空間圖像/視頻壓縮算法的選擇及其應(yīng)用

劉鴻飛

(漳州師范學(xué)院 物理與電子信息系，福建 漳州 363000)

空間圖像/視頻壓縮算法的選擇及其應(yīng)用

劉鴻飛

(漳州師范學(xué)院 物理與電子信息系，福建 漳州 363000)

空間圖像數(shù)據(jù)的下傳受到星上能源、過境時間、誤碼率等限制，為了進行實時的、高效的、抗誤碼的壓縮，文中研究比較了小波和JPEG、MPEG-2、MPEG-4、H.264等傳統(tǒng)編碼方式的優(yōu)勢，并結(jié)合前期應(yīng)用經(jīng)驗，選擇了（9,7）小波+SPIHT編碼，該算法可以有效地去除圖像數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計冗余，且符合人眼的視覺特性，非常適應(yīng)空間圖像/視頻數(shù)據(jù)的壓縮。文章提出了基于FPGA為核心的高可靠性小波壓縮硬件平臺，可以實時地完成空間圖像的小波壓縮編碼。

空間圖像；小波；SPIHT；壓縮；FPGA

0.引言

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人類在太空的活動越來越頻繁，目前在太空飛行的人造地球衛(wèi)星就達數(shù)百顆，還有無數(shù)的廢棄衛(wèi)星、太空垃圾等，這些飛行器在太空運行的實際現(xiàn)場情景，為人類越來越好奇。利用小衛(wèi)星對空間站或其他目標(biāo)衛(wèi)星進行觀測并為其服務(wù)是現(xiàn)代小衛(wèi)星的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，我們將其稱為伴飛（Inspector）衛(wèi)星。Inspector衛(wèi)星圍繞目標(biāo)飛行，并可將觀測數(shù)據(jù)發(fā)回地面，具有服務(wù)功能的 Inspector衛(wèi)星則更為復(fù)雜，小衛(wèi)星作為空間支持的一種新手段，可以圍繞軌道飛行器完成精確的機動和觀測。美國研制成功的mini-AERCam就是這種Inspector衛(wèi)星如圖 1所示，它可以繞著宇宙飛船進行飛行，拍攝不同角度、不同距離的宇宙飛船飛行情景[1,2]。

圖 1 (a) Sprint與Mini-AERCam實物圖(b) Mini-AERCam的內(nèi)部電路板圖

1.空間圖像壓縮的必要性

衛(wèi)星在對空間目標(biāo)成像的過程中，產(chǎn)生了海量的圖像/視頻數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)要么直接下傳給地面接收站，要么緩存在星載大容量存儲陣列中，再發(fā)送給地面接收站。從而給衛(wèi)星的功耗、星載大容量存儲陣列、數(shù)傳系統(tǒng)衛(wèi)星帶來了沉重的壓力。

衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的下傳，涉及到衛(wèi)星通信帶寬、可接收時間、功耗等一系列問題。① 衛(wèi)星通信的帶寬：衛(wèi)星一般通過X波段發(fā)送器將拍攝到的圖像/視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到地面接收站，X波段發(fā)送器受到衛(wèi)星能耗、地面接收站的接收靈敏度、使用頻段等多方面的問題，通信帶寬為15 Mbps左右，顯然無法實時發(fā)送衛(wèi)星拍攝到的圖像/視頻數(shù)據(jù)。 ②可接收時間（衛(wèi)星過境時間）：人類發(fā)射的衛(wèi)星中，大部分屬于太陽同步軌道，它繞地球轉(zhuǎn)一圈，一般都是100分鐘左右，速度很快，接收天線跟蹤過頂衛(wèi)星的時間是有限的?？山邮諘r間隨衛(wèi)星軌道高度不同也有所不同，一般為10～20分鐘；地球同步衛(wèi)星全時間可接受，但是距離遙遠，數(shù)傳速度非常低。 ③衛(wèi)星通信的能耗：由于衛(wèi)星自身的體積限制，太陽能電池板表面面積不大（僅僅貼在小衛(wèi)星自身四周），因此供電系統(tǒng)提供的能耗相當(dāng)有限，而衛(wèi)星向地面回傳數(shù)據(jù)的能耗巨大，因此，小衛(wèi)星的能耗小，是阻止小衛(wèi)星拍攝到更多、更高分辨率的太空實景圖片的障礙之一。

各國研制的小衛(wèi)星，采用的圖像/視頻壓縮算法如表 1所示。

表1 各國星載圖像/視頻壓縮系統(tǒng)

2.空間成像壓縮技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

盡管空間成像壓縮技術(shù)很早就被用于深空探測數(shù)據(jù)的傳輸，但是空間成像壓縮技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用卻還在起步中。原來，探測器性能差，空間分辨率低，成像速度慢，數(shù)據(jù)的傳輸并不是獲取空間圖像資料的瓶頸。隨著空間成像技術(shù)的進一步發(fā)展，星載數(shù)據(jù)傳輸和存儲成為嚴(yán)重問題，人們才不得不開始考慮采用圖像壓縮技術(shù)。

盡管空間成像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)應(yīng)用的時間不長，但是發(fā)展卻非常迅速，目前，幾乎所有的高分辨率光學(xué)成像衛(wèi)星都采用了圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)[3]。像法國的SPOT系列衛(wèi)星，美國的IKONOS2、Quickbird和軍事偵察衛(wèi)星KH-11，均不約而同地采用了圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)[4]。噴氣推進實驗室（JPL）研制了ICER應(yīng)用于火星探測器的圖像傳輸，ICER結(jié)合最新發(fā)展的圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，采用了改進的小波零樹編碼技術(shù)，而且已經(jīng)用ASIC方式硬件實現(xiàn)[5]。歐洲同樣也不落后，歐空局目前已經(jīng)研制成功基于小波變換的ASIC芯片，用于星載圖像壓縮系統(tǒng)。近年來，我國在成像數(shù)據(jù)壓縮領(lǐng)域投入了很大的精力，也取得了相當(dāng)?shù)倪M展，部分已經(jīng)上天或者即將上天的衛(wèi)星已經(jīng)用到圖像壓縮技術(shù)，但是總的來說，國內(nèi)發(fā)展的圖像壓縮技術(shù)仍然落后于歐美，尤其在最新出現(xiàn)的高效率小波壓縮方法[6,7]，歐美已經(jīng)形成ASIC硬件芯片，我國在這個方面的研究則剛剛起步。

3 空間成像壓縮算法的比較與選擇

空間成像壓縮，從本質(zhì)上講，它和地面圖像/視頻壓縮是一樣的。圖像/視頻壓縮算法，按壓縮手段來分，有空間壓縮（幀內(nèi)）和時間壓縮（幀間），幾乎所有的圖像編碼算法都具備空間壓縮的能力，而時間壓縮則不然，有的具備，有的不具備，具備時間壓縮能力的典型算法為MPEG-4、H.264，不具備時間壓縮能力的算法有Motion-JPEG、JPEG2000、（9，7）小波+SPIHT。

3.1 壓縮性能比較

壓縮比從160：1至60：1的各種標(biāo)準(zhǔn)的峰值信噪比（PSNR）的比較情況請參見文獻[2-4]。在壓縮效率方面，當(dāng)壓縮比較大（>32：1）時，JPEG的壓縮效率最差，其他二種則效率接近[8]。當(dāng)然，壓縮效率與視頻性質(zhì)緊密相關(guān)，在含有高速運動目標(biāo)的情況下，JPEG2000的壓縮效率明顯高于其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)，而在普通場景情況，壓縮效率則相差不多。在低分辨率視頻壓縮的情況下，H.264、MPEG-4具有較好的壓縮特性；在越來越多的高分辨率視頻信號（720×576），JPEG2000和H.264具有相當(dāng)?shù)膲嚎s性能；在1920×1080等更高分辨率視頻壓縮中，采用小波變換JPEG2000明顯超過H.264/AVC。當(dāng)分辨率增加，象素間的相關(guān)性增加時，JPEG2000就越有優(yōu)勢[3]；而且H.264的幀間預(yù)測會受到散粒噪聲的影響。

（9，7）小波+SPIHT算法，和JPEG2000一樣，采用（9，7）小波對圖像數(shù)據(jù)進行變換，不同的是前者采用SPIHT算法對小波系數(shù)進行編碼，而后者采用EBCOT算法。SPIHT算法提出的空間方向樹可以更有效地組織小波系數(shù)，不僅充分地利用了不同尺度間小波系數(shù)的相關(guān)性，也充分考慮了同一尺度下小波系數(shù)的相關(guān)性，合理地利用了小波分解后的多分辨率特性，獲得了優(yōu)良的編碼性能[3]。SPIHT的顯著特點是在極低的計算復(fù)雜度情況下，獲得高質(zhì)量的恢復(fù)圖像，其壓縮性能與EBCOT差不多。

3.2 算法復(fù)雜度

空間圖像壓縮算法將在硬件平臺上實現(xiàn)，而衛(wèi)星星載中央處理器的處理能力比較有限，因此有必要考慮算法的復(fù)雜度，選擇一種算法復(fù)雜度較低的圖像壓縮算法，將有利于算法的實際工程應(yīng)用。各種算法的復(fù)雜度比較如表 2所示。

表2 各種算法的復(fù)雜度比較

3.3 容錯能力

衛(wèi)星通過無線信道下傳圖像數(shù)據(jù)，由于距離遠，發(fā)射功率有限，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率較高。因此，必須選擇一種抗誤碼能力較強的圖像壓縮算法。各種算法的抗誤碼能力分析入表 3所示。由表中可以看出，基于離散小波變換的壓縮算法，由于沒有幀間壓縮，誤碼不會在幀間擴散。

表3 各種算法的抗誤碼能力比較

3.4 視覺效果

基于小波變換的壓縮算法，避免了DCT變換的塊失真效應(yīng)，在同樣壓縮比的情況下，視覺效果上更有優(yōu)勢。在碼流傳輸過程中產(chǎn)生誤碼時，小波變換和DCT變換都會錯誤解碼：小波變換產(chǎn)生點狀贗像，DCT變換則會產(chǎn)生塊狀贗像[9,10]。另外，基于小波變換的壓縮算法一般沒有幀間預(yù)測，因此，誤碼不會在幀間傳遞，而MPEG-4、H.264后一幀圖像的解壓依賴前一幀圖像，因而誤碼會在一段視頻的各幀圖像中擴散。一個誤碼將產(chǎn)生引起一段時間的塊狀贗像。基于小波變換的壓縮算法的多分辨率特性，還可以采用嵌入式編碼，符合人眼由模糊至清晰，由整體到局部的視覺需要[9]。

3.5 實際工程經(jīng)驗

在我國某次應(yīng)用中，同時采用了MPEG-4和JPEG兩種壓縮算法進行應(yīng)用比較，發(fā)現(xiàn)由于火箭發(fā)射時，產(chǎn)生大量的電磁干擾，碼流傳輸時產(chǎn)生大量的誤碼，最后的結(jié)果是：接收到的 MPEG-4無法正常解碼，經(jīng)常出現(xiàn)大面積的亂碼和長時間的誤碼情況；而JPEG碼流大部分時間可以正常解碼，也會產(chǎn)生中小面積的亂碼現(xiàn)象。相關(guān)資料證明，美國MiniCAM的星載圖像/視頻壓縮系統(tǒng)也采用了小波變換壓縮算法。

3.6 空間目標(biāo)成像數(shù)據(jù)壓縮方案的確定

綜合以上討論，由于（9，7）小波+SPIHT，擁有壓縮效率高、算法復(fù)雜度低、抗誤碼能力強、視覺效果好等優(yōu)點，并且已經(jīng)有成功的應(yīng)用案例，因此選擇（9，7）小波+SPIHT作為空間目標(biāo)成像數(shù)據(jù)的壓縮算法。

4.小波壓縮編碼算法的實現(xiàn)

空間目標(biāo)成像的數(shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)，分析其功能特點和應(yīng)用需求，將主要包括成像系統(tǒng)、圖像處理部分、圖像輸出、指令接口等分系統(tǒng)。編碼系統(tǒng)以Xilinx公司推的XQVR3000型300萬門FPGA為系統(tǒng)處理器，包括了SRAM、LVDS接口、RS422接口等對外接口[11]。其中RS422指令的接收和譯碼、探測器驅(qū)動、圖像預(yù)處理、小波變換、SPIHT編碼等，全部在FPGA內(nèi)實現(xiàn)。

圖2 空間圖像小波壓縮的實現(xiàn)

5.結(jié)論

采用（9，7）小波+SPIHT算法，可以很好地完成空間圖像/視頻壓縮工作，在保證足夠圖像質(zhì)量的情況下，大大降低了空間圖像/視頻的數(shù)據(jù)量，可以獲得更多、更清晰的空間圖片。

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TP751

A

1673-2219（2011）04-0019-04

2010－11－15

劉鴻飛(1979－)，男，湖南衡南人，博士，講師，主要研究領(lǐng)域為空間圖像壓縮技術(shù)的工程應(yīng)用。

（責(zé)任編校：劉志壯）