基于北斗短報(bào)文的圖像步進(jìn)傳輸技術(shù)研究*

周 菲，王春梅，林樹青，劉書偉

（1.廣州市粵峰高新技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663；2.廣東金融學(xué)院 互聯(lián)網(wǎng)金融與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510521；3.廣州商學(xué)院 信息技術(shù)與工程學(xué)院，廣東 廣州 511363）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)北斗衛(wèi)星開始向亞太大部分地區(qū)提供導(dǎo)航、持續(xù)無(wú)源定位和授時(shí)服務(wù)。特別是我國(guó)“北斗一號(hào)”衛(wèi)星的短報(bào)文通信功能，是美國(guó)GPS（Global Position System）衛(wèi)星和俄羅斯GLONASS衛(wèi)星都不具備的功能，是全球首個(gè)除了定位、授時(shí)功能外，集短報(bào)文通信于一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星信號(hào)位于北緯5°～55°和東經(jīng)70°～140°的范圍，覆蓋大部分亞太地區(qū)，并提供定位、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)。北斗衛(wèi)星在赤道上空36 000 km高空的靜止軌道，地面接收機(jī)仰角能在10°～75°的大范圍調(diào)節(jié)，可減少地面障礙物的遮擋，特別適用于一些高山地區(qū)，應(yīng)用前景廣闊。北斗的授時(shí)精度為單向無(wú)源授時(shí)100 ns和雙向有源授時(shí)20 ns，具有同步授時(shí)精度高、受環(huán)境干擾小、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)。

短報(bào)文通信是“北斗一號(hào)”的一大特色，具有用戶機(jī)與用戶機(jī)、用戶機(jī)與地面控制中心間雙向數(shù)字報(bào)文通信功能。一般的用戶機(jī)可一次傳輸36個(gè)漢字，申請(qǐng)核準(zhǔn)可以達(dá)到傳送120個(gè)漢字或240個(gè)代碼。短報(bào)文不僅可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信，而且提供的指揮端機(jī)可進(jìn)行一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播傳輸，為各種平臺(tái)應(yīng)用提供了極大便利。指揮端機(jī)收到用戶機(jī)發(fā)來(lái)的短報(bào)文后，通過(guò)串口與服務(wù)器連接，并以通信服務(wù)解析數(shù)據(jù)，通過(guò)短信網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)終端，以及通過(guò)通信服務(wù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端往用戶機(jī)發(fā)送短報(bào)文功能[1]。與定位功能相似，短報(bào)文通信的傳輸時(shí)延約0.5 s，通信的最高頻度也為1 s/次。

開發(fā)北斗短報(bào)文通信的應(yīng)用意義非凡。例如，定位功能結(jié)合短報(bào)文通信功能，不但能使用戶知道自己在何處，而且可以讓對(duì)方知道自己現(xiàn)在的位置信息。利用北斗短報(bào)文通信功能提出靜態(tài)圖像傳輸技術(shù)，廣泛應(yīng)用于遙感、遙測(cè)和應(yīng)急救助等領(lǐng)域。本文是對(duì)拍攝遙感圖像的JPG格式圖像使用小波變換壓縮技術(shù)（壓縮為基礎(chǔ)的圖像），然后利用短報(bào)文通信采用按頻率分量步進(jìn)傳輸技術(shù)進(jìn)行空間傳輸，接收后采用小波反變換技術(shù)進(jìn)行還原，實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)一代短報(bào)文功能在窄帶條件下的圖像傳輸。值得一提的是，北斗衛(wèi)星的應(yīng)用是我國(guó)的長(zhǎng)期戰(zhàn)略和國(guó)策。

1 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)

國(guó)際上圖像空間信息傳輸技術(shù)剛剛起步。我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的研究水平相比，硬件方面由于在基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)制造技術(shù)的欠缺，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大，但在軟件方面我國(guó)的人力資源豐富且軟件開發(fā)成本較低，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距不大。所以，總體看來(lái)，與發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展水平相當(dāng)。在衛(wèi)星定位系統(tǒng)方面，我國(guó)成功完成北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第1代后，繼續(xù)投入北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第2代的研究，致力于解決北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第1代的有源主動(dòng)定位應(yīng)用的限制[2]。北斗衛(wèi)星與地面接收示意圖如圖1所示。

圖1 北斗衛(wèi)星與地面接收

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)覆蓋我國(guó)領(lǐng)土及周邊地區(qū)，同時(shí)具備定位與通信功能，安全、可靠、穩(wěn)定、保密性強(qiáng)，適合關(guān)鍵部門的應(yīng)用[3]。目前，注冊(cè)用戶數(shù)量增長(zhǎng)緩慢，資源閑置比較嚴(yán)重[4]。文獻(xiàn)[5]指出北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在船載導(dǎo)航上的應(yīng)用對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全顯得尤為重要；文獻(xiàn)[6]提出基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航終端已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。目前，全球有GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)、GALILEO系統(tǒng)和北斗（BEIDOU）系統(tǒng)等多種導(dǎo)航系統(tǒng)。在未來(lái)，導(dǎo)航移動(dòng)終端在中國(guó)的市場(chǎng)規(guī)模的年均增長(zhǎng)率將高達(dá)到99%。目前，我國(guó)導(dǎo)航移動(dòng)終端市面上的導(dǎo)航移動(dòng)終端94%以上采用GPS技術(shù)，采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所占的市場(chǎng)份額不到中國(guó)總市場(chǎng)份額的3%。短報(bào)文通信是北斗衛(wèi)星系統(tǒng)所獨(dú)有的功能，包括美國(guó)GPS在內(nèi)都只能實(shí)現(xiàn)定位，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信功能。當(dāng)前，北斗衛(wèi)星通信短報(bào)文功能在軍用和國(guó)家救援方面已經(jīng)展示了卓越的成果。文獻(xiàn)[7]中GPS/GSM組合被廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)程目標(biāo)監(jiān)視領(lǐng)域，但由于GSM等地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)存在信號(hào)盲區(qū)，其應(yīng)用范圍受到限制。文獻(xiàn)[8]論述在地面通信中斷的情況下，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)可為快速救援提供巨大的助力。文獻(xiàn)[9]指出基于北斗終端、GPS終端、智能PDA、北斗衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建移動(dòng)應(yīng)急位置服務(wù)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)基于北斗的移動(dòng)應(yīng)急監(jiān)控與指揮技術(shù)。目前，各種基于北斗通信電文的應(yīng)用得到了極大的推廣，用戶迫切需要提高北斗通信電文數(shù)據(jù)容量[10]。北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信具有用戶機(jī)與用戶機(jī)、用戶機(jī)與地面控制中心雙向數(shù)字報(bào)文通信功能。

基于北斗短報(bào)文的圖像傳輸方案如圖2所示。CCD圖像傳感器采集空間圖像，嵌入式處理器將圖像進(jìn)行壓縮后將已壓縮的圖像送至北斗通信模塊，北斗通信模塊將已壓縮的圖像信息發(fā)送給北斗衛(wèi)星或地面中心站，由地面中心站接收轉(zhuǎn)發(fā)給其他北斗衛(wèi)星或用戶接收終端。用戶接收終端接收到北斗或地面中心站發(fā)送的圖像信息后，經(jīng)解壓逐步還原成圖像。

圖2 基于北斗短報(bào)文圖像傳輸方案

2 短報(bào)文傳輸圖像

先對(duì)數(shù)字圖像壓縮中具有代表性的幾種圖像編碼方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)研究小波變換的壓縮手段。小波變換算法研究包括小波變換的來(lái)源和具體變換公式，并應(yīng)用到圖像數(shù)據(jù)變換上，對(duì)圖像經(jīng)小波變換后得到的系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出小波系數(shù)的值大部分趨于零、各個(gè)高頻子帶的系數(shù)統(tǒng)計(jì)分布以及與拉普拉斯分布的符合度。高頻子帶也是小波圖像壓縮的重點(diǎn)。然后，對(duì)小波圖像壓縮技術(shù)和對(duì)零樹編碼算法進(jìn)行研究，即嵌入式零樹編碼算法和多級(jí)樹集合分裂算法，并對(duì)這兩種算法進(jìn)行比較和試驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)圖像數(shù)據(jù)變換后的高頻小波系數(shù)的分布特點(diǎn)和人眼視覺特性，優(yōu)化圖像壓縮算法，通過(guò)變長(zhǎng)選取合適的閾值和小波基，使算法達(dá)到較好的壓縮效果。

2.1 短報(bào)文通信可靠性

北斗報(bào)文通信相比其他衛(wèi)星通信方式具有如下特點(diǎn)[11]。

2.1.1 北斗通信申請(qǐng)的信道分析

通信申請(qǐng)的用戶機(jī)端通過(guò)“北斗”衛(wèi)星與其他用戶機(jī)建立通信申請(qǐng)鏈接，類似互聯(lián)網(wǎng)通信的鏈路層，只不過(guò)北斗通信通過(guò)衛(wèi)星無(wú)線互連?！靶l(wèi)星TCP/IP傳輸技術(shù)”中定義的鏈路層不僅指整個(gè)系統(tǒng)的通信鏈接，而是在其基礎(chǔ)上高了一個(gè)層次?！氨倍贰毙l(wèi)星通信的實(shí)際鏈路中并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)鏈路控制功能，類似于互聯(lián)網(wǎng)的物理層?？梢灶惐龋瑪?shù)據(jù)丟失率類似鏈路的差錯(cuò)率，通信頻度類似于傳播延遲，信息往返同樣也存在信道的不對(duì)稱性。

2.1.2 通信帶寬和信息量的限制

根據(jù)北斗卡的不同級(jí)別，北斗卡可以支持的報(bào)文通信分為兩個(gè)級(jí)別：普通用戶通信頻率為120漢字/次；三級(jí)北斗卡發(fā)送短報(bào)文時(shí)間頻率為1 min/次。

2.1.3 數(shù)據(jù)格式的種類

根據(jù)需要可以選擇北斗通信申請(qǐng)的短報(bào)文的兩種數(shù)據(jù)類型，一種是通常漢字通信采用的ASCII，另一種為BCD碼方式。

2.1.4 通信過(guò)程中的干擾因素和制約因素

北斗短報(bào)文通信除了易受天氣等環(huán)境因素的影響和數(shù)據(jù)傳輸誤碼率較大的限制外，發(fā)送短報(bào)文的長(zhǎng)度和頻率也影響了其民用的靈活性，但其在救援救急上的應(yīng)用起到了較好的補(bǔ)充和保障。

2.2 圖像的壓縮技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)短報(bào)文通信窄帶傳輸圖像，需要對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮和采用步進(jìn)傳輸來(lái)解決窄帶傳輸問(wèn)題，目的是減少圖像數(shù)據(jù)中的冗余信息，用更加高效的格式存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)。

目前廣泛使用的圖像壓縮是JPEG（Joint Photographic Exports Group）格式。JPEG開發(fā)了兩種基本的壓縮算法（有損數(shù)據(jù)壓縮和無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮）、兩種熵編碼方法（Huffman編碼和算術(shù)編碼）和四種編碼模式（基于DCT的順序模式、基于DCT的漸進(jìn)模式、無(wú)損模式和層次模式）。實(shí)際應(yīng)用中，JPEG圖像編碼算法多使用的離散余弦變換、Huffman編碼和順序編碼模式。

圖3為圖像壓縮編碼過(guò)程。圖像編碼的整個(gè)過(guò)程包括對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，削弱或消解除了圖像內(nèi)部信息的關(guān)聯(lián)性，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上降低冗余度；進(jìn)一步減少輸入圖像對(duì)心理視覺的冗余；熵編碼是生成一個(gè)可變長(zhǎng)或固定的編碼，由量化器輸出，將格式調(diào)整到與編碼一致。

圖3 圖像壓縮編碼過(guò)程

3 小波變換實(shí)現(xiàn)圖像壓縮方法

小波理論研究已成為應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個(gè)新方向。作為數(shù)學(xué)工具，小波被迅速應(yīng)用到圖像和語(yǔ)音分析等眾多領(lǐng)域。小波變換的技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用在圖像壓縮領(lǐng)域中。小波變換最成功的圖像處理應(yīng)用領(lǐng)域之一是圖像壓縮。因此，小波圖像編碼作為核心算法應(yīng)用于新一代靜止圖像壓縮JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中。

壓縮編碼原理中小波圖像信息的能量主要集中在圖像的亮度部分（即低頻分量），而水平、垂直和對(duì)角線部分的能量則反映圖像的細(xì)節(jié)。一幀圖像進(jìn)行小波圖像編碼可采用二維小波變換，也就是分別在行或列方向做一維小波變換，對(duì)水平方向或垂直方向的冗余去關(guān)聯(lián)性。小波變換分解成為一系列不同頻率、方向、空間局部變化的子帶圖像，可利于不同編碼方式，獲得更高圖像壓縮比。

3.1 小波變換過(guò)程

一幀圖像經(jīng)過(guò)一次小波變換后生成以下4個(gè)子帶圖像：

（1）LL表示原圖像的最佳逼近，反映了原圖像的基本特征；

（2）HL表示水平高頻分量，反映圖像信號(hào)水平方向的特征；

（3）LH表示垂直高頻分量，反映圖像垂直方向的特征；

（4）HH表示對(duì)角線高頻分量，反映對(duì)角線方向的邊緣、輪廓和紋理。

由于LL子帶集中了圖像的大部分能量，下一級(jí)的小波變換是在上一級(jí)變換產(chǎn)生的低頻子帶（LL）再進(jìn)行一次小波變換，如圖4所示。

圖4 逐層小波變換

與FFT、Gabor變換相比，小波變換是一個(gè)時(shí)間和頻率的局域變換，能從原始信號(hào)中提取有效信息，通過(guò)伸縮和平移等運(yùn)算對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析（Multiscale Analysis），克服了FFT柵欄效應(yīng)、頻譜泄露等問(wèn)題，為此稱小波變化為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。除了求解微分方程之外，一般用FFT分析的場(chǎng)合都能用小波分析，甚至能獲得更好的效果。

小波變換的原理如下。設(shè)具有有限能量的時(shí)間函數(shù)f(t)，f(t)∈L2(R)，其小波變換定義為函數(shù)族。

其中a、b是t的連續(xù)變量，a為尺度參數(shù)，b為時(shí)移參數(shù)，稱函數(shù)Ψ(t)為母小波。小波Ψa,b(t)是復(fù)變函數(shù)。改變a的值，對(duì)函數(shù)Ψa,b(t)具有伸展（a＞1）或收縮（a＜1）特性，如圖5所示。

圖5 Ψ(t)函數(shù)的伸縮特性

3.2 小波選擇的條件

定義域是所支持的（Compact Support）在一個(gè)很小的區(qū)間之外函數(shù)為零，即函數(shù)應(yīng)有速降特性，以便獲得空間局域化使平均值為零：

甚至Ψ(t)的高階矩陣也應(yīng)為零，即：

平均值為零的條件稱作小波的容許條件。

3.3 離散小波變換

離散系統(tǒng)中，需要對(duì)尺度參數(shù)a和時(shí)移參數(shù)b進(jìn)行離散化?？梢赃x取a=a0m，m為整數(shù)，a0為大于1的固定伸縮步長(zhǎng)。因?yàn)棣穉,b(t)=aΨ1,b，可選b=nb0a0n，n為整數(shù)，b0＞0且與小波Ψ(t)具體形式有關(guān)。在一個(gè)特定的位置觀察信號(hào)變化過(guò)程，然后再平移到另一位置進(jìn)行觀察，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)a=a0-m。如果放大倍數(shù)過(guò)小，也就是尺度太大，可以按大步長(zhǎng)移動(dòng)一個(gè)距離；反之，亦然，通過(guò)選擇遞增步長(zhǎng)反比于放大倍數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而該放大倍數(shù)的離散化是平移定位參數(shù)b的離散化實(shí)現(xiàn)的，那么離散小波可定義為：

相應(yīng)的小波變換為：

稱為離散小波變換。

對(duì)一幀N×N圖像，每進(jìn)行一次變換，都將圖像分解成4個(gè)1/4大小的小圖像，這4個(gè)圖像都是由原圖像與一個(gè)小波基圖像內(nèi)積后再經(jīng)過(guò)在x和y方向都進(jìn)行2倍的間隔抽樣生成的，如圖4所示。設(shè)原圖像為f1(x,y)，對(duì)第一層次j=1：

以后的每一層次（j＞1）依次類推。

3.4 壓縮技術(shù)的過(guò)程

二維圖像的小波分解過(guò)程是選擇適當(dāng)?shù)某叨葏?shù)a、時(shí)移參數(shù)b以及恰當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)（項(xiàng)目選擇2層分解，N=2），計(jì)算圖像在各個(gè)尺度上的小波系數(shù)。其次，量化各尺度細(xì)節(jié)，包括高頻分量的小波系數(shù)，并進(jìn)行壓縮操作。最后，恢復(fù)信號(hào)的過(guò)程，即利用第N層的近似（低頻）小波系數(shù)和1～N各層量化的細(xì)節(jié)小波系數(shù)恢復(fù)圖像。以上技術(shù)主要研究小波變換在圖像壓縮中的應(yīng)用，以窄帶短報(bào)文通信的工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，探索小波變換在圖像壓縮中的技術(shù)。

3.5 嵌入式變長(zhǎng)編碼

研究基于小波提升的嵌入式編碼技術(shù)，針對(duì)EZW數(shù)據(jù)等長(zhǎng)編碼的不足進(jìn)行變長(zhǎng)編碼研究。變長(zhǎng)編碼手段，并對(duì)零樹結(jié)構(gòu)采用SPIHT算法的分裂方法進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)冗余，逐行步進(jìn)傳輸和還原圖像。變長(zhǎng)編碼算法的目的是提高圖像的壓縮率用于固定碼率時(shí)保證解碼質(zhì)量。

3.6 小波反變換及圖像的重建

圖像數(shù)據(jù)壓縮首先對(duì)源圖像進(jìn)行離散小波變換，然后進(jìn)行量化、熵編碼，最后形成輸出碼流。解碼器是編碼器的逆過(guò)程，先對(duì)碼流進(jìn)行熵解碼，然后解量化和小波反變換，最后重建圖像數(shù)據(jù)，如圖6所示。

圖6 小波變換和反變換過(guò)程

4 圖像數(shù)據(jù)步進(jìn)傳輸研究

4.1 北斗通信模塊異步通信格式

北斗短報(bào)文的通信技術(shù)原理是指揮機(jī)端可通過(guò)串口獲取發(fā)送至其的數(shù)據(jù)，并通過(guò)程序接收并處理數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。需要注意，串口異步傳送。主要包括傳輸速率19 200 bit/s（默認(rèn)），可根據(jù)用戶機(jī)具體情況設(shè)置其他速率、1 bit開始位、8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位和無(wú)校驗(yàn)等參數(shù)。信號(hào)處理系統(tǒng)模塊STM32F407具有異步串行接口，便于北斗通信模塊串行口兼容。

4.2 按頻譜步進(jìn)傳輸

圖像的小波變換具有內(nèi)在多尺度結(jié)構(gòu)。所以，基于小波變換圖像的壓縮操作不需要對(duì)圖像進(jìn)行分塊操作，也就不存在以往基于分塊變換而導(dǎo)致的分塊效應(yīng)。小波基的緊支集特性和小波變換的多尺度展開結(jié)構(gòu)，使得小波變換同時(shí)又是一種時(shí)頻分解。每個(gè)小波系數(shù)反映圖像的一個(gè)特定空間范圍和特定的頻率范圍內(nèi)的信息內(nèi)容。小波變換將圖像的絕大部分能量集中到低頻子帶，少數(shù)能量分布在高頻子帶。圖7為步進(jìn)傳輸（先傳輸圖像輪廓數(shù)據(jù)低頻成分，然后再步進(jìn)方式傳輸圖像更高頻成分），不斷提高圖像的清晰度。

圖7 按頻率分量步進(jìn)傳輸

5 結(jié) 語(yǔ)

采用小波變換方法對(duì)靜態(tài)圖像壓縮，其壓縮率比傳統(tǒng)的DCT變換要高，圖像壓縮的速度較快。圖像壓縮后能夠保持信號(hào)與原圖像的特征無(wú)變化，在圖像信息傳輸中過(guò)程中抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)踐證明，基于小波變換的靜態(tài)圖像壓縮實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星短報(bào)文窄帶圖像傳輸，在遙測(cè)遙感空間圖像傳輸具有很好的應(yīng)用前景。