楊帥

摘要：針對(duì)測控裝備圖像傳輸中無損壓縮的問題，提出了一種基于改進(jìn)IZO（Lempel-Ziv-Oberhumer）的高靈敏度圖像無損壓縮方法。分析了無損壓縮算法原理，根據(jù)高靈敏度圖像特點(diǎn)，利用中值邊緣預(yù)測消除空間冗余，改進(jìn)IZO算法流程。試驗(yàn)表明：改進(jìn)算法無損壓縮效率高，性能穩(wěn)定，能夠滿足任務(wù)圖像實(shí)時(shí)無損的傳輸需求。

關(guān)鍵詞：無損壓縮；LZO算法；預(yù)測編碼；圖像傳輸

0引言

近年來，空間目標(biāo)監(jiān)測與軌道預(yù)報(bào)任務(wù)日益增多，光電測控設(shè)備以其測量精度高和中高軌探測能力強(qiáng)的特點(diǎn)在這個(gè)領(lǐng)域中扮演重要角色。隨著設(shè)備遠(yuǎn)程控制與無人值守的需求愈加強(qiáng)烈，能夠在遠(yuǎn)端接收高靈敏度相機(jī)采集到的實(shí)時(shí)任務(wù)圖像成為光電測控領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)難題。為保證空間目標(biāo)在任務(wù)圖像中被準(zhǔn)確識(shí)別和定位，圖像傳輸過程中既要保證實(shí)時(shí)性，同時(shí)要求保留所有圖像細(xì)節(jié)，即無損傳輸。以25 Hz采集分辨率為1 k×1 k的8 bit高靈敏度圖像為例，每秒鐘產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)量為200 Mbit，對(duì)現(xiàn)有通訊鏈路信道帶寬帶來較大的傳輸壓力，數(shù)據(jù)在不經(jīng)壓縮處理的情況下很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。為此，本文分析了無損壓縮算法原理和高靈敏度圖像特點(diǎn)，提出一種基于改進(jìn)LZO的高靈敏度圖像無損壓縮方法。通過實(shí)驗(yàn)，分析了該方法的壓縮性能，為任務(wù)圖像的實(shí)時(shí)無損傳輸提供了理論基礎(chǔ)。

1圖像壓縮

1.1無損壓縮算法

無損壓縮算法就是利用原始數(shù)據(jù)中的冗余信息，采用特定的編碼機(jī)制，盡可能地消除這些冗余，使用更少的數(shù)據(jù)位元來表示信息，并且在對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)解壓還原時(shí)能夠保證所有信息不受損失，完全恢復(fù)壓縮前的數(shù)據(jù)。目前無損壓縮技術(shù)根據(jù)壓縮原理可以劃分為兩類：一類是基于統(tǒng)計(jì)頻率的無損壓縮算法，這類算法不考慮原始數(shù)據(jù)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性，單純統(tǒng)計(jì)字符頻率來對(duì)信息進(jìn)行編碼，包括Huffman編碼、游程編碼（RLC）和算術(shù)編碼等；另一類是基于字典查詢的無損壓縮算法，區(qū)別于前一類算法，既不預(yù)先統(tǒng)計(jì)頻率，也不使用變長位元數(shù)編碼，而是采用類似于字典查詢的方式，建立統(tǒng)一的索引規(guī)則，自適應(yīng)地建立”詞條”，對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的字符串使用”索引”來表示。這類算法考慮了數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，壓縮前原始數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性越高，壓縮效果越好。

區(qū)別于文本或其他形式數(shù)據(jù)，高靈敏度圖像的一個(gè)突出特點(diǎn)就是圖像中任何一個(gè)像素點(diǎn)都不是孤立的，并與周圍臨近的像素之間存在一定的關(guān)聯(lián)性。如圖1中所示，分別為一幀月球圖像和一幀某星團(tuán)圖像，觀察2幅圖像的灰度值可以發(fā)現(xiàn)，在絕大范圍的背景區(qū)域中，像素值相近或相等；在目標(biāo)成像的局部范圍內(nèi)，像素值變化趨勢(shì)一致。基于字典的壓縮算法能夠充分考慮圖像數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，重復(fù)數(shù)據(jù)索引距離越短，壓縮效率越高，并且支持邊載人數(shù)據(jù)邊編碼壓縮，在速度上更具優(yōu)勢(shì)，是圖像實(shí)時(shí)無損壓縮的最佳選擇。

自1977年Abraham Lempel和Jacob Ziv兩人發(fā)表IZ77算法以來，幾乎所有的字典類壓縮算法均是從LZ系列算法演變而來。其中，1984年Terry Welch發(fā)明的基于IZ78改進(jìn)的LZW算法和1996年Oberhumer提出的針對(duì)壓縮速度優(yōu)化的IZO算法最具代表性且使用最為廣泛。IZW算法與IZO算法壓縮原理上根本區(qū)別在于：IZO放棄使用最大匹配長度來進(jìn)行字符串搜索，而使用相對(duì)最長的原則，通過hash算法尋找匹配字符串，大幅度地提高壓縮速度；而LZW方面，面對(duì)新輸入的字符都要建立對(duì)應(yīng)的索引，在擴(kuò)充字典并出現(xiàn)位置占用時(shí)，只能依賴偏移尋找存儲(chǔ)位置，并且待處理的數(shù)據(jù)越多，需要建立的索引越大，最終造成壓縮速度的下降。