CN102769744A - 一种卫星图像的编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星图像的编码方法。本发明对现有JPEG2000标准的卫星图像编码方法进行了改进，在层一编码时，首先根据有效位平面数的大小，调整编码块的编码顺序，使其从最大位平面数到最小平面数依次编码；然后根据率失真斜率的属性通过提出的公式得到率失真斜率的阈值，将其作为层一编码的门限值提前截断冗余通道；通过丢掉小于此门限值的编码通道，可大大减少层一部分的计算量和存储量，但是几乎没有改变卫星图像的峰值信噪比，而且由于层一部分不需要编码所有的编码通道，提高了编码效率和速度。

Description

一种卫星图像的编码方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种卫星图像的编码方法。

背景技术

卫星图像作为获得信息的重要载体之一，在航空航天、气象观测等领域中有着不可或缺的作用。由于卫星下行信道带宽的有限，而卫星图像的数据量又不断地增加，使得大量数据必须经过压缩编码后才能满足传输和存储的需求。研究适合星载环境应用的低复杂度、少存储量和高速的编码方法成为一项重要技术。

对于卫星图像而言，JPEG2000是一种理想的卫星图像压缩编码方法。目前JPEG2000标准的编码方法复杂度很高，影响了它的应用。其复杂度大部分是源于带优化截断的嵌入式块编码（EBCOT）码率控制方法。EBCOT是由层一编码和层2编码和码率控制两个部分组成。层一编码约占JPEG2000编码器45%-60%的计算时间，减少层一的计算量将大大减少编码***的处理时间。层2部分采用压缩后率失真优化方法（PCRD）进行码率控制。但这种方法需要对层一的所有数据进行编码，并且储存所有编码码流。而在低码率时，有大量编码扫描过的通道是不会被包含进最终码流中。

针对标准码率控制方法存在的不足，许多学者提出了新的码率控制方法。如文献[T. Masuzaki, H. Tsutsui, T.Izumi, T.Onoye, and Y.Nakamura. JPEG2000 adaptive rate control for embedded systems [J]. Proc.IEEE Int.Symp.Circuits and Systems, 2002, 4:333-336.]提出的基于训练图像JPEG2000的快速码率控制方法，文献[LI Qi-hu, ZHANG Yan-yan, REN Guo-qiang, et al. A New Rate Adaptive Control Algorithm for JPEG2000 [J]. 2010 International Conference on Multimedia Information Networking and Security. 2010, Page(s): 23-27.] 提出的一个新的码率控制方法，专利号为200410026016.6的实时截断的JPEG2000速率控制方法，专利号为200710018190.x的基于码率预分配的JPEG2000自适应率控制***及方法等，这些论文和发明都显著地提高了JPEG2000的编码效率，但是码率控制不够精确，恢复图像的PSNR有明显下降。文献[Y. M. Yeung, and Oscar C. Au. Efficient Rate Control for JPEG2000 Image Coding [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 2005, 15(3): 335-344.]和文献[王超, 王炯. 一种有效的JPEG2000压缩率控制方法 [J]. 东华大学学报(自然科学版), 2011, 第37卷(第1期): 76-80.]提出的方法是依据编码过程更新最小斜率值来实现码流控制，此类方法可以保证较好的图像质量，但依然需要大量计算，并且需要保存率失真函数的斜率值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有基于JPEG2000标准的编码方法复杂度高、存在大量的计算冗余、需保存数据量大、对硬件要求苛刻的不足，提供一种卫星图像编码方法，在JPEG2000标准基础上，对层一编码进行改进，在保持卫星图像的峰值信噪比几乎不变的前提下，通过提出的公式计算率失真斜率的阈值，作为层一编码时的门限值， 提前截断冗余通道，可减少卫星图像编码时的计算量和存储量，降低复杂度，提高编码效率和速度。

本发明具体采用以下技术方案：

一种卫星图像的编码方法，包括以下步骤：

步骤1、原始卫星图像的预处理；

步骤2、离散小波变换；

步骤3、量化处理；

步骤4、层一编码；

步骤5、层二编码；

所述层一编码具体包括以下步骤：

1)、排序：

首先将量化子带系数分成较小尺寸的编码块；对各个编码块作相同位深度的有效位平面展开；然后按照有效位平面数从大到小的顺序，对各个编码块依次排序；若有效位平面数的大小相等，则按原顺序依次排序；对每个位平面在以下三个编码扫描通道上进行编码扫描：显著性传播扫描通道、幅度细化扫描通道和清除扫描通道，得到各个编码扫描通道的码率、系数比特和上下文信息；

2)、计算累加码率：

从第一个编码块开始，对排序后的编码块中每个位平面中每个通道的码率进行累加，得到累加码率；当每次累计一个通道，比较累加码率是否大于目标码率，若大于则不再对当前编码块中剩余的通道和当前编码块后剩余的编码块中的通道累计，转到下一步骤，否则继续累计下一个通道；

3)、对剩余通道的率失真斜率进行筛选：

从已编码的最后一个编码块开始，计算剩下编码块中通道的率失真斜率                                                

：

其中，j是通道序号，R _j 和R _j-1分别表示累计到j和j-1通道时的累计码率，D _j 和D _j-1分别表示j和j-1通道时产生的失真；

如果算出的当前编码块中本通道的率失真斜率

大于零且小于等于率失真斜率阈值，则丢弃当前编码块中小于等于

后面所有的通道，进行下一编码块的计算；否则，继续计算本编码块中下一个通道的率失真斜率；其中率失真斜率阈值

的计算公式如下：

                     

  

其中，为已编码的最后一个编码块的有效位平面数；

4) 对筛选出来的编码扫描通道的系数比特和上下文信息进行熵编码。

    本发明方法在层一编码时，首先根据有效位平面数的大小，调整编码块的编码顺序，使其从最大位平面数到最小平面数依次编码；然后根据率失真斜率的属性通过提出的公式得到率失真斜率值的阈值，将其作为层一编码的门限值；通过丢掉小于此门限值的编码通道，可大大减少层一部分的计算量和存储量，但是几乎没有改变卫星图像的峰值信噪比（PSNR），而且由于层一部分不需要编码所有的编码通道，提高了编码效率。

 附图说明

图1是JPEG2000标准编码方法的流程示意图；

图2 是本发明方法与PCRD方法的卫星图像的平均信噪比的百分比；

图3 是本发明方法与PCRD方法的卫星图像的平均计算量的百分比；

图4 是本发明方法与PCRD方法的卫星图像的平均存储量的百分比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

现有JPEG2000标准的编码方法的基本流程如图1所示，其复杂度大部分是源于带优化截断的嵌入式块编码（EBCOT）码率控制方法。EBCOT是由层一编码和层2编码和码率控制两个部分组成。层一编码约占JPEG2000编码器45%-60%的计算时间，减少层一的计算量将大大减少编码***的处理时间。层2部分采用压缩后率失真优化方法（PCRD）进行码率控制。但这种方法需要对层一的所有数据进行编码，并且储存所有编码码流。而在低码率时，有大量编码扫描过的通道是不会被包含进最终码流中。

本发明为了解决现有基于JPEG2000标准的卫星图像编码方法复杂度高、存在大量的计算冗余、需保存数据量大、对硬件要求苛刻的不足，对其层一编码部分进行了改进：首先根据有效位平面数的大小，调整编码块的编码顺序，使其从最大位平面数到最小为平面数依次编码；然后根据率失真斜率的属性通过提出的公式计算率失真斜率的阈值，作为层一编码时的门限值。率失真斜率的三个属性：①位平面高的率失真斜率大于位平面低的率失真斜率；②同一个位平面先编码的通道的率失真斜率大于后编码的通道的率失真斜率；③优化截断点确定以后，优化后的率失真斜率值大于等于编码块中最小率失真斜率值。即用优化后的率失真斜率值作为门限值可以提前截断冗余通道，通过丢掉小于此门限值的编码通道，减少层一部分的计算量和存储量，但是几乎没有改变卫星图像的峰值信噪比，而且由于层一部分不需要编码所有的编码通道，提高了编码效率。

本发明方法具体包括以下步骤：

1. 预处理

首先对卫星上图像传感器采集到的原始图像进行一些适当的预处理，包括颜色分量的变换处理、像素值电平移位处理和图像的分片处理。

2. 离散小波变换

对图像进行多级小波分解，产生一个低频带系数LL和多个高频带系数HL、LH、HH。其中LL频带是图像的低频信息，HL频带表示更多水平方向的高频信息，LH频带表示更多垂直方向的高频信息，HH频带表示对角方向的高频信息。LL是图像能量集中的频带, 高频带信息主要包括图像轮廓、边缘和纹理，表示图像的细节变化。

3. 量化

将填充分量进行小波变换后得到的子带系数精度进行调整，即通过调整量化步长的大小来改变表示一个小波子带系数所需的比特数，以调整和控制压缩图像码率的处理过程。量化步长越大，表征量化子带系数的比特数越少，因而编码码率越低；反之，量化步长越小，表征量化子带系数所需的比特数越多，编码码率越高。

4. 层一编码

本步骤具体包括：

1)、排序

首先将量化子带系数分成较小尺寸的编码块，编码块的高宽大小为4-1024范围内2的幂整数值，并且高宽之积小于4096，一般码块大小可设为64×64或32×32。各个编码块作相同位深度的有效位平面展开。然后根据各个码块有效位平面数numbps的大小，对各个编码块从最大numbps到最小numbps依次排序。若有效位平面数numbps的大小相等，则按原顺序依次排序。

在各个编码块中从最高位平面( MSB) 向最低位平面( LSB) 排序，然后对每个位平面按对重建图像质量的贡献大小分为三个编码扫描通道，即显著性传播扫描通道、幅度细化扫描通道和清除扫描通道，得到的各个编码扫描通道的码率、系数比特和上下文信息。每个位平面一般都需先后经过三次扫描，但由于最高有效位平面的所有系数及其邻域均不显著，因而只有清除扫描通道。因此，如果某个编码块的有效位平面数为n，则得到的通道总数为3n－2。

2)、计算累加码率

从第一个编码块开始，对排序后的编码块中每个位平面中每个通道的码率进行累加，得到累加码率。当每次累计一个通道，比较累加码率是否大于目标码率，若大于则不再对当前编码块中剩余的通道和当前码块后剩余的编码块中的通道累计，转到下一步骤，否则继续累计下一个通道。

3)、计算率失真斜率阈值

算出已编码的编码块的最小有效位平面数

，因编码块是按有效位平面数由大到小依次排序，所以只需找到步骤2)中已编码块的最后一个编码块的有效位平面数就是最小有效位平面的值

。用求出率失真斜率阈值

，公式如下：

                                                                                              (1)

4)、对剩余通道的率失真斜率进行筛选

从步骤2)中已编码的最后一个编码块开始，继续计算步骤2）剩下编码块中通道的率失真斜率

。

                          

                                                       （2）

其中，j是通道序号，R _j 和R _j-1分别表示累计到j和j-1通道是的累计码率，D _j 和D _j-1分别表示j和j-1通道时产生的失真（或者叫做均方误差）。

由于一个编码块中通道的率失真斜率呈下降趋势，如果算出的当前编码块中本通道的率失真斜率

大于零（实际编码过程中会有奇异点，虽然奇异点的值是小于等于零，但其后面的编码通道的

值很大可能是大于

）且小于等于率失真斜率阈值

，则丢弃当前码块中小于等于

后面所有的通道，进行下一编码块的计算。否则，继续计算本码块中下一个通道的率失真斜率。

5) 熵编码

对以上四步筛选出来的通道的系数比特和上下文信息进行熵编码，采用jpeg2000中来源于JBIG2 标准的 MQ 编码器。MQ编码器是一种基于上下文的自适应二进制算术编码器。

5. 层2编码

层2编码阶段的输入是层一阶段产生的各个码块每个通道编码数据的集合。层2负责输入码流的按质量分层和打包处理，并按一定的顺序和格式将数据包组织为最后的输出码流。为了使压缩码流具有质量上的可伸缩性，JPEG2000 将各码块的所有位平面编码通道的编码码流按其对图像质量的有用性分为若干层次，称为质量层。每个层包含每个码块的贡献。码率控制部分将决定在各层编码码流中应该包含各码块的哪些编码通道。

JPEG2000层2的码率控制方法是PCRD方法，其过程作简单概括如下：

1）图像的总体失真D可表示为各编码块失真的总和，即

                         

                                                                    （3）

式中：

是码块的序号，是第

个码块的截断点，

是码块在截断点处截断时产生的失真，它是该码块中截断点前所有通道的失真之和。

2）图像的总码率R表示为各码块码率的总和，即

                         

                                                                   （4）

式中：是码块在截断点

处截断时的码率，它是该码块中截断点前所有通道的码率之和。

3）率失真优化，在满足

的条件下，找出各个编码块的适当截断点

，使得图像的总体失真 D达到最小，其中

是目标码率（预先设定）。可利用拉格朗日乘子法来解决这个问题，如公式（5）。在满足

的条件下，通过调节参数

，找到适当的点的集合。

   

                                                               （5）

式中：

是码块的序号，是第

个编码块

的截断点，

是编码块

在截断点

处截断时产生的失真，它是该码块中截断点前所有通道的码率之和。

是编码块

在截断点

处截断时的码率，它是该码块中截断点前所有通道的码率之和。

由以上步骤可知，编码块在层一编码时，通过公式求出的率失真斜率阈值

作为门限值，可以提前截断大量最终在层2会被丢掉的编码通道，这将会大大减少层一编码部分的计算量和存储量，同时也缩小了层2部分搜索最优率失真斜率门限和最优截断点的范围。因此，本发明的编码方法不管是编码时间还是资源的损耗等方面都要好于传统JPEG2000中推荐的PCRD方法。

为了验证本发明方法的效果，使用JPEG2000标准中PART5提供的Jasper软件实现本发明的编码方法。所用图像为卫星图像，表1是本发明方法与PCRD方法的PSNR值比较，其中的6幅图像是从25幅卫星图像随机选取的。其中A是PCRD方法，B是本方法。实验参数选用5/3小波，6层小波分解，码块大小为64×64。图2、图3、图4分别为采用本发明方法与PCRD方法对卫星图像进行编码时的信噪比、平均计算量、平均存储量情况，其中Conventional表示现有的PCRD方法，Proposed表示本发明方法。

表1本方法与PCRD方法的PSNR值比较

(1) 图像的信噪比，从表1和图2中都可以看出本方法的PSNR（峰值信噪比）与传统方法的PSNR相比几乎没有改变，只是在1.0bpp时略有下降，但是在2.0bpp时又略高于传统方法，所以本方法可以获得很好的图像质量。

(2) 方法的计算量，使用层一编码的编码通道数量来衡量。图3是在不同的码率条件下，25幅卫星图像用本方法与PCRD方法实现码率控制后层一部分的平均计算量的百分比。由图可见，本方法在没改变信噪比的前提下，大大减少了编码通道的数量。在0.5bpp时，就已下降约51%的通道数量。可见，本方法可以有效的减少层一的计算量。

(3) 方法的存储量，使用层一编码中存储的码流字节数来衡量。在不同码率下，图4是本方法与PCRD方法实现码率控制后层一部分的平均存储量的百分比。由图可知，随着码率的下降，层一编码部分的存储量也随之下降。在0.125bpp时，本方法的存储量约占PCRD存储量的26%。因此，大大减少了卫星图像编码所需的内存量。

相比现有基于JPEG2000标准的编码方法，本发明方法可实现更为简单、有效的码率控制，在卫星图像保持原有的信噪比的情况下，通过简单的方法求得的门限值，提前截断小于门限值的编码通道，可大大减少了层一的冗余度，同时也缩小了层2搜索最优率失真斜率门限值和最优截断点的范围，从而减少了卫星图像的计算量和存储量。因其方法简单，易于硬件的实现，具有良好的应用前景。

Claims (4)

1.一种卫星图像的编码方法，包括以下步骤：

步骤1、原始卫星图像的预处理；

步骤2、离散小波变换；

步骤3、量化处理；

步骤4、层一编码；

步骤5、层二编码；

其特征在于，所述层一编码具体包括以下步骤：

1)、排序：

首先将量化子带系数分成较小尺寸的编码块；对各个编码块作相同位深度的有效位平面展开；然后按照有效位平面数从大到小的顺序，对各个编码块依次排序；若有效位平面数的大小相等，则按原顺序依次排序；对每个位平面在以下三个编码扫描通道上进行编码扫描：显著性传播扫描通道、幅度细化扫描通道和清除扫描通道，得到各个编码扫描通道的码率、系数比特和上下文信息；

2)、计算累加码率：

从第一个编码块开始，对排序后的编码块中每个位平面中每个通道的码率进行累加，得到累加码率；当每次累计一个通道，比较累加码率是否大于目标码率，若大于则不再对当前编码块中剩余的通道和当前编码块后剩余的编码块中的通道累计，转到下一步骤，否则继续累计下一个通道；

3)、对剩余通道的率失真斜率进行筛选

从已编码的最后一个编码块开始，计算剩下编码块中通道的率失真斜率                                               

：

其中，j是通道序号，R _j 和R _j-1分别表示累计到j和j-1通道时的累计码率，D _j 和D _j-1分别表示j和j-1通道时产生的失真；

如果算出的当前编码块中本通道的率失真斜率

大于零且小于等于率失真斜率阈值

，则丢弃当前编码块中小于等于

后面所有的通道，进行下一编码块的计算；否则，继续计算本编码块中下一个通道的率失真斜率；其中率失真斜率阈值

的计算公式如下：

其中，为已编码的最后一个编码块的有效位平面数；

4) 对筛选出来的编码扫描通道的系数比特和上下文信息进行熵编码。

2.如权利要求1所述卫星图像的编码方法，其特征在于，所述熵编码采用jpeg2000标准的MQ编码器。

3.如权利要求1所述卫星图像的编码方法，其特征在于，所述较小尺寸的编码块具体是指：编码块的高宽大小为4-1024范围内2的幂整数值，并且高、宽之积小于4096。

4.如权利要求3所述卫星图像的编码方法，其特征在于，所述编码块的大小为64×64或32×32。

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