應(yīng)用于遠程維修系統(tǒng)的圖像壓縮方法

于桐，郭利，王威澄

（1.陸軍工程大學石家莊校區(qū)，河北石家莊，050003；2.武裝警察部隊特種警察學院，天津，102200）

0 引言

傳統(tǒng)的野外條件下的裝備維修搶修，對一線維修人員的素質(zhì)要求極高，涉及復(fù)雜系統(tǒng)維護時，需要后方專家技術(shù)人員依據(jù)現(xiàn)場的視頻圖像，對裝備現(xiàn)場的維修人員進行技術(shù)指導(dǎo)，但野外條件信號穩(wěn)定度差，傳輸帶寬小，傳輸效率低，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸有限制，對數(shù)據(jù)壓縮效率提出更高要求，支持系統(tǒng)需要使用射頻（RF）天線將其傳輸?shù)胶蠖嗽品?wù)器中，而傳輸所有RGB 視頻流數(shù)據(jù)信息消耗的功率占總功率的絕大多數(shù)，超過60%的功率消耗于射頻天線傳輸數(shù)據(jù)中。

傳統(tǒng)的壓縮算法大多通過圖像頻域或空域[1,2]的各種屬性進行壓縮，陳曦在[3]中，提出了基于離散余弦變換（DCT）圖像壓縮算法，其對像素塊適用性較好，但DCT 的固有性質(zhì)破壞了圖像質(zhì)量，使色彩再現(xiàn)變得困難。Kasmeera等在[4]中提出了一種在隸屬度數(shù)據(jù)和霍夫曼編碼的幫助下壓縮加密數(shù)據(jù)的方法，對靜態(tài)JPEG 圖像，壓縮比率較傳統(tǒng)方法更高。Ranjan 在[5]中，提出了一種基于DWT 和熵編碼器的規(guī)范霍夫曼編碼方式，通過標準閾值控制編碼使壓縮體積更小，獲得的碼本尺寸較傳統(tǒng)霍夫曼編碼更小。文獻[6,7]中設(shè)計了基于具有Hexadata 編碼和算術(shù)編碼的兩級DCT的圖像壓縮方法，提出的Hexadata 壓縮算法通過減少高頻矩陣中的系數(shù)來提高壓縮效率。

但這些方法的在特定場景下壓縮效率仍不盡如人意，需要開發(fā)新的圖像壓縮方法，為維修輔助設(shè)備增加額外的功能和更長時間的續(xù)航。

1 圖像壓縮重構(gòu)方法

本文中提出了一種針對裝備維修現(xiàn)場的圖像特征特點進行優(yōu)化的壓縮方法，使用本文方法可獲得更高的壓縮效率。裝備維修現(xiàn)場圖像與常規(guī)圖像有明顯區(qū)別，具體體現(xiàn)在色彩分布均勻，分布結(jié)構(gòu)具有規(guī)律性。按照傳統(tǒng)的視頻編碼方式，裝備維修現(xiàn)場圖像會產(chǎn)生大量冗余信息，極為影響壓縮效率，本文使用的圖像壓縮方法如圖1 所示。

圖1 圖像壓縮重構(gòu)方法

方法主體分為兩步：

第一步：顏色空間轉(zhuǎn)換，將圖像從RGB 色彩空間轉(zhuǎn)換至YUV 色彩空間。

第二步：DPCM 編碼，通過差分脈沖編碼來減少數(shù)據(jù)維度，獲得更高的壓縮效率。

1.1 顏色空間轉(zhuǎn)換

由于在維修現(xiàn)場，鏡頭轉(zhuǎn)換基本保持緩慢平穩(wěn)，相鄰幀的色彩通道分布具有相似性,選取連續(xù)200 張視頻幀圖像，部分圖像如圖2 所示。

圖2 維修現(xiàn)場圖像

傳統(tǒng)視頻圖像采樣方式均使用基于三維空間的RGB 色彩通道，包括R、G、B 三個原始光譜分量，這三種原始的混合色基本覆蓋了人類視覺的全部色彩空間。在分析圖像的像素結(jié)構(gòu)式，可以發(fā)現(xiàn)，單一色彩通道具有較廣的強度分布，極為影響壓縮效率。相鄰兩幀的圖像像素強度分布直方圖如圖3所示。

圖3 像素強度分布

可以看到，相鄰幀間，圖像的像素分布具有相似性，細微差別在人眼觀測情況下可忽略不計，兩相鄰幀圖像第500 行的像素值分布如圖4 所示。

圖4 同列像素值

為了獲得更高的壓縮效率，可使用對RGB 轉(zhuǎn)碼YUV 操作，一張圖像尺寸為寬為w，高為h，YUV 顏色空間通過對RGB 空間進行計算獲得色差和亮度分量，Y 為亮度，U 表示色差R-Y 信號，V 表示色差B-Y 信號。

通過RGB 采用逐點像素r、g、b 通道存儲的存儲方式后，占用w*h*3 內(nèi)存。

使用YUV 逐點記錄亮度Y，奇數(shù)行記錄U，偶數(shù)行記錄V 的方式，共占用w*h*1.5 內(nèi)存，相對于使用傳統(tǒng)編碼方式，yuv 編碼能夠節(jié)約50%數(shù)據(jù)量。

圖5 中所示為兩個連續(xù)幀的YUV 分量的直方圖?？梢杂^察到，由于相鄰幀的Y，U 和V 分量結(jié)構(gòu)具有相似性，故使用合適的編碼方式可節(jié)約更大的空間。

圖5 YUV 強度值

1.2 差分脈沖編碼

本文使用DPCM 編碼方式，對圖像進行再壓縮，DPCM 通過對每個像素當前實際值和預(yù)測值的差值進行提取和編碼，以此消除像素間的冗余，DPCM 原理如圖6。

圖6 DPCM 原理

DPCM 編碼[8]使用線性預(yù)測器，預(yù)測系數(shù)為c，其中為點（i，j）處預(yù)測像素值，s(i,j)為點（i，j）處實際像素值,m 為預(yù)測級數(shù)，將預(yù)測級數(shù)m 設(shè)置為4，可得

為求實際值與預(yù)測值的誤差最小，即求解s(i,j)和的均方差最?。?/p>

最優(yōu)解為系數(shù)方程的解：

c為系數(shù)向量解，Φ 為自相關(guān)系數(shù)矩陣，其中：

自相關(guān)系數(shù)RS(x,y)定義為：

可得均方差最優(yōu)系數(shù)向量解為：

2 實驗結(jié)果分析

2.1 評價指標的選取

使用兩種經(jīng)典圖像評價指標峰值信噪比PSNR 和結(jié)構(gòu)相似性SSIM。

(1)峰值信噪比PSNR

由于壓縮重構(gòu)后的圖像相較于原圖像必然存在信息差。評價信息質(zhì)量差的公認指標為PSNR[9]，PSNR 越高，壓縮后的信息保持度越高，PSNR 定義為：

其中MSE 為兩張圖像之間的均方誤差，MAX 為圖片像素極值，設(shè)定為255，MSE 定義為：

其中I(i,j)為圖像I 在點(i,j)處像素值，K(i,j)為圖像K 在點(i,j)處像素值。

(2)結(jié)構(gòu)相似度SSIM

SSIM[9]用于度量x 和y 之間的結(jié)構(gòu)信息，SSIM 定義為：

其中μx、μy為x、y 的均值，為x 和y 的方差，σxy為x 和y 的協(xié)方差，c1和c2為常數(shù)。

2.2 壓縮及重構(gòu)效果

本文選取了幾種傳統(tǒng)壓縮編碼方式與本文使用的壓縮編碼方式進行對比，分別為BMP 編碼、JPEG 編碼、奇異值壓縮（SVD）[10]和本文方法，在lena 標準圖像上對各種方法進行測試，圖為各種方法的視覺成像效果，可以看到，本文方法能在節(jié)約大量內(nèi)存情況下，保留更多的圖像細節(jié)，但由于預(yù)測編碼的局限性，誤差不可消除，在眼角處出現(xiàn)了陰影型偽像。

在維修現(xiàn)場的圖像上進行測試，圖8 為各種方法的視覺成像效果。

圖8 維修圖像效果

表為各種壓縮編碼方式在維修限產(chǎn)圖像實驗中占用的內(nèi)存、壓縮比以及重構(gòu)效果，本文方法在標準圖像上能獲得更好的壓縮率和重構(gòu)效果。

圖7 各種方法壓縮效果

表1 壓縮率及重構(gòu)效果

3 結(jié)束語

本文嘗試了從壓縮算法的改進設(shè)計入手，減少遠程音視頻系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)約設(shè)備的整體能源，通過對目標圖像像素結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)計分析，經(jīng)實驗驗證，能夠有效提高壓縮比率，緩解數(shù)據(jù)傳輸壓力，使輔助維修設(shè)備擁有更長的續(xù)航時間，添加更多功能。