遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法

2023-07-10 04:58:01 1

專利名稱：：遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法
技術領域：
-本發明涉及圖像壓縮編碼
技術領域：
，具體說是一種無損、近無損編碼方法，用於衛星遙感圖像的壓縮編碼。
背景技術：
：在衛星遙感應用中，搭載在衛星平臺J:的各類有效載荷，如可見光相機、多光譜成像儀、紅外相機、幹涉合成孔徑雷達等，可以獲取不同種類的遙感圖像。與一般自然圖像相比，遙感圖像數據的相關性較弱，具有信息熵值高、冗餘度低的特點，故進行高壓縮比的實時編碼是非常困難的。在實際應用中，衛星遙感圖像的壓縮質量要求與其它電視、景物、醫療圖像也有著很大的區別，表現在1).軍事衛星遙感圖像，尤其是光學遙感圖像，一些重要的信息主要隱含在某些點、線和點的集合上。對於遙感圖像中軍事目標(如坦克、飛機、橋梁和機場跑道等等)的判讀，目前主要依靠軍事目標的幾何形狀特徵來識別的。這就要求編解碼處理後，軍事目標的形狀和位置不發生畸變和扭曲。2).由於衛星遙感圖像是在幾百公裡高空拍攝的，成像時受到太陽高度角、大氣散射等諸多因素的影響，導致原始圖像質量較差，信噪比較低，對比度不均勻。這就要求編解碼系統應當儘量避免累加編碼噪聲，如方塊效應、凸凹噪聲、偽輪廓噪聲、條帶狀噪聲以及"巻繞"失真等等，引起軍事目標信息的丟失。3).為了適應星上壓縮，算法要求必須簡便、快捷、所佔用的存儲容量小、易於硬體實現。由於這些遙感圖像的原始數據率很高，而且存在信息冗餘，因此在進行數據存儲和傳輸之前需要對遙感圖像進行高效的壓縮編碼。為了最大限度的保持原始圖像的質量，在某些應用下r要求對這些遙感圖像進行無損或近無損的壓縮。近年來，圖像編碼理論取得了一系列令人矚目的成果。1993年Shapiro提出了內嵌零樹編碼(EZW)方法，1996年Pearlman根據Shapiro零樹編碼的基本思想，提出了一種新的且性能更優的實現方法，即基於分層樹集合分割排序(SetPartitioninginHierarchicalTrees,SPIHT)的編碼算法。2000年Taubman結合率失真優化算法提出了EBCOT算法，該算法被最新的國際編碼標準JPEG2000所釆用，成為JPEG2000編碼系統的核心算法。這些高性能算法把小波變換應用到圖像編碼，是一次新的圖像編碼技術革命。但是這些以小波變換為核心的壓縮算法，由於小波變換的計算複雜度高、比特平面編碼複雜度高和所需存儲空間很大，硬體實現複雜度高，很難滿足衛星遙感圖像壓縮應用的要求。傳統的JPEG圖像壓縮方法壓縮效率較低，而且不適於無損或近無損壓縮；同時JPEG算法的抗誤碼能力不強，在誤碼率較高的衛星信道傳輸會造成嚴重的誤碼擴散，因此也不宜採用。發明的內容本發明的目的在於克服上述己有技術的不足，提供一種編碼複雜度低、易於硬體實現的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，以實現衛星遙感圖像壓縮應用的要求。實現本發明目的的技術關鍵是將原始圖像分成條帶，每一條帶獨立編碼。在條帶編碼中，把圖像數據分為重要比特平面和非重要比特平面，對重要比特平面數據進行無損編碼，根據輸出碼流長度與編碼門限的關係決定是否輸出非重要比特平面數據，以實現碼率控制。具體過程如下-1、根據輸入原始圖像的寬度、高度信息將圖像分成條帶，並根據各條帶的寬度、高度以及圖像數據精度確定編碼門限T,即乂=16其中W為原始圖像的寬度A為條帶的高度7V為圖像數據的精度；2、根據輸入圖像的位深N和數據拆分比特位bp，將每個條帶中的所有數據拆分成重要比特平面序列和非重要比特平面序列;3、對重要比特平面序列WgS,進行無損編碼，即先對重要比特平面序列W'g&進行差分和映射處理後生成一個非負序列《，再將該非負序列《按每16個數據分為一組，獨立進行熵編碼，依次編碼完整個序列《；4、當一個條帶的重要比特序列編碼結束時，將輸出碼流長度L與編碼門限T比較，根據當前條帶的重要比特平面碼流長度L大於或小於編碼門限T的不同結果，對下一個條帶的數據拆分位bp'進行調整，並對該條帶的數據編碼；5、依次對所有條帶完成編碼後，輸出總的編碼碼流。上述遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中當前條帶的重要比特平面碼流長度L達到或超過編碼門限T時，則進行如下處理(1)如果Z-r^77W,則調整下一個條帶的數據拆分比特位bp',々bp'=bp+l;(2)更新輸出碼流長度L與門限的冗餘比特長度R，使更新後的冗餘比特長度i'-w+丄-r,再進入下一個條帶編碼。上述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中當前條帶的重要比特平面碼流長度L小於總編碼門限T時，則進行如下處理(1)如果T-丄2^，則調整下一個條帶的數據拆分比特位bp'，令bp^bp陽l，8若bp已經為O則不做處理(2)如果r-Ki，更新當前冗餘比特長度R,使更新後的冗餘比特長度i'=i+z-r，進入下一個條帶編碼；(3)如果r-丄>及，則通過進一步判斷超出長度r-z-;與非重要比特流長度u的關係，確定非重要比特的輸出(a)如果r-z-/》c/，輸出非重要比特碼流長度u和非重要比特碼流，更新當前冗餘比特長度R，進入下一個條帶編碼；(b)如果r-z-i<^/，輸出長度信息r-丄-/和部分非重要比特碼流，將當前冗餘比特長度R清零，進入下一個條帶編碼。上述遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中對重要比特平面序列^^,進行差分處理是，依次將每一個條帶重要比特平面序列^g《中每一個點的值減去前一個點的值，得到一個相應的差分序列w,，具體計算公式為，其中M,(O)和WgS,(O)分別為序列巧和s/p,的起始數據;s/g《C/)為圖像條帶重要比特平面序列S/^,中第j個點的值;巧CO為差分序列化中第j個點的值。上述遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中對重要比特平面序列w^,進行映射處理是將差分序列巧映射為一個非負的序列《，具體映射公式為其中P=minO,(7—1)，2一—M,(_/—1)-1);N為數據精度，bp為當前編碼條帶的數據拆分位；《C/)為序列《中第j個點的值。上述遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中將非負序列《按每16個數據分為一組，獨立進行熵編碼，是通過自適應熵編碼器，採用分裂編碼方法按如下過程進行(1)對分組數據n位編碼數據按照分裂位k進行數據分裂，產生兩組數據一組n-k位高比特數據和一組k位的低比特數據；(2)對高比特數據進行遊程編碼；(3)把低比特數據直接附加在高比特數據碼流後面；(4)按照分裂位k從0到iV-^的順序，依次計算使用不同分裂位編碼將產生的碼流長度，對產生的所以碼流長度進行比較，選取碼流長度最短的碼流所對應的分裂位對所述的16個數據進行分裂編碼。上述遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中重要比特平面序列Wg^是原序列的W-^個高比特平面單獨組成一個新的序列，該序列的序號由低到高依次為0、1、…W-6p-l;其中非重要比特平面序列eA7^是原序列的bp個低比特平面單獨組成另一個新的序列，該序列的序號由低到高依次為O、1、…-l。本發明由於沒有複雜的矩陣運算或者上下文預測，因而相對於現有技術，複雜度低，硬體實現簡單，編碼速度和效率都比較高，且恢復圖像質量滿足應用要求。表1給出了本發明對14幅實際的衛星遙感圖像，包括可見光圖像、紅外圖像和多《(/)=2(柳)《(_/)=2|柳|-1其他光譜圖像進行2倍壓縮時的實際壓縮倍數和恢復圖像峰值信噪比測試結果。由表1可見，在2倍壓縮時恢復圖像的峰值信噪比PSNR均能達到60dB以上；同時可見，對大多數圖像還可以實現無損壓縮。因此，本發明非常適合於衛星上遙感圖像的無損、近無損實時壓縮應用。表1峰值信噪比tableseeoriginaldocumentpage9圖1是本發明的編碼流程框圖；圖2是本發明對數據拆分位調整和輸出非重要比特平面碼流的流程框圖；圖3是本發明對圖像數據進行高低位拆分處理示意圖；圖4是本發明的熵編碼流程框圖；圖5是本發明編碼碼流的結構框圖。具體實施方式本實施例採用原始輸入圖像的寬度和高度為512像素，條帶高度為64像素，圖像數據的精度為12比特，文件頭長度指定為IO字節。參照圖1和圖2，本發明的壓縮編碼過程如下-第一歩，對圖像進行分塊，確定編碼門限T。根據輸入圖像的寬度和高度將圖像分成8個寬度為512像素、高度為64像素的條帶，即512X64=32768個數據點。並根據各條帶的寬度、高度以及圖像數據精度確定編碼門限T,按照公式7=16，將每條帶的編碼門限T定為512X64X12/16=24576比特，該編碼門限T是條帶碼流長度的理想值，對於簡單圖像，實際的條帶碼流長度可低於編碼門限T，反之對於複雜圖像，實際的條帶碼流長度也可能高於編碼門限T。第二步，確定分塊數據拆分比特位bp，並進行數據拆分。設定初始bp為2，根據輸入圖像的位深N和數據拆分比特位bp，將每個條帶中的所有數據拆分成重要比特平面序列s/^,和非重要比特平面序列a，該重要比特平面序列W^,是由原序列的W-Z^個高比特平面單獨組成的一個新序列；該非重要比特平面序列是由原序列的bp個低比特平面單獨組成的另一個新序列。對於第一個條帶，由於初始bp^2，其重要比特平面序列由IO個比特平面組成，非重要比特平面序列有2個比特平面組成。設拆分處理前的第/個條帶數據記為s,，s,包括32768個數據點，每一個數據點包括12個比特平面，即數據的精度為12比特。在12個比特平面中，位於最上面的10個高比特平面為重要比特平面，將s,中所有數據點的IO個高比特平面組成重要比特平面序列，記為w^s,，其餘2個低比特平面組成非重要比特平面序列，記為w",，如圖3所示。在圖3中，3個框的每一列表示相應序列中一個點的值的二進位，每一行代表一個比特平面，越高層的比特平面越重要，隨著比特平面的降低，重要性隨之遞減。由於圖像數據精度為N，因而拆分前序列具有N個比特平面，其序號由低到高依次為0、1、…TV-1，經過高低位拆分處理後，原序列的AT-*個高比特平面單獨組成一個新的序列，作為重要比特平面序列w'g5,，該序列具有W-^個比特平面，其序號由低到高依次為O、1、…W-^-l。原序列的bp個低比特平面則單獨組成另一個新的序列，作為非重要比特平面序列eATO,，該序列具有bp個比特平面，其序號由低到高依次為0、1、…^-l。例如，如果拆分前序列^中第j點s,(y)的值為629，相應的二進位表示為001001110101，其中最左邊的O比特位於最高比特平面，即第ll比特平面，而最右邊的i比特位於最低比特平面，即第o比特平面。按比特平面的重要性將^,c/)拆分成兩部分，一部分為前10個比特0010011101，相應的十進位表示為157,記為s/p,C/)，表示重要比特平面序列的第j點；另一部分為後2個比特01，相應的十進位表示為1，記為，表示非重要比特平面序列e^y,的第j點。第三步，對重要比特平面序列s/p,進行無損編碼。(1)對當前條帶重要比特平面序列W^,進行差分處理，即依次將該重要比特平面序列W^,中每一個點的值減丟前一個點的值，從而得到一個相應的差分序列巧，設J扭,C/)為重要比特平面序列s輛中第j個點的值，A(力為差分序列巧中第j個點的值，具體計算公式為，formulaseeoriginaldocumentpage11其中M,(O)和s扭,(O)分別為序列巧禾fU扭,的起始數據；s扭,C/)為圖像條帶重要比特平面序列s輛中第j個點的值；巧CO為差分序列巧中第j個點的值。(2)對重要比特平面序列Wp,進行映射處理，將差分序列巧映射為一個非負的序列《，由於M,中會出現負值，對巧再做一次非負映射，生成一個新的非負序列《，設《CO為序列《中第j個點的值，具體映射公式為formulaseeoriginaldocumentpage11其中formulaseeoriginaldocumentpage11N為數據精度，bp為當前編碼條帶的數據拆分位；《C0為序列《中第j個點的值。(3)將所述的非負序列《按每16個數據分為一組，獨立進行熵編碼，如圖4所示，其過程如下1)對分組數據n位編碼數據按照分裂位k進行數據分裂，產生兩組數據一組n-k位高比特數據和一組k位的低比特數據；2)對高比特數據進行遊程編碼；3)把低比特數據直接附加在高比特數據碼流後面；4)按照分裂位k從O到iV-6/7的順序，依次計算使用不同分裂位編碼將產生的碼流長度，對產生的所以碼流長度進行比較，選取碼流長度最短的碼流所對應的分裂位6一，對所述的16個數據依次進行分裂編碼。本實施例中，按照每16個數據分為一組，每條帶可分2048個分組，依次每個分組獨立進行熵編碼。在每個分組的熵編碼過程中，按照分裂位k從0到7V-6/7的順序，依次計算使用不同分裂位編碼將產生的碼流長度，比較後選取碼流長度最短的分裂位&，，對該分組使用分裂位為&p,的分裂編碼。如果熵編碼前某一個分組中的《C/')=0000111010，相應的十進位數為72，對其進行分裂位k從0至U10的分裂編碼，分別記錄編碼碼長。假設對其做k=3的分裂編碼，《C/)首先被分裂為兩個數據^(y)-0000111，&c/)=oio，《力(y)對應十進位數為7，所以對其做遊程編碼的碼字為00000001，長度為8，^C/)的碼長為3，得到對《C/)進行k-3的分裂編碼碼字長度為ii。記錄k-o，i，…，10時對《c/)分裂編碼的碼字長度，對該分組中16個《(y)做相同處理，並分別累加得到k-0，1，…，IO時的分組碼流長度，選擇長度最小的碼流對應的k值，記為、p,，然後對該分組進行分裂位為;t，的分裂編碼，在輸出分組碼流時要先輸出4比特的、,值。第四步，將重要比特平面碼流長度L與編碼門限T比較，並調整下一個條帶的數據拆分位bp'。當一個條帶的重要比特序列編碼結束時，將輸出碼流長度L與編碼門限T進行比較，根據當前條帶的重要比特平面碼流長度L大於或小於編碼門限T的不同結果，對下一個條帶的數據拆分位bp'進行調整，艮P:女口果丄-7^77W，令bp'-bp+l;如果r-丄^^，則令bp'-bp-i，此時若bp已經為o則不做處理，該2^為非88重要比特平面一個比特平面的碼流；其他情況下bp'不變，例如第一條帶重要比特平面編碼碼流長度L為22639比特，T為24576比特，T—丄為1937比特，^為4096比特，所以下一條帶的bp'不變。8第五步，根據不同情況輸出非重要比特平面數據er巧，獲得當前條帶的編碼碼流。1.當重要比特平面的碼流L大於或等於編碼門限T時，即￡27，或者當L小於T同時L與T的差異不超過當前冗餘比特長度R時，g卩r-￡2/，不用輸出非重要比特平面數據，只需輸出4位元組的非重要比特流長度信息0即可，同時要更新當前冗餘比特長度R。2.當L小於T同時L與T的差異超過當前冗餘比特長度R時,即T-￡>及，需要輸出非重要比特數據，此時需要判斷非重要比特平面碼流長度U與T-i的關係(1)如果t/》r-丄-i，則輸出4位元組長度信息r-丄-/，接著輸出非重要比特平面碼流(輸出長度為r-丄-i);(2)如果c/〈r-i:-i，則輸出4位元組長度信息u，接著輸出全部非重要比特平面碼流，更新當前的冗餘比特長度R。例如，在第一條帶中，當前R為O，r-Z為1937比特，非重要比特平面碼流長度U為8192比特，所以需要輸出部分非重要比特平面碼流以達到條帶編碼門限T。先輸出4位元組的長度信息1937，然後依次輸出1937比特的非重要比特平面碼流，當前冗餘比特長度R仍為O。所述第三步產生的重要比特平面編碼碼流與第五步輸出的非重要比特平面碼流這兩部分之和，構成當前條帶的編碼碼流。第六步，以bp'為數據拆分位，返回到第二步進入下一個條帶編碼。以bp'為拆分位對下一個條帶數據進行拆分，並依次進行重要比特平面序列無損編碼、調整下一個條帶的數據拆分位、輸出非重要比特平面數據，獲得第二個條帶的編碼碼流。第七步，反覆進行第二步到第六步，獲得所有條帶的總壓縮編碼碼流。該總的壓縮編碼碼流由文件頭和各個獨立的壓縮包組成，如圖5所示。參照圖5，文件頭長度固定，包括輸入圖像的信息寬width、高height、條帶高H和像素位深N。每個壓縮包包括包頭和該壓縮包所對應條帶的編碼碼流，其中包頭由長度為1位元組，用於保存當前條帶的數據拆分位bp組成；每一個條帶的編碼碼流為該條帶的重要比特平面編碼碼流與非重要比特平面碼流之和。該重要比特碼流依次由各分組碼流組成，各分組碼流包括4比特分裂位;^,值和分組編碼碼流。對於本領域的專業人員來說，在了解了本
發明內容和方法後，能夠在不背離本發明.的原理和範圍的情況下，根據本發明的方法進行形式和細節上的各種修正和改變，但是這些基於本發明的修正和改變仍在本發明的權利要求保護範圍。權利要求1、一種遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，包括如下過程(1)根據輸入原始圖像的寬度、高度信息將圖像分成條帶，並根據各條帶的寬度、高度以及圖像數據精度確定編碼門限T，即2、根據權利要求1所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中當前條帶的重要比特平面碼流長度L達到或超過編碼門限T時，對下一個條帶的數據拆分位bp'進行調整並輸出當前條帶的非重要比特平面碼流，包括如下過程1)如果Z-7^77W，則調整下一個條帶的數據拆分比特位bp'，令bp'-bp+l;2)更新當前冗餘比特長度R，使更新後的冗餘比特長度/'-i+丄-r;3)輸出4位元組長度信息0的非重要比特平面數據信息。3、根據權利要求1所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中當前條帶的重要比特平面碼流長度L小於總編碼門限T時，對下一個條帶的數據拆分位bp'進行調整並輸出當前條帶的非重要比特平面碼流，包括如下過程1)如果T-丄2^，則調整下一個條帶的數據拆分比特位bp'，令bp'-bp-l，8若bp已經為0則不做調整；2)如果T-丄SA,更新當前冗餘比特長度R，使更新後的冗餘比特長度=+7;輸出4位元組長度信息0的非重要比特平面數據信息；3)如果r-丄〉i，則通過進一步判斷超出長度r-z-及與非重要比特碼流長度u的關係，確定非重要比特的輸出(a)如果T-丄-i2t/，更新當前冗餘比特長度R，輸出非重要比特碼流長度u和非重要比特碼流；(b)如果r-丄-i<u，將當前冗餘比特長度R清零，輸出長度信息r-丄-及和部分非重要比特碼流。4、根據權利要求i所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中對重要比特平面序列s/^,進行差分處理是依次將每一個條帶重要比特平面序列W'^,中每一個點的值減去前一個點的值，得到一個相應的差分序列巧，具體計算公式為，formulaseeoriginaldocumentpage3其中M,(O)和W'gS,(O)分別為序列巧和的起始數據；S扭C/)為圖像條帶重要比特平面序列S扭中第j個點的值；巧C/)為差分序列M,中第j個點的值。5、根據權利要求1所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中對重要比特平面序列s/p,進行映射處理是將差分序列化映射為一個非負的序列《，具體映射公式為formulaseeoriginaldocumentpage4其他其中formulaseeoriginaldocumentpage4N為數據精度，bp為當前編碼條帶的數據拆分位；《(/)為序列《中第j個點的值。6、根據權利要求1所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中將非負序列《按每16個數據分為一組，獨立進行熵編碼，是通過自適應熵編碼器，採用分裂編碼方法按如下過程進行(1)對分組數據n位編碼數據按照分裂位k進行數據分裂，產生兩組數據一組n-k位高比特數據和一組k位的低比特數據；(2)對高比特數據進行遊程編碼；(3)把低比特數據直接附加在高比特數據碼流後面；(4)按照分裂位k從0到的順序，依次計算使用不同分裂位編碼將產生的碼流長度，對產生的所以碼流長度進行比較，選取碼流長度最短的碼流所對應的分裂位tp,，對所述的16個數據進行分裂編碼。7、根據權利要求1所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中重要比特平面序列W^,是原序列的7V-6;j個高比特平面單獨組成一個新的序列，該序列的序號由低到高依次為O、1、…iV-6屍-l。8、根據權利要求1所述的遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法，其中非重要比特平面序列en^,是原序列的bp個低比特平面單獨組成另一個新的序列，該序列的序號由低到高依次為O、1、…6/7-1。全文摘要本發明公開了一種遙感圖像二倍無損及近無損壓縮編碼方法。其過程是將原始圖像分成條帶，根據各條帶的寬度、高度以及圖像數據精度確定條帶編碼門限T；將每個條帶中所有數據按照其數據拆分位拆分成重要比特平面序列和非重要比特平面序列；對重要比特平面序列進行無損編碼；根據輸出重要比特平面編碼碼流長度、編碼門限以及冗餘比特之間的關係控制輸出非重要比特平面碼流，以趨近編碼門限；對下一條帶數據拆分位進行調整，並使用該調整後的數據拆分位對下一條帶進行編碼；依次反覆完成所有條帶的壓縮編碼。本發明具有複雜度低、易於硬體實現、編碼速度和效率高的優點，可用於衛星遙感圖像壓縮。文檔編號G01S17/00GK101126807SQ20071001870公開日2008年2月20日申請日期2007年9月20日優先權日2007年9月20日發明者雲刁,凱劉,吳成柯,孔繁鏘,李雲松,王柯儼,馬偉祥,龔曉華申請人:西安電子科技大學