（机械电子工程专业论文）图像压缩编码技术及其在网络球形摄像机中应用的研究.pdf

摘要 摘要 智能机器与图像信息技术是机械、电子、控制、光学、图像信息和网络技术 的交叉与综合，是光一机一电一信息一体化技术和产品发展的新方向。网络球形 摄像机是这种技术的典型应用。本文对网络球形摄像机的一些关键技术图像压缩 编码进行系统深入的研究，实现基于h 2 6 3 + 协议的远程图像监控系统的演示程 序，同时采用嵌入式t c p i p 协议的单片机系统，实现网络球形摄像机接入以太 网，完成对网络球形摄像机的云台及摄像头参数等的远程控制。 论文主要内容如下： 第一章对网络球形摄像机、图像压缩编码和网络传输等技术的发展概况进行 综述；阐述网络球形摄像机所涉及的一些关键技术：静态图像的压缩算法和运动 图像标准及其远程传输的实现。 第二章分析研究小波变换理论及其用于图像压缩的原理和算法，使用嵌入式 零树小波编码技术对图像压缩，给出实验结果及性能分析。 第三章介绍收缩仿射变换与迭代函数系统，研究分形图像压缩的实现算法， 并进行了仿真计算，给出仿真实验结果。 第四章介绍小波域分形变换理论，提出了一种新的改进的基于方向性小波子 树的分形图像编码方法，研究其原理和实现算法，在此基础上进行仿真计算，并 对其编码性能进行分析和比较。 第五章研究h 2 6 3 + 标准的数学模型，在局域网上设计和实现远程图像监控系 统，设计了球形摄像机嵌入式t c p i p 网络控制软硬件系统。 第六章总结全文，并对系统的进一步完善提出了一些意见和想法，最后对网 络球形摄像机的发展趋势进行了分析和预测。 关键词：网络球形摄像机，小波变换，分形变换，混和分形小波编码，图像压缩 编码 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e l l i g e n t m a c h i n ea n di m a g ei n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i st h ei n t e r c r o s sa n d i n t e g r a t i o n o fm e c h a n i c a l - ，e l e c t r o n i c 一，c o n t r o l ，o p t i c s 一，i m a g ei n f o r m a t i o n - a n d n e t w o r k - t e c h n o l o g y i t i san e wo r i e n t a t i o no ft h e t e c h n o l o g y a n d p r o d u c t d e v e l o p m e n t n e td o m ec a m e r ai s an e wt y p i c a l p r o d u c t , w h i c hb a s e s o nt h e i n t e l l i g e n tm a c h i n ea n di m a g ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sw o r k w ef o c u so ns o m e k e yn e wt e c h n o l o g i e s f o ri m a g ec o m p r e s s i o na n dc o m m u n i c a t i o n ，p e r f o r mm a n y r e s e a r c h e sa n de x p e r i m e n t sd e e p l y t h i st h e s i sd e v e l o p sm a i n l yt h er e s e a r c hi nt h e f i e l do fi m a g ec o m p r e s s i o n c o m b i n a t i n gw i t l lt h en e td o r mc a m e r a an e w m o n i t o r i n gs y s t e m i sd e s i g n e db a s e do nh 2 6 3 + o nt h ep a r to ft h ec o n t r o lo fd o r m c a m e r a sp l a t f o r ma n dt h es e t u po fc a m e r a sp a r a m e t e r , u s i n gt h et c p i pe m b e d d e d s y s t e mi m p l e m e n t s t h ei n t e r f a c et ot h ee t h e m e t t h ew o r ki so r g a n i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e rlb r i e f l yr e v i e w st h eg e n e r a ls i t u a t i o no fn e td o m ec a m e r a ，i m a g e c o m p r e s s i o na n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y f i n a l l ys e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s f o rt h en e td o m ec a m e r aa r ed i s c u s s e d , n a m e l yi m a g ec o d i n ga l g o r i t h m ，m o t i o n p i c t u r ec o m p r e s s i o n s t a n d a r da n dn e t w o r k t r a n s m i s s i o n i nc h a p t e r2 ，t h ew a v e l e t st h e o r ya n di t s a p p l i c a t i o ni ni m a g ec o m p r e s s i o ni s a n a l y z e d i m a g ec o d i n gi si m p l e m e n t e du s i n ge m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e tt e c h n i q u e a f t e r w a r d s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e n c h a p t e r 3 b r i n g s f o r w a r dc o n t r a c t i v ea f f m et r a n s f o r m a t i o na n di t e r a t e d f u n c t i o ns y s t e m ，g i v e st h ei m p l e m e n t a t i o no ff r a c t a l i m a g ec o d i n ga l g o r i t h ma n d s h o w st h es i m u l a t e dr e s u l t s c h a p t e r 4p r e s e n t st h et e c h n o l o g yo f l f si nt h ew a v e l e td o m a i n an e w i m p r o v e d c o d i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h ei f sm a p p i n gi nt h ed w t d o m a i ni sp r o p o s e d n l e c o d e rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e di nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rc o d em e t h o d sa tl a s t c h a p t e r 5s t u d i e sh 2 6 3 + c o d e c n em o n i t o r i n g s y s t e m i s d e s i g n e da n d i m p l e m e n t e do nt h el a n t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft c p i pe m b e d d e dc o n t r 0 1 s y s t e mo n t h ep l a t f o r mo f n e td o r mc a m e r aa r ed e v i s e da n dr e a l i z e d c h a p t e r6 ，w h i c hi st h el a s to n e ，c o n t a i n st h es u m m a r ya n dc o n c l u s i o n ，p o i n t so u t s o m et h e o r i e sn e e dm o r er e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n ga n df o r e c a s tt h et r e n d so fn e t d o m ec a m e r a k e y w o r d s ：n e td o m ec a m e r a ，w a v e l e t s ，f r a c t a l ，h y b r i df m c t a l - w a v e l e tc o d i n g ， i m a g ec o m p r e s s i o n l l 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题的研究背景及意义 随着变电站自动化建设和改造不断发展完善，电网企业大多已经实现了对远 方变电站的遥测、遥信、遥控、遥调，即“四遥”功能。当前，各企业为了提高 劳动生产率，增加经济效益，开始实旌变电站( 所) 的实现无人值守模式，图像监 控系统是对“四遥”的进一步补充和完善，被行业称为“第五遥”一遥视。 遥视系统的主要功能是监控并记录变电站的安全以及设备的运行情况，监测 电力设备发热程度，及时发现、处理事故情况，有助于提高电力系统自动化的安 全性和可靠性，并提供事后分析事故的有关图像资料。同时它还具有防火、防盗 等功能。因此越来越多的电力公司把遥视系统作为变电站自动化管理的新手段。 同时，各级变电站( 所) 都建成了光纤或微波通讯网络，这为基于网络的遥视系统 的建设提供了优良条件。 变电站遥视系统就是将变电站的视音频数据和监控数据由变电站的前端设 备采集编码，并将编码后的数据通过网络传输到监控中心，监控中心接收编码后 的视频数据和监控数据，进行监控、存储、管理。变电站遥视监控系统的实旌为 实现变电站的无人值守，从而为推动电网的管理逐步向自动化、综合化、集中化、 智能化方向发展提供有力的信息技术保障。 现在的供电公司一般都下辖数十个不同等级的变电站，每个变电站都具备至 少2 m 通道连接到变电工区或供电公司，在每个变电站安装摄像机、报警输入输 出设备、视频服务器等前端设备，在变电工区监控服务器和监控终端，安装变电 站遥视监控软件，对下辖的变电站进行监控。在供电公司建立主监控服务器，安 装变电站遥视监控主站软件，通过各变电工区的监控服务器监控全部变电站。公 司领导、安监和生产部领导即可在自己的办公微机上随时监控各变电站的实时图 像、温度信息，调用录像资料。这样就依靠电力网络组成了分级式变电站遥视监 控模式。 变电站遥视系统组成可分为变电站设备、通讯网络、变电工区监控主站、供 电公司监控主站四个主要部分，如图卜1 所示。 浙江大学硕士学位论文 图l l 变电站监控系统组成 在浙江南望图像信息产业有限公司与浙江大学机械电子工程研究所的合作 下，在过去的两年已经开发出智能跟踪一体化球形摄像机f ”，该装置是集机械、 电子、图像处理和模式识别于一体的高科技产品，该产品可用于电力、银行、交 通、海关等安全场所，实现无人监控。为了充分利用现有的宽带网，可以实现具 有图像远程传输功能的网络球形摄像机。由于球形摄像机传输的信息主体是活动 的图像具有信息量大的特点，而且使用的场合是双向、多向通信，传输信道与 传输图像质量之间的矛盾就成为其应用的焦点。要解决以上问题，就要从获得高 的图像压缩比，使得传输费用达到人们可以接受的程度。本文就在此背景下，展 开研究，以求获得最优的解决方案。 1 2图像压缩编码技术的研究现状 目前，网络技术飞速发展，宽带网的出现，使得多媒体技术有了广阔的平台。 图像编码因此进入了使用阶段，市场上出现了大量的，诸如数码相机，可视电话， 远程医疗监控等多媒体存储和传输产品。 从大量的文献阅读中，可以从两个层次上对图像编码进行研究：一个是从 2 d ( 静态图像压缩1 2 ) ，另一个就是从3 d ( 运动图像压缩) 。这两方面又是统一的， 第一章绪论 因为3 d 是以2 d 为基础的，没有好的2 d 算法，也就不可能实现高性能的3 d 。 鉴于以上分析，本文将从静态图像逐步过渡到动态图像的研究。 1 2 i 静态图像压缩的研究现状 数字图像压缩多年来一直是国内外学者热门的研究课题，在不同的应用上产 生了大量的图像压缩标准。压缩的作用就是减小传输的带宽和各种数据所需的存 储容量。尽管现在有比过去更多的新技术提供高速数字通信和大容量存储器，图 像压缩仍然是重要的，因为随着技术进步，图像通信和更高质量的图像打印与显 示的需求也在增加。 图像压缩算法许多年来在学术和工业界都是重要的研究课题。今天，尽管取 得了比十年前有重大改进的算法和压缩性能。新技术仍然有很大的发展空间。第 一个被广泛采用的国际图像压缩标准是在八十年代末制定的j p e g 3 ，”。j p e g 是 基于d c t 变换和基于h u f f m a n 编码1 5 6 ，7 ，8 1 或算术编码的熵编码【9 1 0j p e g 主要用 于超过连续单调的大于一位深的图像。二进图像算法是j b i g 1 和j b i g 2 。 在最近几年研究者在压缩系统中使用离散小波变换。1 9 8 3 年b u r r 和a n d e r s o n 第一次在图像系统中引入了多分辨率分析”1 概念。m a l l a t 是第一个指出多分辨 分析和小波变换的关系。d a u b e c h i e s 研究了离散小波变换。使之成为了很受欢迎 的数学工具。有很多关于小波图像压缩的文章讨论了优良的压缩性能的结果，并 且给出了很多在图像压缩中使用小波的启发。很多研究人员从系统角度认为小波 编码属于子带编码。子带编码h 和小波编码本质上是指同一个系统。子带编码强 调的是频域，而小波强调的是空间域。 图像压缩算法主要有两大类，有损压缩和无损压缩1 5 1 2 i 。无损压缩算法保留 图像数据，原始图像和重构图像完全一样。有损压缩使原始图像和重构图像在数 学意义上严格相等，但是对于人眼看起来是一样的，有损压缩的目标是在视觉上 无损。有损和无损压缩算法当今有着广泛的应用，从传送卫星图像，到网络浏览， 及图像打印扫描。用有损压缩比无损压缩我们可以取得更大的压缩比。 目前，国外从事小波图像压缩主要有u n i v e r s i t yo fw a t e r l o o e c o l e p o l y t e c h n i q u ed el u n i v e r s i t e d em o m r e a l 也e u n i v e r s i t yo fv e r o n aa n di n r i a r o c q u e n c o u r t ，f r a n c e 这是几所大学合作，共同研究分形编码【1 4 】，i n t e r g r a t e dm e d i a 浙江大学硕士学位论文 s y s t e m sc e n t e r , e l e c t r i c a le n g i n e e r , u n i v e r s i t yo f s o u t h e r nc a l i f o r n i a 研究小波图像压 缩率失真最优化和减小复杂性陋1 6 , 1 7 , i g , 1 9 , 2 0 , 2 ”。e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gw e s t t h e p e n n s y l v a n i a s t a t eu n i v e r s i t y 研究混合分形零树小波图像编码f 2 2 1 。 国内主要有西安交通大学，研究小波理论及其应用。上海复旦大学非线性中 心研究分形图像压缩州。其他高校也有大量成果。 因此，对于图像压缩算法的研究还是很有必要的。根据目前国内外图像压缩 的状况，以及各种不同压缩编码方法的内部实现机制，混合分形一小波变换为实 现更大的压缩比提供了可能1 4 2 3 , 2 4 , 2 ”。 现今出现了不少分形小波变换来进行图像压缩编码的算法1 2 6 ，27 1 。它们大都 是对小波系数子树进行尺度变换，然后将其复制到更低一级的子树上，这一操作 类似与i f s 对集合的几何变换和i f s m ( 有灰度映射的i f s ) 对函数的变换。它们也 是试图利用分形变换在小波域中对空间局部的自相似进行量化编码。然而，到目 前为止，同著名的零树小波算法e z w 相比，存在许多效果不错的分形- d , 波混 合编码方案，如r i n a l d o 和c a l v a g n t 2 8 】的预测算法，d a v i s l 2 6 1 的自子树量化等，说 明分形编码基于自仿射的假设应用于小波域中还是有效的。近年来的论文f h 】，给 出了分形小波变换图像编码压缩的方案，并与纯小波，纯分形算法进行仿真比较， 给出很多实验数据。我们据此才可以充分利用不同编码算法在编码图像不同特征 方面各自的优势，设计出有效的混合编码方案。比如i f s 分形适于提取信号中尺 度或分辨率变换下的不变性，即自相似性；而小波变换则适于提取信号的平移不 变性，即周期性【2 ”。 d a v i s l 2 6 i 于1 9 9 8 年2 月提出了分形一小波变换的自子树量化算法，他采用了 与x i o n g l 2 9 i 类似的空间频率量化编码方案。他指出分形变换对提取图像平滑区 的自相似性是有效的，但对类似纹理这种具有高阶统计相关性的区域，分形变换 便不如零树描述有效。文献【3 0 1 对小波子树的方向特性作进一步的研究，深入分析 分形编码内在的机制，对经分形- d , 波变换后的小波子树之间的自仿射性编解码 机制进行了详细描述；另一方面依据统计分析得出的结论设计了相应的编码算法 来进行试验验证，同时讨论了这类算法与零树算法的区别与联系，为进一步设计 零树量化结合的分形- d , 波变换编码提供了依据。 文献1 1 8 ，2 1 】讨论了最优小波图像压缩率失真最优，给出综合设计量化器与编码 第一章绪论 器的方法，这里只给出了纯小波变换的最优编码方法。 1 2 2 运动图像压缩的研究现状 随着社会经济的发展，特别是随着计算机网络的普及，以及计算机网络 带宽的进一步提高，视频系统的应用将越来越广泛：如会议电视，可视电话及远 程监控等。网络作为多媒体的载体变得相当普及，视频信息系统与网络相结合已 成为发展方向。多媒体通信技术就是把数据、声音、图像以及传真等信息传到远 方，使通信双方不仅可以听到声音，共享数据资源，还可以看到对方的图像以及 由对方提供的其他图像信息。因此，多媒体通信技术关联到信息产业的两项主要 技术，即多媒体技术和通信技术，以及由多媒体通信产生的相关技术。进入9 0 年代，随着图像压缩技术和话音压缩技术的进一步发展和成熟，多媒体通信技术 作为新兴产业迅速崛起。学术和应用领域都在致力于视频技术的研究并且完成了 几个标准。如i t u th 2 6 1 ，h 2 6 3 和h 2 6 4 等，i s o i e c 的m p e g 一1 ，m p e g - 2 和m p e g - 4 1 7 1 , 7 3 1 等。这些标准覆盖了很大的视频速率范围和应用领域。1 9 9 0 年， c c i t t ( 1 t u ) 首先制定出h 3 2 0 视听用户终端技术系列标准，1 9 9 1 年i s o 制定出 了m p e g 1 运动图像压缩标准，1 9 9 3 年i s o 又提出了m p e g 2 标准( 草案) ；i t u 于1 9 9 4 1 9 9 5 年提出了h 2 6 3 低速率多媒体图像压缩编码的算法的建议，1 9 9 7 年对h 2 6 3 作了相应修订并提出了h 2 6 3 + 孔】图像压缩编码算法的标准( 草案) ， 1 9 9 3 1 9 9 6 年制订了 i 1 2 0 多媒体数据会议控制协议，所有这些为多媒体通信技 术能满足不同要求的应用：速率、图像质量、复杂度、容错性和实时性。电视会 议、视频电子邮件、可视电话发展很快。公用电话网( p s r r 、4 3 和无线网络上的传输 速率仍然很有限，而且误码率高。 h 2 6 3v e r s i o n2 o ( 或叫h 2 6 3 + ) 是在h 2 6 3 的基础上以增加编码的可选项的形 式改进的，在语法上与h 2 6 3 兼容，但编码效率有很大提高适用范围也更大。 其主要的应用方向仍是低码流的视频业务，用于p s t n 以及无线接入的高误码比 的通信环境。因此，在h 2 6 3 + 中既增加了一些改进编码效率的方法，同时也提高 了抗误码性能的能力。 目前，国际电信联盟i t u ，已经制定到h 2 6 4 标准，该标准将于明年正式推 出。它与以前的两个版本( h 2 6 1 ，h 2 6 3 1 3 h ) 基本部分相似。与2 6 3 相比，主要在以 浙江大学硕士学位论文 下几个方面做了改进【3 2 j ： 仅仅使用一个归一化的v l c 用于符号编码 帧间预测模式，运动估计估计精度( 1 4 或1 8 象索) ，h 2 6 3 只有半象素 大量不同块大小用于运动预测 参差编码4 4 的块，使用按数变换 多参考帧用于预测，替代过去的b 帧。 同时，国际标准化组织( 1 s o ) 的活动图像专家组( m p e g ) 成立于1 9 8 8 年主要负 责制定活动图像和音频编码的标准。m p e g 1 是关于1 5 m b p s 数据传输率的数字 存储提运动图像及其伴音编码的国际标准。m p e g 2 主要是针对数字视频广播 ( d v b ) ，高清晰度电视f f l d t v ) 、数字视盘( d v d ) 等制定的高于1 5 m b p s 运动图像 及其伴音的编码标准。为了适应迅速发展的多媒体通信的要求，力图获得高质量 的恢复图像和高效的比特利用率，并能够完成交互功能，真正实现多媒体通信， m p e g 组织正在积极地制定新标准m p e g - 4 t 8 ，3 3 3 “，该标准除了高压缩率夕卜，最 主要的特点就是基于内容的编码。可以对任意形状的图像序列进行逻辑扩展。它 将提供一个高度灵活的框架和一个开放的工具集，以方便地吸纳新的思想，新的 软硬件技术，具有长久地生命力与广泛的适用性。 i s o 和i t u 是两个不同的组织，分别制定了不同应用领域的标准，早期的 h 2 6 l ，h 2 6 3 主要是针对极低码率下的视频传输而出现的。而m p e g 1 ，m p e g - 2 是用来在多媒体的处理上。现在两者逐渐融合的趋势。m p e g 4 的第1 0 部分就 是采用的h 2 6 4 编码方案。两者在要求上有许多共同之处，许多m p e g 4 视频领 域的专家也参与i t u 的l b c ( l o wb i tr a t ec o d i n g ) 项目。共同的成员及正式的信 息交流使m p e g - 4 与i t u - t 经常共享他们的成果，目标是改善各自的标准，并 争取在两者之间达到较高水平的互用性。 在h 2 6 4 上做的最好的，就是欧洲的i t u v c e g ，t e l n o rb r o a d b a n ds e r v i c e s ， 编写的t m n 。此代码经过9 次改进，目前最新版本是v e r s i o n 9 t 3 2 t ”】。在m p e g 4 方面做的出色的要数x v i d 组织。网上有他的源代码可供科研人员参考改进。 1 3网络球形摄像机的关键技术 智能机器与图像信息技术是机械、电子、控制、光学、图像信息和网络技术 6 第一章绪论 的交叉与综合，是光一机电一信息一体化技术和产品发展的新方向。网络球形摄像 机是应用这种技术的典型新产品，广泛应用于工业生产、国防建设、交通、安防 等诸多领域。本文主要对网络球形摄像机的一些关键技术进行系统深入的研究， 具有重要的理论价值和实际工程意义。 本课题的几个关键技术是：( 1 ) 静态图像压缩算法的研究，这是网络球形摄像 机传输静态图像的核心，以求获得更高压缩比和图像质量；( 2 ) 研究运动图像压 缩标准，监控系统最关键的技术环节是图像的压缩和解压缩。目前i t u 已经有 不少视频压缩的标准，如h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，h 2 6 3 + ，h 2 6 3 + + ，m p e g l ，m p e g 2 ， m p e g 4 ，m j p e g 以及基于离散小波变换( d w t ) 的图像压缩编码。究竞选择哪种 标准取决于系统的清晰度要求以及信道的带宽。对于i s d n 、p s t n 、以太网等低 速率信道，我们选择低码率视频编码标准h 2 6 3 进行图像的编解码，这是一种码 率和图像质量折中较好的编解码标准：( 3 ) 远程监控系统的网络传输。这里主要 涉及到t c p i p 协议在嵌入式系统中的实现，网络安全，网络延时以及网络突发 事件的程序处理等。 1 4主要工作内容 ( 1 ) 理论部分： i )静态图像编码技术的研究 通过对小波图像压缩，分形图像压缩的研究，分析并比较几种经典算法的优 缺点，提出了一种基于方向性小波子树的分形图像编码算法的研究，并进行算法 仿真。该方法用于网络球形摄像机的快照抓拍，获得很好的信噪比和压缩比。 i i )运动图像压缩标准的研究 全面研究运动图像压缩标准，比较各种压缩标准的实现方法及其性能指标， 结合工程实际，选用1 4 2 6 3 + 标准作为网络球形摄像机的图像压缩标准，在p c 机 上实现算法，最后对算法的实时性、网络可靠性等进行分析。 ( 2 ) 硬件部分： 主要采用r t l 8 0 1 9 a s 网络芯片，实现嵌入式通信系统，对网络球形摄像机 的云台和摄像头参数进行远程控制和调节。在嵌入式系统内，用汇编实现t c p i p 协议，完成网络球形摄像机的以太网接入模块。 7 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 软件部分： 在v i s u a lc + + 6 0 编程环境下，编写图像的快照抓拍，以及活动图像的远程 传输。实现静态图像的压缩编码算法，以及h 2 6 3 + 视频压缩标准，并采用w i n s o c k 实现网络的实时传输通信。 ( 4 ) 实验及演示部分： 搭建网络球形摄像机的实验平台，安装并调试软件程序，通过试验结果，改 进算法，提高网络球形摄像机的图像方面的各项性能。 8 第二章小波图像压缩技术的研究 第二章小波图像压缩技术的研究 本章主要研究小波变换，通过实验说明不同的小波基对编码性能的影响；研 究小波变换理论及其用于图像压缩的原理和算法，使用嵌入式零树小波编码技术 对图像压缩，对零树小波系数采用n 阶上下文自适应算术编码，最后给出实验 结果及性能分析。 2 。1小波变换理论 传统的变换方法如f f t ，d c t 等有很多局限性，它们只能提供整个信号全部 时向或空间下的整体频域特性，而不能提供任何局部时间或空间段上的频率信 息，而图像中的许多重要特征如边缘、纹理等，都是高度局部性的，因此它们在 压缩含有这些瞬态和局部性信号分量的图像上性能不佳。此外在信号或图像分析 中，我们有时需要将信号在时域和领域中的特性或图像在空域和领域的特性结合 起来分析，例如，我们要了解图像的哪一部分含有较多的高频分量，或者信号某 一段频率分布情况等，这都是传统变换方法所无法解决的。而小波变换具有时 f 空) 频局部性，它在频率和位置上都是可变的，非常适合分析瞬态信号。小波变 换是一种变分辨率的时域联合分析方法，当分析低频信号时，其时窗很大，而分 析高频信号时，其时窗很小。这恰恰符合实际问题中高频信号的持续时间短、低 频信号的持续时间长的自然规律。在图像编码上，小波变换与人类视觉系统( h v s ) 对图像信息的处理过程基本相符，合理的分配量化误差，可在保持基本相同的图 像质量下。得到更低的平均编码比特率。此外，图像小波变换不同于d c t 块编 码技术，不会产生方块效应，它是一种对图像的多分辨率描述，可实现图像按一 定的优先级逐次、可控制地传输，这种图像的分层传输方式特别适合图像的网络 通信要求。 小波变换取决于2 个参数：尺度口和位移f ，它们在实数范围内不断的变化， 对于比较小的口值，小波集中于时间域，小波变换给出信号的细节信息。而当口 值较大时，小波扩展，小波变换绘出信号宏观信息。小波变换的时频分辨率是 变化的，因而被形象的称为信号的“数学显微镜”。图2 - 1 就是2 种基本小波的 9 浙江大学硕士学位论文 例子，h a i r 小波和墨西哥帽小波。 y 。 1 。 0 。5 u x 一l 1 8 a r 小波 圈2 1曲种基本小援 离散情况下，某些特殊小波函数构成r ( r ) 空间的正交基。s m a l i a t 在此基 础上提出了小波多分辨率分析方法，由于其计算机处理具有递归性而得到广泛应 用，尤其适合于图像分丰厅编码， v n z ，存在函数o ) ，使得集九= 移m ( f ) ，七e z j 构成_ 的标准正交基， 这里人妒m = 2 - j 1 2 妒( 2 t 一) 称为尺度函数满足双尺度方程 = 2 ( ”) 妒( 2 卜 ) ， ( 2 1 ) 它对应于一低通滤波器日( 奶( 为h ( n ) 的傅立叶变换) 。令乃为巧在巧一中的正交 补空间，即_ 一；= 巧。，- e z 。对于给定的，z ，设 乃。( f ) l 触) 构成的 标准正交基，则整个函数集 竹，；( f ) l 皿如： 构成r ) 的标准正交蒸e 这里吼，t ( f ) 正是由同一母函数伸缩平移得到的正交小波基，称为小波函数，它满足另一个双 尺度方程( 见式( 2 1 ) ) ，它对应于一高通滤波器g ( ) ( 为g ( n ) 的傅立叶变换) 。 妒( r ) = 压 ( n ) 妒( 2 r 一行) 。 ( 2 2 ) 因此多分辨率分析 匕，z 下的小波变换即为求函数厂( r ) 在 一，e z 空 间投影系数的过程，令e ，。= ( ，( ，) ，谚。) 为厂( f ) 在一中的模糊分量( 低频分量) ， 哆。= ( 厂( f ) 纺，t ) 为厂( r ) 在_ 中的细节分量( 高频分量) ，从而有递推公式： c j + l , i = h ( m - 2 k ) c 。 k 。：圭g ( m - 2 k ) 1 0 第二章小波图像压缩技术的研究 c j - l l 。= h ( m - 2 k ) c j j + g ( m - 2 k ) c 卅， ( 2 4 ) 女t 式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 分别完成对信号的多分辨率分解和重构。信号厂( f ) 分解后的各个层 次分别对应不同的频率和分辨率，形成了多分辨率的塔式结构。由于小波基的正 交性，使得分解后的数据总量与原数据保持一致、m a l l a t 提出的离散小波变换 ( d w t ) 的分解和熏构算法如图2 2 所示。 对于图像的二维离散小波变换则是通过上述一维离散小波变换以张量积推 广来获得，即分别对图像的水平和垂直方向进行小波变换，从而形成3 个具有方 向性的高频带( 细节分量) h l ，l h ，h h 和一低频带( 模糊分量) l l 。对l l 继续分 解，可得到相互独立的多级分解层次，实现图像的多分辨率分解，见图2 3 。 b ) 分解算法f b ) 重梅算 圭 图2 - 2离散小波分解与重构算法 卜 h i 1 卜 h h i l l 2h i , 2 h l l l h z h i 1 2 l h t h h 制n k 乩， l h ：l h h ： l h lh h l l ( a ) 一城分群( b ) 二敬升级( c ) 二城升桦 图2 - 3二维离散小波变换：( a ) ( c ) 第一至三级分解 2 2小波图像压缩实现 当图像实现了小波的多分辨率分解后，并不意味着图像已实现了压缩，事实 上，小波变换只是给图像压缩提供了好的图像表示形式，而数据总量并未减少。 为了达到高压缩比的目的，还应对变换后的系数进行分析处理，并进行适当的取 舍量化和编码。通过大量对图像进行小波分层编解码实验 4 1 4 2 1 得知： ( 1 )小波对图像的分解是按倍频程方式进行的，符合人眼视觉机制。 ( 2 )由于正交性，交换域内相关性非常小，各分解系数是独立的，图像的能 浙江大学硕士学位论文 量主要集中在低频分量l l 上，分解层数越低，其高频带的能量也越少。高频分 量h l ，l h 、h h 表征了图像的高频边缘分量，这样更便于去掉其相关性，使能 量高度集中。 ( 3 )小波变换的系数具有一定的空间取向特性，l h 表征了水平方向的边缘信 息( 即垂直方向的高频分量) ；h l 表征了垂直方向的边缘信息( 即水平方向的高频 分量) ；h h 表征了对角线方向的边缘信息。这为利用人眼视觉系统知识进行编码 提供了合适的表示。 ( 4 )图像经小波变换后其变换系数具有“树状结构”，即高层的1 个变换系数 与较低的一层的4 个变换系数相对应，形成一种“父子关系”，即对于1 个给定 的父系数，在同一方向上所有低层图像中同一空间位置上对应的所有系数为其后 代系数，如图2 4 所示。 基于以上分析，小波图像压缩编码流程如图2 - 5 所示。 妒一 ，脍j r l 田。 圈2 4小波系数树状结构 r r r r r j 输入圈像 叫小渡变换卜叫量化 编码卜一存储或传袖 1 _ j 【_ j 【j 【。j 【j 图2 - 5小波图像压缩编码流程 典型的小波系数编码方法是由s h a p i r o 提出的零树编码，或称嵌入式零树小 波编码( e z w ：e m b e d d e d z e r o l r e ew a v e l e t c o d i n g ) ，其基本思想是将小波交换系 数编码分解为对标志系数特性的重要性图的编码和对系数幅度的编码两部分，利 用不同分解层的小波系数间存在的较强的相关性，将多数的零系数组织成一种树 形结构，从而提高了总体编码效率。所谓系数重要性图是指，给定1 个小波系数 x 和1 个适当的阀值t ，如果l x l t ，则该系数是不重要的，即可将其看作零；否 则是重要的，即需要对其进行编码。通过对实际图像的小波分解发现，如果1 个 父系数是不重要的、那么其后代系数也可能是不重要的( 见图2 4 ) 。于是以该系 数为树根，可构成一棵零树。零树中所有后代系数的编码，都可以通过对树根的 第二章小波图像压缩技术的研究 编码得到。不属于任何零树的不重要系数，则是孤立的零系数。在编码过程中， 始终有2 个列表记录当前的状态。一个是主列表，用以按扫描顺序记录每个尚未 被确定为重要的系数坐标；另一个是副列表，记录所有已经确定为重要的系数幅 度，系数的重要性图编码流程和扫描顺序如图2 - 6 ，2 - 7 所示。 输入系数 孤立霉 零树根 立i 翌丑 刁 i7 二一 图2 - 6系数重要性圈编码流程图2 7扫描顺序 e z w 编码算法本质上是一种变换编码，其小波分解后信号的低频部分对应 于原信号的一个平滑版本，而高频部分对应于这两个信号的差别信息。一幅图像 经过若干级小波分解后，在不同子带的相同位置的变换系数应该是相关的，这种 相关性形成了零树结构。即一幅经过小波变换的图像按其频带从低到高形成一个 树状结构。树根是最低额子带的节点。它有3 个孩子，分别位于3 个次低子带的 相应位置，其余子带( 最高频子带除外) 的节点都有4 个孩子，位于高一级予带的 相应位置( 由于高频子带分辨率增加。所以一个低频子带结点对应4 个高频子带 节点1 。这样一个n 级小波分解就形成了深度为n + i 的树。如果在最低频子带的 节点上面再虚拟出一个根节点。就可以用一棵零树来描述一幅图像。 研究表明，在图像的低比特率编码中，用来表示非零系数位置的开销远远大 于用来表示非零系数数值的开销。零树结构正是一种描述图像经过小波变换后非 零系数位置的有效方法。在零树中共有4 种符号，零树根( z t r ) 、孤立零点6 z ) 、 正值( p o s ) 和负值( n e g ) 。其中z t r 表示自己的值为0 。并且其所有子孙的值也 均为0 ；i z 表示自己的值为0 ，但有非零的子孙结点；p o s 和n e g 分别表示自 藩 己的值为正的或负的：e z w 的编码思想是不断扫描变换后的小波系数，生成多 棵零树来对应图像编码。一棵零树的形成需要对图像进行两次扫描。在生成第一 棵零树时，首先找出变换后图像的最大绝对值系数之，则初始闽值为t = 2 。对图 像进行第一次扫描，把变换图像中绝对值小于阈值的系数都看作0 ，然后按前面 浙江大学硕士学位论文 的符号定义形成零树。在第二次扫描中，对那些绝对值大于阈值的重要节点( p o s 和n e g ) 按其绝对值是否超过闭值的1 5 倍附加一个比特l 或0 来描述其精度， 这样做的目的是减小非零节点系数值的变化范围，使其适应下一次阙值减半后的 比特附加。而后将阈值减半，再经两次扫描生成第二棵零树，在第一次扫描生成 零树时，以前已经大于阈值的结点不再考虑，而第二次扫描附加比特时则要考虑 以前数值较大的结点以保证精度。这个过程被称为连续近似量化( s u c c e s s i v e a p p r o x i m a t i o nq u a n t i z a t i o n ，s a q ) 。如此往复下去，不断生成零树，直至压缩文 件中的码流数据能够完全无损地还原出原图像为止。 e z w 是一种嵌入式编码。嵌入式编码从一幅空图像开始，按照被编码数据 的重要性程度依次将对象的低码率数据放入码流，得到逐步精确的图像，从而实 现了渐进的传输。在解码端可以根据需要通过随时停止解码来获得不同的压缩码 率和显示精度的图像。 2 3n 阶上下文自适应算术编码 假设事件集是 0 ，1 ，即只对2 值符号进行编码，初始化阶段可以预先设置 一个大概率和一个小概率q c ，然后对被编码比特流符号( 0 或1 ) 进行判断，以 m p s ( m o s tp r o b a b l es y m b 0 1 ) 表示大概率的符号，以l p s ( l e a s tp r o b a b l es y m b o l l 表示小概率的符号。每个符号对应一个概率，即m p s 对应只，l p s 对应q 。当 0 对应m p s ( p , ) 时，l 对应l p s ( q ) ：反之当i 对应m p s ( p 。) 时，0 对应l p s ( 2 ) 。 随着被编码符号串中0 ，1 的出现概率，上述对应关系可自适应改变。 设定l o w ，h i 曲分别对应符号到来之前的区问下界和上界。初始化时 l o w = o ，h i g h = 1( 2 5 ) 随着符号( o ，1 ) 的输入，l o w ，h i g h 按以下规律修正： 小概率符号l p s 到来时，l o w = l o w ，h i g h = l o w + ( h i g h - l o w ) xq( 2 6 ) 大概率符号m p s 到来时，l o 铲l o w q ，h i g b = l o w + o a i g h - l o w ) 只 ( 2 - 7 ) 算术编码1 4 1 2 ，4 4 45 1 的最终结果落在子区间【l o w ，h i g h 】内，在该区间的任何一个 数都可以作为编码结果。输入符号串中大概率的符号出现概率愈大，对应的子区 1 4 第二章小波图像压缩技术的研究 间愈宽，最终的码字越短；相反，输入符号串中小概率符号出现的概率增大，则 对应的子区间变窄，需要较长的码字表示。 解码是编码的逆过程。首先将区间 0 ，1 分割成两个子区间，见( 与l p s 对 应) 靠近0 侧，只( 与m p s 对应) 靠近l 侧。判断被解码的码字值落在哪个区间， 赋以对应符号。 设c 是被解码的值，按照式( 2 5 ) 初始化，接下来 当c 落在【o ，g h 1 0 w ) q 】之间，解码符号d = o ； c - - - - c ，h i g h = l o w + ( h i g h - l o w ) q( 2 - 8 ) 当c 落在【( h i g h - l o w ) q ，( h i g h - l o w ) 】之间，解码符号d = 1 ； c 2 c 一( h