СПОСОБ АППАРАТНОГО СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ СЪЕМОЧНОЙ АППАРАТУРЫ СКАНИРУЮЩЕГО ТИПА
METHOD OF HARDWARE COMPRESSING DIGITAL IMAGE FOR SHOOTING EQUIPMENT OF SCANNING TYPE

Изобретение относится к области обработки изображения, в частности, к способам сжатия цифрового изображения, и может быть использовано в съемочной аппаратуре сканирующего типа космических аппаратов (КА), предназначенных для дистанционного зондирования Земли.
В связи с разработкой цифровых технологий передачи и обработки изображений, видеосигналов, а также с применением в аппаратах дистанционного зондирования поверхности Земли продольных ПЗС-сканеров, требующих большого количества (несколько десятков тысяч) фоточувствительных датчиков, считывающих сигналы одновременно, встает вопрос хранения и предварительного сжатия цифровых видеоизображений на борту КА.
Известен способ аппаратного сжатия цифрового изображения в съемочной аппаратуре КА Pleiades-HR [1], основанный на функции вейвлет-преобразования и разработанный в международном стандарте JPEG2000 [2], который по сущности наиболее близок к предлагаемому изобретению и выбран нами в качества прототипа.
0
b
В этом способе сжатия цифрового изображения задают значение требуемого числа бит при сжатии S, значения весовых коэффициентов γ для различных частотных диапазонов и сохраняют их в буфере, построчно накапливают в буфере кадры изображения и поочередно передают полные кадры изображения на вход модуля сжатия. Преобразовывают цифровой сигнал кадра посредством многоуровневого дискретного вейвлет-преобразования по методу Маллата. На каждом уровне за первый проход одновременно преобразуют строки кадра с получением высокочастотных (Н) и низкочастотных (L) коэффициентов вейвлет-преобразования, за второй проход преобразуют столбцы кадра с получением высокочастотных (Н) и низкочастотных (L) коэффициентов вейвлет-преобразования. На последующих уровнях преобразованию подвергаются только низкочастотные (L) коэффициенты вейвлет-преобразования.
В частности, для выполнения 4-уровневого вейвлет-преобразования необходимо совершить 8 проходов с промежуточным сохранением всех результатов и в результате получить 13 наборов вейвлет-коэффициентов при разной частоте (фиг. 1).
i
i
0
b
i
После осуществляют скалярное квантование полученных коэффициентов вейвлет-преобразования, используя значения коэффициентов квантования k для разных частотных диапазонов, с получением квантованных коэффициентов. Коэффициенты квантования k определяются заданными значениями требуемого числа бит при сжатии S и значениями весовых коэффициентов γ для различных частотных диапазонов. Для всех кадров информации значения коэффициентов квантования k постоянны.
Далее квантованные вейвлет-коэффициенты подвергают бит-ориентированному арифметическому кодированию и получают сжатое изображение в виде битового потока.
0
Полученный битовый поток анализируют, сортируют в порядке убывания значимости бит, после чего на выход модуля сжатия передают S наиболее значимых бит.
Способ позволяет производить сжатие потока цифровой информации со скоростью 25 мегапикселей в секунду и сжимать изображения разрядности 11-12 бит с коэффициентами сжатия 2-20 с потерями с удовлетворительным качеством декодированного изображения и ~ 2 - без потерь.
Недостатком данного способа сжатия является низкая скорость сжатия из-за использования большого количества проходов при вейвлет-преобразовании, необходимости промежуточного сохранения большого объема обрабатываемых данных, а так же из-за наличия трудоемкой и длительной операции анализа и сортировки информации.
Задача изобретения состоит в увеличении скорости сжатия цифрового изображения при сохранении высоких значений коэффициентов сжатия и удовлетворительного качества декодированного изображения.
0
b
0
i
i
i
Для решения поставленной задачи предложен способ аппаратного сжатия цифрового изображения для съемочной аппаратуры сканирующего типа заключающийся в том, что задают значение требуемого числа бит при сжатии S, значения весовых коэффициентов γ для различных частотных диапазонов и сохраняют их в буфере, там же построчно накапливают полные кадры цифрового изображения и поочередно передают их на вход модуля сжатия для многоуровневого преобразования цифрового сигнала кадра посредством многократного применения одномерного дискретного вейвлет-преобразования с получением набора коэффициентов вейвлет-преобразования в разных частотных диапазонах, далее осуществляют скалярное квантование коэффициентов вейвлет-преобразования с получением квантованных коэффициентов, путем побитового арифметического кодирования квантованных коэффициентов получают сжатое изображение в виде битового потока, в отличие от прототипа, дополнительно задают значение коэффициента потерь Q и сохраняют его в буфере, многократное применение одномерного дискретного вейвлет-преобразования осуществляют в два прохода: за первый проход производят все уровни преобразования по строкам кадра изображения, за второй проход производят все уровни преобразования по столбцам кадра изображения, скалярное квантование коэффициентов вейвлет-преобразования производят с учетом коэффициентов квантования k, определяемых из соотношения , где Q - коэффициент потерь, i - порядковый номер кадра, i=1…n, подсчитывают число бит в сжатом цифровом изображении кадра, рассчитывают коэффициент потерь текущего кадра , рассчитанные значения Q передают для скалярного квантования следующего кадра изображения.
Выполнение в предложенном способе многоуровневого преобразования цифрового сигнала кадра посредством многократного применения одномерного дискретного вейвлет-преобразования в два прохода: за первый проход производят все уровни преобразования по строкам кадра изображения, за второй проход производят все уровни преобразования по столбцам кадра изображения, позволило сократить количество проходов обработки изображения кадра и увеличить скорость сжатия цифрового изображения.
i
i
Используя число бит S, полученное при обработке кадра, получают коэффициент потерь текущего кадра Q, который учитывают при скалярном квантовании последующего кадра, что позволяет исключить трудоемкую, длительную операцию анализа и сортировки битового потока, и приводит к увеличению скорости сжатия изображения при сохранении высоких значений коэффициента сжатия и качества декодированного изображения.
b
На фиг. 1 представлено 4-уровневое дискретное вейвлет-преобразование Маллата. На фиг. 2 приведена блок-схема модуля сжатия. На фиг. 3 приведена схема первого прохода 4-уровневого дискретного вейвлет-преобразования (над строкой изображения). На фиг. 4 показано 4-уровневое дискретное вейвлет-преобразование, используемое в способе аппаратного сжатия цифрового изображения для съемочной аппаратуры сканирующего типа. На фиг. 5 представлена таблица весовых коэффициентов γ для разных частотных диапазонов.
0
b
0
0
b
0
Предложенный способ реализован следующим образом: задают значения требуемого числа бит при сжатии S, весовых коэффициентов γ для различных частотных диапазонов, коэффициент потерь Q и сохраняют их в буфере. Также в буфере построчно накапливают кадры изображения, а потом поочередно передают их и все сохраненные значения S, γ, Q коэффициентов на вход модуля сжатия 1 (фиг. 2).
Многоуровневое преобразование цифрового сигнала кадра выполняют в преобразователе 2 посредством многократного применения одномерного дискретного вейвлет-преобразования (1D_DWT) в два прохода. За первый проход проводят все уровни дискретного вейвлет-преобразования по строкам (см. фиг. 3) с получением для каждого уровня высокочастотных (Н) и низкочастотных (L) коэффициентов вейвлет-преобразования. На первом уровне обрабатывают весь кадр изображения, на последующий уровнях - только низкочастотные (L) коэффициенты вейвлет-преобразования. За второй проход производят все аналогичные уровни преобразования по столбцам кадра изображения.
В частности, для выполнения 4-уровневого дискретного вейвлет-преобразования необходимо совершить всего 2 прохода с одним промежуточным сохранением результатов и получить 25 наборов вейвлет-коэффициентов при разной частоте (фиг. 4).
b
i
Далее в квантователе 3 (фиг. 2) осуществляют скалярное квантование полученных коэффициентов вейвлет-преобразования с учетом коэффициентов квантования, определяемых из соотношения , где γ - весовые коэффициенты для различных частотных диапазонов, Q - коэффициент потерь, i - порядковый номер кадра, i=1…n, .
i
i
i-1
i
0
В кодировщике 4 путем побитового арифметического кодирования квантованных вейвлет-коэффициентов получают сжатое изображение в виде битового потока, который подается на выход модуля сжатия 1 и на калькулятор 5, где подсчитывают число бит S в сжатом цифровом изображении кадра, рассчитывают коэффициент потерь Q текущего кадра , где Q - значение коэффициента потерь для предыдущего кадра, S - число бит полученное после сжатия текущего кадра информации, S - требуемое число бит при сжатии кадра информации.
i
Рассчитанное значение коэффициента потерь Q текущего кадра передают в квантователь 3 для скалярного квантования следующего кадра изображения.
i
i
0
Таким образом, учитывая изменение коэффициента потерь Q, обеспечивается равенство среднего числа бит S, заданному числу бит S.
Восстановление изображения (декодирование) производят в обратном порядке.
Данный способ аппаратного сжатия цифрового изображения для съемочной аппаратуры сканирующего типа позволил сжимать поток цифровой информации со скоростью ПО мегапикселей в секунду, что в ~ 4раза превышает данные прототипа, а также сжимать изображения разрядности 11-12 бит с коэффициентами сжатия от 2 до 20-ти с потерями с удовлетворительным качеством восстановленного изображения и ~ 2 без потерь, при этом наилучшее качество наблюдается при коэффициентах сжатия до 10.
Источники информации
1. Bormin Huang, Satellite Data Compression, Springer New York Dordrecht Heidelberg, Лондон, 2011, p. 33-45.
2. Taubman D. S. and Marcellin M. W., JPEG 2000: Fundamentals, Standards and Practice. Kluwer Academic Publishers, Boston, 2002.