Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АППАРАТНОГО СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ СЪЕМОЧНОЙ АППАРАТУРЫ СКАНИРУЮЩЕГО ТИПА

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.

В этом способе сжатия цифрового изображения задают значение требуемого числа бит при сжатии S₀, значения весовых коэффициентов γ_b 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).

После осуществляют скалярное квантование полученных коэффициентов вейвлет-преобразования, используя значения коэффициентов квантования k_i для разных частотных диапазонов, с получением квантованных коэффициентов. Коэффициенты квантования k_i определяются заданными значениями требуемого числа бит при сжатии S₀ и значениями весовых коэффициентов γ_b для различных частотных диапазонов. Для всех кадров информации значения коэффициентов квантования k_i постоянны.

Далее квантованные вейвлет-коэффициенты подвергают бит-ориентированному арифметическому кодированию и получают сжатое изображение в виде битового потока.

Полученный битовый поток анализируют, сортируют в порядке убывания значимости бит, после чего на выход модуля сжатия передают S₀ 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.

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 S₀, значения весовых коэффициентов γ_b 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 Q₀ 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_i, определяемых из соотношения , где Q_i - 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_i 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.

Используя число бит S_i, полученное при обработке кадра, получают коэффициент потерь текущего кадра Q_i, 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.

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_b для разных частотных диапазонов.

Предложенный способ реализован следующим образом: задают значения требуемого числа бит при сжатии S₀, весовых коэффициентов γ_b для различных частотных диапазонов, коэффициент потерь Q₀ и сохраняют их в буфере. Также в буфере построчно накапливают кадры изображения, а потом поочередно передают их и все сохраненные значения S₀, γ_b, Q₀ 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).

Далее в квантователе 3 (фиг. 2) осуществляют скалярное квантование полученных коэффициентов вейвлет-преобразования с учетом коэффициентов квантования, определяемых из соотношения , где γ_b - весовые коэффициенты для различных частотных диапазонов, Q_i - коэффициент потерь, i - порядковый номер кадра, i=1…n, .

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_i в сжатом цифровом изображении кадра, рассчитывают коэффициент потерь Q_i текущего кадра , где Q_i-1 - значение коэффициента потерь для предыдущего кадра, S_i - число бит полученное после сжатия текущего кадра информации, S₀ - требуемое число бит при сжатии кадра информации.

Рассчитанное значение коэффициента потерь Q_i текущего кадра передают в квантователь 3 для скалярного квантования следующего кадра изображения.

Таким образом, учитывая изменение коэффициента потерь Q_i, обеспечивается равенство среднего числа бит S_i, заданному числу бит S₀.

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.