合成孔徑雷達複數圖像數據壓縮方法
2023-07-16 09:52:46
專利名稱：合成孔徑雷達複數圖像數據壓縮方法
技術領域：
本發明涉及一種複數圖像數據壓縮的方法，特別涉及一種用於合成孔徑雷達複數圖像數據壓縮的方法。
合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar，簡稱SAR)是一種利用微波成像的對地觀測系統，是一種高解析度成像雷達系統。合成孔徑雷達廣泛應用於災害監測、資源勘探、海洋研究、軍事偵察等諸多領域。合成孔徑雷達的原始數據經過信號處理，實施合成孔徑，實現方位向的高解析度，利用調頻脈衝壓縮技術來實現距離向的高解析度。
如
圖1所示，其為典型的合成孔徑雷達的信號處理的框圖。該信號處理流程圖中包括雷達接收到的信號S(t)1被正交分離成為I相和Q相信號，然後經過A/D轉換器3轉換成為數位訊號，I相和Q相的數位訊號相加得到的複數信號經由匹配濾波器4處理得到合成孔徑雷達的複數圖像數據5(複數數據的模值為地面目標回波的能量，而複數的復角的主值為地面目標回波的相位)。隨後，SAR的複數圖像數據被存儲或者被傳輸。
對於合成孔徑雷達，其原始數據的數據率等於脈衝重複頻率、回波信號採樣頻率和每個採樣點的量化比特數的乘積。由此，可以知道合成孔徑雷達的數據率相當高91年發射的ERS-1以及ERS-2衛星上的星載SAR數據率可以達到105Mb/s，而每天的原始數據量達到近200GB。龐大的數據量對雷達圖像數據的存儲和傳輸都構成相當的負擔。數據的存儲和傳輸成為SAR系統的瓶頸，影響到整個系統的性能。因此，通過數據壓縮技術，在保證SAR圖像的質量的前提下，減少數據率，對於合成孔徑雷達系統具有重要的意義。
本發明的目的在於提供一種SAR複數圖像數據的壓縮方法，使得SAR圖像數據率和數據量大大下降，同時保證重建後的SAR圖像數據仍然可以滿足包括幹涉SAR處理獲取三維地面圖像的應用要求。
本發明的另一目的是提供複數圖像(全息圖像)數據壓縮的一種方法，為全息圖像的傳輸提供技術基礎。
為了達到上述的目的，本發明對於經過信號處理後得到的SAR複數圖像數據採取以下的壓縮流程複數圖像的數據壓縮分為兩部分a.計算複數數據的模值，然後量化，對於量化後的數據進行編碼，得到壓縮數據。編碼數據與量化表一起被存儲或者傳輸。
b.取複數數據的實部(虛部)，然後量化，對於量化後的數據進行編碼，得到壓縮數據。編碼數據與量化表一起被存儲或者傳輸。
壓縮數據的解壓縮也分為兩個部分a.對已編碼的模值數據進行解碼，解碼後數據分成兩路，一路直接輸出，即為通常的圖像數據；另一路根據相應的量化表計算出原始模值數據，然後連同恢復的原始實部(虛部)信息一起，通過計算其反三角函數得出原始複數圖像包含的相位信息。
b.對已編碼的實部(虛部)數據進行解碼，解碼根據相應的量化表計算出原始的實部(虛部)數據，然後連同恢復的原始模值信息一起，通過計算其反三角函數得出原始複數圖像包含的相位信息。
圖像壓縮的核心部分是編碼模塊。正交變換編碼可以有效的除去圖像信號的相關性，從而在相同的圖像精度下大幅度的壓縮圖像數據，比如現行的JPEG標準。
下面參照附圖具體描述本發明的方法，其中圖1為合成孔徑雷達信號處理框圖；圖2為複數圖像壓縮/解壓縮原理框圖；圖3為壓縮編碼原理框圖；圖4為解壓縮原理框圖；圖5A為複數圖像數據的模值圖像；圖5B為複數圖像數據的實部圖像；圖5C為複數圖像數據的虛部圖像；圖6是精度為8×8的蒙版；圖7為重建的模值圖像；
圖8為重建的實部圖像；圖9為重建的相位信息。
如圖2中所示，對於經過信號處理後得到的SAR複數圖像數據採取以下的壓縮流程複數圖像21的數據壓縮20分為兩部分a.計算複數數據的模值23，然後量化25，對於量化後的數據進行編碼27，得到壓縮數據。編碼數據與量化表26一起被存儲或者傳輸。
b.取複數數據的實部(虛部)22，然後量化24，對於量化後的數據進行編碼28，得到壓縮數據。編碼數據與量化表29一起被存儲或者傳輸。
壓縮數據的解壓縮30也分為兩個部分a.對已編碼的模值數據進行解碼32，解碼後數據分成兩路，一路直接輸出，即為通常的圖像數據；另一路根據相應的量化表計算出原始模值數據31，然後連同恢復的原始實部(虛部)信息34一起，通過計算其反三角函數得出原始複數圖像包含的相位信息。
b.對已編碼的實部(虛部)數據28進行解碼33，解碼根據相應的量化表29計算出原始的實部(虛部)數據34，然後連同恢復的原始模值信息一起，通過計算其反三角函數得出原始複數圖像包含的相位信息。
編碼部分在現行的JPEG標準的基礎上加以改進，編碼部分的原理框圖如圖3所示將灰度圖像51劃分成子塊52，對於每個子塊圖像包含的信息進行分析評估58，然後將圖像的子塊根據評估的結果按照信息的重要程度(對於SAR圖像來說，大片的灰度值比較低的區域包含的信息相對不重要)進行分類，得出圖像分類信息59。根據圖像分割的信息制訂相應的量化表510，從而實現根據圖像包含的信息不同而不同的基於內容的自適應壓縮。
整個壓縮的過程相當於將一幅圖像按照包含的信息劃分成為數幅互相不重疊的子圖像，分別進行壓縮，然後在解壓縮一端對各個子圖像進行解壓，然後疊加恢復重建原始圖像。
壓縮的具體步驟如下1.對灰度圖像進行8×8子塊(子塊的大小可以根據實際應用的需要而變化)的劃分52。
1.對每一子塊包含的數據進行分析，計算其灰度值的均值以及方差，根據分析得到的數據得出該子塊的分類信息。具體做法如下對於SAR圖像來說，計算子塊的灰度平均值以及方差，對於平均灰度在某一灰度值區間(比如0～15)並且其方差同時也小於方差門限值(比如20)的歸成一類，對這部分的圖像採用相同的壓縮參數壓縮，記錄下該子塊的分類信息(對應於相應的JPEG算法壓縮質量因子)以及其在整幅圖像中的座標位置。(在合成孔徑雷達圖像中，灰度值低的區域為水面或者山體的陰影，其中包含的信息量相對較少；而方差的門限用來確保該子塊中沒有明顯的小目標因為採用高壓縮比的壓縮參數而損失信息。)2.根據得到的同一分類的子塊的座標製作相應的蒙版，與圖像數據一起，構成該分類子圖像。蒙版為一與原始圖像等大的位像(黑白圖像，值為0和1)，對應每個分類，屬於本類的子塊的位置所在的象素值為1，其它區域的值為0。
3.將原始圖像與各個分類的蒙版進行邏輯「與」的操作，得出各個分類的子圖像。
4.對於每個分類子圖像根據其分類信息給定的壓縮參數，對子圖像應用改進的JPEG算法進行編碼a.離散餘弦變換54。
b.依據分類信息計算(或查找)相應的量化表510。JPEG算法的關鍵部分在於算法中的量化表的選用量化階大，壓縮比就高，圖像質量相對就差；量化階小，壓縮比就低，圖像質量相對就好。對於每個分類子圖像的量化表的選用可以指定一個固定的量化表，然後對不同的分類將此量化表乘以不同的係數計算得到；也可以事先對類似的圖像數據進行統計分析，計算整理出對於不同特徵的分類子圖像適合採用的有針對性的優化的量化表。
c.量化55。
d.熵編碼56，保存對應的Huffman表。
5.將壓縮後的編碼57連同子塊分類信息、量化表以及Huffman表一起保存或者傳輸。
壓縮圖像數據的解碼過程與編碼過程相反，其原理框圖如圖4所示解壓縮的具體步驟如下1.從壓縮數據61中獲取子塊分類信息67。
2.根據子塊分類信息，從壓縮數據中取得相應的Huffman表68以及量化表69數據。
3.對於每個分類子圖像根據相應的參數，應用改進的JPEG算法進行解碼a.根據相應的Huffman表進行熵解碼。
b.依據相應的的量化表去量化63。
c.逆離散餘弦變換65。
4.根據得到的分類索引對應的蒙版信息，與解碼後的圖像數據一起，重建該分類子圖像66。
5.疊加各個分類的子圖像，重建圖像信息。
舉例說明合成孔徑雷達複數信息中包含的相位信息主要應用在生成地面形態的數字高程圖像，我們以大小為512×512的合成孔徑雷達山體的SAR複數圖像數據為例。分別顯示複數圖像的實部和虛部的絕對值圖像如圖5A。將實部和虛部(正負的實數)以相同的比例，變換到灰度圖像的值域(0～255)，如圖5B和5C。
對此複數，我們設定分塊大小為8×8，製作8×8單元尺寸的蒙版。根據圖像信息，我們將子塊分成兩類，得出蒙版圖像如圖6。
根據蒙版，選擇不同的壓縮量化表，壓縮模值圖像。解壓縮並根據蒙版綜合重建的圖像如圖7所示。
同樣根據蒙版對實部圖像數據進行壓縮，然後恢復重建的圖像，如圖8所示。
由此，可以計算得出重建圖像包含的相位信息，如圖9所示。
與目前現有的圖像壓縮方法相比較，新方法增加了幾個方面的考慮
1.增加了對複數圖像的壓縮方法的考慮，即不單單考慮用作人眼觀察的平面圖像的壓縮，同時壓縮保存複數圖像中包含的相位信息。而相位信息對於SAR，尤其是幹涉SAR來說是相當重要甚至是不可缺少的一部分。同時本方法也可以考慮應用在具有類似要求的全息圖像的壓縮中。
2.對於相位信息的保留，我們採用保存複數圖像各個象素的幅值和實部(虛部)數據，分別進行壓縮。然後在解壓縮時，根據相應的三角函數關係求出各個象素的相位。
3.對於幅值或者實部(虛部)數據的壓縮，我們將數據量化成為0～255的整數，即256個灰度級的灰度圖像，然後應用改進後的JPEG算法對該灰度圖像進行壓縮。
4.在灰度圖像的壓縮中，我們首先將灰度圖像進行同樣大小子塊的分割，對分割後的子塊圖像包含的信息進行分析，根據分析結果的不同加以分類整理，製作蒙版，並且給出相應的DCT量化表。
5.對灰度圖像進行壓縮時，壓縮的對象為圖像與蒙版進行邏輯「與」操作後的相應分類的子圖像，並且根據優化過的量化表進行量化。在JPEG算法中，壓縮比以及質量由DCT量化表所決定，如此就可以根據圖像內容的不同而採用不同的量化表對包含重要信息的子圖像採用細量化階的DCT量化表；而包含不重要信息的子圖像採用粗量化階的DCT量化表，從而實現基於內容的自適應壓縮。
權利要求
1.一種複數圖像壓縮的方法，其中包括壓縮和解壓縮兩個部分1)複數圖像的數據壓縮包括如下步驟a.計算複數數據的模值，然後用量化表進行量化，對於量化後的數據進行編碼，得到壓縮數據；b.取複數數據的實部或虛部，然後用量化表進行量化，對於量化後的數據進行編碼，得到壓縮數據。編碼數據與量化表一起被存儲或者傳輸；壓縮數據的解壓縮也分為兩個部分c.對已編碼的模值數據進行解碼，解碼後數據分成兩路，一路直接輸出，即為通常的圖像數據；另一路根據相應的量化表計算出原始模值數據，然後連同恢復的原始實部或虛部信息一起，通過計算出原始複數圖像包含的相位信息；d.對已編碼的實部或虛部數據進行解碼，解碼根據相應的量化表計算出原始的實部或虛部數據，然後連同恢復的原始模值信息一起，通過計算原始複數圖像包含的相位信息。
2.根據權利要求1所述的複數圖像壓縮方法，其中在數據壓縮部分進一步包括如下步驟對複數圖像按照自定義大小的子塊進行劃分；對每一子塊包含的數據進行分析，計算其灰度值的均值以及方差，根據分析得到的數據得出該子塊的分類索引，並且給出該分類應採用的DCT量化表；根據得到的分類索引製作相應的蒙版，與圖像數據一起，構成該分類子圖像；對於每個分類子圖像根據其分類信息給定的壓縮參數，對子圖像應用壓縮算法對圖像進行編碼；將壓縮後的編碼連同子塊分類信息以及量化表一起保存或者傳輸。
3.根據權利要求2所述的方法，其中蒙版的最小單元的大小等於劃分的子塊的大小，將圖像與蒙版結合，依據蒙版不同，依照不同的參數對蒙版圖像進行圖像的壓縮以及解壓縮。
4.根據權利要求2或3所述的複數圖像壓縮方法，其中每個蒙版與一個圖像分類相對應，每個蒙版也按照預定大小的子塊劃分，在一個圖像分類的蒙版中，對應於屬於該圖像分類的原始圖像子塊的蒙版子塊為邏輯「1」，否則該蒙版子塊為邏輯「0」。
5.根據權利要求4所述的複數圖像壓縮方法，其中通過把蒙版與被壓縮圖像進行邏輯「與」操作後得到相應分類的子圖像，並且根據相應該分類的量化表進行量化。
6.根據權利要求1、2或5所述的複數圖像壓縮方法，其中根據圖像內容的分類不同而採用不同的量化表對包含重要信息的子圖像採用細量化階的量化表；而包含不重要信息的子圖像採用粗量化階的量化表。
7.根據權利要求6所述的複數圖像壓縮方法，其中根據圖像子塊的平均灰度值和方差是否在預定範圍內而判斷圖像子塊的重要性。
8.根據權利要求2所述的複數圖像壓縮方法，其中所述壓縮算法是JPEG圖像壓縮法。
9.根據權利要求1、2或3所述複數圖像為合成孔徑雷達複數圖像。
全文摘要
本發明提供了一種合成孔徑雷達(SAR)複數圖像數據的壓縮方法:對SAR複數圖像用其模值以及實部(虛部)分別壓縮,從而保留圖像相位信息。對圖像子塊進行基於內容的自適應分類,採用蒙版對圖像內容進行劃分,並且根據蒙版對圖像進行基於不同參數的改進的JPEG方法壓縮。
文檔編號H04N7/26GK1390059SQ0111855
公開日2003年1月8日 申請日期2001年6月1日 優先權日2001年6月1日
發明者王貞松, 謝列賓 申請人:中國科學院計算技術研究所