一种基于JPEG-LS帧间扩展的三维声纳图像序列无损压缩方法

摘要

一种基于JPEG-LS帧间扩展的三维声纳图像序列无损压缩方法，包括以下步骤：(1)输入一帧待压缩声纳图像数据；(2)将声纳图像分为1-16块；(3)计算该分量数据与前一帧图像的对应块中对应分量数据的差值；(4)进行平滑度计算；(5)计算融合后的平滑度值；(6)自适应选择该分量原始数据或前后帧差值数据；(7)送入改进的JPEG-LS图像编码器进行编码；(8)分别取得这块声纳图像数据的其他色度空间分量数据，重复步骤(3)-步骤(7)；(9)按顺序分别取得该帧声纳图像的其他分割块，重复步骤(3)-步骤(8)，直到该帧声纳图像的各个分割块编码完成。本发明适用于三维声纳图像的无损压缩，整体计算量小，同时保持较好的压缩性能和自适应性能。

说明书

技术领域

本发明涉及数字图像编码领域、海底三维声纳图像技术，具体涉及一 种三维声纳图像序列无损压缩方法。

背景技术

三维成像声纳系统是一种能对水中的目标进行实时成像的探测系统。 三维声纳图像的每一个像素点都包括位置分量及反射信号强度分量，其中 位置分量即直角坐标系的X，Y，Z分量，而反射信号强度分量表示该像素 点的反射信号的强度，用I表示。当前实时高分辨率的相控阵三维成像声 纳系统面临两个主要问题(见A Trucco，M Palmese，S Repetto.Devising an  affordable sonar system for underwater 3-D vision，即“设计一套低成本的水 下三维声纳视觉系统”，IEEE Transactions on Instrumentation and  Measurement，vol.57，no.10，pp.2348-2354，2008)：1)硬件系统复杂，即系 统需要大量的前端信号处理通道，包括大量换能器以及与其相关的模拟信 号的滤波、放大、采样和数字信号处理等硬件电路，从而导致系统体积和 功耗都偏大；2)巨额的计算量及高通信数据带宽需求，即采用波束形成 算法来计算上万个波束方向强度信号所需乘累加的计算量及传输三维图 像所需的数据带宽。对图像进行压缩后再传输，可以有效地解决三维图像 的传输所需的数据带宽较大的问题。图像的压缩主要分为有损压缩和无损 压缩两种方法。有损压缩也称为不可逆编码，是指解压后的图像与压缩前 的原图像相比，存在一定程度上的失真。无损压缩也称为可逆编码，即解 压后的图像与原图像完全一致。由于三维成像声纳系统一方面获取图像的 代价较高，另一方面获取的图像数据本身也很重要，对于数据分析处理来 说，需要确保目标区域观测数据中的重要信息不受损伤，数据的准确可靠 和完全无失真显得较为重要，所以对三维成像声纳系统获取的图像理应采 取无损压缩。JPEG-LS是ITU(International Telecommunication Union)于1998 年制定的针对图像无损与近无损压缩的标准，主要采用了帧内预测结合 Golomb-Rice熵编码的方法实现数据的压缩(见ITU-T T.87，Lossless and  Near-lossless Compression of Continuous-tone Still Images，即“针对静态连 续图像的无损与近无损压缩”，ITU-T Recommendation T.87，1998)。 JPEG-LS对单帧图像具有较好的压缩性能，但是如果将JPEG-LS直接用于 三维声纳图像序列的无损压缩，压缩效果并不理想，因为三维声纳图像序 列的前后帧之间具有很大的相关性，而JEPG-LS并没有对图像的帧间冗余 信息进行压缩。

发明内容

为了克服现有的JPEG-LS直接用于声纳图像序列无损压缩技术的没 有消除图像帧间冗余信息的不足，本发明提供了一种引入图像帧间信息并 保证良好压缩率的基于JPEG-LS帧间扩展的三维声纳图像序列无损压缩方 法。

为了解决上述技术问题采用的技术方案为：

一种基于JPEG-LS帧间扩展的三维声纳图像序列无损压缩方法，所述 压缩方法包括以下步骤：

(1)输入一帧待压缩声纳图像数据

(2)根据输入的声纳图像的水平和竖直分辨率，将声纳图像分为 1-16块

根据输入的声纳图像的水平和竖直分辨率，将声纳图像按式(I)分为 1-16块，并按水平方向依次标记为1-16。其中若图像的水平分辨率和竖直 分辨率能被将要分割的块数整除，则每小块图像的分辨率都等于 width/block w或height/block h，若不能整除，则前几块图像的分辨率等于 width/block_w或height/block_h，水平或竖直最后一块图像的分辨率为 width/block w加上width除以block w的余数或者height除以block h的 余数。举例来说，若输入声纳图像的水平分辨率为65，竖直分辨率为65， 则该图像block w等于2，blcok h等于2，block等于4，其中第1块分辨 率为32*32，第2块为33*32，第3块为32*33，第4块为33*33。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{block}=\mathrm{block}\_w\times \mathrm{block}\_h\\ \mathrm{block}\_w=\left(\begin{array}{c}1,\mathrm{width}\le 64\\ \mathrm{2,64}<\mathrm{width}\le 128\\ \mathrm{3,128}<\mathrm{width}\le 192\\ \mathrm{4,192}<\mathrm{width}\end{array}\right)\\ \mathrm{block}\_h=\left(\begin{array}{c}1,\mathrm{height}\le 64\\ \mathrm{2,64}<\mathrm{height}\le 128\\ \mathrm{3,128}<\mathrm{height}\le 192\\ \mathrm{4,192}<\mathrm{height}\end{array}\right)\end{array}\right)---\left(I\right)$

式(I)中，block表示声纳图像分割的总块数，block w表示声纳图像的 水平分割块数，block h表示声纳图像的竖直分割块数，width表示声纳图 像的水平分辨率，height表示声纳图像的竖直分辨率。

(3)取得该帧声纳图像的一块分割图像中的一个分量数据，并计算 该分量数据与前一帧图像的对应块中对应分量数据的差值

如果该帧为三维声纳图像的第一帧，先记录编码数据类型为0，然后 取得该块图像一个分量的数据，跳到步骤(7)使用改进的JPEG-LS编码器 对编码数据类型和该分量声纳图像数据进行编码。如果不是第一帧，则先 从输入声纳图像数据中取得该块的一个分量数据，然后将该分量数据与前 一帧中的对应块的对应分量数据做对应位置的相减运算，得到该分量的前 后帧差值数据。

(4)对该分量原始数据进行平滑度计算

对该分量原数据的平滑度采用式(II)计算：

$\mathrm{sum}=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{height}/\mathrm{inc}}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{width}/\mathrm{inc}}{\Sigma }}{(s(i\times \mathrm{inc},j\times \mathrm{inc})-s((i-1)\times \mathrm{inc},j\times \mathrm{inc}))}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中，height表示声纳图像的竖直分辨率，width表示声纳图像的水 平分辨率，inc表示水平方向和竖直方向的取样间隔，其值大小根据式(III) 计算，s(i×inc，j×inc)表示水平位置为(i×inc)，竖直位置为(j×inc)的像素 点对应分量的值，(x)²表示计算x的平方和。式(II)的过程即，首先对该声 纳图像分量的数据进行亚采样，然后计算所有采样点与其同一竖直位置的 前一个采样点的差值的平方，最后计算所有差值的平方和作为该数据的平 滑度。

$\mathrm{inc}=\left(\begin{array}{c}\\ 2,\mathrm{width}\le 60\\ \mathrm{4,60}\le \mathrm{width}\le 120\\ \frac{\mathrm{width}}{128},\mathrm{width}>120\end{array}\right)---\left(\mathrm{III}\right)$

(5)对由步骤(3)得到的前后帧差值数据进行平滑度计算并计算融合 后的平滑度值

先对该分量在步骤(3)中得到的前后帧差值数据采用式(II)计算平滑 度，得到sum2，然后对计算平滑度过程中用到的像素点分量数据进行零 值个数统计，并计算零值个数占总体采样像素点数的比例值α，最后将 sum2与α按式(IV)融合，得到前后帧差值数据的经过融合的平滑度值 f(sum2，α)：

f(sum2，α)＝β×(1-α)³×sum2    (IV)

式(IV)中，β为零值个数的影响因子，根据经验值通常取0.5～1。 (6)二路选择器根据步骤(4)得到的该分量原始数据的平滑度值和步 骤(5)得到的该分量前后帧差值数据经过融合后的平滑度值，自适应选 择该分量原始数据或前后帧差值数据送入JPEG-LS编码器，并标记数 据类型

将步骤(5)得到的f(sum2，α)与步骤(4)得到的sum作比较，如果f(sum2， α)小于sum，则记录当前编码数据类型为1，然后二路选择器选择该分量 前后帧差值数据送到步骤(7)中改进的JPEG-LS编码器。如果f(sum2，α)大 于或等于sum，则记录当前编码数据类型为0，然后二路选择器选择该分 量原始数据送到步骤(7)中改进的JPEG-LS编码器。

(7)采用改进的JPEG-LS图像编码器对水平分块值和竖直分块值及 记录的编码数据类型和步骤(3)或步骤(6)输出的数据进行编码

(8)分别取得这块声纳图像数据的其他色度空间分量数据，重复步 骤(3)-步骤(7)

(9)按顺序分别取得该帧声纳图像的其他分割块，重复步骤(3)-步骤 (8)，直到该帧声纳图像的各个分割块编码完成。

进一步，所述步骤(7)中，改进的JPEG-LS编码器比标准的JPEG-LS 编码器多了一个步骤，即对数据进行编码时，在编码的开始标志0xFFD8 后增加一个字节的分块数据及一个字节的编码数据类型标志，如水平分块 值为2，竖直分块值为4，则标志为0x24，如编码数据类型是1，则标志 为0x01，如编码数据类型是0，则标志为0x00。其他步骤与标准的JPEG-LS 编码器相同。

本发明的技术构思为：利用基于JPEG-LS帧间扩展的图像编码算法来 对三维声纳图像序列进行编码，首先将待压缩声纳图像帧按分辨率进行分 块，然后分别得到待压缩声纳图像块的原始数据及其与上一帧声纳图像对 应块的差值数据，然后引入图像平滑度检测的方法，分别对原始数据与前 后帧差值数据做平滑度的计算，考虑到帧差数据的特殊性，将帧差数据的 零值比例与平滑度做融合计算，最后选择器通过比较原始数据的平滑度与 经过融合后的帧差数据的平滑度的大小，来选择对原始数据或者帧差数据 进行压缩。

针对三维声纳图像本身的特点，采用一种基于JPEG-LS帧间扩展的三 维声纳图像序列无损压缩算法对其进行压缩，以降低传输三维声纳图像所 需的数据带宽和存储其所需的内存空间，同时又能在后续图像处理中恢复 其珍贵的原始图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该方法适用于三维声纳 图像序列的无损压缩，与现有技术相比，具有以下特点和优点：利用前后 帧差(Frame Difference)的方法来减少帧间信息的冗余，计算量较小，减少 了硬件资源消耗；通过计算前后帧差数据和原始数据的平滑度来自适应地 选择压缩数据的来源，提高本发明的无损压缩方法对三维声纳图像场景的 自适应能力。本发明能在计算复杂度较低的情况下保持良好的压缩率。

附图说明

图1为一幅三维声纳图像示意图。

图2为本发明方法的基本流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于JPEG-LS帧间扩展的声纳图像无损压缩方法， 三维成像声纳系统获得开角50°×50°的一幅三维场景的示意图，其中每 个时刻t获得声纳图像截面由P×Q个像素组成，在声纳图像无损压缩算 法中，认定这些截面一起组成一帧三维声纳图像。

如图2所示，一种基于JPEG-LS帧间扩展的声纳图像无损压缩方法， 包括以下步骤：

(1)输入一帧待压缩声纳图像数据；

(2)根据输入的声纳图像的水平和竖直分辨率，将声纳图像分为 1-16块

(3)取得该帧图像数据中的一块分割图像的X分量数据，并计算X 分量数据与前一帧的X分量数据的差值；

(4)对X分量原数据进行平滑度计算；

(5)对由步骤(3)得到的前后帧差值数据进行平滑度计算并计算融合 后的平滑度值；

(6)二路选择器根据步骤(4)得到的X分量原始数据的平滑度值和步 骤(5)得到的该分量前后帧差值数据经过融合后的平滑度值，自 适应选择该分量原始数据或前后帧差值数据送入JPEG-LS编码 器，并标记数据类型；

(7)采用改进的JPEG-LS图像编码器对水平分块值和竖直分块值及 记录的编码数据类型和步骤(3)或步骤(6)输出的数据进行编码；

(8)分别取得这帧的Y分量，Z分量和I分量数据，重复步骤(3)- 步骤(7)；

(9)按顺序分别取得该帧声纳图像的其他分割块，重复步骤(3)-步骤 (8)。

步骤(2)具体为：

根据输入的声纳图像的水平和竖直分辨率，将声纳图像按式(I)分为 1-16块，并按水平方向依次标记为1-16。其中若图像的水平分辨率和竖直 分辨率能被将要分割的块数整除，则每小块图像的分辨率都等于 width/block_w或height/block_h，若不能整除，则前几块图像的分辨率等于 width/block w或height/block h，水平或竖直最后一块图像的分辨率为 width/block_w加上width除以block_w的余数或者height除以block_h的 余数。举例来说，若输入声纳图像的水平分辨率为65，竖直分辨率为65， 则该图像block_w等于2，blcok_h等于2，block等于4，其中第1块分辨 率为32*32，第2块为33*32，第3块为33*32，第4块为33*33。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{block}=\mathrm{block}\_w\times \mathrm{block}\_h\\ \mathrm{block}\_w=\left(\begin{array}{c}1,\mathrm{width}\le 64\\ \mathrm{2,64}<\mathrm{width}\le 128\\ \mathrm{3,128}<\mathrm{width}\le 192\\ \mathrm{4,192}<\mathrm{width}\end{array}\right)\\ \mathrm{block}\_h=\left(\begin{array}{c}1,\mathrm{height}\le 64\\ \mathrm{2,64}<\mathrm{height}\le 128\\ \mathrm{3,128}<\mathrm{height}\le 192\\ \mathrm{4,192}<\mathrm{height}\end{array}\right)\end{array}\right)---\left(I\right)$

式(I)中，block表示声纳图像分割的总块数，block w表示声纳图像的 水平分割块数，block_h表示声纳图像的竖直分割块数，width表示声纳图 像的水平分辨率，height表示声纳图像的竖直分辨率。

步骤(3)具体为：

如果该帧为三维声纳图像的第一帧，先记录编码数据类型为0，然后 取得该块图像X分量的数据，跳到步骤(7)使用改进的JPEG-LS编码器对 编码数据类型和X分量声纳图像数据进行编码。如果不是第一帧，则先从 输入声纳图像数据中取得该块的X分量数据，然后将X分量数据与前一 帧中的对应块的X分量数据做对应位置的相减运算，得到X分量的前后 帧差值数据。

步骤(4)具体为：

对X分量原数据的平滑度采用式(II)计算：

$\mathrm{sum}=\underset{j=1}{\overset{\mathrm{height}/\mathrm{inc}}{\Sigma }}\underset{i=1}{\overset{\mathrm{width}/\mathrm{inc}}{\Sigma }}{(s(i\times \mathrm{inc},j\times \mathrm{inc})-s((i-1)\times \mathrm{inc},j\times \mathrm{inc}))}^2---\left(\mathrm{II}\right)$

式(II)中，height表示声纳图像的竖直分辨率，width表示声纳图像的水 平分辨率，inc表示水平方向和竖直方向的取样间隔，其值大小根据式(III) 计算，s(i×inc，j ×inc)表示水平位置为(i ×inc)，竖直位置为(j ×inc)的像素点 对应分量的值，(x)²表示计算x的平方和。式(II)的过程即，首先对该声纳图 像分割块的X分量数据进行亚采样，然后计算所有采样点与其同一竖直位 置的前一个采样点的差值的平方，最后计算所有差值的平方和作为该数据 的平滑度。

$\mathrm{inc}=\left(\begin{array}{c}\\ 2,\mathrm{width}\le 60\\ \mathrm{4,60}\le \mathrm{width}\le 120\\ \frac{\mathrm{width}}{128},\mathrm{width}>120\end{array}\right)---\left(\mathrm{III}\right)$

步骤(5)具体为：

先对X分量在步骤(3)中得到的前后帧差值数据采用式(II)计算平滑 度，得到sum2，然后对计算平滑度过程中用到的像素点分量数据进行零 值个数统计，并计算零值个数占总体采样像素点数的比例值α，最后将 sum2与α按式(IV)融合，得到前后帧差值数据的经过融合的平滑度值 f(sum2，α)：

f(sum2，α)＝β×(1-α)³×sum2    (IV)

式(IV)中，β为零值个数的影响因子，根据经验值通常取0.5～1。

步骤(6)具体为：

将步骤(5)得到的f(sum2，α)与步骤(4)得到的sum作比较，如果f(sum2， α)小于sum，则记录当前编码数据类型为1，然后二路选择器选择该分量 前后帧差值数据送到步骤(7)中改进的JPEG-LS编码器。如果f(sum2，α)大 于或等于sum，则记录当前编码数据类型为0，然后二路选择器选择该分 量原始数据送到步骤(7)中改进的JPEG-LS编码器。

步骤(7)具体为：

这里改进的JPEG-LS编码器比标准的JPEG-LS编码器多了一个步骤， 即对数据进行编码时，在编码的开始标志0xFFD8后增加一个字节的分块 数据及一个字节的编码数据类型标志，如水平分块值为2，竖直分块值为 4，则标志为0x24，如编码数据类型是1，则标志为0x01，如编码数据类 型是0，则标志为0x00。其他步骤与标准的JPEG-LS编码器相同。