基于JPEG2OOO的遙感圖像壓縮

O 引言
    隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感圖像的壓縮受到越來越多的關(guān)注。靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000放棄了JPEG標(biāo)準(zhǔn)采用的以離散余弦變換的區(qū)塊編碼方法，采用以小波變換為主的編碼方式，提高了壓縮性能。本文將分析遙感圖像的特點(diǎn)，在JPEG2000無損壓縮基礎(chǔ)上增加了遙感圖像高頻子帶分級(jí)量化方案，提高了遙感圖像壓縮比，實(shí)現(xiàn)圖像的高保真壓縮。

1 遙感圖像的特點(diǎn)
    遙感圖像分辨率較高，目標(biāo)物體所占的像素較少，圖像中所含的高頻信息和紋理信息較多，空間頻率的局部變化較快，圖像的不連續(xù)性較強(qiáng)。
    為了從空間相關(guān)性來分析遙感圖像數(shù)據(jù)之間的特征，本文采用圖像的自相關(guān)函數(shù)r(l，k)來衡量：

其中f(x，y)為圖像的灰度函數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行歸一化和離散化處理，有：

其中，圖像的大小為M×N，uf為圖像亮度的平均值。

當(dāng)l=k=1時(shí)即表示相鄰兩個(gè)像素之間的自相關(guān)函數(shù)的值R(1，1)，稱為自相關(guān)系數(shù)。
    在對(duì)遙感圖像進(jìn)行3層小波分解后，除LL子帶集中了主要的低頻信息，其它所有高頻子帶近似遵循零均值Gam—ma分布。分析表明，除極少數(shù)紋理較強(qiáng)的局部區(qū)域之外，絕大多數(shù)紋理不太強(qiáng)的區(qū)域近似服從廣義Gaussian分布，特別是平坦區(qū)域，均值大多約等于0。遙感圖像的這些特性為我們采用JPEG2000中的算法提高圖像壓縮效率提供了理論依據(jù)。

2 遙感圖像高頻子帶分級(jí)量化方案
    遙感圖像進(jìn)行JPEG2000整數(shù)小波變換后，編碼系統(tǒng)需要對(duì)分量中的每個(gè)拼接塊(tile-component)中的系數(shù)進(jìn)行量化。量化的關(guān)鍵是根據(jù)變換后的圖像的系數(shù)特征、重構(gòu)圖像質(zhì)量要求等因素設(shè)計(jì)合理的量化步長。其中高頻子帶影響較小，只作粗量化編碼；低頻子帶對(duì)重建過程影響較大，可進(jìn)行精細(xì)量化編碼。
    對(duì)于遙感圖像，在經(jīng)過小波變換后90％的能量集中在低頻子帶LLn中，其中包含了遙感圖像的亮度信息，必須進(jìn)行無失真壓縮，取量化步長為1，進(jìn)行無損壓縮；高頻子帶集中了圖像的紋理信息，由于遙感圖像中目標(biāo)物體數(shù)目多，邊緣信息豐富，紋理信息也占有一部分比重。結(jié)合低頻子帶精細(xì)量化、高頻子帶粗量化的思想，提出了對(duì)圖像高頻子帶劃分為4×4的子塊，采用塊內(nèi)的方差作為塊的紋理復(fù)雜度和重要性度量，對(duì)紋理復(fù)雜的重要塊采用精細(xì)量化，而對(duì)于較平坦的區(qū)域采用粗量化，達(dá)到在高保真條件下提遙感圖像高壓縮比。這實(shí)際上相當(dāng)于在子帶內(nèi)的分級(jí)量化方案，使得各子塊的恢復(fù)誤差大致平衡。
    (1)基于紋理特征的高頻子帶分級(jí)量化方案設(shè)計(jì)
    在遙感圖像進(jìn)行JPEG2000無損壓縮過程中，圖像經(jīng)過n級(jí)5／3整數(shù)小波變換后，被分解成3n個(gè)高頻子帶HHj，HLi和LHi(j=l，2，3，…，n，其中n為分解級(jí)數(shù))和一個(gè)低頻子帶LL。其中LL子帶的數(shù)據(jù)量雖然不是很大，但卻承載著整個(gè)圖像的亮度信息，HHj，HLj和LHj子帶則包含了圖像的高頻信息。因此，對(duì)于LL子帶中的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行量化步長為1的無損壓縮，將該子帶中的小波系數(shù)直接送入EBCOT編碼器并進(jìn)行位平面編碼和算術(shù)編碼；高頻子帶中的小波系數(shù)數(shù)據(jù)量雖然較大，卻只是用來描述圖像的細(xì)節(jié)信息，可以將該子帶進(jìn)一步劃分為4×4的塊，采用塊內(nèi)方差作為塊的紋理復(fù)雜度和重要性的度量，區(qū)分為平坦區(qū)域、次紋理區(qū)域和紋理區(qū)域。其中，平坦區(qū)域?yàn)樽訋е邢禂?shù)均勻分布，且變化很小的區(qū)域；次紋理區(qū)域包括部分性質(zhì)均勻區(qū)域和紋理變化適度的區(qū)域；紋理區(qū)域則為系數(shù)紋理性質(zhì)較強(qiáng)和結(jié)構(gòu)邊緣或邊界區(qū)域。
    高頻子帶中平坦區(qū)域小波系數(shù)數(shù)據(jù)量小，進(jìn)行粗量化后對(duì)圖像恢復(fù)質(zhì)量的影響較小，因此取量化步長△3對(duì)該區(qū)域小波系數(shù)進(jìn)行量化；次紋理區(qū)域?yàn)榧y理區(qū)域到平坦區(qū)域的過渡部分，數(shù)據(jù)量相對(duì)比平坦區(qū)域多，因此取量化步長△2對(duì)其小波系數(shù)進(jìn)行量化；紋理區(qū)往往為重要的目標(biāo)信息，對(duì)圖像質(zhì)量的影響較大，因此必須進(jìn)行精細(xì)量化，取量化步長為△1。經(jīng)過量化處理后，將新的高頻子帶小波數(shù)劃分成編碼塊(code-block)后送入EBCOT編碼器和算術(shù)編碼器中進(jìn)行編碼，最終形成JPEG2000碼流格式。
    在解碼器端，由于采用本方法壓縮后，碼流組織為JPEG2000碼流結(jié)構(gòu)，可以將其直接進(jìn)行JPEG2000解碼，獲取恢復(fù)圖像。
    (2)量化步長的選取
    量化步長的選取可以根據(jù)子帶的統(tǒng)計(jì)特性和最小失真，計(jì)算出量化步長的最優(yōu)值；實(shí)際應(yīng)用中可先選取初始量化器，根據(jù)實(shí)際圖像壓縮過程，驗(yàn)證各量化步長與壓縮性能指標(biāo)PSNR和CR(峰值信噪比和壓縮比)的關(guān)系，經(jīng)過多次調(diào)整量化步長最終確定較優(yōu)值。

3 仿真結(jié)果及分析
    選取衛(wèi)星遙感圖像中截取的512×512、8bit灰度圖像作為測(cè)試圖像(如圖1所示)，其中圖像(a)為航拍遙感圖像，(b)為衛(wèi)星遙感圖像。

小波變換濾波器為Daubechies(5／3)濾波器組，進(jìn)行3級(jí)離散小波變換。表1給出的是上面兩幅遙感圖像采用JPEG2000無損壓縮后的測(cè)試數(shù)據(jù)。由于無損壓縮，圖像可以完全重構(gòu)，PSNR趨近于無窮大。所以采用壓縮重構(gòu)時(shí)間、壓縮比為圖像壓縮的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，具體數(shù)據(jù)如表1。表2給出上面兩幅遙感圖像采用高頻子帶分級(jí)量化后的測(cè)試數(shù)據(jù)。采用分級(jí)量化方案對(duì)遙感圖像進(jìn)行壓縮，由于高頻子帶采用大于l的量化步長．勢(shì)必產(chǎn)生一定的失真；另外，分級(jí)量化后的參數(shù)整數(shù)化處理也引入了部分失真。因此，在評(píng)價(jià)此方案的壓縮性能時(shí)采用壓縮和重構(gòu)時(shí)間、峰值信噪比、壓縮比為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

由表l和表2可知，與JPEG2000無損壓縮方法相比較，分級(jí)量化方法在圖像壓縮性能上有了明顯提高；盡管引入了部分高頻子帶系數(shù)的失真，峰值信噪比有所下降，但是采用本文方案重建的圖像質(zhì)量均可達(dá)到40db，人眼很難分辨出圖像的失真。因此，本方案能滿足遙感圖像壓縮的要求。

采用分級(jí)量化方法對(duì)遙感圖像進(jìn)行高保真壓縮和重構(gòu)，運(yùn)算時(shí)間均有所增加。由于在編碼過程中，將高頻子帶分塊，計(jì)算每個(gè)子塊的方差并對(duì)其進(jìn)行量化；解碼過程中，需要判斷高頻子帶子塊的紋理屬性，也通過計(jì)算方差并與閾值進(jìn)行比較。因此，此方法在一定程度上增加了算法的復(fù)雜度。

4 結(jié)論
    本文在JPEG2000無損壓縮的框架上，增加了一種遙感圖像高頻子帶分級(jí)量化方案，實(shí)驗(yàn)表明其實(shí)現(xiàn)簡單，壓縮效果良好?？梢姡摲椒ㄔ?strong>遙感圖像高保真壓縮方面具有良好的效果。