基于小波的多级数集合分裂（SPIHT）雷达图像压缩与传输

摘要

随着信息网络化的发展，多媒体技术的日益进展，信息已成为现代社会的主要特征，而人们传递信息的重要媒介就是图像，数字图像信息作为最重要的信息之一，被越来越广泛的使用。而图像编码技术是图像通信系统中的核心技术。在雷达数据处理中，由于数字图像的数据量是相当巨大的，要存储或者传输数字图像，就必需在保留原图像重要信息的前提下，对它们进行压缩编码。因此研究和开发新型有效的图像数据压缩编码方法，以压缩的形式存储和传输这些数据将是最好的选择。小波变换编码技术的开发，为雷达信号处理向高分辨率、超宽带、多功能和智能化方向发展提供了技术基础。 就信号处理来说，小波变换体现出的优势包括：(1)由于是线性变换，小波变换不会引入失真，这对于非平稳瞬时突变信号的分析特别有利，克服了Wigner-Ville分布中的交叉项失真问题；(2)由于具有常相对带宽频率分析和自适应分辨率分析的特性，使小波变换适合于处理大时间带宽积的信号。而STFT的恒分辨特性，使其受限于处理窄带信号：(3)“变聚焦”特性使小波变换适应于进行时间域或频率域的局部信号分析，这对非平稳信号的检测非常有利。克服了一般匹配滤波对多普勒频率的非适应性和Fourier变换局部特性差的不足：(4)小波变换随尺度变化的时间分辨特性和带通滤波特性，使其适合于对短数据情况下的高分辨谱估计，从而为雷达回波的谱估计和进行自适应杂波抑制滤波开辟了新的途径：(5)一维和二维离散小波快速Mallat算法使小波变换在雷达信号处理中的应用成为可能。 第1章首先介绍了雷达数字信号处理研究现状及发展趋势，其中包括雷达信号处理的方法，匹配滤波器理论，傅立叶变换，短时傅立叶变换，Wigner-Ville分布，自适应滤波技术，小波变换。然后，介绍了小波变换体现出的优势。接着，是小波变换的发展历程和在雷达信号处理中的应用，雷达信号检测，超宽带雷达信号处理，杂波谱估计和杂波抑制，SAR成像处理和目标识别和雷达视频数据压缩。最后介绍了小波图像编码的研究现状及发展趋势，主要是小波基的选择和小波系数的编码。最终，介绍了小波图像编码在雷达图象处理中的应用优点以及本论文的图像编码和传输系统的主要内容。 由于雷达组网和雷达站无人值守的需要，如何在较窄的带宽上进行雷达一次视频的可靠传输，成为必须解决的问题。在原有的该类设备中，大多采用模拟处理方式。但存在带宽占用宽、波形失真大、设备工作不稳定等缺点，且必须数字化后才能在数字通信设备中传输。数字化的雷达视频如果不经过压缩则带宽太宽，例如用4MHz、8bit采样2MHz带宽的模拟雷达视频信号，若不进行任何压缩编码，就至少需要32Mbps的数字通讯带宽，传输两路雷达视频信号，就需64Mbps信道。目前2Mbps带宽的小型微波设备远远不能满足传输雷达视频的需求而必须进行压缩。由于小波分析具有时(空)频域局部化性质和多分辨率分析特征，所以，它不仅可以在指定的频带和时(空)域内对信号成分进行分析，而且还可以在任意的时(空)尺度内，以任意高的分辨率聚焦到分析对象的任意细节。对于图像信号，可分解成具有不同空间分辨率、频率特征和方向特征的一系列图像信号，实现了低频长时特征和高频短时特征的同时处理，形成了符合人类视觉和数据压缩需要的分解数据特征。 在图象编码领域，由于小波变换固有的描述非平稳信号的能力，使得它在表达图象数据上具有离散余弦变换不具有的优良性质。小波技术是可缩放的，是一面显微镜，用这一算法特别符合雷达视频信号的传输和记录的要求。另外，具有误差容忍，并能在传输时对码率精确控制，即能调整传输信号的粗细程度以满足某些场合固定传输码率的要求，传输过程中的误码不需中断整个传输，因为仍然能从后续的码流中恢复相应的信号，不会出现JPEG方式的“马赛克”方块。 第2章，首先介绍了小波理论分析的基本元素：小波函数，尺度函数，小波包，小波变换分类和小波变换分析，多分辨分析，Mallat算法，以数学公式来描述。然后介绍了小波零树编码(EZW)分析，多级树集合分裂算法(SPIHT)分析和SPIHT与EZW算法的比较。 EZW算法利用小波系数的特点较好地实现了图象编码的嵌入功能，主要包括以下三个过程：零树预测，用零树结构编码重要图，逐次逼近量化。发现SPIHT编码方法比EZW编码方法算法简单、编码效率高，因此在本系统中采用SPIHT编码方法对雷达视频图像进行编码。 第3章，首先介绍了图像通信系统的结构，各类图像通信系统，图像通信系统的发展历程和现状，网络传输技术，主要传输网络。接着介绍了图像编码的国际标准，H.261，H.262，H.263，H.264，和MPEG-1，2-4和JPEG与JPEG 2000。然后，介绍了计算机网络的各种类型由它的网络大小，媒介，网络形态。接着，介绍了各类数据传输系统，主要包括并行通信和串行通信和它们的比较。最后，介绍了通信协议的效力，可靠性和弹性，再来介绍了各类通信协议的家族。最终发现计算机局域网(LAN)是最合适应用在雷达数据传输系统里。因为它有结构简单，速度比较快，编程简单等特征。所以后面的传输系统里采用了局域网，以便达到雷达数据传输的要求。 第4章主要介绍了七层OSI的结构与TCP/IP协议的结构。将TCP/IP协议的结构与ISO/OSI进行了比较。TCP/IP协议是因特网通信系统中最简单，最有能力的最优秀的现代流行协议。TCP/IP协议结构组成了两个组，由实体层、资料连接层、和网路层来组成的网路群组和由传送层、会谈层、表现层、和应用层来组成的使用者群组。TCP/IP协议的一个协议，FTP提供了客户端与服务器端中间的最流行的文件复制工作。它很合适用于雷达图像数据的传输，因为它能保证数据传输的可靠性。所以，本文的雷达图像压缩与传输系统里采用了局域网(LAN)的图像传输分系统以便得到图像数据传输的最快特性与无误差通信特性。最后，描述了一个试验。 TCP/IP是基于2个原始协议即TCP和IP的基础上建立起来的一个包含不同通讯协议的大集合。TCP/IP参考模型的互联层相当于OSI参考模型的网络层的连接网络服务。TCP完成开放系统互连(OSI)模型中传输层，即第四层的功能。它的主要责任是确保端至端之间的可靠连接。IP位于下一层，在OSI的网络层，即第三层，把每个包的发送者和接收者地址告诉一路上各个路由器。路由器和第三层交换器可以读出IP和其他的第三层协议。这些信息与路由表以及其他网络智能结合在一起，能通过TCP/IP在整个房间或围绕地球进行传递。 第5章主要表示雷达图像压缩处理和传输的各个过程与实验结果。首先，通过A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号。为了要对雷达数字信号进行压缩，首先必须组合成一幅方块图，以便压缩编码，通常，把M根长度为N的雷达扫描线组成一幅M×N的图像。图像存储格式与bmp文件格式类似的PGM格式，它包括文件头和图像数据。用正交小波滤波器组滤波来实现对图像分解。经过三层小波变换后，对图像进行压缩过程。SPIHT算法有三个子过程：初始化过程，排序过程，细化过程，然后，阈值更新。将经过变换和排序的比特流用适应性算术编码方法进一步编码。然后，局域网络传输。传输过程也仔细地表示了用服务端-客户端形式。最后，描述了实验结果。从实验结果来看，实现了雷达图像的实时压缩和传输。 第6章，本文研究了本系统中用到的编码方法-多级分裂树集合编码(SPIHT)，并且对嵌入式零树编码和多级分裂树集合编码进行了比较。发现SPIHT编码方法比EZW编码方法算法简单、编码效率高，因此在本系统中采用SPIHT编码方法对雷达视频图像进行编码。从测试结果看，本文中使用的编码算法的在低码率(100：1)下的信噪比较高，一般都在30dB以上，平均值绝对误差也比较低。本文方法在低码率情况下，比EZW方法的信噪比PSNR都高。所以，SPIHT算法是很合适用于雷达图像压缩处理。而且，在局域网里的雷达图像数据传输采用了TCP/IP协议以便达到很好的效力。实验结果表明传输速度快，误差少，编程算法也很简单。由于快速传输率的局域网络服务器端到客户端，3秒钟时间内能传输一幅雷达图像，实现了实时雷达图像传输。本文分别研究了SPIHT算法的图像压缩技术和局域网的数据传输技术，但还要在实际应用中进行仔细的试验与论证。