專利名稱：多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字視頻圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多源異類無人機偵察圖像的通用壓縮方法。
背景技術(shù)：
無人機的偵察圖像視頻數(shù)據(jù)存在大量冗余，這些冗余包括時域冗余、空域冗余、譜間冗余、統(tǒng)計冗余以及心理視覺冗余，為了便于數(shù)據(jù)的存儲與傳輸，必須消除上述冗余而對其進(jìn)行壓縮。在無人機系統(tǒng)中實時傳輸?shù)臄?shù)碼相機取代了膠片航空偵察相機，高清晰度數(shù)字電視取代標(biāo)準(zhǔn)制式電視，前視紅外儀，多光譜、高光譜圖像，及高分辨率、遠(yuǎn)距離、多模式的合成孔徑雷達(dá)(SAR)都在無人機平臺上紛紛應(yīng)用，所以來源于無人機偵察的圖像數(shù)據(jù)趨向于多源化，如SAR圖像、高光譜圖像和視頻等。由于無人機飛行高度較高，速度快，機載傳感器視場角較大，所以無人機偵察圖像中所感興趣的偵察目標(biāo)(如軍車、坦克等)像素少，幀內(nèi)相關(guān)性較普通圖像差，幀間相關(guān)性即時間相關(guān)性也不強，普通的壓縮算法往往將這些偵察目標(biāo)都壓縮掉了或嚴(yán)重變形，所以需要找到一種適合于無人機偵察圖像特點的壓縮算法。目前應(yīng)用較多而且壓縮效果較顯著的方法是的基于H.264 (動態(tài))和JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)(靜態(tài))的壓縮方法。H.264編碼的基本思想是:將每幀圖像進(jìn)行16X 16個像素點的宏塊劃分，以各塊運動矢量代表圖像序列各幀的運動內(nèi)容，根據(jù)幀的類型(I幀、P幀或B幀)選擇幀內(nèi)編碼或幀間編碼模式，使用前面已編碼幀或參考幀對后續(xù)幀進(jìn)行運動估計和補償生成預(yù)測宏塊，預(yù)測宏塊P和當(dāng)前宏塊相減，得到圖像殘差塊，然后經(jīng)過整數(shù)DCT變換、量化、重排序、熵編碼等部分的處理，完成編碼過程。JPEG2000編碼的基本思想是:先對源圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行前期預(yù)處理，再對處理后的圖像進(jìn)行離散小波變換(DWT)，然后對變換后的小波系數(shù)進(jìn)行量化、位平面編碼、分層裝配和打包，最后形成JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的輸出碼流。在國內(nèi)，針對多源異類數(shù)據(jù)源的壓縮工作以分立系統(tǒng)為主，如進(jìn)行視頻壓縮采用專門的視頻壓縮模塊，進(jìn)行SAR雷達(dá)壓縮采用專門的壓縮模塊，進(jìn)行高光譜圖像壓縮采用另一種專用模塊。關(guān)于無人機圖像壓縮的綜合處理工作，從目前掌握的文獻(xiàn)看來，依然寥寥無幾，從綜合處理層面的關(guān)注還十分欠缺，缺乏一種系統(tǒng)級的解決方案。對于多源異類的無人機偵察圖像，其圖像壓縮模塊在算法、數(shù)據(jù)接口適配等方面均無法兼容。在圖像壓縮方面，無人機偵察圖像數(shù)據(jù)既有單幀的靜止圖像又有多幀的視頻圖像，而JPEG2000只能壓縮靜態(tài)圖像，H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)使用DCT變換時恢復(fù)圖像有明顯的塊效應(yīng)；而且無人機圖像中所感興趣的偵察目標(biāo)(如軍車、坦克等)像素少，幀內(nèi)相關(guān)性較普通圖像差，幀間相關(guān)性即時間相關(guān)性也不強，H.264標(biāo)準(zhǔn)中也沒有專門針對這類圖像有效的幀內(nèi)預(yù)測方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，圍繞無人機偵察視頻、SAR圖像、高光譜圖像特點，提出了多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，整合H.264和JPEG2000壓縮標(biāo)準(zhǔn)，將無人機偵察視頻、SAR圖像和高光譜圖像三類圖像的壓縮融合到一個綜合壓縮處理系統(tǒng)中。一種多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，包括以下幾個步驟:第一步，建立無人機異類圖像壓縮接口的適配方法；具體包括:(I)建立不同數(shù)據(jù)源接口 ；數(shù)據(jù)源包括SAR圖像、高光譜圖像和視頻信息，利用高速總線接口作為SAR圖像、高光譜圖像的接口，利用數(shù)字采集作為視頻信息的接口，通過兩種接口，分別采集SAR圖像、高光譜圖像、視頻信息；(2)建立異類數(shù)據(jù)的映射模型；建立映射模型，使數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目標(biāo)的屬性對應(yīng)，標(biāo)記SAR圖像為00，高光譜圖像為01，視頻數(shù)據(jù)為10，若結(jié)果中出現(xiàn)11則判定為出錯；(3)格式轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)源中的單幀或者多幀的視頻圖像都轉(zhuǎn)換為yuv數(shù)據(jù)格式；第二步，對H.264編碼方法進(jìn)行了改進(jìn)，建立無人機多源圖像通用性壓縮方法；具體包括:(I)宏塊劃分；將yuv數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)源視頻圖像中每一幀視頻圖像分成16x16像素大小的宏塊；(2)根據(jù)不同類別圖像視頻信息，分別進(jìn)行預(yù)測編碼；如果是多幀動態(tài)視頻，采用幀間預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測編碼；如果是單幀的SAR圖像或者高光譜圖像，采用幀內(nèi)預(yù)測編碼，得到當(dāng)前宏塊的預(yù)測值；(3)將經(jīng)過步驟(2)得到的宏塊預(yù)測值與原宏塊相減，得到圖像殘差塊；(4)對圖像殘差塊進(jìn)行離散小波變換；(5)熵編碼利用H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中的熵編碼對控制信息以及量化后的殘差數(shù)據(jù)、運動矢量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，在完成熵編碼后，得到壓縮圖像的壓縮碼流，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層供傳輸和存儲用。本發(fā)明的優(yōu)點在于:(I)米用統(tǒng)一接口適配技術(shù),多輸入多輸出，方案系統(tǒng)；(2)針對性強，在處理過程中較好的契合了無人機圖像特點；(3)消除了壓縮圖像恢復(fù)時的塊效應(yīng)。


圖1是本發(fā)明的方法流程圖；圖2是本發(fā)明的第二步的流程圖；圖3是本發(fā)明中Planar預(yù)測過程示意圖；圖4是本發(fā)明中9/7小波提升算法結(jié)構(gòu)具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的一種多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，流程如圖1所示，包括以下幾個步驟:第一步，建立無人機異類圖像壓縮接口的適配方法。H.264視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)只能針對本身特定格式的信息進(jìn)行壓縮，而無人機采集到的圖像視頻信息有多種格式，如多幀視頻信息、高光譜圖像、SAR圖像等，通過適配方法，實現(xiàn)對多種異構(gòu)數(shù)據(jù)源的適配、集成和處理，為將多種信息格式區(qū)分轉(zhuǎn)換得到便于H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮的格式。本發(fā)明的壓縮接口的適配方法具體包括:(I)建立不同數(shù)據(jù)源接口 ；數(shù)據(jù)源包括SAR圖像、高光譜圖像和視頻信息，其擁有不同的接入讀取方式，利用高速總線接口(例如，同步422通訊板)作為SAR圖像、高光譜圖像的接口，利用數(shù)字采集作為視頻信息的接口，通過兩種接口，分別采集SAR圖像、高光譜圖像、視頻信息；( 2 )建立異類數(shù)據(jù)的映射模型；壓縮前后必須明確不同數(shù)據(jù)信息的種類，使得在解壓縮之后圖像的特征也能方便識別。由于解壓縮數(shù)據(jù)的輸出均為yuv格式，這就需要在數(shù)據(jù)列與其屬性信息之間建立一個映射關(guān)系，建立異類數(shù)據(jù)的映射模型；建立映射模型，使數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目標(biāo)的屬性對應(yīng)，便于解壓之后圖像的識別，標(biāo)記SAR圖像為00，高光譜圖像為01，視頻數(shù)據(jù)為10，若結(jié)果中出現(xiàn)11則判定為出錯。(3)格式轉(zhuǎn)換因為后續(xù)采用H.264視頻編碼的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，所以，將數(shù)據(jù)源中的單幀或者多幀的視頻圖像都轉(zhuǎn)換為yuv數(shù)據(jù)格式。第二步，綜合現(xiàn)有壓縮編碼方法與標(biāo)準(zhǔn)，對H.264編碼方法進(jìn)行了改進(jìn)，建立無人機多源圖像通用性壓縮方法，流程如圖2所示，具體包括:(I)宏塊劃分；H.264中引入的幀內(nèi)預(yù)測模式，考慮了單幅視頻圖像中規(guī)則物體和規(guī)則背景的空間冗余，提出了基于兩種塊大小4x4和16x16的幀內(nèi)預(yù)測方法，其中基于16x16塊的幀內(nèi)預(yù)測尤其對平坦區(qū)域有效，而且由于無人機飛行高度較高，速度快，機載傳感器視場角較大，所以無人機偵察圖像中所感興趣的目標(biāo)像素少，幀內(nèi)相關(guān)性較普通圖像差，幀間相關(guān)性即時間相關(guān)性也不強，因此根據(jù)控制參數(shù)信息，首先，將yuv數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)源視頻圖像中每一幀視頻圖像分成16x16像素大小的宏塊。(2)根據(jù)不同類別圖像視頻信息，分別進(jìn)行預(yù)測編碼；根據(jù)H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮方法，根據(jù)當(dāng)前輸入宏塊中當(dāng)前幀的類型，分別進(jìn)行預(yù)測編碼:如果是多幀動態(tài)視頻，采用幀間預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測編碼；如果是單幀的SAR圖像或者高光譜圖像，采用幀內(nèi)預(yù)測編碼，得到當(dāng)前宏塊的預(yù)測值。由于無人機飛行高度較高，速度快，機載傳感器視場角較大，所以無人機偵察圖像中所感興趣的目標(biāo)像素少，幀內(nèi)相關(guān)性較普通圖像差，幀間相關(guān)性即時間相關(guān)性也不強，所以對于幀內(nèi)預(yù)測編碼可采用適合處理紋理比較平滑區(qū)域的HEVC (高效視頻編碼)幀內(nèi)planar (平面)預(yù)測，它允許變換塊的大小根據(jù)幀內(nèi)預(yù)測殘差的特性進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整。大塊的變換相對于小塊的變換，一方面能夠提供更好的能量集中效果，并能在量化后保存更多的圖像細(xì)節(jié)，但是另一方面在量化后卻會帶來更多的振鈴效應(yīng)。因此，根據(jù)當(dāng)前塊信號的特性，自適應(yīng)的選擇變換塊大小，可以得到能量集中、細(xì)節(jié)保留程度以及圖像的振鈴效應(yīng)三者最優(yōu)的折中。Planar預(yù)測模式適合紋理比較平滑的區(qū)域，對當(dāng)前塊中每個像素使用不同的預(yù)測值。例如，如圖3所示為planar預(yù)測過程。對當(dāng)前宏塊中的每一個像素，都使用水平和垂直兩個方向的線性插值的平均作為當(dāng)前像素的預(yù)測值。用下列公式表示，即:P (X，y) = ((S-χ).P (O, y)+X.P (O, S) + (S-y).P (x，O)+y.P (S，O)+S)/2S其中:P(x，y)表示當(dāng)前要預(yù)測的像素，P (O, y)表示當(dāng)前宏塊左邊與當(dāng)前要預(yù)測像素同一行的參考像素，Ρ(χ,Ο)表示當(dāng)前宏塊上方與當(dāng)前要預(yù)測像素同一列的參考像素，P (O, S)表示圖3中標(biāo)記為“Τ”的像素，P (S，O)表示圖3中標(biāo)記為“L”的像素，S表示當(dāng)前預(yù)測單元的寬度，x、y代表了當(dāng)前要預(yù)測像素的位置。T、L均是指圖像中最小組成單元，也就是圖像的最小圖像單元。從公式中可以看出，經(jīng)Planar模式預(yù)測后的預(yù)測像素將呈現(xiàn)出從左上方到右下方漸變的趨勢。幀間預(yù)測采用原H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮方法的幀間預(yù)測方法。(3)將經(jīng)過步驟(2)得到的宏塊預(yù)測值與原宏塊相減，得到圖像殘差塊。(4)對圖像殘差塊進(jìn)行DWT (離散小波)變換與量化。變換編碼和量化技術(shù)來消除圖像信號中的頻域相關(guān)性和減小圖像編碼的動態(tài)范圍，從而達(dá)到進(jìn)一步壓縮的目的。雖然DCT變換計算簡單，有快速實現(xiàn)方法，但在壓縮時恢復(fù)圖像有明顯的塊效應(yīng)；而小波變換具有更好的能量集中性，壓縮比高，壓縮速度快，壓縮后能保持圖像的特征基本不變，在傳遞過程中可以抗干擾，且同時具有視頻局部化特性，變換后系數(shù)的特征有利于編碼，因此小波變換的編碼方法具有更好的壓縮性能。所以通過對H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，對圖像殘差塊采用DWT變換。小波變換有極好的能量聚集作用，但在實現(xiàn)時需要作卷積，因此復(fù)雜性較高。而提升模型的引入，使得小波變換時的卷積操作可以通過提升和拉伸步驟完成，進(jìn)一步降低小波變換的運算，它具有如下優(yōu)點:I)、本位操作、節(jié)省內(nèi)存；2)、利用復(fù)合賦值，減少浮點運算量，速度快、效率高；3)、一個上升步驟中的所有操作是并行的，而多個上升步驟之間是串行的；4)、逆變換過程極其簡單；經(jīng)過大量的對比實驗，對圖像實現(xiàn)能量聚集效果最好的是9/7小波基，其低頻濾波器為9抽頭，而高頻濾波器則為7抽頭。其提升方式完成的公式如下:9/7提升小波的步驟中有4個提升步(1-4)和兩個拉伸步(5_6)；Y (2n+l) =Xext (2n+l) + ( α X [Xext (2n) +Xext (2η+2) ]) [Stepl]Y (2η) =Xext (2η) + ( β X [Y (2η_1) +Y (2η+1) ]) [Step2] Y (2η+1) =Y (2η+1) + ( y X [Y (2η) +Y (2η+2) ]) [Step3]
Υ(2η)=Υ(2η) + ( δ X [Y(2n_l)+Y(2n+1)]) [Step4]Υ(2η+1)=-ΚΧΥ(2η+1) [Step5]Υ(2η) = (1/Κ) X Y (2η) [Step6]其中:χ(η)為輸入信號，Xext (η)為χ(η)偶序號采樣組成的子信號，α,β,γ,δ,k為常數(shù)。各參數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，包括以下幾個步驟: 第一步，建立無人機異類圖像壓縮接口的適配方法； 具體包括: (1)建立不同數(shù)據(jù)源接口； 數(shù)據(jù)源包括SAR圖像、高光譜圖像和視頻信息，利用高速總線接口作為SAR圖像、高光譜圖像的接口，利用數(shù)字采集作為視頻信息的接口，通過兩種接口，分別采集SAR圖像、高光譜圖像、視頻信息； (2)建立異類數(shù)據(jù)的映射模型； 建立映射模型，使數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目標(biāo)的屬性對應(yīng)，標(biāo)記SAR圖像為00，高光譜圖像為01，視頻數(shù)據(jù)為10，若結(jié)果中出現(xiàn)11則判定為出錯； (3)格式轉(zhuǎn)換 將數(shù)據(jù)源中的單幀或者多幀的視頻圖像都轉(zhuǎn)換為yuv數(shù)據(jù)格式； 第二步，對H.264編碼方法進(jìn)行了改進(jìn)，建立無人機多源圖像通用性壓縮方法； 具體包括: (O宏塊劃分； 將yuv數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)源視頻圖像中每一幀視頻圖像分成16x16像素大小的宏塊； (2)根據(jù)不同類別圖像視頻信息，分別進(jìn)行預(yù)測編碼； 如果是多幀動態(tài)視頻，采用幀間預(yù)測和幀內(nèi)預(yù)測編碼；如果是單幀的SAR圖像或者高光譜圖像，采用幀內(nèi)預(yù)測編碼，得到當(dāng)前宏塊的預(yù)測值； (3)將經(jīng)過步驟(2)得到的宏塊預(yù)測值與原宏塊相減，得到圖像殘差塊； (4)對圖像殘差塊進(jìn)行離散小波變換； (5)熵編碼 利用H.264/AVC標(biāo)準(zhǔn)中的熵編碼對控制信息以及量化后的殘差數(shù)據(jù)、運動矢量信息進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，在完成熵編碼后，得到壓縮圖像的壓縮碼流，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層供傳輸和存儲用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，第二步(2)中的幀內(nèi)預(yù)測編碼采用高效視頻編碼幀內(nèi)平面預(yù)測，即HEVC planar預(yù)測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，第二步(4)離散小波采用9/7小波基。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多源異類無人機偵察圖像通用壓縮方法，屬于數(shù)字視頻圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，首先通過壓縮系統(tǒng)的接口讀入圖像視頻信息，并將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的格式，然后利用改進(jìn)的H.264視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行壓縮編碼得到壓縮碼流。本發(fā)明針對無人機多任務(wù)載荷、多模式工作的特點，可以用于無人機以前視紅外儀等不同設(shè)備采集得到的視頻信息、SAR圖像、高光譜圖像的壓縮工作，并且解壓縮之后的圖像源信息可辨，方案系統(tǒng)化。
文檔編號H04N7/26GK103108182SQ20131001996
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者丁文銳, 康傳波, 李紅光, 魯愛英 申請人:北京航空航天大學(xué)