基于JPEG2000的機(jī)載偵察系統(tǒng)圖像編碼關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是高科技的信息戰(zhàn)，如何準(zhǔn)確及時(shí)地獲取信息將是制勝的重要因素。人類通過感知器官獲取的信息中，圖像信息占據(jù)了信息總量的60％以上，圖像信息具有十分重要的軍事價(jià)值，圖像偵察是主要的軍事偵察手段之一。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)突發(fā)性的增加、軍事行動(dòng)節(jié)奏的加快、精確武器的發(fā)展及其作用范圍的增大，對(duì)偵察圖像的分辨率和清晰度提出了更高的要求，從而導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)的急劇增長(zhǎng)，給圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，本文基于最新的JPEG2000靜態(tài)圖像壓縮

2、標(biāo)準(zhǔn)，研究機(jī)載偵察系統(tǒng)圖像編碼的關(guān)鍵技術(shù)，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)圖像情報(bào)信息準(zhǔn)確及時(shí)的獲取、存儲(chǔ)與傳輸?shù)男枨蟆?br>　　首先，本文深入研究了JPEG2000的編碼原理和工作過程，并就其中的關(guān)鍵技術(shù)：圖像分量變換、離散小波變換、量化以及算術(shù)編碼等進(jìn)行了仔細(xì)分析。著重研究了彩色圖像分量的兩種變換；探討了JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)推薦的兩種離散小波變換和邊界延拓等問題；提出了一種合理有效的量化方法；解釋了基于上下文環(huán)境的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼過程，并給出

3、了嵌入式環(huán)境下的具體實(shí)現(xiàn)算法。為后續(xù)基于JPEG2000的應(yīng)用研究奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，為了提高對(duì)偵察圖像的編碼性能，本文著重研究了JPEG2000的核心技術(shù)――小波變換。傳統(tǒng)的線性小波分解不能很好的保留圖像的邊緣等細(xì)節(jié)信息，在圖像低頻重構(gòu)時(shí)，細(xì)節(jié)信息丟失嚴(yán)重，邊緣比較模糊；而對(duì)于高頻分量，在躍變點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)大的小波系數(shù)，不利于圖像壓縮。對(duì)于航空偵察圖像這類空間相關(guān)性比較差、細(xì)節(jié)信息豐富的圖像來說，上述缺陷尤為突出。為了解決這類問

4、題，提出了一種基于提升格式的雙自適應(yīng)小波變換方法。在該變換方法中，根據(jù)局部信息自適應(yīng)地將圖像分為平滑區(qū)域和非平滑區(qū)域，在不同區(qū)域選取不同的更新和預(yù)測(cè)函數(shù)，以保持低頻圖像分量邊緣等細(xì)節(jié)信息不被平滑，同時(shí)又防止在高頻圖像分量上出現(xiàn)大的小波系數(shù)，改善偵察圖像的編碼性能，提高偵察圖像的重構(gòu)質(zhì)量。通過在JPEG2000中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用該方法進(jìn)行圖像分解，低頻近似圖像保留了細(xì)節(jié)信息，邊緣清晰；而且對(duì)雙自適應(yīng)小波變換后的圖像壓縮，性能優(yōu)于JPEG

5、2000的5/3小波和9/7小波，峰值信噪比提高1-3dB。
　　然后，對(duì)自適應(yīng)小波變換及量化后的系數(shù)進(jìn)行熵編碼概率建模。因?yàn)樵贘PEG2000圖像編碼中，熵編碼是基于上下文環(huán)境的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼，熵編碼的性能取決于待編碼符號(hào)的概率模型。JPEG2000采用當(dāng)前系數(shù)的8鄰域狀態(tài)組成當(dāng)前系數(shù)的上下文環(huán)境，每個(gè)鄰域可以有重要與不重要兩種取值，總共有256種上下文環(huán)境，根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)這些上下文環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化聚類，最終縮減到19個(gè)。J

6、PEG2000的19個(gè)上下文環(huán)境是在對(duì)9/7和5/3小波變換系數(shù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上優(yōu)化聚類得到的，對(duì)于自適應(yīng)小波變換后的系數(shù)，這19個(gè)上下文環(huán)境不能反應(yīng)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)特性，已不是最優(yōu)的選擇。因此，本文提出了基于條件熵增量最小化的概率建模方法，該方法根據(jù)上下文環(huán)境合并會(huì)導(dǎo)致條件熵增加的原理，以最小化條件熵增量為度量，對(duì)所有上下文環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化聚類。實(shí)驗(yàn)表明，通過基于條件熵增量最小化方法的概率建模，熵編碼性能得到較大優(yōu)化，同時(shí)上下文環(huán)境從19個(gè)

7、減少到15個(gè)，降低了編碼復(fù)雜度。
　　另外，本文還對(duì)JPEG2000中的感興趣區(qū)域編碼和碼率分配進(jìn)行了研究。在分析了JPEG2000中兩種感興趣區(qū)域編碼方法存在的局限后，基于人類視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了非均勻下移位的感興趣區(qū)域編碼方法；通過將上述方法應(yīng)用到圖像的時(shí)域和頻域進(jìn)行仿真證明，在不增加壓縮碼流的條件下，優(yōu)先保證了感興趣區(qū)域的圖像質(zhì)量。隨后，深入分析了壓縮碼流的碼率分配和控制過程，就其存在的問題進(jìn)行了改進(jìn)，提高了碼率分配效率。

8、并從另一個(gè)應(yīng)用角度，提出了一種新的碼率分配算法――基于峰值信噪比的碼率分配算法，優(yōu)先考慮編碼后圖像質(zhì)量，在給定峰值信噪比的條件下，分配和控制碼率，使最終形成的壓縮碼流長(zhǎng)度盡量的短。
　　最后，在現(xiàn)有器件條件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于FPGA和雙DSP的嵌入式圖像編碼硬件平臺(tái)。通過前端圖像采樣模塊，實(shí)現(xiàn)了PAL制式模擬視頻的數(shù)字化采集，采用TI的DSP芯片C6000進(jìn)行JPEG2000編碼，并經(jīng)DSP芯片C5000打包傳輸，完成