基于EZW的地震圖像小波壓縮算法與實(shí)現(xiàn)

張方舟，張乃元，慕林洹，趙思遠(yuǎn)

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

基于EZW的地震圖像小波壓縮算法與實(shí)現(xiàn)

張方舟，張乃元，慕林洹，趙思遠(yuǎn)

(東北石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

介紹了地震圖像知識(shí)、SEG-Y文件格式以及小波變換基礎(chǔ)理論，對(duì)EZW算法進(jìn)行了分析和研究，并基于該算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震圖像的壓縮。采用嵌入式小波編碼方法能取得較高的壓縮比以及較強(qiáng)的抗誤碼性，地震數(shù)據(jù)可視化是指將地震數(shù)據(jù)映射成可觀測(cè)到的視覺實(shí)體，將地震數(shù)據(jù)在內(nèi)存中二維化，并映射成圖像，這時(shí)就可以對(duì)圖像再次進(jìn)行壓縮。本文體現(xiàn)了地震圖像對(duì)于油田勘探研究的重要作用，使人們更為深入地了解了圖像壓縮算法。

小波編碼；EZW；地震圖像

在油氣田勘探研究中，地震圖像起著非常重要的作用。因?yàn)榈卣饒D像的紋理信息比較豐富，因此采取傳統(tǒng)的圖像壓縮算法取得的壓縮比較低。小波變換能夠克服傅里葉變換處理非平穩(wěn)信號(hào)時(shí)存在的問題和DCT塊編碼產(chǎn)生的方塊效應(yīng)。嵌入式小波編碼方法具有抗誤碼性強(qiáng)、質(zhì)量可分級(jí)和分辨率可分級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為圖像壓縮領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，備受關(guān)注。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的地位越來越重要，石油勘探活動(dòng)日益頻繁，對(duì)石油勘探數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)也提出了更高的要求，笨重的磁帶陣列已無法滿足其需求；因此，應(yīng)研究出一套壓縮比高、有效的、專門針對(duì)地震數(shù)據(jù)的無損壓縮算法，以有效解決石油物探技術(shù)的發(fā)展瓶頸。數(shù)據(jù)壓縮問題是石油物探數(shù)字化的基礎(chǔ)，解決好此問題可以有效提高石油物探的數(shù)字化水平。 本課題研究的目標(biāo)是地震圖像壓縮，主要通過研究小波分析用于圖像壓縮的理論知識(shí)，較為深入地了解圖像壓縮的基礎(chǔ)算法，即EZW算法。

1 地震數(shù)據(jù)格式及可視化

1.1 關(guān)于SEG-Y

通過地震勘探采集的地震數(shù)據(jù)的組織通常以地震道為單位進(jìn)行，其存儲(chǔ)格式為SEG-Y文件格式[1]，所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過讀取可以獲得很多有用信息，如地下構(gòu)造信息等；但是，這些原始數(shù)據(jù)信息信息量巨大而且十分混亂，不利于數(shù)據(jù)的整理與使用。為了能夠獲得直接的數(shù)據(jù)信息，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理，使其經(jīng)過一系列變換形成圖形圖像，使展示的信息更容易理解。

勘探地球物理家學(xué)會(huì)(the Society of Exploration Geophysicists，簡(jiǎn)稱 SEG)成立于1930年，屬于公益性組織。石油勘探行業(yè)中的地震數(shù)據(jù)通常情況下采用SEG-Y 數(shù)據(jù)交換格式，當(dāng)前使用的版本是SEG-Y rev1.0，數(shù)據(jù)格式的前 3 600 字節(jié)(二進(jìn)制文件頭400字節(jié)和文本文件3 200字節(jié))通?？闯梢粋€(gè)整體，然后是很多個(gè)3 200字節(jié)的擴(kuò)展文本文件頭記錄，最后是很多條道的數(shù)據(jù)記錄。地震數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式包括整型、IEEE 浮點(diǎn)型和IBM 浮點(diǎn)型等，在同一個(gè)三維工區(qū)中，同一批次處理的地震數(shù)據(jù)格式是相同的、唯一的[2]。

1.2 地震數(shù)據(jù)可視化

地震數(shù)據(jù)可視化是指將地震數(shù)據(jù)映射成可觀測(cè)到的視覺實(shí)體，常見的有2種表現(xiàn)形式，即形成地震圖像和三維數(shù)據(jù)體。地震圖像是在某個(gè)地區(qū)采集到的地震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將地震數(shù)據(jù)在內(nèi)存中二維化，并映射成的圖像。

最原始映射出來的地震圖像基本都是灰度圖像，即黑白圖像，這類圖像一般主要用于顯示地震的剖面或者斷層等信息，通過地震圖像，可以直觀地看到所關(guān)心的因素。三維可視化可理解成某一類地震圖像加上一層新的維而構(gòu)成的立體結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行解釋，稱之為地震三維解釋。所謂的地震三維解釋是指現(xiàn)階段用面塊切片解釋，并以垂直剖面和水平切片的解釋為輔，再與相干體等不連續(xù)性分析相結(jié)合，結(jié)果用三維可視化顯示等一整套解釋流程，屬于地震數(shù)據(jù)體“真”三維解釋的初級(jí)階段。只有直接利用可視化工具對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如斷層分析、地層標(biāo)定分析、沉積分析、巖性分析和儲(chǔ)層分析，以及油藏參數(shù)表征和油氣識(shí)別進(jìn)行交互解釋時(shí)，才是真正意義的三維解釋。

在地震屬性圖像生成之前，所擁有的素材僅僅是通過實(shí)際勘探測(cè)量得到的地震數(shù)據(jù)體，包含了地震各個(gè)方面的數(shù)據(jù)，其中也包括地震屬性數(shù)據(jù)。把地震數(shù)據(jù)提取到內(nèi)存中，并利用圖像的方式顯示出來，該過程稱為可視化?？梢詫⒓虞d到內(nèi)存中的地震屬性數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的圖像認(rèn)為是一幅灰度圖像，根據(jù)得到的圖像進(jìn)行壓縮[3-6]。

2 小波壓縮算法

小波變換是指把信號(hào)在一個(gè)函數(shù)族上做分解，該函數(shù)是由一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)(小波母函數(shù)ψ(t))做平移和伸縮變換后得到的，如式1所示：

(1)

式中，a、b分別是伸縮和平移的尺度。ψ(t)在做傅里葉變換后應(yīng)滿足的容許性條件為：

(2)

將小波母函數(shù)進(jìn)行不同的伸縮和平移，得到一系列函數(shù)，稱為小波基函數(shù)。

3 基于EZW算法對(duì)地震數(shù)據(jù)壓縮

對(duì)小波零樹和其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，然后分析Embedded Zerotrees Wa3velet，也就是嵌入式零樹小波編碼算法。該算法是由J. M. Shapiro提出的，其包含了零樹和嵌入式編碼2個(gè)基本概念。通過EZW壓縮編碼輸出的碼流具有嵌入式的特點(diǎn)，即從EZW編碼器輸出碼流的起始端到輸出碼流中的某一個(gè)位置，如果應(yīng)用這段碼流對(duì)原始圖像進(jìn)行解碼恢復(fù)，則恢復(fù)得到的圖像質(zhì)量比編碼器輸出的完整碼流低，即分辨率不高。雖然圖像的分辨率不高，但是十分完整；因此，可以在EZW壓縮編碼過程中任一點(diǎn)停止編碼，也可以在EZW解碼壓縮碼流的過程中的任一點(diǎn)停止解碼。在編碼器輸出的壓縮比特流中，比特流越先輸出越重要，EZW壓縮碼流的這種特點(diǎn)特別適用于漸進(jìn)式的圖像傳輸[7]。

3.1 EZW步驟

圖1 小波分解各子帶掃描次序

3.2 基于EZW算法對(duì)地震圖像壓縮

下述選取一幅512×512的地震圖像，用EZW算法對(duì)其進(jìn)行壓縮。在開始編碼之前，首先要求初始閾值T(1)：

MaxDecIm=max (max (abs (DecIm)));
T=zeros (1, codeDim);
T(1)=2^flor (log2 (MaxDecIm));

接下來根據(jù)實(shí)際需要確定掃描次數(shù)D=codeDim，然后進(jìn)行D次主掃描和輔掃描，輸出編碼，對(duì)圖像進(jìn)行編碼壓縮，本試驗(yàn)中對(duì)地震圖像進(jìn)行3級(jí)分解、3級(jí)編碼和3級(jí)解碼。根據(jù)地震刨剖面圖選取其中一部分進(jìn)行壓縮。原始圖像如圖2所示，3層小波分解圖如圖3所示。

圖2 原始圖像 圖3 3層小波分解圖

進(jìn)行編碼過程之后，需要對(duì)其進(jìn)行解碼操作，解碼過程是編碼過程的逆過程，編碼進(jìn)行了多少次掃描過程，解碼也需要進(jìn)行次數(shù)相同的相應(yīng)操作，解碼過程包括的主要步驟為接收編碼器輸出的解碼信息，對(duì)閾值進(jìn)行設(shè)定，對(duì)編碼器輸出的碼流信息當(dāng)中的重要系數(shù)信息以及有效值映射信息進(jìn)行解讀。對(duì)該地震圖像解碼重構(gòu)的圖像如圖4所示。

圖4 3層重構(gòu)圖像

對(duì)地震圖像進(jìn)行5級(jí)分解、5級(jí)編碼和5級(jí)解碼，5層小波分解圖如圖5所示，重構(gòu)圖像如圖6所示。

圖5 5層小波分解圖 圖6 5層重構(gòu)圖像

4 結(jié)語

本文對(duì)基于小波變換的靜態(tài)圖像壓縮算法、小波變換理論及其在圖像壓縮中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，基于EZW算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震圖像的壓縮與重構(gòu)。該算法的應(yīng)用能夠解決數(shù)據(jù)壓縮問題，提高石油勘探的數(shù)字化水平，具有較廣闊的應(yīng)用空間。此外，還要加強(qiáng)這方面的研究，實(shí)現(xiàn)地震數(shù)據(jù)的無損壓縮算法，從而得到更好的數(shù)據(jù)處理效果。

[1] 陳武凡.小波分析及其在圖像處理中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社, 2002.

[2] 鄭治真.小波變換及其MATLAB工具的應(yīng)用[M].北京：地震出版社, 2001.

[3] 沈蘭蓀，魏海，黃祥林．基于子帶/小波分解的視頻編碼可分級(jí)性研究[J]．電子學(xué)報(bào)，2000， 28(7):123-126.

[4] 張旭東，盧國(guó)棟，馮?。畧D象編碼基礎(chǔ)和壓縮技術(shù)-原理、算法和標(biāo)準(zhǔn)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[5] 劉方敏，吳永輝，于建新．JPEG2000圖像壓縮過程及原理概述[J]．計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14(10)：905-91.

[6] 袁修貴. 多分辨分析理論與深度成像和地震數(shù)據(jù)處理[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2005.

[7] 鄭丹. 諧振面積與電極圖案對(duì)質(zhì)量傳感器性能的影響[J].新技術(shù)新工藝，2014(2)：83-85.

責(zé)任編輯李思文

《新技術(shù)新工藝》雜志征稿啟示

《新技術(shù)新工藝》雜志是中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所主辦的工業(yè)技術(shù)類期刊，自1981年國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行至今已二十余年，榮獲中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司優(yōu)秀科技期刊一等獎(jiǎng)，國(guó)家新聞出版總署“雙效期刊”，并連續(xù)幾年被評(píng)為中國(guó)科技核心期刊，中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊、檢索源期刊。同時(shí)還被《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)》、《〈中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫(kù)》、CEPS中文電子期刊、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社收錄。為加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流,促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展,熱忱歡迎高等院校的科技工作者和企業(yè)技術(shù)人員踴躍投稿。

E-mail投稿郵箱：ntnp@263.net

聯(lián)系電話：010-68962167

AlgorithmandImplementationofSeismicWavelet-basedCompressionEZW

ZHANG Fangzhou, ZHANG Naiyuan, MU Linhuan, ZHAO Siyuan

(School of Computer and Information Technology, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The paper introduced the seismic image knowledge and SEG-Y file format, and wavelet transform theory, finally did the EZW algorithm analysis and research, and realized image compression to the earthquake based on the algorithm. By using the embedded wavelet coding method higher compression ratio and strong resistance to error can be obtained, seismic data visualization mapping refers to the seismic data can be observed visual entities, the seismic data in memory is two-dimensional, mapping and the image according to the visualization can compress the image again. Reflects the important role in the study of seismic image for the oil field exploration, and can make people more deep understanding of the image compression algorithm.

wavelet encoding, EZW, seismic images

TP 391.41

：A

張方舟(1973-)，男，教授，博士，系主任，主要從事基于3G的安全網(wǎng)關(guān)開發(fā)和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)安全等方面的研究。

2015-01-12