基于低速率鏈路的圖像感興趣區(qū)壓縮研究*

羅 航 許 彩 江忠英

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333002)(2.海軍駐武漢七一九所軍事代表室 武漢 430205)

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基于低速率鏈路的圖像感興趣區(qū)壓縮研究*

羅 航1許 彩2江忠英1

(1.海軍駐景德鎮(zhèn)地區(qū)航空軍事代表室 景德鎮(zhèn) 333002)(2.海軍駐武漢七一九所軍事代表室 武漢 430205)

論文采用基于提升小波的改進(jìn)SPIHT算法對圖像壓縮傳輸進(jìn)行論證研究,得出在低數(shù)據(jù)鏈路條件下,壓縮/解壓縮之后的圖像會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失真。為了提高目標(biāo)的可識(shí)別性,提出了對圖像進(jìn)行基于感興趣區(qū)壓縮傳輸。經(jīng)過分析和對比實(shí)驗(yàn)后得出基于Maxshift方法的感興趣區(qū)編碼方法最優(yōu),具有一定的應(yīng)用潛力和實(shí)際價(jià)值。

直升機(jī); 感興趣區(qū); 作戰(zhàn)仿真

Class Number TN911

1 引言

隨著科技不斷進(jìn)步,信息獲取手段不斷增多。利用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈無縫鏈接,將高空偵察機(jī)、無人機(jī)、預(yù)警機(jī)等信息獲取系統(tǒng)形成了一個(gè)不同高度、不同層次的立體信息偵察網(wǎng)。戰(zhàn)場態(tài)勢信息不再是以單純的目標(biāo)信息為主,而是以多頻譜圖像(靜止或視頻圖像、雷達(dá)成像、紅外圖像)信息等為主,信息量大;而戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈,經(jīng)過幾十年的發(fā)展仍有相當(dāng)一部分屬于低速率數(shù)據(jù)鏈路,如果用其進(jìn)行傳輸,必然造成很大的時(shí)間延遲。若能將可能存在目標(biāo)的感興趣區(qū)域(Region of Interest,ROI)與背景區(qū)域分別進(jìn)行壓縮編碼,既能較好地保留感興趣區(qū)域中的目標(biāo)信息,又能提高壓縮比,并且能降低編碼運(yùn)算的復(fù)雜度。因此需要在保證實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上開展基于低速率數(shù)據(jù)鏈路感興趣圖像壓縮方法研究。

現(xiàn)階段的感興趣區(qū)域編碼技術(shù)研究主要基于小波變換,利用小波多分辨率的屬性,對編碼方式進(jìn)行改進(jìn)。目前,基于感興趣區(qū)的圖像壓縮研究中,小波系數(shù)的編碼方法又主要集中在SPIHT和EBCOT兩種算法上。文獻(xiàn)[1～2]將小波變換、位平面提升法與SPIHT算法相結(jié)合,提出了一種基于SPIHT算法的感興趣區(qū)域圖像壓縮的編碼方案,取得了較好的效果。本文進(jìn)行了基于低速率鏈路整幅圖像壓縮傳輸論證和感興趣區(qū)編碼問題的研究。

2 提升小波的改進(jìn)SPIHT壓縮算法

2.1 基于S+P小波變換

傳統(tǒng)的小波變換產(chǎn)生的都是浮點(diǎn)數(shù),在進(jìn)行圖像量化編碼時(shí)就會(huì)產(chǎn)生誤差,而且浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算所需要的計(jì)算機(jī)內(nèi)存也很大。另外,在進(jìn)行DWT時(shí),不可避免地遇到邊界延拓問題,這勢必造成數(shù)據(jù)的增加,變換后數(shù)據(jù)的長度會(huì)超過原信號(hào)的數(shù)據(jù)長度。在此背景下,由Sweldens提出一種基于空間域的小波構(gòu)造方法-提升方法(lifting scheme)[3],提升的實(shí)現(xiàn)形式給出了小波完全的空間域解釋,它具有優(yōu)良的特性:結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算量低、原位運(yùn)算、節(jié)省存儲(chǔ)空間、逆變換可直接反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn),以及可逆的整數(shù)到整數(shù)變換,便于實(shí)現(xiàn)。其提升變換過程如圖1所示。

圖1 提升小波變換過程

2.2 基于狀態(tài)位圖的SPIHT壓縮算法

基于小波變換的SPIHT圖像壓縮算法是目前公認(rèn)性能較好的一種實(shí)用高性能圖像壓縮編碼算法,但原始的SPIHT算法中又忽略了基于同頻帶內(nèi)相鄰小波系數(shù)值往往相近的兄弟相關(guān)性以及當(dāng)排序掃描過程利用集合鏈表LIP和LIS確定小波系數(shù)重要性時(shí),僅有一小部分比特用于編碼重要信息的兩大缺點(diǎn)。由于篇幅限制,這里僅列出改進(jìn)的算法,做出改進(jìn)部分如下:

1) 進(jìn)行兄弟相關(guān)性的假設(shè)

在父節(jié)點(diǎn)系數(shù)值一般大于子節(jié)點(diǎn)系數(shù)值的同時(shí),兄弟節(jié)點(diǎn)系數(shù)值又往往相近,這種由樹結(jié)構(gòu)體現(xiàn)的父子相關(guān)性和兄弟相關(guān)性是小波變換域內(nèi)的兩種主要相關(guān)性?，F(xiàn)提出一假設(shè),即在最低頻子帶中一個(gè)系數(shù)相對于門限T是不重要的,則其鄰近的系數(shù)相對于門限T也是不重要的。

2) 重新定義零樹結(jié)構(gòu)

SPIHT算法中LL_N是沒有子結(jié)點(diǎn)的,繼續(xù)沿用SPIHT算法關(guān)于C(i,j)、D(i,j)和L(i,j)的定義,而在改進(jìn)零樹結(jié)構(gòu)中,所有具有直接后繼節(jié)點(diǎn)(i,j)的子集合O(i,j)定義如下:

若(i,j)=C(0,0),則O(i,j)={(0,1)(1,0),(1,1)};

若(i,j)≠C(0,0),則O(i,j)={(2i,2j),(2i,2j+1),(2i+1,2j),(2i+1,2j+1)}。

3) 引入狀態(tài)位圖的思想[4]

采用位圖FC、FD來分別表示系數(shù)C(i,j)和集合D(i,j)的重要性,同時(shí)增加了位圖FL來控制當(dāng)前門限下子集是否進(jìn)行編碼。如果FL(i,j)=0,則D(i,j)或L(i,j)必須進(jìn)行重要性判斷;如果FL(i,j)=1,表示D(i,j)和L(i,j)不必進(jìn)行重要性判斷或已經(jīng)在前一個(gè)門限判斷過了。位圖FC(i,j)的大小與原圖像大小相同,而FD、FL的大小僅為原圖像大小的1/4,即圖像一級(jí)分解LL_1的區(qū)域。則改進(jìn)的提升SPIHT算法流程為:

Step2:對系數(shù)C(0,0)編碼,如果FC(0,0)=1,輸出C(0,0)的第n個(gè)比特位;否則輸Sn(C(0,0)),如果Sn(C(0,0))=1,那么輸出C(0,0)的符號(hào)位,并置FC(0,0)=1;

Step3:掃描FD,如果FD(i,j)=1,則對每個(gè)(k,l)∈O(i,j),如果FC(k,l)=1,輸出C(k,l)的第n個(gè)比特位;否則輸出Sn(C(k,l)),如果Sn(C(k,l))=1,輸出C(k,l)的符號(hào)位,并置FC(k,l)=1;

Step4:掃描FL,如果FL(i,j)=0且FD(i,j)=O,則輸出Sn(D(i,j));如果Sn(D(i,j))=1,首先,對每個(gè)(k,l)∈O(i,j),輸出Sn(C(k,l));如果Sn(C(k,l))=1,輸出C(k,l)的符號(hào)位并置FC(k,l)=1,然后判斷L(i,j),若是空集,置FL(i,j)=1,否則輸出Sn(L(i,j));如果Sn(L(i,j))=1,對每個(gè)(k,l)∈O(i,j),置FL(i,j)=0;

Step5:更新量化步長;并轉(zhuǎn)Step2。

3 低速率鏈路整幅圖像壓縮傳輸論證

對于目前成熟可用的數(shù)據(jù)鏈而言,傳輸速率一般為2400bps、4800bps、9600bps,而一幅典型的紅外導(dǎo)引頭圖像至少為幾百K,設(shè)分辨率為320×240,8位灰度,那么一幅圖像容量為614K。若考慮在低速率鏈路條件下,傳輸圖像的實(shí)時(shí)性,即使每秒只傳一幅圖像,壓縮位率也需要0.015625bpp。若傳輸多幅圖像,壓縮位率還要更低,壓縮位率為0.008是相對符合數(shù)據(jù)鏈實(shí)際情況的壓縮位率。現(xiàn)以1000m艦船紅外圖像(768×576)和紅外飛機(jī)圖像(256×200)為研究對象,分別基于SPIHT算法、改進(jìn)的SPIHT算法進(jìn)行低速率鏈路整圖壓縮傳輸論證實(shí)驗(yàn),壓縮位率分別選取1.0、0.25、0.0625、0.008。實(shí)驗(yàn)過程中,直接將圖像3級(jí)小波分解后,進(jìn)行簡單傳輸并進(jìn)行圖像重構(gòu)。這里選擇峰值信噪比PSNR為比較參數(shù),衡量兩種算法在不同壓縮位率的性能,PSNR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。在壓縮位率為0.0625、0.008情況下,整圖壓縮/傳輸/重構(gòu)時(shí)間數(shù)據(jù)如表2所示。在壓縮位率為0.008情況下,重構(gòu)圖像效果如圖2所示。

表1 兩種圖像壓縮算法峰值信噪比分析

圖2 在壓縮位率為0.008bpp條件下壓縮重構(gòu)圖像

壓縮位率(bpp)1000艦船紅外圖像飛機(jī)紅外圖像壓縮時(shí)間傳輸時(shí)間重構(gòu)時(shí)間壓縮時(shí)間傳輸時(shí)間重構(gòu)時(shí)間0．06250．646523．040．15230．33612．670．13960．0080．56762．94870．15270．31990．34280．1372

從表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,針對不同實(shí)驗(yàn)對象,在不同的比特率下改進(jìn)的SPIHT算法比原始的SPIHT算法在PSNR上均有明顯的提高。表2中反映出改進(jìn)的SPIHT算法的編碼/傳輸/重構(gòu)時(shí)間都比原始SPIHT算法所用時(shí)間少,尤其在低壓縮位率下表現(xiàn)更為明顯。然而其在低壓縮位率條件下(如0.008)進(jìn)行整圖壓縮后,重構(gòu)的圖像已完全損失了信息的可讀性?；诟信d趣區(qū)域的圖像壓縮編碼技術(shù),是一種能對一幅圖像的不同部分實(shí)現(xiàn)不同強(qiáng)度壓縮的新興技術(shù),由于它能在不丟失重要信息的同時(shí)有效壓縮數(shù)據(jù)量,具有很大的應(yīng)用潛力和實(shí)際價(jià)值。

4 基于感興趣區(qū)域的圖像壓縮編碼

ROI編碼(感興趣區(qū)域編碼)就是JPEG2000支持的新特性之一。JPEG2000允許用戶在圖像上自定義ROI圖像區(qū)域,并對這些區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先、優(yōu)質(zhì)的編碼處理。具體流程如圖3所示。

圖3 JPEG2000編解碼流程

4.1 Maxshift方法

Maxshift[5～7]方法是JPEG2000 Part Ⅰ所采用的ROI編碼方法。適當(dāng)改進(jìn)后的關(guān)鍵步驟如下:

Step1:ROI掩模計(jì)算。ROI掩模實(shí)際上是一個(gè)比特面,它指示出了所有恢復(fù)感興趣區(qū)域的小波系數(shù),其定義為

(1)

Step2:ROI編碼。由于精度限制,考慮到放大小波系數(shù)可能會(huì)導(dǎo)致溢出,一般采用按比例縮小背景區(qū)域系數(shù)來代替原來的按比例增大ROI系數(shù)。這種方法有時(shí)會(huì)丟失背景中不太重要的位平面,但是ROI在該圖像中卻得到了較好的保留,并且得到了優(yōu)先的處理。其步驟為:

1) 按回溯法或衍生法生成掩模M(x,y);

2) 求平移因子

S≥|log2(Cmax)|

(2)

其中,Cmax為背景區(qū)域所有小波系數(shù)的最大值。使用S值提升后,將屬于ROI的小波系數(shù)置于比所有屬于背景的小波系數(shù)更高的位平面上,最小的ROI非零系數(shù)也大于最大的背景區(qū)域系數(shù)。

3) 給子帶內(nèi)各個(gè)小波系數(shù)|qb(u,v)|增加S個(gè)低位位平面。此時(shí),表示系數(shù)大小的總位平面數(shù)為

(3)

其中,Mb為表示小波系數(shù)大小所必須的位平面數(shù)。通過增加S個(gè)低位位平面的提升操作而改變的系數(shù)值可以由下式給出:

|qb(u,v)|=|qb(u,v)|·2S

(4)

4) 根據(jù)按比例縮小ROI掩模M(x,y)指示的所有背景區(qū)域系數(shù),即:

|qb(u,v)|=|qb(u,v)|/2S

(5)

5) 將值S寫入碼流內(nèi)。執(zhí)行完這五個(gè)步驟后,用通常的方法對量化子帶系數(shù)進(jìn)行熵編碼。在縮小背景區(qū)域系數(shù)的操作后,增加的編碼比特面?zhèn)€數(shù)與最大位移法的平移因子相同。

Step3:ROI解碼。按以下步驟進(jìn)行:

1) 從碼流中獲得平移因子S;

2) 設(shè)變換系數(shù)大小的位數(shù)為Nb(u,v)。此時(shí),如果Nb(u,v)

(1)丟棄初始的S個(gè)MSB,對i=1,…,Mb,按式(6)將其余MSB按比例縮小到S大小;

(6)

(2)按式(7)修正Nb(u,v)。

Nb(u,v)=max(0,Nb(u,v)-S)

(7)

4.2 基于率失真斜率提升的感興趣區(qū)域編碼

基于率失真斜率提升的感興趣區(qū)域編碼方法不需要給解碼器傳送ROI掩模信息,而且還可以靈活控制感興趣區(qū)域和背景區(qū)域的相對解碼質(zhì)量,能夠避免在位平面提升中需要增加位平面數(shù)來表示圖像信息的不足,近年來逐漸引起了人們的重視。率失真斜率是EBCOT算法的主要依據(jù),其定義為[8～9]

(8)

(9)

其中:

(10)

(11)

(12)

現(xiàn)在需要找到集合{zi},使得滿足L≤Lmax時(shí)D最小。解決這種條件極值問題可以通過Lagrange算法來解決,對于某個(gè)λ>0,設(shè){zi,λ}為使式(14)最小的任意截?cái)帱c(diǎn)集合。容易看出,不增加長度L:

(13)

(14)

4.3 極低壓縮位率情況下ROI編碼方法的選擇

為了研究上述兩種ROI編碼方法在極低壓縮位率情況下性能,進(jìn)行相應(yīng)的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)對象選擇900m處艦艇的紅外圖像(圖像大小為768×576,如圖4(a),圖4(b)是對其定義的感興趣區(qū)域,圖5(a)、5(b)是分別運(yùn)用Maxshift方法和率失真斜率最大提升方法,在壓縮位率為0.009bpp時(shí)對圖像感興趣區(qū)域進(jìn)行壓縮重構(gòu)的結(jié)果。小波變換采用的小波基為bior4.4。從這兩幅圖可以明顯看出采用率失真斜率提升方法時(shí)的感興趣區(qū)域擴(kuò)大化效果。

圖4 紅外艦艇及對應(yīng)的ROI區(qū)域

圖5 ROI感興趣區(qū)壓縮重構(gòu)效果

為了比較Maxshift和率失真斜率最大提升這兩種ROI編碼方法在極低壓縮位率條件下的性能,分別用距離400m、900m、1400m、2500m處的軍艦紅外圖像作為測試圖像,圖像大小為768×576。在Maxshift方法中,碼塊大小為64×64;為了控制率失真斜率提升方法中的感興趣區(qū)擴(kuò)大效果,將該方法的碼塊大小取為16×16。兩種方法都在JPEG2000的框架下實(shí)現(xiàn),采用三級(jí)小波變換,小波基選擇bior4.4,壓縮位率從0.005bpp～0.1bpp以0.005bpp的步長變化,每一幅測試圖像在兩種ROI編碼方法下得到的PSNR-rate對比圖如圖6～圖9所示。

圖6 比較結(jié)果1(400m)

在給出的四幅測試圖像中,距離越小目標(biāo)占據(jù)圖像的相對面積就越大。從圖5～圖8的結(jié)果可以得到以下結(jié)論:1)無論是采用Maxshift方法還是采用率失真斜率提升的方法,在給定壓縮位率的條件下,ROI面積越小圖像恢復(fù)質(zhì)量越好;2)無論是大目標(biāo)還是小目標(biāo),在相同的壓縮位率下,Maxshift方法都能得到比率失真斜率提升方法更高的圖像恢復(fù)質(zhì)量,目標(biāo)較小時(shí)尤其明顯。從上面的結(jié)論可以看出,在極低壓縮位率條件下,基于Maxshift方法的感興趣區(qū)域編碼方法是最優(yōu)的。

圖7 比較結(jié)果2(900m)

圖8 比較結(jié)果3(1400m)

圖9 比較結(jié)果4(2500m)

5 結(jié)語

本文在低數(shù)據(jù)鏈路條件下,通過基于提升小波的改進(jìn)SPIHT算法對整幅圖壓縮傳輸論證研究,說明了在低壓縮位率條件下通過整圖壓縮/解壓縮之后的圖像會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的失真。為了提高目標(biāo)的可識(shí)別性,提出了對圖像進(jìn)行基于感興趣區(qū)壓縮傳輸。經(jīng)過分析和對比實(shí)驗(yàn)后得出基于Maxshift方法的感興趣區(qū)域編碼方法最優(yōu),具有一定的應(yīng)用潛力和實(shí)際價(jià)值。

[1] 張燁.靜態(tài)圖像的感興趣區(qū)域壓縮編碼研究[D].蘇州:蘇州大學(xué)學(xué)位論文,2003:5-50.

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Research of Image Region of Interest Compression Based on the Low Rate Link

LUO Hang1XU Cai2JIANG Zhongying1

(1. Navy Representative Office of Jing Dezhen, Jingdezhen 333002) (2. Navy Representative Office in the 719th Research Institute, Wuhan 430205)

In this paper, image compression transmission is demonstrated by using the improved SPIHT algorithm which is based on super wavelet. It is concluded that under the condition of low speed links, after compression/decompression images are serious distorted. In order to improve target identification, the image transfer method based on region of interest compression is proposed. After analysis and experiment comparison it is concluded that the ROI coding method based on Maxshift is the most optimal and has certain application potential and practical value.

helicopter, region of interest, combat simulation

2015年3月5日,

2015年4月27日

羅航,男,助理工程師,研究方向:航空機(jī)械。許彩,女,助理工程師,研究方向:慣性技術(shù)及應(yīng)用。江忠英,男,助理工程師,研究方向:航空特設(shè)。

TN911

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.09.026