基于JPEG2000的機載偵察系統(tǒng)圖像編碼關鍵技術研究.pdf

1、現(xiàn)代戰(zhàn)爭是高科技的信息戰(zhàn)，如何準確及時地獲取信息將是制勝的重要因素。人類通過感知器官獲取的信息中，圖像信息占據(jù)了信息總量的60％以上，圖像信息具有十分重要的軍事價值，圖像偵察是主要的軍事偵察手段之一。隨著戰(zhàn)爭突發(fā)性的增加、軍事行動節(jié)奏的加快、精確武器的發(fā)展及其作用范圍的增大，對偵察圖像的分辨率和清晰度提出了更高的要求，從而導致圖像數(shù)據(jù)的急劇增長，給圖像數(shù)據(jù)的實時存儲和傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，本文基于最新的JPEG2000靜態(tài)圖像壓縮

2、標準，研究機載偵察系統(tǒng)圖像編碼的關鍵技術，以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭對圖像情報信息準確及時的獲取、存儲與傳輸?shù)男枨蟆?br>　　首先，本文深入研究了JPEG2000的編碼原理和工作過程，并就其中的關鍵技術：圖像分量變換、離散小波變換、量化以及算術編碼等進行了仔細分析。著重研究了彩色圖像分量的兩種變換；探討了JPEG2000標準推薦的兩種離散小波變換和邊界延拓等問題；提出了一種合理有效的量化方法；解釋了基于上下文環(huán)境的自適應二進制算術編碼過程，并給出

3、了嵌入式環(huán)境下的具體實現(xiàn)算法。為后續(xù)基于JPEG2000的應用研究奠定了基礎。
　　其次，為了提高對偵察圖像的編碼性能，本文著重研究了JPEG2000的核心技術――小波變換。傳統(tǒng)的線性小波分解不能很好的保留圖像的邊緣等細節(jié)信息，在圖像低頻重構時，細節(jié)信息丟失嚴重，邊緣比較模糊；而對于高頻分量，在躍變點處會出現(xiàn)大的小波系數(shù)，不利于圖像壓縮。對于航空偵察圖像這類空間相關性比較差、細節(jié)信息豐富的圖像來說，上述缺陷尤為突出。為了解決這類問

4、題，提出了一種基于提升格式的雙自適應小波變換方法。在該變換方法中，根據(jù)局部信息自適應地將圖像分為平滑區(qū)域和非平滑區(qū)域，在不同區(qū)域選取不同的更新和預測函數(shù)，以保持低頻圖像分量邊緣等細節(jié)信息不被平滑，同時又防止在高頻圖像分量上出現(xiàn)大的小波系數(shù)，改善偵察圖像的編碼性能，提高偵察圖像的重構質量。通過在JPEG2000中的實驗結果表明，用該方法進行圖像分解，低頻近似圖像保留了細節(jié)信息，邊緣清晰；而且對雙自適應小波變換后的圖像壓縮，性能優(yōu)于JPEG

5、2000的5/3小波和9/7小波，峰值信噪比提高1-3dB。
　　然后，對自適應小波變換及量化后的系數(shù)進行熵編碼概率建模。因為在JPEG2000圖像編碼中，熵編碼是基于上下文環(huán)境的自適應二進制算術編碼，熵編碼的性能取決于待編碼符號的概率模型。JPEG2000采用當前系數(shù)的8鄰域狀態(tài)組成當前系數(shù)的上下文環(huán)境，每個鄰域可以有重要與不重要兩種取值，總共有256種上下文環(huán)境，根據(jù)一定的規(guī)則對這些上下文環(huán)境進行優(yōu)化聚類，最終縮減到19個。J

6、PEG2000的19個上下文環(huán)境是在對9/7和5/3小波變換系數(shù)進行概率統(tǒng)計的基礎上優(yōu)化聚類得到的，對于自適應小波變換后的系數(shù)，這19個上下文環(huán)境不能反應系數(shù)的統(tǒng)計特性，已不是最優(yōu)的選擇。因此，本文提出了基于條件熵增量最小化的概率建模方法，該方法根據(jù)上下文環(huán)境合并會導致條件熵增加的原理，以最小化條件熵增量為度量，對所有上下文環(huán)境進行優(yōu)化聚類。實驗表明，通過基于條件熵增量最小化方法的概率建模，熵編碼性能得到較大優(yōu)化，同時上下文環(huán)境從19個

7、減少到15個，降低了編碼復雜度。
　　另外，本文還對JPEG2000中的感興趣區(qū)域編碼和碼率分配進行了研究。在分析了JPEG2000中兩種感興趣區(qū)域編碼方法存在的局限后，基于人類視覺系統(tǒng)的特點，提出了非均勻下移位的感興趣區(qū)域編碼方法；通過將上述方法應用到圖像的時域和頻域進行仿真證明，在不增加壓縮碼流的條件下，優(yōu)先保證了感興趣區(qū)域的圖像質量。隨后，深入分析了壓縮碼流的碼率分配和控制過程，就其存在的問題進行了改進，提高了碼率分配效率。

8、并從另一個應用角度，提出了一種新的碼率分配算法――基于峰值信噪比的碼率分配算法，優(yōu)先考慮編碼后圖像質量，在給定峰值信噪比的條件下，分配和控制碼率，使最終形成的壓縮碼流長度盡量的短。
　　最后，在現(xiàn)有器件條件的基礎上，設計并實現(xiàn)了一個基于FPGA和雙DSP的嵌入式圖像編碼硬件平臺。通過前端圖像采樣模塊，實現(xiàn)了PAL制式模擬視頻的數(shù)字化采集，采用TI的DSP芯片C6000進行JPEG2000編碼，并經(jīng)DSP芯片C5000打包傳輸，完成