《大幅面彩色视频影像嵌入式压缩方法》征求意见稿

ICS31.260TN223吉DB22Large-formatcolorvideoimageembeddedcompressionm（本稿完成日期：）吉林省工业和信息化厅发布言前言本标准按照GB/T1.1-2020给出的规则起草本标准由吉林省市场监督管理厅归口；本标准起草单位：长光卫星技术有限公司；本标准主要起草人：任迎于树海刘云贺邢民强视频卫星由于能够有效采集动态遥感数据，且在智慧交通、灾害检测等方面具有重大应用潜力，近年来受到遥感领域的广泛关注。由于具有极大空间分辨率和时间分辨率的大幅面彩色视频数据，获取速度远高于星地间实时传输带宽，阻碍了高码率视频数据的实时下传，制约了视频卫星的实时应用。但是视频卫星数据中存在大量的数据冗余，如能有效去除视频卫星的数据冗余，降低向地面数传的数据量，将有效提升视频卫星的数据利用率。1DBXX/XXXXX—XXXX大幅面彩色视频影像嵌入式压缩方法本标准规定了内大幅面彩色视频影像嵌入式压缩方法。本标准适用于内大幅面彩色视频影像嵌入式压缩方法。2规范性引用文件下列文件中的有关条款通过引用而成为本标准的条款。凡是注明日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注明日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T38199-2019陆地观测卫星光学影像压缩质量评价方法3术语、定义和符号GB/T38199-2019确立的以及下列术语和定义适用于本标准。3.1量化值量化值（量化节距）取得太大，视频图像显得粗糙；取得太小，视频图像质量好，但带宽浪费过大。一般认为，每个取样值采用8个比特表示，即256个灰度级，是比较合理的。3.2压缩比通过编码器压缩后的图象数字大小和原图象数字大小的压缩比。3.3主观评价通过人眼的观测，由人的主观感觉对影像质量做出评价。3.4客观评价使用客观、量化的指标评价影像质量。4大幅面彩色视频影像嵌入式压缩的要求4.1通用要求a)必须压缩在一定的带宽内，即图像编码器应具有足够的压缩倍数，本方法中：有损压缩时，压缩倍数在2~100内可配；无损压缩时，压缩倍数在1.5~2之间；b)满足一定的压缩速度，本方法中有损压缩速度大于260pixel/s，无损压缩速度大于108pixel/s；c)视频信号压缩之后，应保持一定的视频质量。这个视频质量有两个标准：一个为主观质量，由人从视觉上进行评定；一个为客观质量，通常用峰值信噪比（PSNR）表示。4.2特殊要求2DBXX/XXXXX—XXXXa)谱段分离、画幅分片后，地面解压缩时不损失拼接区域。b)便于嵌入式芯片的在轨实现。c)便于地面快速解压缩。4.3文档要求压缩开始前，应编制定标的实验大纲、测试细则、质量控制大纲等文件。测试完成后，应编制定标实验报告。4.4质量分析对压缩后的图像质量估计大体上可分为主观视频质量评定和客观视频质量评定两种估计方法。5大幅面彩色视频影像嵌入式压缩方法大幅面彩色视频影像嵌入式压缩系统主要由数据缓存与调度模块、通信控制单元、SSD存储单元、嵌入式压缩单元、数传组帧模块、数传帧发送模块等组成，其原理图如图1所示。系统采用视频相机采集大幅面彩色视频图像数据，通过高速传输接口（比如2711）接收大幅面彩色视频图像数据，将大幅面彩色视频图像数据存储至SSD存储单元。压缩过程时，数据缓存与调度模块读取SSD存储单元中的大幅面彩色视频图像数据，传输给嵌入式压缩单元进行谱段分离、瓦片子块分割后，采用JPEG2000算法进行压缩，然后将压缩好的数据进行组帧，并传输至数据传输系统。图1系统框图3DBXX/XXXXX—XXXX图2压缩方法组成框图上述的大幅面彩色视频影像嵌入式压缩方法的具体实现为：（1）读取SSD存储单元中的大幅面彩色视频图像数据，进行谱段分离，根据Bayer彩色图像传感器的像素排布，对于每个传感器读出通道，像素均为逐行读出，不区分谱段类型，RGGB四个子谱段按照Bayer排布顺序夹杂读出，将大幅面彩色视频图像数据按照子谱段分为4个子谱段单色图像。如图3所示，根据Bayer彩色图像传感器的像素排布(一般为RGGB或者GBRG)，对于每个传感器读出通道，像素均为逐行读出，不区分谱段类型，RG1G2B四个子谱段按照实际Bayer排布顺序夹杂读出，如图4所示，原始输出的数据不能直接采用JEPG2000算法进行压缩，需将大幅面彩色视频图像按照子谱段分为4个子谱段单色图像，分离方式与传感器自身的Bayer类型有关，以RG1G2BBayer为例，通过下式表示谱段分离过程：G1i,j=A2i−1,2jG2i,j=AG1i,j=A2i−1,2jG2i,j=A2i−1,2j(1)Bi,j=A2i,2j)其中，i为行序号，j为列序号；A为输出的原始像素矩阵，R为红色子谱像素矩阵，G1为第一绿色子谱像素矩阵，G2为第二绿色子谱矩阵，B为蓝色子谱像素矩阵；4DBXX/XXXXX—XXXX图3Bayer彩色谱段分离示意图（2）由于大幅面彩色视频相机幅面高达12000×5000，即使进行了谱段分离后，每个谱段单色图像的幅面也高达6000×2500，超过了嵌入式压缩芯片进行有损压缩的幅面大小限制；对每个子谱图像画幅进行瓦片分割，对谱段分离完的图像进行瓦片子块分割，瓦片大小不超过压缩子块限制，瓦片边缘保证具备一定宽度的搭接区，用于避免直接将压缩子块图像的边缘效应直接引入解压缩拼接后的图像中，行列方向搭接区域大小上均不小于5像素，不超过瓦片行/列数的5通过下式表示瓦片分割过程：Px=M−XoveTlapPy=N−YoveTlapsm,n=wPxm−1)+1:Pxm−1)+M,Pyn−1)+1:PyPx=M−XoveTlapPy=N−YoveTlap(2)其中，Sm,n为位于m行n列的W子谱瓦片像素矩阵；M为子谱内瓦片总行数，N为子谱瓦片总列数，Xoverlap瓦片搭接行数，Yoverlap为瓦片搭接列数；步骤3.3：选取满足嵌入式芯片内存对压缩瓦片大小的约束下的最大值，并传输至嵌入式芯片中进行压缩。根据瓦片搭接行数和列数，确定像素行和像素列的瓦片大小，通过下式表示行列方向上分割的瓦片个数：Nx=∅(Nx=∅(X)Ny=∅(M)其中，∅∗表示向上取整的最小整数运算，M为像素行的瓦片大小，N为像素列瓦片大小。所述压缩子块限制为无损压缩下单方向不超过4096像素、总画幅不超过256K像素，有损压缩下单方向不超过2048像素、总画幅不超过1M像素。瓦片大小选取满足嵌入式压缩芯片内存对压缩瓦片大小的约束下的最大值。对于12000×5000画幅谱段分布为RGGB的视频影像，根据公式(2)和公式(3)，设置M为512、N为2048、Xoverlap为15、Yoverlap为72时，四个字谱段瓦片分割示意图4如所示。5DBXX/XXXXX—XXXX图4四个子谱段瓦片分割示意图（3）如图4所示，将各子谱分割得到的瓦片子块按照谱段及位置编号，依次送入多路嵌入式芯片或者线程，每一路负责一个子谱压缩，将各子谱图像按照编号顺序送入对应的压缩芯片中，将压缩数据流按照瓦片子块编号进行压缩数据帧组织。将数据帧组织存入数据传输系统，数据传输系统通过星地通信链路传输给地面系统，通过解压缩服务器进行解压，对解压后的数据极性瓦片组合和Bayer插值重组视频影像。以吉林一号视频卫星为案例进行实施过程说明：谱段分离：根据Bayer彩色图像传感器的像素排布(RGGB)，将12000×5000的全画幅按照子谱段分为4组6000×2500像素子谱图像；瓦块分割：由于ADV212有损压缩最大可容许1M像素的压缩子块，且行列最大值不能超过2048像素，压缩子块越大，压缩效果越好，由于子谱图像为6000×2500像素，约15M像素，至少需要分15块，根据瓦片最大原则，所以选择3×5瓦片分割方式，形成15个1M像素的压缩子块，每个压缩子块为2048×512像素，实现列间72像素搭接，行间15像素搭接。瓦片子块缓存与压缩调度：四个子谱一共分割得到60个1M像素的瓦片子块，按照谱段及位置关系编号形成瓦片编号，依次送入ADV212压缩，将压缩数据与其对应的帧号、瓦片编号进行组帧，存储及下传。地面收到压缩图像文件后，先按照帧编号及帧内瓦片编号，进行压缩包谱段分离，得到各个子块编号的压缩数据包，然后进行解压缩后得到子块图像，根据瓦片编号的排布顺序，将解压后的图像进行复原，并按照搭接区中线切割，丢弃搭接区冗余边缘，得到全画幅12000×5000像素视频单帧影像，多帧影像序列按照时间先后顺序组帧成为视频影像。6大画幅彩色视频卫星图像质量分析6DBXX/XXXXX—XXXX本标准采用GB/T38199-2019给出质量评价方法，该评价方法包括主观评价、客观评价和综合结果由主观评价和客观评价的评价结果按照计算出的分值相加而得。具体计分方法如下表。评价方法计分准则分值主观评价影像纹理细节模糊，平坦区域大面积抹平，地物发生明显扭曲，多波段配准重影严重，影像几乎没有应用效果0影像纹理细节模糊，线性地物发生一定扭曲，多波段配准有重影现象，影像应用效果受到较大影像1影像纹理细节可见模糊，线性地物发生小频率扭曲，多波段配准少见重影现象，影像应用效果受到一定影响2影像纹理细节只在平坦区域隐约可见模糊，细小线性地物极少发生小幅度扭曲，多波段配准难现重影现象，影像应用效果所受影响忽略不计3影像变化难以察觉，应用不受影响4客观评价分块标准差解压恢复影像与原始影像相比，分块标准差比值大于或者等于80%2解压恢复影像与原始影像相比，分块标准差比值小于80%0灰度差值均值差值影像灰度均值小于0.42差值影像灰度均值大于或者等于0.40峰值信噪比纹理丰富的地物（例如城市、山地等地区峰值信噪比不低于42dB；或是纹理单一的地物（例如沙漠、水域等地区峰值信噪比不低于45dB；2纹理丰富的地物（例如城市、山地等地区峰值信噪比低于42dB；或是纹理单