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基于JPEG2000的机载侦察系统图像编码关键技术研究

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基于JPEG2000 的机载侦察系统 图像编码关键技术研究

KEY TECHNIQUES OF JPEG2000-BASED IMAGE ENCODING FOR AIRBORNE RECONNAISSANCE SYSTEM

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向上的研究现状及分析

1.2.1 成像侦察技术现状

1.2.2 图像压缩技术综述

1.3 本文的主要研究内容及贡献

第2 章 JPEG2000 编码分析及实现

2.1 JPEG2000 编码结构

2.2 预处理

2.3 离散小波变换

2.4 量化

2.5 EBCOT 编码

2.5.1 T1 编码过程

2.5.2 T2 分层装配过程

2.6 本章小结

第3 章 小波变换与自适应小波变换研究

3.1 小波变换基础

3.1.1 概述

3.1.2 连续小波变换

3.1.3 离散小波变换

3.2 多分辨率分析

3.2.1 函数空间划分

3.2.2 双正交小波变换

3.2.3 一维Mallat 算法

3.2.4 二维小波变换

3.2.5 传统小波变换的局限

3.3 提升格式

3.3.1 基本提升原理

3.3.2 提升结构分解算法

3.3.3 JPEG2000 小波变换的提升格式

3.4 自适应小波变换

3.4.1 侦察图像相关性分析

3.4.2 一维自适应小波变换

3.4.3 二维不可分离自适应小波变换

3.4.4 量化及误差分析

3.5 小波系数统计特性分析

3.6 本章小结

第4 章 基于条件熵的熵编码比特平面建模

4.1 信源熵

4.2 概率建模

4.2.1 熵编码分析

4.2.2 上下文环境分类

4.3 对自适应小波变换系数建模

4.3.1 零编码

4.3.2 符号编码

4.3.3 幅度精炼编码

4.4 实验仿真题

4.5 本章小结

第5 章 感兴趣区域编码和码率分配

5.1 感兴趣区域编码

5.1.1 JPEG2000 中感兴趣区域编码

5.1.2 基于视觉特性的改进

5.1.3 实验仿真

5.2 码率分配

5.2.1 率失真优化算法

5.2.2 算法改进

5.2.3 失真估计

5.2.4 基于峰值信噪比的码率分配算法

5.3 本章小结

第6 章 嵌入式图像编码硬件平台设计

6.1 系统总体方案

6.2 嵌入式图像编码硬件平台

6.3 图像采集单元设计

6.4 图像编码单元设计

6.4.1 输入输出数据流

6.4.2 数据的定点转换

6.4.3 编码过程优化

6.5 压缩流传输接口设计

6.6 实验结果

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致谢

个人简历

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摘要

现代战争是高科技的信息战,如何准确及时地获取信息将是制胜的重要因素。人类通过感知器官获取的信息中,图像信息占据了信息总量的60%以上,图像信息具有十分重要的军事价值,图像侦察是主要的军事侦察手段之一。随着战争突发性的增加、军事行动节奏的加快、精确武器的发展及其作用范围的增大,对侦察图像的分辨率和清晰度提出了更高的要求,从而导致图像数据的急剧增长,给图像数据的实时存储和传输带来了巨大挑战。鉴于此,本文基于最新的JPEG2000静态图像压缩标准,研究机载侦察系统图像编码的关键技术,以满足现代战争对图像情报信息准确及时的获取、存储与传输的需求。
  首先,本文深入研究了JPEG2000的编码原理和工作过程,并就其中的关键技术:图像分量变换、离散小波变换、量化以及算术编码等进行了仔细分析。着重研究了彩色图像分量的两种变换;探讨了JPEG2000标准推荐的两种离散小波变换和边界延拓等问题;提出了一种合理有效的量化方法;解释了基于上下文环境的自适应二进制算术编码过程,并给出了嵌入式环境下的具体实现算法。为后续基于JPEG2000的应用研究奠定了基础。
  其次,为了提高对侦察图像的编码性能,本文着重研究了JPEG2000的核心技术――小波变换。传统的线性小波分解不能很好的保留图像的边缘等细节信息,在图像低频重构时,细节信息丢失严重,边缘比较模糊;而对于高频分量,在跃变点处会出现大的小波系数,不利于图像压缩。对于航空侦察图像这类空间相关性比较差、细节信息丰富的图像来说,上述缺陷尤为突出。为了解决这类问题,提出了一种基于提升格式的双自适应小波变换方法。在该变换方法中,根据局部信息自适应地将图像分为平滑区域和非平滑区域,在不同区域选取不同的更新和预测函数,以保持低频图像分量边缘等细节信息不被平滑,同时又防止在高频图像分量上出现大的小波系数,改善侦察图像的编码性能,提高侦察图像的重构质量。通过在JPEG2000中的实验结果表明,用该方法进行图像分解,低频近似图像保留了细节信息,边缘清晰;而且对双自适应小波变换后的图像压缩,性能优于JPEG2000的5/3小波和9/7小波,峰值信噪比提高1-3dB。
  然后,对自适应小波变换及量化后的系数进行熵编码概率建模。因为在JPEG2000图像编码中,熵编码是基于上下文环境的自适应二进制算术编码,熵编码的性能取决于待编码符号的概率模型。JPEG2000采用当前系数的8邻域状态组成当前系数的上下文环境,每个邻域可以有重要与不重要两种取值,总共有256种上下文环境,根据一定的规则对这些上下文环境进行优化聚类,最终缩减到19个。JPEG2000的19个上下文环境是在对9/7和5/3小波变换系数进行概率统计的基础上优化聚类得到的,对于自适应小波变换后的系数,这19个上下文环境不能反应系数的统计特性,已不是最优的选择。因此,本文提出了基于条件熵增量最小化的概率建模方法,该方法根据上下文环境合并会导致条件熵增加的原理,以最小化条件熵增量为度量,对所有上下文环境进行优化聚类。实验表明,通过基于条件熵增量最小化方法的概率建模,熵编码性能得到较大优化,同时上下文环境从19个减少到15个,降低了编码复杂度。
  另外,本文还对JPEG2000中的感兴趣区域编码和码率分配进行了研究。在分析了JPEG2000中两种感兴趣区域编码方法存在的局限后,基于人类视觉系统的特点,提出了非均匀下移位的感兴趣区域编码方法;通过将上述方法应用到图像的时域和频域进行仿真证明,在不增加压缩码流的条件下,优先保证了感兴趣区域的图像质量。随后,深入分析了压缩码流的码率分配和控制过程,就其存在的问题进行了改进,提高了码率分配效率。并从另一个应用角度,提出了一种新的码率分配算法――基于峰值信噪比的码率分配算法,优先考虑编码后图像质量,在给定峰值信噪比的条件下,分配和控制码率,使最终形成的压缩码流长度尽量的短。
  最后,在现有器件条件的基础上,设计并实现了一个基于FPGA和双DSP的嵌入式图像编码硬件平台。通过前端图像采样模块,实现了PAL制式模拟视频的数字化采集,采用TI的DSP芯片C6000进行JPEG2000编码,并经DSP芯片C5000打包传输,完成了侦察图像的实时采集、编码和传输功能。本文所设计的嵌入式图像编码硬件平台结构简单、通用性强,并且能够满足实际工程的各项指标要求。

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