINAIRE
Dans ce document, la convention suivante est utilisée pour identifier chaque bit dans un champ de N-bits.
Le premier bit du champ à être transmis (c'est-à-dire, celui le plus à gauche sur le schéma) est défini
comme "Bit 0"; le suivant est défini comme "Bit 1" et ainsi de suite jusqu'au "Bit N-1". Lorsque le champ
est utilisé pour exprimer une valeur binaire (comme dans le cas d'un compteur), le Bit de Poids Fort (MSB
- Most Significant Bit) doit être le premier bit transmis, c'est-à-dire le "Bit 0".
bit 0 bit N-1
Champ de Données de N Bits
Premier bit transmis = Bit de poids fort
Selon la pratique utilisée à l'heure actuelle dans le domaine de la transmission de données, les champs de
données des engins spatiaux sont souvent groupés en "mots" de 8 bits conformément à la convention
précitée. Tout au long de la présente Recommandation, le terme suivant est utilisé pour décrire un tel
groupe :
Mot de 8 bits = “Octet”
1.6 REFERENCES
Certaines dispositions des documents suivants sont citées en référence dans le présent texte et constituent
à ce titre des dispositions de la présente Recommandation. Au moment de la publication, toutes les
éditions indiquées étaient valables, mais ces documents étant soumis à une révision, il est recommandé aux
utilisateurs de cette Recommandation de se renseigner sur l'édition la plus récente des documents
référencés ci-dessous. Le secrétariat du CCSDS tient à jour un registre sur les éditions actuellement en
vigueur de toutes les Recommandations CCSDS.
[1] Telemetry Channel Coding. Recommandation pour les Normes sur les Systèmes de Données
Spatiales, CCSDS 101.0-B-3. Livre Bleu. Edition 3. Washington, D.C.: CCSDS, mai 1992.
[2] Packet Telemetry. Recommandation pour les Normes sur les Systèmes de Données Spatiales,
CCSDS 102.0-B-4. Livre Bleu. Edition 4. Washington, D.C.: CCSDS, novembre 1995.
[3] Advanced Orbiting Systems, Networks and Data Links: Architectural Specification.
Recommandation pour les Normes sur les Systèmes de Données Spatiales, CCSDS 701.0-B-2.
Livre Bleu. Edition 2. Washington, D.C.: CCSDS, novembre 1992.
CCSDS 121.0-B-1 Page 1-2 Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
2 PRESENTATION GENERALE
2.1 GENERALITES
La présente Recommandation définit un algorithme spécifique de codage source adaptatif, destiné à la
normalisation et largement applicable à de nombreuses formes de données numériques, et en particulier aux
données scientifiques fournies par différents types d'instruments, imageurs ou non.
Les méthodes de codage source peuvent être classées en deux catégories : "Sans Perte de données" et
"Avec Perte de données".
La technique de codage source Sans Perte élimine les redondances contenues dans les données fournies
par la source tout en conservant la précision de ces données. Lors du décodage, les données initiales
peuvent être reconstruites en rétablissant les redondances à partir des données compressées ; le processus
de décompression n'introduit aucune distorsion. Cette technique est particulièrement utile lorsque l'intégrité
des données ne peut faire l'objet d'aucun compromis. En contrepartie, elle ne permet qu'un faible Taux de
Compression (le Taux de Compression est définit comme étant le rapport entre le nombre initial de bits,
avant compression, et le nombre de bits après compression, y compris les bits de service introduits pour
caractériser les paramètres).
La technique de codage source Avec Perte élimine elle aussi les redondances contenues dans les données
fournies par la source en supprimant une partie des informations initiales. Les données initiales ne peuvent
être complètement restituées, et il y donc distorsion de données. Cependant, lorsqu'une certaine distorsion
peut être tolérée, le codage source Avec Perte permet en général un meilleur taux de compression. Cette
technique permet donc, si l'on maintient un niveau acceptable de distorsion et de compression, d'effectuer
l'acquisition et la diffusion des données d'une mission en réduisant les délais.
La présente Recommandation ne traite que du codage source Sans Perte et n'a pas pour but d'exposer la
théorie sur laquelle l'algorithme repose.
2.2 LE CODEUR SOURCE
Le codeur source Sans Perte de données est composé de deux parties fonctionnelles distinctes : le
préprocesseur et le codeur à entropie adaptative, tels que représentés en Figure 2-1.
Bloc de
Données
d’Entrée
Codeur à
x d y
d
x Y
Préprocesseur Entropie
Bloc codé
Adaptative
x x , x , ., x d d , d , ., d
=
= 1 2 j 1 2 j
X = X , X , . X d = d , d , . . . d
1 2 J 1 2 J
Figure 2-1 : Schéma synoptique du codeur
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-1 Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
Le codeur source reçoit en entrée :
x x , x , . . . x
=
1 2 J
c'est-à-dire un bloc de J échantillons codés sur n bits, n ayant une valeur constante.
Le préprocesseur :
Le préprocesseur applique une fonction réversible aux échantillons d'entrée x ; on obtient alors une "source
privilégiée", de la forme :
d = d , d , . . . d , . . . d
1 2 i J
n
où d sont des entiers codés sur n bits, tels que 0 i i
idéale, d doit avoir les propriétés suivantes :
a) les {d } doivent être statistiquement indépendants et identiquement distribués ;
i
b) la probabilité privilégiée p que tout échantillon d prenne une valeur entière m doit être une
m i
n
fonction non-croissante de m, pour m = 0, 1, . . . (2 -1).
La fonction opérée par le préprocesseur est une opération réversible, et, en général, si le préprocesseur à
traitement Sans Perte de données est choisi de façon optimale, il remplira les conditions définies ci-dessus
et produira une entropie minimum, cette entropie représentant le plus petit nombre moyen de bits pouvant
être utilisé pour représenter chaque échantillon.
La présente Recommandation n'a pas pour but d'expliquer les méthodes qui permettent de choisir la phase
de prétraitement à appliquer, mais définit une phase de prétraitement générique pouvant convenir à de
nombreuses applications. Il importe cependant que l'utilisateur y accorde la plus grande attention, car le
choix minutieux d'une phase de prétraitement appropriée est essentiel pour que la compression soit efficace
et doit se faire en fonction des caractéristiques des données initiales. Les utilisateurs intéressés peuvent se
référer au document [B2].
Le codeur à Entropie Adaptative :
Le Codeur à Entropie Adaptative a pour fonction de calculer des mots de code de longueur variable ayant
un seul décodage possible, correspondant à chacun des blocs d'échantillons qu'il reçoit du préprocesseur.
Ce codeur comprend différentes options de codage, performantes sur des gammes d'entropie différentes,
mais se chevauchant. Le codeur sélectionne, parmi les options possibles pour un même bloc de J
échantillons, celle qui offre le meilleur taux de compression. Un "identificateur" d'option de codage, qui
n'occupe que quelques bits, est attaché au bloc avant le premier bit du mot de code afin que le décodeur
connaisse l'option de codage qui a été employée et puisse appliquer la décompression correspondante.
Etant donné que la taille J d'un bloc peut être petite (16 échantillons ou moins) et qu'une nouvelle option de
codage est retenue pour chaque bloc, le codage général peut s'adapter à de rapides variations statistiques
des données.
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-2 Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-3 Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
2.3 MISE EN PAQUET DES DONNEES CODEES
Le train de bits codé sur une longueur variable représentant un bloc de J échantillons constitue un Jeu de
Données Codées (CDS : Coded Data Set). Il est recommandé, pour la transmission de ces CDS,
d'utiliser la structure de paquet de données sources de télémesure définie par le CCSDS, les CDS devant
être contenus dans le champ de données sources du paquet. Les informations relatives, par exemple, au
capteur, à la mission, à l'heure ou autre détail spécifique à la mission, et nécessaires au routage et à la
répartition des paquets doivent être contenues dans l'En-tête Primaire du Paquet, ainsi que (s'il existe),
dans l'En-tête Secondaire du Paquet (Cf. documents référencés [2] et [3]).
2.4 CONTROLE DES ERREURS
Les erreurs de bits indépendantes provoquées par le canal de transmission peuvent avoir des
conséquences accrues lorsque les données sont compressées, même si ces conséquences ne sont pas
forcément catastrophiques. Afin de limiter la propagation des erreurs lors de l'utilisation de l'algorithme de
codage source, il est donc recommandé :
a) d'employer le codage de canal de télémesure décrit dans le document référencé [1] ;
b) d'employer la télémesure par paquets, telles que décrite dans les documents
référencés [2] et [3].
CCSDS 121.0-B-1 Page 2-4 Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
3 LE CODEUR A ENTROPIE ADAPTATIVE
3.1 SPECIFICATIONS DU CODE
3.1.1 La figure 3-1 représente un Codeur à Entropie Adaptative universel associé à un préprocesseur.
Le principe de ce codeur consiste à sélectionner parmi un ensemble d'options de codage celle qui sera
utilisée pour coder un bloc entrant d'échantillons de données prétraitées, d. Un identificateur (ID) unique,
constitué d'une séquence de bits, est attaché au bloc de code afin d'indiquer au décodeur l'option de
décodage à utiliser.
Sélection de
l’Option de Codage
Option de
Option
Codage
Bloc Zéro
Sélectionnée
ID
Option
2nde Extension
•
Option
•
FS
•
d = d , d , . . . d
• y
X = X1, X2 . . . XJ 1 2 J
Option
•
Préprocesseur •
k = 1
•
Option
•
k = 2
•
•
•
•
Option
Pas de Compression
Codeur à Entropie Adaptative
Figure 3-1 : Codeur à Entropie Adaptative universel associé à un préprocesseur
NB - La Figure 3-1 illustre le principe de fonctionnement du Codeur à Entropie Adaptative associé à un
préprocesseur ; elle n'illustre pas une implémentation.
3.1.2 Le code de base sélectionné est un code de longueur variable qui utilise la technique de codage
adaptatif de Rice (Cf. Document référencé [B2]). Cette technique consiste à appliquer simultanément
plusieurs algorithmes à un bloc de J échantillons prétraités consécutifs. L'option algorithmique qui permet
d'obtenir la séquence de mots de code la plus courte pour ce bloc de données est ensuite retenue pour la
transmission. L'option "Bloc-Zéro" correspond à un cas particulier où une même séquence de mot de code
représente un ou plusieurs blocs consécutifs de J échantillons prétraités (voir § 3.4.3). Pour toutes les
autres options, la séquence d'un mot de code représente un seul bloc de J échantillons consécutifs
prétraités.
CCSDS 121.0-B-1 Page 3-1 Mai 1997
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RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
3.1.3 La technique de codage adaptatif de Rice requiert les variables suivantes :
- taille du bloc, J ;
- résolution, n (nombre de bits entrant par échantillon) ;
- la séquence de bits d'identification (ID) de l'option de codage choisie.
3.1.4 Dans la présente Recommandation, les restrictions suivantes doivent être appliquées au schéma de
codage adaptatif à longueur variable du Codeur à Entropie:
J = 8 ou 16 échantillons par bloc ;
n = résolution, avec un maximum de 32 bits par échantillons,
la valeur des signaux numériques étant comprise entre
n n-1 n-1
0 et 2 -1 ou entre -2 et 2 -1.
3.2 LA SEQUENCE FONDAMENTALE (FS)
L'option de base principale est un mot de code de longueur variable désigné Séquence Fondamentale (FS
: Fundamental Sequence), constitué de m zéros suivis d'un un lorsque l'échantillon prétraité d = m. Les
i
mots de code FS sont présentés dans le Tableau 3-1. Une Séquence Fondamentale est la concaténation
de J mots de code FS.
Tableau 3-1 : Mots de code de Séquence Fondamentale en fonction d'échantillons prétraités
Valeurs d'échantillons Mot de code FS
prétraités, d
i
0 1
1 01
2 001
. .
. .
. .
n
2 -1 0000 . . . 00001
n
(2 -1 zéros)
3.3 DECOUPAGE D'ECHANTILLON
CCSDS 121.0-B-1 Page 3-2 Mai 1997
RECOMMANDATION CCSDS POUR LA COMPRESSION DE DONNEES SANS PERTE
3.3.1 La k-ième option de découpage d'échantillon est obtenue en retirant de la valeur binaire de chaque
échantillon prétraité d les k bits de poids faible et en codant les bits restant au moyen d'un mot de code FS
i
(voir Figure 3-2). On obtient alors des mots de code de longueur variable. Les mots de code FS du bloc
courant de J échantillons prétraités sont transmis sans les bits de poids faible, précédés par un champ
d'identification indiquant la valeur de k. Ce procédé permet d'adapter la longueur des mots de code aux
caractéristiques statistiques des données initiales.
3.3.2 L'option Séquence Fondamentale (FS) décrite au § 3.2 est un cas particulier de découpage
d'échantillon où k = 0.
Echantillon prétraité codé sur n bits, d
i
(n-k) bits à coder sous la forme k bits de poids
d’un mot de code FS faible
Bits de poids fort Bits de poids faible
Figure 3-2 : Format d'un échantillon découpé
3.4 OPTIONS A FAIBLE ENTROPIE
3.4.1 GENERALITES
Les deux options de codage que sont l'option Seconde -Extension et l'option Bloc-Zéro permettent un
codage plus efficace que les autres options lorsque les données prétraitées sont hautement compressibles.
3.4.2 L'OPTION SECONDE EXTENSION
Lorsque l'option Seconde-Extension est sélectionnée, chaque paire de J échantillons prétraités d'un bloc
est transformée et codée au moyen d'un mot de code FS. Soit d et d deux paires consécutives
i i+1
d'échantillons d'un bloc de données prétraitées comportant J échantillons. d et d sont transformées pour
i i+1
obtenir un nouveau symbole unique g, selon l'équation suivante :
g = (d + d ) (d + d +1)/2 + d .
i i+1 i i+1 i+1
Les J/2 symboles ainsi obtenus pour un bloc sont ensuite codés à l'aide du mot de code FS défini dans le
Tableau 3-1. Ce procédé nécessite que J soit un entier pair, conformément aux valeurs recommandées au
§ 3.1.4 (J = 8 ou 16) .
3.4.3 L'OPTION BLOC ZERO
3.4.3.1L'option Bloc-Zéro est choisie lorsqu'un ou plusieurs blocs d'échantillons prétraités sont
entièrement constitués de zéros. Dans ce cas, un seul mot de code peut représenter plusieurs blocs

La première extension d'un échantillon prétraité est l'échantillon prétraité lui-même.
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d'échantillons prétraités, ce qui n'est pas possible avec les autres options qui ne permettent de représenter
qu'un ou deux échantillons prétraités à l'aide un mot de code FS.
3.4.3.2 L'ensemble de blocs, r, compris entre deux échantillons de référence consécutifs, tel que
décrit au § 4.3, est partagé en un ou plusieurs segments, chaque segment, à l'exception éventuellement du
dernier, contenant s blocs. La valeur recommandée pour s est 64.
3.4.3.3 A l'intérieur de chaque segment, chaque groupe de blocs contigus contenant uniquement
des zéros est codé à l'aide d'un des mots de code FS indiqués dans le Tableau 3-2 ; ils identifient la
longueur du groupe. Le mot de code ROS (Remainder-Of-Segment : Reste du segment) donné dans le
tableau 3-2 est utilisé pour indiquer que le reste du segment comporte cinq blocs ou plus comportant
seulement des zéros.
Tableau 3-2 : Mots de code de Séquence Fondamentale pour les blocs
comportant seulement des zéros en fonction du nombre
consécutif de blocs comportant seulement des zéros
Nombre de Blocs contenant uniquement Mot de code FS
des Zéros
1 1
2 01
3 001
4 0001
ROS 00001
5 000001
6 0000001
7 00000001
8 000000001
. .
. .
. .
63 0000 . . .0000000001
(63 zéros et un 1)
3.5 OPTION SANS COMPRESSION
Cette dernière option n'effectue aucune compression de données. Si elle est choisie, la seule
modification apportée au bloc prétraité d'échantillons est l'ajout d'un champ d'identification.
3.6 SELECTION DE L'AOPTION DE CODAGE
Le Codeur à Entropie Adaptative comporte une fonction de sélection de l'option de codage qui
choisit l'option la mieux adaptée au bloc d'échantillons à coder. Ce choix se fonde sur le nombre de bits
que l'option retenue utilisera pour coder ce bloc d'échantillons. Une séquence de bits d'identification
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indique l'option qui a été utilisée pour coder le jeu de mots de code auquel elle est attachée. Les séquences
de bits d'identification sont données dans le Tableau 5-1.
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4. PREPROCESSEUR
4.1 FONCTION
4.1.1 Le nombre de corrélations retirées lors du prétraitement des échantillons de données et l'efficacité
de codage du codeur à entropie sont deux des facteurs permettant de mesurer la performance concernant
le taux de codage (bits/échantillon) produit par une technique de compression de données sans perte. Le
préprocesseur a pour fonction de décorréler les données et de les reformater sous forme d'entiers non-
négatifs selon une loi de probabilité de distribution "privilégiée". Dans certains cas, le préprocesseur n'est
pas nécessaire (Cf. document référencé [2]) et peut être shunté pour améliorer les performances de
compression.
4.1.2 Un préprocesseur possède deux fonctions, la prédiction et le "mappage", comme indiqué en Figure
x$
4-1. Le préprocesseur soustrait la valeur de prédiction, , de la valeur en cours, x . L'erreur de prédiction
i i
ainsi obtenue, D , codée sur (n+1) bits, est ensuite transformée en une valeur d (entier codé sur n bits)
i i
$
x
basée sur la valeur fournie par le prédicteur. Lorsque le prédicteur est correctement choisi, l'erreur de
i
prédiction tend à être faible et, pour certaines sources, suit une loi de probabilité proche de celle de
Laplace, loi pour laquelle le Codeur à Entropie Adaptative fonctionne de façon optimale. Il existe plusieurs
techniques de prétraitement, mais une seule est présentée dans cette Recommandation : celle du
"Prédicteur à Temporisation Unitaire", décrite au § 4.2 (Cf. document référencé [B2] pour d'autres
exemples de prédicteurs).
Erreur de Prédiction
D
i
Bloc de données d'entrée
X
+
i d
i
Mappeur
+
- Echantillons
Prétraités
ê
x
i
Prédicteur
Valeur de prédiction
Figure 4-1 : Un préprocesseur
4.2 LES PREDICTEURS
4.2.1 TECHNIQUES DE PREDICTION
Le Codeur à Entropie Adaptative peut employer plusieurs techniques de prétraitement. L'une de ces
techniques est spécifiée ci-dessous au § 4.2.2. Il s'agit de celle du prédicteur à temporisation unitaire. Le
prédicteur à temporisation unitaire peut être remplacé par des prédicteurs spécifiques d'application, mais
ceux-ci constituent des cas particuliers non traités dans la présente Recommandation.
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4.2.2 PREDICTEUR A TEMPORISATION UNITAIRE
Le prédicteur à temporisation unitaire, illustré en Figure 4-2, utilise un signal de donnée d'entrée retardé
d'un échantillon comme prédicteur du signal de donnée courant ; l'erreur de prédiction et la valeur de
prédiction sont ensuite envoyées au mappeur qui les transforme en un nombre entier.
Erreur de Prédiction
D
i
Mappeur
X +
d
i i
d'Erreur de
+
Echantillons
- Prédiction
Prétraités
Prédicteur à
Temporisation
êx
Unitaire
i
Figure 4-2 : Préprocesseur utilisant un Prédicteur à Temporisation Unitaire.
4.3 ECHANTILLON DE REFERENCE
Un échantillon de référence est un échantillon de donnée d'entrée n'ayant subi aucune transformation et
partir duquel se fait ensuite la prédiction des échantillons suivants. Lorsque l'on emploie un prédicteur à
temporisation unitaire ou tout autre prédicteur évolué utilisant le signal de donnée antérieur pour faire la
prédiction, le décodeur a besoin de références pour retrouver les valeurs des
...