（通信与信息系统专业论文）煤矿安全系统中面向传输的实时图像压缩算法研究.pdf

华尔师范人学硕上学位沧文搐要 摘要 煤矿安全监控系统中，井卜图像的实时传输有利于地面监控中心随时掌握井 下的生产状况，对于安全生产有着重要意义。利用监控系统中的井下无线网络传 输监控现场的图像，由于受到网络带宽的限制，因而对视频图像的乐缩提出了较 高的要求。 目前，许多实用的图像编码算法都是基于离散余弦变换f d i s c r e t ec o s i n e t r a n s f 0 咖，d c t ) 如静态图像的j p e g 算法。视频序列的压缩一般基于空间域的 运动估计和补偿、对预测误差进行离散余弦变换及量化，如m p e g 1 ，m p e g 2 等。但是基于d c t 的算法，在压缩比较高时，不可避免地产牛方块效应。 小波变换具有良好的空问一频率局域化等特性，适合描述非平稳的图像信 号，适应人的视觉系统特性，在视频编码领域受到越来越多的关注。 本文针对无线传输的低码率要求，对现有的静态图像压缩算法和视频序列压 缩算法进行分析、研究，并比较了各算法的性能。重点研究了基于小波域的视频 编码系统工作原理，对基于小波域的运动矢量估计和补偿算法进行j ，分析，并提 出了改进算法。 提出了一种基于小波域的运动检测方法。在小波分解的最高层低频子带中进 行运动检测，得到低频了带中的运动区域。在这个运动区域里进行运动矢量的搜 索。由 ：运动区域相对于整个低频子带较小，因此运动矢量的搜索速度大大提高。 此外，运动区域的划分对运动矢量的搜索也产生了一定的指导作用，避免搜索范 围过大，而引起运动矢量的失真。 最高层低频子带的运动矢量是其他各子带进行运动矢量搜索的基础矢量。冈 而，这个运动矢量的估计必须精确。本文提出的面向传输的视频压缩方案采用了 兼顾同级高频子带运动匹配的匹配准则，确保了最高层低频子带运动矢量搜索的 精确性。 此外，本文对运动估计与补偿的结果进行了分析。比较了对于小波分解后的 各高频子带进行补偿与否的压缩效果。 实验证明，本文提出的基于小波域的视频压缩方案在较高的压缩比下，可以 保证图像主观质量，满足无线窄带传输的要求。 关键词：煤矿监控，小波变换，视频压缩，图像，运动检测，运动估计与补偿 d s p ，窄带传输 华东帅范大学硕士学位论文 a b s 订a c t a b s t r a c t l nc o l l i e 科s e c u r i t ys y s t e m ，t 1 1 er e a l - t i m et m n s m i s s i o no fm o n i t o r i n gi m a g ei s v e r yi m p o r t a n tf o rm o n i t o rc e n t e rt og e tm es t a t u so fc o a lm i n ea ta n ym o m e n t ，a n d i t ss i g n m c a l l tf o rc o l l i e r ys e c u r i t y b e f o r ct r a n s m i s s i o no fm o n i t o r i n gi m a g eu s i n g t h ew i r e l e s sn e t w o r ko fc o n i c r ys e c u r i 够s y s t c m ，w em u s tc o m p r e s s 曲ei m a g ea s 鱼r a sp o s s 伽l ec o n s i d e r i t l gt l l eb a l l d w i d 廿lo f t h en e t w o r k a tp r e s e n t ，m o s tp r a c t i c a li m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t l l ma r eb a s e do nd i s c r e t e c o s i n e1 h n s f o m ( d c t ) ，s u c ha sj p e ga sf o rv i d e os e q u e n c e ，m o s tc o m p r e s s i o n a l g o r i t h ma r eb a s e do ns p a c i a lm o t i o ne s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o n ，t h e nm a k ed c t t 0c o m p e n s a t i o nd i 行e r c n c ea n dq u a n t i f y 山et r a l l s f o m lc o e m c i e m s ，s u c ha sm p e g l ， m p e g - 2 h o w e v e r ，a st h ec o m p r e s sr a t i oi n c r e a s e s ，b l o c ke f f 宅c tw i l la p p e a ro nt h e r e s u m e di m a g e w a v e l e tt r a n s f o r n lh a sg o o dc h a r a c t e r i s t i c st h a tc a n1 0 c a l j z es p a c ea n df k q u e n c y d o m a i n ，w h i c ha r es u i t a b l ef o rd e s c r i b i n gt h en o n - s t e a d yi m a g es i g n a l ，m e e tp e o p l e s s y s t e m a t i cc h a r a c t c r i s t i co fv i s i o n ，s oi tr e c e i v em o r ca n dm o r ec o n c e m si nt h en e i d o f v i d e oc o d e t h i sd j s s e n a t i q ni si nl i 曲to fl o wc o d em t er e q u i r e m e n ti nw i r e l e s st r a n s m i s s i o n ， t h e nr e s e a r c h e sa i l da n a l y s e st h ee x i s t i n gj o i n ti m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h ma 1 1 d v i d e os e q u e n c ec o m p r e s s i o na l g o r i t l l m ，a n dc o m p a r e st h ep e r f o n n a n c eo fe v e r y a l g o r i t h m t h i sd j s s e n a t i o ne m p h a s i so nt l ep r i n c i p l eo fv j d e oe n c o d es y s t e mb a s e d o nw a v e l e td o m a i n ，a n d a n a l y s e s m o t i o nv e c t o r se s t i m a t i o na n d c o m p e n s a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e td o m a i n ，a l s op r o p o s e sj m p r o v i n ga l g o t h m ，ak i n do f d e t e c t i o nm e t h o do fm o “o nb a s e do nw a v e l e td o m a i n m a k em o t i o nd e t e c t i o no nt o p l o wf k q u e n c yb a j l d 行o mw a v e l e td e c o m p o s i t i o na n dg e tt | l em o t i o na r e ao nl o w f b q u e n c yb a n d s e a r c hf o r 1 em o t i o nv e c t o ri n t h i sm o v e m e n t 盯e a b e c a u s e m o v e m e n ta r e ai ss m a l l e rr e l a t i v e l yt oe n t i r cl o wf k q u e n c yb a n d ，s p e e do fs e a r c h m o t i o nv e c t d r sr a i s eg r e a t l y i na d d i t i o n ，t h ed i v i s i o no f t | l em o t j o na r e ah a sp r o d u c e d c e r t a i ng u i d a n c ef u n c t i o nf o rs e a r c hf o rt h em o t i o nv e c t o lw h i c hn a r r o w sm es e a r c h a r e aa n dp r e v e n t sm o t i o nv e c t o rd i s t o r t i o n t h em o t i o nv e c t o ro nt h et o pi o wf k q u e n c yb a n di st h eb a s i cv e c t o rf o rs e a r c h f - o rm o t i o nv e c t o ro no t h e rb a n d s t h e r e f o r c t l l ee s t i m a t i o no ft h i sm o t i o nv e c t o rm u s t b ea c c u r a t e ，t h ep r o p o s a li nt 1 1 i sd i s s e r t a t j o na d o p t st h et n a t c hc r i t e r i o nc o n s j d e r i n g m o t i o nm a t c ho nh i 曲- f k q u e n c yb a n da tt h es a m el e v e l ，h a sg u a r a n t c e dt h ea c c u r a c y o fm o t i o nv e c t o r ss e a r c h e so nt o p1 0 wf 把q u e n c yb a n d i t 华东师范u 人学硕士学位论文 a b 啦r a c t i na d d i t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h er e s u l to fe s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o n t om o t i o n ，c o m p a r c st 1 1 ee 丘b c t so fe v e r yh i 曲f k q u e n c yb a n di nw a v e l e td o m a i n w h e t h e rc o m p e n s a t eo rn o t t h ee x p e r i m e n tp r o v e s ，m ev i d e oc o m p r e s s i o nm e t h o db a s e do nw a v e l e td o m a i n t h a tt h i sd i s s e n a t i o np u t sf o n a r d ，c a ng u a r a n t e et h es u b j e c t i v eq u a l i 时o ft | l ep i c t u r c ， a n dr e s p o n dt ot h er e q u e s tt l l a tt h ew i r e l e s sn a r r o w b a n dt r a n s m i s s i o nu n d e rh i 曲e r c o m d r e s s i o nr a t i o k e d w o r d ；c 0 1 l i e r ym o n i t o lw a v e l e tt r a n s f o r r n ，v i d e oc o m p r c s s i o n ，i m a g e m o t i o nd e t e c t i o n ，m o t i o ne s t i m a t i o na n dc o m p e n s a t i o n ，d s p ， n a r r o w b a n dt i - a n s m i s s i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：j 随 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名 日期：塑! 占 蔡饭 导：搬锄 日期：迦i ：曼： 华东师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 选题的背景及重要意义 随着国民经济的不断发展，我国对能源的需求也不断增大。近年来，煤炭行 业的复苏使我国煤炭开采在规模和产量上都逐年扩大，但是其安全生产的情况却 不容乐观。我国的煤炭工业长期走的是条以粗放外延式增长为特征，以高投入、 高消耗、高污染为代价的传统发展道路。与国外相比，我国煤矿安全生产现状还 存在非常大的差距。国外煤矿多数为露天煤矿，且国外采用大型自动化、机械化、 智能化成套机械设备，以及现代的高科技手段，将事故的发生率大大降低。我国 煤矿多为井下采掘，而且随着开采深度的不断增加，开采强度的不断增强，井f 情况变得更为复杂，一旦发生事故，救助工作也难以开展。 面对我国煤矿安全生产的严峻形势，用高新技术和先进适用技术改造传统产 业，增加科技含量，促进产品更新换代，提高产品质量和经济效益，是走新型煤 炭工业化道路的必然选择。 1 2 国内外煤矿监控系统的研究现状 我国矿井监控从安全监控起步，早期的系统是将瓦斯遥测仪地面接收机的信 号输入计算机，井下只有瓦斯传感器。经过多年的开发研究，目前己有2 0 多种 型号的系统通过了技术鉴定。配套的传感器也有数十种，包括瓦斯、风速、一氧 化碳、温度、烟雾等环境参数。 目前的煤矿监控系统多采用电缆进行数据传输。随着煤矿的不断掘进，必须 对原有的监控系统进行扩容和改造，铺设电缆和增设井下的监控终端，否则无法 监控新采捌的区域。 z i g b e e 3 5 】是一种近距离、低复杂度、低功耗，低数据速率，低成本的双向 无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌人 各种设备中，同时支持地理定位功能。i e e e 8 0 2 1 5 ，4 工作组定义了一种廉价的供 固定、便携式移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。 z ；g b e e 联盟在制定z i g b e e 标准时，采用了i e e e 8 0 2 15 4 作为其物理层和媒体接 入层。 低速无线个人局域网( l o wr a t ew j r e l e s sp e r s o n a ia r e an e t w o r k ，l r w p a n ) 华东师范大学硕十学位论文 是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络。它使得在低哉耗和低吞吐量的应用 环境中使用无线连接成为一种可能。与无线局域网( w i r e l e s sl 0 c a la r e an e 帆f k w l a n l 相比，l r w p a n 网络只需很少的设备。i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的 l r - w p a n 网络具有如下特点： ( 1 ) 在不同的载波频率下实现了2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 三种不同的传输速 率。 ( 2 ) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构。 ( 3 ) 有1 6 位和6 4 位两种地址格式，其中6 4 位地址是全球惟一的扩展地址。 ( 4 ) 支持避免冲突的载波多路侦听技术( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw j 曲 c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 。 ( 5 ) 支持确认( a c k ) 机制，保证传输可靠性。 z i g b e e 包括用于低速无线个人局域网( l r _ w p a n ) 的物理层和媒体接入控制 层两个规范。它能支持消耗功率少，一般在个人活动空间( 1 0 m 直径或更小) 工 作的简单器件。z i g b e e 支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过1 0 m 时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。l r w p a n 中的器 件既可以使用6 4 位i e e e 地址，也可以使用在关联过程中指配的1 6 位短地址。 一个z i r b e e 网可以容纳最多2 1 6 个器件。 在上海市重大科技攻关资助项目煤矿安全实时监测系统研究与应用 ( 批准号：0 3 2 5 1 2 0 7 5 ) 中，我们提出了一种在井下利用无线方式传输数据的方 案 1 0 】，【1 1 。井下的每个监控终端都带有z 培b e e 模块，这些终端可以通过z i g b e e 模块建立路由，实现自组网，并将采集到的现场数据传送到地面监控中心。这种 无线白组网方案，与传统的电缆传输相比，具有结构灵活，安装方便等优点。煤 矿开采过程中，如果要实现对新采掘的区域进行监控，只需要增设监控终端，不 必再铺设新的电缆。因而本方案提高了适用性，大大节省了铺设电缆所需的人力 物力，体现了经济性。 1 3 图像及视频压缩标准简介 图像通信是现代通信的重要部分，图像包括静止图像和视频图像。视频图像 可以看成是由许多静止图像组成的序列。图像压缩编码的原理是尽量去除图像数 据的冗余，这些冗余可以分为如下几类： 空间冗余( s p a t i a lr e d u n d a n c y ) ：一幅图像中，相邻像素之间有很大的相似性， 称为空间冗余。 时间冗余( t c m p o r a ir e d u n d a n c y ) ：序列图像中相邻帧之间有很强的相关性， 华东师范大学硕士学位论文 这反映为时间冗余。 信息熵冗余：信息熵是指数据所携带的信息量，高于信息熵的数据量是信息 熵冗余。 视觉冗余：人类的视觉系统对于图像场的注意是非均匀、非线性的。相刑丁 高频成分和色度信息而言，人眼对低频成分和亮度信息更加敏感。 其他冗余：如结构冗余、知识冗余等。 2 0 世纪8 0 年代后期以来，l t u ( 国际电信联盟) 和i s o ，i e c ( 国际标准化 组织) 等几大标准化组织共同研究，先后制定了一系列静止和视频图像编码的国 际标准【1 1 。 1 9 8 6 年，i t u 的前身c c i t t ( 国际电报电话咨询委员会) 和i s o 共同成立 _ 一个联合罔像专家组( j o i n tp i c t u r ee x p e n sg r o u p ，j p e g ) ，制定用于连续色调静 止图像压缩编码的国际标准，并于1 9 9 1 年通过了这项标准j p e g 。 1 9 9 6 年，j p e g 委员会的专家们开始致力于新一代的静止图像压缩编码国际 标准的研究与测试。2 0 0 0 年，j p e g 委员会公布了以小波变换为基本算法，采用 r 嵌入式编码技术的国际标准j p e g2 0 0 0 。与j p e g 相比，j p e g2 0 0 0 在达到更 高图像质量和压缩效率的同时，还能满足移动和网络环境f 对互操作性和可分级 性的要求。 在数字视频压缩编码方面，1 9 9 0 年颁布了用于视听业务( a u d i o v j s u a ls e r v i c e ) 的码率为p 6 4 k b s ( p = i 3 ) 的视频编码国际标准，即h 2 6 1 建议。随后，t t u t 针列不同的电信通信网络对实时视频通信系统的需要，先后完成了h 2 6 x 系列 中多个视频编码标准，其中包括h 2 6 l ，h 2 6 2 ，h 2 6 3 ，h 2 6 3 + ，h 2 6 3 + + ，h 2 6 4 。 在h 2 6 l 制定的同时，【s 0 i e c 联合技术委员会下属分委英会( s c 2 9 ) 于1 9 8 8 年成立了运动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg m u p ，m p e g ) 。该委员会旨在 指定针对多媒体信息存储、视频广播、视频流媒体等多种应用系统的音视频多媒 体压缩编码标准。先后通过了m p e g 系列的多个音视频压缩编码标准，包括 m p e g 1 ，m p e g 一2 ，m p e g 4 ，以及后来关于多媒体信息系统框架的标准m e p g 一7 和m p e g 2 l 。 1 4 本文的研究目的及主要内容 在煤矿安全监控系统中，为了随时掌握井下的安全状况，实现实时监控，必 须将现场采集的图像信号及时上传到井端服务器，并由井端服务器上传至地面监 控中心。由于摄像头采集到的醚像数据较大，且受到监控网络带宽的限制，直接 卜传图像必将耗费大量时间，无法体现实时性。这就要求必须在卜传图像之前对 华东师范大学硕士学位论文 采集到的图像进行压缩，以适应井下无线网络的传输带宽。 本文研究的课题是上海市重大科技攻关资助项目煤矿安全实时监测系 统研究与应用( 批准号：0 3 2 5 1 2 0 7 5 ) 中的一部分。目前煤矿安全实时监测系 统研究与应用已经结题，并且通过箍定。本文是存该项目的基础上，为进一步 实现在井下的无线窄带网络上传输实时崎控图像，而展开的研究。 混合编码方法是最重要的一类序列【到像编码方法。在混合编码中，将序列图 像或视频图像的每一帧均看成+ 个单独的静态图像。这些帧分为两类：一类进行 帧内编码，即采用静态图像的压缩编码算法进行压缩。另一类帧进行帧间编码， 利用序列图像的相邻帧存在的相关性，将当前帧的前一帧或前面某一帧作为参考 帧，进行运动估计，得到当前帧的运动矢量，实现帧间编码。 相应地，本文的研究内容也分为两大部分：首先，通过在p c 平台上对现有 的几种静态图像压缩算法进行比较分析，根据煤矿监控系统中无线网络的传输要 求，最终选定合适的静态图像压缩算法，实现帧内编码；其次，对图像序列压缩 算法进行研究，提出了一种基于小波域的运动区域检测算法，对原有的多分辨率 运动估计( m u l t i - r e s o l u t i o nm o t i o ne s t i m a l i o n ，m r m e ) 算法进行优化，实现帧问编 码。本文的研究为最终在d s p 上实现图像的压缩处理和煤矿安全系统中图像序 列的实时传输提供了设计依据。 本文的内容安排如下： 第一。章引言 针对煤矿实时监控的必要性，分析了国内外煤矿监控系统的现状。简单 介绍了图像压缩算法的发展，视频编码技术的发展、应用，视频编码的国际 标准。最后引出本文的研究目标及内容安排。 第二章静态图像压缩编码 分析煤矿安全监控系统中图像的特点，对现有的静态图像压缩算法进行 分析研究，特别是j p e g 压缩算法的实现和面向小波变换域的压缩编码算法 研究，在此基础上确定适于煤矿监控系统无线传输的静态图像压缩算法，即 实现帧内编码。 第三章视频压缩的原理与方法 介绍了视频压缩编码的基本原理和方法，详细论述了视频编码中所使用 的一些关键技术，另外，对适用于不同场合的编码技术进行了简单介绍。 第四章煤矿安全系统中视频压缩算法的研究 分析现有的视频压缩原理与方法，结合静态图像压缩编码的分析结果， 提出一种基于小波域低频予带的运动区域检测方法。将运动区域从背景中提 取出来，对运动区域中的像素进行运动估计。并对现有的m r m e 算法进行 华东师范大学硕十学位论文 优化，为实现算法的d s p 移植建立基础。 第五章试验结果与分析 在p c 机上用m a t l a b 甲台验证运动区域估计方法的可行性与正确性。 比较几种压缩算法的性能。针对低码率传输的要求，对不同的运动估计方法 进行了实验分析，总结得出适于低码率传输的运动估计方法。 第六章总结与展望 对本文内容、算法仿真和结果进行总结，提出不足z 处和值得改进的方 面，为进一步的算法研究及实现提供参考。 华东师范大学硕士学位论文第二幸静鑫固像压缩编码 第二章静态图像压缩编码 静态图像，是相对于运动图像而言，指观察到的图像内容和状态是不变的。 从编码的角度看，静态图像是指不考虑各图像帧之间存在相关性的，一幅幅独立 的图像。 2 1 图像压缩编码系统 图像数据中存在大量的冗余。通过去除冗余数据，可以使原始的图像数据大 大地减少，从而解决图像数据量巨大的问题。 在图像中，相邻的像素之间存在的关联，产生大量的空间冗余。彩色元素之 间存在的关联，产生大量的频谱冗余。这两类冗余统称为统计冗余【2 】。另外， 由于人类的视觉系统本身的特点，图像中存在大量的心理视觉冗余。 图像编码压缩技术就是研究如伺利用图像数据的冗余性，达到减少图像数据 量的方法。因此，研究图像压缩编码，首先要研究图像数据的冗余性。冗余量越 大，图像数据的可压缩程度就越高。 2 1 1 图像数据冗余的种类 图像数据的冗余有很多，以下列举一些常见的数据冗余情况 3 】 r 1 1 空间冗余 这是静态图像中存在的最主要的一种数据冗余。在图像中，同一景物表面上 的各个采样点的颜色，往往存在空问的连贯性。但是，数字化图像表示物体颜色 的方式，一般是基丁离散的像素采样，没有利用到颜色的空间连贯性。例如，在 静态图像表面颜色均匀的区域中，所有像素点的亮度和色度( 包括色调和饱和度) 都是相同的，数据有很大的空问冗余。 陀1 知识冗余 对于一些常规图像中所包含的物体，可以根据已有的知识，构造基本模型， 并创建对应着各种特征的图像库。存储图像时，只需要保存图像的一些特征参数 即可，从而大大地减少数据量。 这类规律性的结构，可以先验知识和背景知识得到。例如，人脸图像中的 固定结构包括：嘴的上方有鼻子，鼻子的上方有眼睛，鼻子位于正脸图像的中线 位置上，等等。知识冗余是“模型编码”利用的主要特征。 f 3 1 心理视觉冗余 华东师范大学硕士学位论文第二章静态固啦压缩编码 人类本身的视觉系统对图像的敏感性是非均匀和非线性的。通过对人类的视 觉系统进行的大量实验，发现了许多视觉的非均匀特征。 例如，视觉系统对图像的亮度和色度的敏感程度丰日差很大。人眼对彩色细节 的分辨率比对亮度细节的分辨率要差，因而色度允许的误差可以大于亮度所允许 的误差。此外，随着亮度的增加，视觉系统对误差的敏感性降低。因而在高亮度 区域，压缩比例可以提高一些。又如，视觉系统把图像的边缘和非边缘区域分开 处理，利用可见度阈值和边缘的掩盖效应，可以对边缘区域和非边缘区域分别进 行编码。 而一般在数字化原始图像数据时，通常没有区别对待视觉系统的敏感部分和 非敏感部分，从而产生了心理视觉冗余。 除了上述的网像数据冗余之外，还有由于图像纹理区的像素值存在着明显的 分布模式，从而产生的“结构冗余”。由于图像中两个或多个区域所对应的所有 像素值相同或相近，从而产生数据重复性存储的“图像区域相似性冗余”。由于 图像的纹理在统计意义上服从某一分布规律，从而产生的“纹理的统计冗余”等。 正凶为数字图像中存在的这些数据冗余，使得我们根据不同的应用需求，可 以采用相应的匝缩算法对图像进行压缩，减少数据冗余，方便数字图像的传输和 存储。 2 1 2 图像压缩系统的组成 通常，一个典型的图像压缩编码系统由变换器、量化器、编码器以及它们的 逆过程组成，如图2 1 所示。这些部分并不都是必须的，它们之问的各种组合可 以构成各种图像压缩系统。 变换编码是一种“经典的”数据压缩方法，其基本概念是：将空间域里描述 的图像经过某种变换( 常用的是二维正交变换，如傅立叶变换、离散余弦变换、 小波变换等) ，在变换域中进行描述，达到改变能量分布的目的。将图像能量在 窄问域的分散分布变为在变换域的能量相对集中的分布。 以r 分别介绍基于离散余弦变换的j p e g 压缩编码和基于离散小波变换 f d j s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o m l ，d w t ) 的静态图像压缩编码方法。 华东师范大学硕十学位论文 摹二章昔矗园像盈缩名码 输入罔像 重构图像 图像压缩过程 * 1 锄嚣i 0 “| - 1 黠卜_ 1 【_ _ i j 图像解压缩过程 j 血r e r 辩t s f o m ，jd 朗u 珊) t j z a t j 。nd e d el 1 逆变换r衰量化r解码 f 图2 一l 典型的图像压缩编码系统 f i g u r e2 - 1t y p i c a ii m a g cc o m p r e s s i o ns y s t e m s 2 2 基于d c t 交换的j p e g 压缩编码 = 进制比特流 j p e g 是第一个被广泛接受的灰度和彩色静止图像压缩标准，其中的核心算 法是d c t 编码。使用者能够根据需要调整压缩参数，以尽量减少图像质量的降 低而使压缩比增大。该算法具有适巾的计算复杂度，因而可以用软件实现，也可 以用硬件实现。以下简单介绍j p e g 的算法实现 3 0 。 2 2 1 正向离散余弦变换 在编码器的输入端，原始图像被分成8 8 的小块，对它们进行正向离散余 弦变换，得到8 8 的d c t 系数块。d c t 系数块的左上角元素，表示直流( d c ) 分量，它的系数比其余6 3 个表示交流( a c ) 分量的系数大很多。直流系数表示了 8 8 输入矩阵全部值的平均数。交流系数的值随着它与直流系数的距离的逐渐 增加而越来越小。d c t 将8 8 图像块变换到频率域时，数值集中在左上角( d c t 变换实际上是空间域的低通滤波器) 。由于该低频分量包含了图像的主要信息( 如 亮度) ，而高频与之相比就不那么重要了，所以我们可以忽略高频分量，从而达 到压缩的目的。这样就减少了数据量。 2 2 2 量化 8 8 图像块通过d c t 变换后，利用量化表中对应的值( 量化步长) 进行均 匀量化( 线性量化) 。量化过程就是每个d c t 系数除以各自的量化步长并取整， 得到量化系数： 华东师范大学硕士学位论文第二幸静_ 蠡固很压缩蠕码 盹萨胛 篱+ o s p ， f o ( “，v ) 为量化后的系数，s ( u ，v ) 是量化表中的元素，是控制j p e g 压缩比的 关键。根据人眼的视觉特性，对色度和亮度采用不同的量化表，且对低频系数采 用小的量化步长，对高频系数采用大的量化步长。这样就达到了保持低频分量、 抑制高频分量的目的。 2 2 3z i g z a g 扫描 经量化后的d c t 系数构成一个稀疏矩阵，除了左上角的直流系数d c 外， 其它交流系数a c 只有少数不为零。为便于编码，j p e g 从左上角开始按z i g z a g 扫描方式将二维量化系数阵列转换为一个一维数组，使之能按能量递减的方式排 序。经过z i 哥z a g 扫描的一维数组，除前几个元素非零外，其它大部分元素为零。 个数较多的连零元素，为后面的游程编码或哈夫曼编码打下了很好的基础。图 2 2 是z i g z a g 扫描顺序的示意图。 图2 - 2 d c t 系数的z i g - z a g 扫描 f i g u r c2 2i l l u s t r a t i o no f z j g - z a gs c a nt od c t c o e m c i e n t 2 2 4 游程编码 经过d c t 变换后，其中的直流系数d c ，反映了8 8 子块内6 4 个像素均 值的度量，包含了整个图像总能量的重要部分，因此要单独进行编码。由于相邻 的两个块之间的d c 系数通常具有很强的相关性，因此对d c 系数使用一维前值 预测。即用前一个块的d c 系数预测当前块的d c 系数，然后将预测误差进行熵 编码，从而提高压缩比。 8 8 子块的其他6 3 个元素是交流系数a c ，采用游程编码。在用游程编码 中，连续重复的字符串被两字节代替。第一个字节包含的数字表示字符重复的次 数，第二个字节为非零系数的实际值。 华东师范大学硕士学位论文 摹二幸繁态园证压缩叠码 2 2 5 熵编码 经过z i g - z a g 扫描，将二维量化矩阵转换成了一维数组。对一维数组的熵编 码分成两步进行：第一步，首先将系数转换成一个中间格式的符号序列；第二步， 给这些符号赋以变长码字。 一、熵编码的中间格式符号表示 对差分的直流系数d c 用两个符号进行编码，符号l 和符号2 。符号1 表示 的信息称为“长度”，即对直流系数d c 的幅度进行编码所用的位数。符号2 表 示d c 系数的幅度( 自然二迸制码表示) 。 交流系数a c 的中间格式由两个符号纽成：符号l 和符号2 ，他们的含义如 下：符号1 代表零游程尺寸，用n n n n s s s s 表示；m 心n 即“零游程”，表示 z i g - z a g 扫描时所遇到的前后两个非零a c 系数之间连续零的个数，“尺寸”s s s s 是表示后一个非零a c 系数的幅值所需要的位数。m i n n s s s s 以一个字节表示， 高四位表示零游程参数，低四位表示幅值尺寸参数。若最后一个h 小仆n s s s s 中只有零游程r z r l ) 时，则直接传块结束码字“e o b ”( e n do f b l o c i 【) 结束本块。 符号2 代表幅值的二进制编码，用“尾码”表示。 二、熵编码 对d c 系数的符号1 用h u 仟h l a n 表中的可变长度代码进行编码，符号2 用可 变长度整数代码进行编码，若为负值，则采用二进制的补码形式。 熵编码的下一步是将a c 系数表示成符号l 和符号2 对的序列，零行程长度 超过1 5 时，用高4 位为1 5 ，低4 位为o 来表示行程等于1 6 ，即扩展的符号1 ： ( 15 ，0 ) 来扩充。块结束( e o b ) 标记用( o ，o ) 表示，可变长度熵编码就是对这种符号 对序列的统计编码。 对a c 系数中的符号1 ，即组合“前缀码” 小胁i s s s s ，用二维h u f r m 柚 编码。j p e g 提供了一个码表，可赢接根据n 1 仆j n s s s s 的组合形式在表中查出 其码字。对于符号2 的尾码，可直接写出其二进制编码，当尾码大于等于o 时， 用其原码，反之用反码。 2 3 面向小波域的图像压缩编码 小波变换( w a v e l e t1 h n s f o r m ，w t ) 是傅立叶变换( f o u r i e rt r 锄s f o 啪，f t ) 、 g a b o r 变换和短时傅立叶变换等在数学上的一个自然延伸【4 】，由于具有良好的空 间一频率局部化等特性，小波变换在信号处理中非常适合于非平稳信号的分析 华东师范大学硕士学位论文第二幸静态园像压缩墙码 5 。因此，随着小波理论研究的不断深入，基于小波变换的图像和视频压缩应 用的研究也取得了许多成果，其中部分算法己经融入在j p e g2 0 0 0 压缩标准中。 与傅立叶变换等变换相比，小波变换是时间( 空间) 和频率的局部变换，能 有效地从信号中提取局部信息。通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化， 达到高频处作细致观察，低频处作粗略观察的目的。 2 3 1 小波变换 小波( w a v e l e t ) ，即小区域的波。图2 3 示出了一种波和小波。 ( a ) 波( b ) 小波 图2 3 波和小波 f i g u r e2 3w a v ea n dw a v e l e t 将任意l 2 ( 购空间中的函数f m 在小波基下进行展开，称这静展开为函数取t ) 的连续小波变换( c o n t i n u ew a v e l e tt r a n s f o n n ，c w d 。 函数在小波基f 展开相当于将一个时间函数投影到二维的时间一尺度相平 面上。由于小波基本身所具有的特点，将函数投影到小波变换域后，有利于提取 函数的某些本质特征 3 l 】。 与正交的傅立叶基不同，尺度和位移均连续变化的连续小波基函数形成的是 一组非正交的过渡完全基。这意味着c w t 系数具有很大的冗余量，可以利用这 种冗余性实现去嗓和数据恢复的目的。 在有限区间内定义的函数或离散情况时的有限长序列，必须通过延拓方式才 可以利用小波变换进行分析。在某些特定的场合，需要一些特殊的小波，如曲线 和表面上的小波、加权小波和非规则采样的小波，显然这些小波不可能通过平移 和伸缩来形成。放弃用伟缩、平移一个母函数构成小波基，也就可以不采用傅立 叶变换作为主要分析工具，在这样的前提下，出现了应用范围更“、计算速度更 快的新一类小波变换，提升( i i r i n 曲小波变换方法就是这样类毅的小波变抉1 具。 华东师范大学硕士学位论文苇二章昔态国f i 压缩矗码 提升方案具有以下几个特点：第一，可以更快速的实现小波变换。传统的快 速小波变换是通过双子带变换方案来计算的。信号首先被分裂成高通和低通部分 并进行亚采样，接着对低通信号重复上一个步骤并循环操作。而提升方案充分利 用了高通滤波器和低通滤波器之问的相似性来加速计算。在某些情况下，可以将 运算操作的数日减少二分之一：第二，允许完全的空间计算小波变换。也就是， 原始信号( 图像) 的值由小波变换后的值直接代替而无需附加存储器。第三，在 传统情况下，并不能从小波反变换的形式上直接看出它是前向变换的逆，只有通 过傅立叶变换才能证明它的完全重建性质。而提升方案不是以傅立叶变换为基 础，只要进行与前向变换相反的操作就可立即得到小波的反变换形式。在实际操 作上，就是简单的倒转操作的顺序并把每个“+ ”号变成“一”号或是相反。既 然提升方案不以傅立叶变换为基础，它可以构建一种小波，而不需要进行平移和 伸缩，也就不需要傅立叶变换。我们称这种小波为第二代小波。 提升过程分为三步：分裂、预测和更新。给定数据集a o ，通过一个提升过程 将它分解成数据集a l 、c 】，使得a t 、c 是a 。的更紧致的表示，通过一级完整的提升 过程( 三步) ，得到尺度系数a ，和小波系数c 1 。 第一步分裂过程，将a o 分解成两个集合a ，、c ，。分解方法有很多种，例如将 奇数点集合定义为a i 而将偶数点集合定义为c 1 ( 这称为惰性小波变换，l a z y 、a v e i e t ) ；或相邻两数之和分给a 1 ，榍邻两数之差分给c 1 ( h a r r 小波) 。分裂方式 的不同，也就相当于采用不同小波基。 第二步预测。主要是消除第一步分裂后留下的冗余，给出更紧致的数据表示， 预测的目的是用a l 预测c l ，预测误差形成新的c 1 ，即： c j ：= c l 一尸( d 1 ) ( 2 1 ) 其中p 是预测算子。“：= ”表示对变尊更新。 这个分解过程可以进一步进行下去，将a 1 分解为a 2 、c 2 ，这个过程一直进行 下去i 直到指定的n 级分解，形成系数集 如，c 。，c l ，。 第三步更新。实际上，由于预测般不能保持原始a 0 中的某些整体性质，如 图像处理中要求子图像a 1 保持原有阁像的亮度，即像素平均值不变。但分裂与预 测继续到a 。仅含一个像素时，它是原图像中的任意像素值，而不是总体平均值， 故须更新。更新的目的是使某一全局性质得以保障。定义一个标量运算器q ( a i ) ， 由它计算一个序列的某个全局量。在当前级，更新过程要求： q ( 口1 ) = q ( d 。)( 2 2 ) 为了使正、反变换一致，定义一个算子u ，使得由u ( c 1 ) 对a l 进行更新后，保 持式佗2 ) 成立，更新过程写为： 华东师范大学硕士学位论文第二章静矗国像压缩稿码 口1 ：= 口l 一( ，( c 1 ) r 2 3 1 如上所述，每一级提升由三个步骤组成，给出j 的取值为l n ，每级分解 过程( 正变换) 表示为： 扛川，c 川j ：= # 打( d 川 c 川：= c 川一尸( 玎川) ( 2 _ 4 ) “川；。川+ u ( c 川) j 重建过程( 逆变换) 为： a ，川：= 口，+ l u ( c j + 1 ) c “：= c j + l + 尸( i ) 口，：= 而加扛川，c 川j 提升过程的正逆变换由图2 4 所示： c j 十