專利名稱：基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種成像光譜圖像的壓縮方法，特別涉及一種圖像處理領(lǐng)域的基于多
模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法。
背景技術(shù)：
遙感，即遙遠的感知，它是一種在遠離或不與目標對象直接接觸的情況下，通過某 種平臺上裝載的傳感器獲取有關(guān)特征信息，然后進行提取、處理及應(yīng)用分析的綜合性技術(shù)。 它集中了空間、電子、光學、計算機、生物和地學等學科的最新成就，是現(xiàn)代高新技術(shù)的重要 組成部分。 成像光譜技術(shù)是20世紀80年代迅速發(fā)展起來的一種新的遙感技術(shù)。它以納米級 的超高光譜分辨率在幾十到數(shù)百個波段同時對地表地物成像，將傳統(tǒng)的空間成像技術(shù)與地 物光譜技術(shù)有機結(jié)合在一起，為二維圖像增加了光譜維的信息，從而使人們能夠獲得地物 的連續(xù)光譜數(shù)據(jù)。 近年來，伴隨著成像光譜技術(shù)的發(fā)展，成像光譜圖像的空間和光譜分辨率不斷提 高，相應(yīng)的數(shù)據(jù)規(guī)模呈幾何級數(shù)增長。而星載設(shè)備具有體積、重量、功率、下行傳輸帶寬都嚴 格受限的特點，使得星載設(shè)備有限的存儲能力和信道容量與海量遙感數(shù)據(jù)存儲和傳輸需求 之間的矛盾日益突出，嚴重制約了成像光譜技術(shù)在衛(wèi)星遙感平臺上的應(yīng)用。而數(shù)據(jù)壓縮作 為解決這一問題的有效途徑，在遙感領(lǐng)域受到人們越來越多的重視。對遙感數(shù)據(jù)進行壓縮， 有利于節(jié)省通信信道，提高信息的傳輸速率；同時數(shù)據(jù)壓縮有利于實現(xiàn)保密通訊，提高系統(tǒng) 的整體可靠性。 通常數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可分為兩大類無損壓縮(lossless compression)技術(shù)和有 損(lossycompression)壓縮技術(shù)。無損壓縮技術(shù)是利用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計冗余進行壓縮，數(shù)據(jù)在 編碼過程中不丟失任何信息，解碼時可完全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)而不引入任何失真，但壓縮率受 到數(shù)據(jù)統(tǒng)計冗余度的理論限制，一般不超過3 : l，難以滿足應(yīng)用需求。而本發(fā)明采用的有 損壓縮方法，允許壓縮過程中損失一定的在未來分析和應(yīng)用中不重要的信息；雖然不能完 全恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，但是所損失的部分對理解原始圖像的影響較小，同時換來了壓縮比的大 幅提高。 為了適應(yīng)圖像編碼技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國際標準化組織也制定了一系列的圖像壓縮 標準，如JPEG， JPEG-LS， JPEG2000等，其中JPEG2000的有損壓縮效率最高。但是上述國際 標準大都是針對普通圖像，而缺乏對成像光譜圖像的針對性，因此直接用于成像光譜圖像 壓縮效果不甚理想。 成像光譜圖像的主要特點主要有以下幾個方面 1)多譜段，空間、光譜分辨率高 2)空間相關(guān)性相對較弱 3)譜間相關(guān)性強 4)相似地物具有相似光譜曲線
5)獲取代價昂貴，具有長期保存價值 針對這些特點目前主流的成像光譜圖像壓縮方法有以下三種基于預(yù)測的方法、 基于正交變換的方法以及基于矢量量化的方法。其中，由于基于預(yù)測方法的方法復(fù)雜度通 常低于其他方法，因此在成像光譜圖像的壓縮領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而目前大多數(shù)的預(yù) 測方法都將精力集中在譜間相關(guān)性的去除方面。事實上，雖然與普通圖像相比成像光譜圖 像的空間相關(guān)性相對較弱，但依然存在大量冗余，因此在兼顧去除譜間相關(guān)性的同時提高 空間預(yù)測的準確性能夠有效的提升壓縮方法的整體性能。據(jù)此，本發(fā)明設(shè)計和實現(xiàn)了一種 多模式空間預(yù)測與譜間預(yù)測相結(jié)合的成像光譜圖像有損壓縮方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，通過結(jié)合波段重排序、多模式的空間預(yù)測和簡單的譜間預(yù)測， 有效去除成像光譜圖像的空間譜間相關(guān)性，設(shè)計并實現(xiàn)一種基于多模式預(yù)測的高效的成像 光譜圖像有損壓縮方法。 本發(fā)明是采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)的 —種基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法，由成像光譜儀或其他數(shù)字化儀器 完成成像光譜數(shù)據(jù)的采集，將目標圖像的光學信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，存儲在采集設(shè)備 存儲器中；計算機通過現(xiàn)有的USB、紅外接口讀入圖像，在處理器中進行基于多模式預(yù)測的 成像光譜圖像有損壓縮；所述的壓縮結(jié)果可以直接存儲在本地硬盤，或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備 或進行網(wǎng)絡(luò)存儲；所述的壓縮方法主要包括計算最優(yōu)預(yù)測順序步驟，以及根據(jù)預(yù)測順序?qū)?當前波段進行多模式的預(yù)測步驟。 所述計算最優(yōu)波段預(yù)測順序步驟中，成像光譜圖像在不同的光譜區(qū)間內(nèi)其波段 之間的相關(guān)性特點不同，在預(yù)測之前對各個波段進行順序重排，并作為以后波段的預(yù)測波 段； 所述多模式預(yù)測中，以圖像塊為單位，對成像光譜圖像展開水平模式、垂直模式和 直模式的空間預(yù)測和一種模式的譜間預(yù)測，以預(yù)測精確度高的確定為該圖像塊的預(yù)測模 式； 成像光譜圖像壓縮包括下述步驟 計算機從存儲設(shè)備讀入成像光譜圖像，每個波段的圖像用一個二維數(shù)組表示； 計算各個波段間的相關(guān)系數(shù)矩陣； 采用相關(guān)系數(shù)來確定波段之間的相關(guān)性，如下式<formula>formula see original document page 5</formula> 其中，H和W分別表示圖像的高度和寬度，i和j分別表示像素所在的行和列，X和 Y分別表示兩個波段獲取的圖像，i^和Py分別表示波段X和Y的像素均值，D(X)、D(Y)為 波段X、 Y的方差，Cov (X， Y)為波段X和波段Y之間的協(xié)方差，P XY為波段X與Y之間的相 關(guān)系數(shù)； 設(shè)成像光譜圖像有N個波段，兩兩波段之間的相關(guān)系數(shù)形成NXN的相關(guān)系數(shù)矩陣，將對角線和上三角矩陣的值置為0 ; 通過計算相關(guān)系數(shù)矩陣的最大生成樹，得到預(yù)測順序表。 根據(jù)預(yù)測順序表對成像光譜圖像的每個波段進行多模式預(yù)測，并對預(yù)測殘差進行整數(shù)變換、量化和熵編碼從而得到壓縮數(shù)據(jù)。 壓縮后的數(shù)據(jù)輸出到緩存器，直接在本地進行存儲或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備進行遠程傳輸?shù)炔僮鳎?將所有波段壓縮完畢后，關(guān)閉預(yù)測順序表文件，關(guān)閉原始成像光譜圖像文件。
前述的通過計算相關(guān)系數(shù)矩陣的最大生成樹，得到預(yù)測順序表，具體步驟如下
在初始相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索最大值PxY，確定第一個預(yù)測對x， y;隨即將Pxy置O以更新系數(shù)矩陣，同時保存x， y的預(yù)測關(guān)系； 在上述步驟中更新過的相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索與x或y相關(guān)系數(shù)最大的值P xu或P TO，由此得到第二組預(yù)測對X禾P U或Y禾P U ;相應(yīng)地將P xu或P TO置為0以更新相關(guān)系數(shù)矩陣；將X和U或Y和U的預(yù)測關(guān)系輸出到和步驟i相同的外部存檔文件中；
在已進行n-1 (2《n《N)次更新的相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索與已排定順序波段集中波段相關(guān)系數(shù)最大的值，由此得到第n組預(yù)測對；這時將該預(yù)測對的相關(guān)系數(shù)置為O，將該預(yù)測對的預(yù)測關(guān)系輸出到和步驟i相同的外部存檔文件中；
重復(fù)執(zhí)行步驟iii，直到處理完N個波段，得到完整的預(yù)測順序。
前述的多模式預(yù)測包括空間預(yù)測和譜間預(yù)測。其中空間預(yù)測以4x4大小的像素塊為預(yù)測單位，以該像素塊上方和左邊已經(jīng)完成了編碼和重建的樣值為參考樣值，共有以下3種預(yù)測模式 垂直模式利用待編碼像素塊上方的4個已編碼樣值向下垂直外推； 水平模式利用待編碼像素塊左邊的4個已編碼樣值向右水平外推； 直流模式利用待編碼像素塊上方和左邊共8個已編碼樣值的平均值進行預(yù)測； 而譜間預(yù)測以像素點為預(yù)測單位，為了降低預(yù)測的算法復(fù)雜度，每一個當前像素
的預(yù)測像素只取在預(yù)測波段中與其具有相同坐標的一個像素點。預(yù)測方法如式(2)所示 力=(X(/, y) -) x+ //y (2) 其中i， j為當前像素所在的行和列，X和Y分別表示預(yù)測波段和當前波段，波段
^/，y)代表當前像素的預(yù)測值，x(i， j)表示預(yù)測像素值，Px和Py分別代表波段x和y的
像素均值，d(x)、d(y)為波段x、y的方差。 首先將預(yù)測順序表中的第一個預(yù)測波段分割成4x4大小的像素塊，對每一個待預(yù)測像素塊逐一進行上述模式的空間預(yù)測，得到3個塊預(yù)測殘差，即垂直模式預(yù)測殘差E。、水平模式預(yù)測殘差Ep直流模式預(yù)測殘差E2，每一個塊預(yù)測殘差是該像素塊中各點預(yù)測殘差的總和；選擇塊預(yù)測殘差小的模式作為該像素塊的最佳預(yù)測模式；保留各個像素塊在最佳預(yù)測模式下每一個像素點的預(yù)測殘差，以及該像素塊的最佳預(yù)測模式；并通過整數(shù)變換、量化和熵編碼得到x波段的壓縮碼流，同時保留重建圖像作為下一波段的參考波段；
對預(yù)測順序表中的第二個波段采用多模式空間和譜間預(yù)測相結(jié)合的方式；
首先以同樣方法將該波段進行圖像分割，得到若干4x4大小的像素塊；
對每一個像素塊進行上述三種模式的空間預(yù)測得到三個預(yù)測殘差(E。， E15 E2);
同時對該像素塊中的每一個點做上述譜間預(yù)測，并將殘差求和得到譜間預(yù)測的塊 預(yù)測殘差(E3); 比較E。，......，E3，選擇塊預(yù)測殘差小的模式作為該像素塊的最佳預(yù)測模式。保留
各個像素塊在最佳預(yù)測模式下每一個像素點的預(yù)測殘差，以及該像素塊的最佳預(yù)測模式， 并通過整數(shù)變換、量化和熵編碼得到該波段的壓縮碼流，并保留重建圖像作為下一波段的 參考波段； 從預(yù)測順序文件中讀入后續(xù)預(yù)測順序?qū)?，依次對各波段采用與上述步驟中對第二 個波段相同的處理方法進行多模式預(yù)測壓縮。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯的優(yōu)勢和有益效果 本發(fā)明首先計算成像光譜圖像波段相關(guān)系數(shù)矩陣，得到該系數(shù)矩陣的最大生成 樹，由該最大生成樹作為波段預(yù)測順序。進而對其以4X4塊為單位進行譜間預(yù)測和3種模 式(水平、垂直、直流)的空間預(yù)測；隨后對不同預(yù)測模式所得到的殘差進行比較，將殘差最 小的模式確定為該4X4塊的預(yù)測模式；最后對殘差進行整數(shù)變換、量化以及基于上下文的 自適應(yīng)可變長編碼(CAVLC)從而形成輸出碼流。 該方法充分利用了成像光譜圖像同時具有空間和譜間相關(guān)性的特點，尤其對其空 間相關(guān)性展開深入的研究，整個方法壓縮效率高，方法復(fù)雜度低，執(zhí)行速度快，易于移植到 嵌入式平臺從而實現(xiàn)星上應(yīng)用。
圖1、成像光譜圖像壓縮總體示意圖； 圖2、成像光譜圖像壓縮流程圖； 圖3、相關(guān)系數(shù)矩陣； 圖4、圖像分割后4X4像素塊示意圖； 圖5、3種模式空間預(yù)測示意圖； 圖6、譜間預(yù)測示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明的實施例加以詳細說明 本發(fā)明的系統(tǒng)框圖見圖l。首先由成像光譜儀或其他數(shù)字化儀器完成成像光譜數(shù) 據(jù)的采集，將目標圖像的光學信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，存儲在采集設(shè)備存儲器中；計算機 通過現(xiàn)有的USB、紅外等接口讀入圖像，在處理器中進行基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像有 損壓縮；所得結(jié)果可以直接存儲在本地硬盤，或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)存儲，也可經(jīng)由 寬帶IP網(wǎng)進行遠程傳輸，在異地實現(xiàn)解碼和恢復(fù)。本技術(shù)的核心在于基于多模式預(yù)測的成 像光譜圖像有損壓縮的實現(xiàn)，其主要包括計算最優(yōu)預(yù)測順序，和根據(jù)預(yù)測順序?qū)Ξ斍安ǘ?進行多模式預(yù)測( — )計算最優(yōu)波段預(yù)測順序 成像光譜圖像在不同的光譜區(qū)間內(nèi)其波段之間的相關(guān)性特點是不同的。大量研究 表明在進行預(yù)測時，當前波段的相鄰波段往往不是最佳的參考波段。根據(jù)此特點，如果可以 在預(yù)測之前對各個波段進行順序重排，即指明哪個波段先編碼，并作為以后波段的預(yù)測波
7段，則會有效提高譜間預(yù)測的準確性，從而獲得更為理想的壓縮比。
( 二 )多模式預(yù)測 由于成像光譜圖像具有豐富的紋理信息，因此采用單一模式的預(yù)測方法很難達到理想的預(yù)測效果。因此本發(fā)明將在視頻壓縮領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的多模式預(yù)測概念引入成像光譜圖像的壓縮領(lǐng)域，以4X4大小的圖像塊為單位，對成像光譜圖像展開3種模式的空間預(yù)測和1種模式的譜間預(yù)測，并將預(yù)測精確度最高的確定為該圖像塊的最終預(yù)測模式，從而有效地提高了預(yù)測的精確度。 本發(fā)明的總體流程圖見圖2，主要包括下述步驟 計算機從存儲設(shè)備讀入成像光譜圖像，每個波段的圖像可用一個二維數(shù)組表示，下面提到的X， Y， U， V均表示一幅圖像，且可用X(i， j)表示第i行和第j列處的像素值；
計算各個波段間的相關(guān)系數(shù)矩陣；
采用相關(guān)系數(shù)來確定波段之間的相關(guān)性，如下式 =顧廁、^ 12 l仏 12 其中，H和W分別表示圖像的高度和寬度，i和j分別表示像素所在的行和列，X和Y分別表示兩個波段獲取的圖像，以下簡稱波段，P x和P y分別表示波段X和Y的像素均值，D(X)、D(Y)為波段X、Y的方差，Cov(X，Y)為波段X和波段Y之間的協(xié)方差，P xy為波段X與Y之間的相關(guān)系數(shù)。 設(shè)成像光譜圖像有N個波段，兩兩波段之間的相關(guān)系數(shù)形成NXN的相關(guān)系數(shù)矩陣，并將對角線和上三角矩陣的值置為O，如圖3所示。 1)計算相關(guān)系數(shù)矩陣的最大生成樹，得到預(yù)測順序表。具體步驟如下 i、在初始相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索最大值PxY，確定第一個預(yù)測對X，Y ;隨即將Pn置
0以更新系數(shù)矩陣，同時保存X， Y的預(yù)測關(guān)系。 ii、在步驟i中更新過的相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索與X和Y相關(guān)系數(shù)最大的值P 或
P TO，由此得到第二組預(yù)測對X禾P U或Y禾P U ;相應(yīng)地將P xu或P TO置為0以更新相關(guān)系數(shù)
矩陣；將X和U或Y和U的預(yù)測關(guān)系輸出到和步驟i相同的外部存檔文件中。 iii、在已進行n-l(2《n《N)次更新的相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索與已排定順序波段
集中波段相關(guān)系數(shù)最大的值，由此得到第n組預(yù)測對；這時將該預(yù)測對的相關(guān)系數(shù)置為0，
將該預(yù)測對的預(yù)測關(guān)系輸出到和步驟i相同的外部存檔文件中。 iv、重復(fù)執(zhí)行步驟iii，直到處理完N個波段，從而得到完整的預(yù)測順序。 需要指出的是，由于同一類傳感器獲取的圖像波段間的相關(guān)性是相同或相似的，
預(yù)測順序一經(jīng)確定，同樣適用于該類傳感器所獲取的其他圖像，從而避免了由同一類傳感
器獲得的不同組成像光譜圖像都進行最優(yōu)波段預(yù)測順序的計算，降低了本方法的運算復(fù)雜
度，提高了運算速度。 多模式的預(yù)測 成像光譜圖像待編碼的當前像素值可以由相關(guān)性較強的周圍像素即空間鄰點和譜間鄰點來預(yù)測。本發(fā)明采用基于4X4像素塊的多模式預(yù)測方法。具體步驟為
i、從預(yù)測順序文件中讀入第一個預(yù)測順序?qū)和Y，取波段X進行圖像分塊，將整幅圖像劃分為若干個4X4大小的像素塊，每個像素塊的示意圖如圖4所示。其中a，…，p代表4X4的像素塊，而A，…，M代表該像素塊上方和左邊已經(jīng)完成了編碼和重建的樣值。對X波段進行基于塊的3種模式的空間預(yù)測，其示意圖由圖5給出。
各模式具體預(yù)測方法為 模式0(垂直)上邊的樣值A(chǔ)，B， C，D向下垂直外推； 模式1 (水平)左邊的樣值I， J， K， L向右水平外推； 模式2 (直流)利用樣值A(chǔ)， . . . ， D和I， . . . ， L的平均值進行預(yù)測； 對待預(yù)測像素塊逐一進行共3種模式的空間預(yù)測，得到3個塊預(yù)測殘差(E。， Ep
E2)，每一個塊預(yù)測殘差是該像素塊中各點預(yù)測殘差的總和。選擇塊預(yù)測殘差小的模式作為
該像素塊的最佳預(yù)測模式。保留各個像素塊在最佳預(yù)測模式下每一個像素點的預(yù)測殘差，
以及該像素塊的最佳預(yù)測模式。并通過整數(shù)變換、量化和熵編碼得到X波段的壓縮碼流。同
時保留重建圖像作為下一波段的參考波段。 ii、對另外一個波段Y采用多模式空間預(yù)測和譜間預(yù)測； 以同樣方法將波段Y進行圖像分割，得到若干4X4大小的像素塊； 對圖像塊進行上述3種模式的空間預(yù)測得到3個預(yù)測殘差(E。， E" E2); 同時對圖像塊中的每一個點做譜間預(yù)測，為了降低方法的復(fù)雜度，只將待預(yù)測波
段的前一個已進行了編碼和重建的波段作為預(yù)測波段。而每一個當前像素的預(yù)測像素只取
在預(yù)測波段中與其具有相同坐標的一個像素點，如圖6所示。預(yù)測方法如式(2)所示 :K0.,力二(鄰,))-/^)x^^ + (2) 其中i， j為當前像素所在的行和列，X和Y分別表示預(yù)測波段和當前波段，波段^/,乃代表當前像素的預(yù)測值，X(i， j)表示預(yù)測像素值，Px和Py分別代表波段X和Y的像素均值，D(X)、D(Y)為波段X、Y的方差。 將像素塊中的每一個點進行譜間預(yù)測，并將殘差求和得到譜間預(yù)測的塊預(yù)測殘差(E3)。 比較E。，......，E3，選擇選擇塊預(yù)測殘差小的模式作為該像素塊的最佳預(yù)測模式。
保留各個像素塊在最佳預(yù)測模式下每一個像素點的預(yù)測殘差，以及該像素塊的最佳預(yù)測模式。并通過整數(shù)變換、量化和熵編碼得到Y(jié)波段的壓縮碼流。 iii、從預(yù)測順序文件中讀入后續(xù)預(yù)測順序?qū)Γ来螌Ω鞑ǘ尾捎门c步驟ii中對Y波段相同的處理方法進行多模式預(yù)測壓縮。 壓縮后的數(shù)據(jù)輸出到緩存器，可以直接在本地進行存儲或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備進行遠程傳輸?shù)炔僮鳌?將所有波段壓縮完畢后，關(guān)閉預(yù)測順序表文件，關(guān)閉原始成像光譜圖像文件。
測試圖像為飛機搭載的成像光譜儀獲取的128波段0MIS-I成像光譜圖像，如圖7、8。計算機處理主要是通過現(xiàn)有的USB接口或網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備讀入采集到的圖像，存入到硬盤，成像光譜圖像的有損壓縮通過軟件實現(xiàn)。 下面結(jié)合具體實例詳細描述壓縮的過程，參見圖2。在計算機中完成以下程序
第一步計算機通過USB接口或網(wǎng)絡(luò)讀入OMIS-I圖像；
第二步根據(jù)公式(1)計算波段之間的相關(guān)系數(shù)，組成相關(guān)系數(shù)矩陣，并將相關(guān)系數(shù)矩陣的對角線及上三角的元素都置為O，如圖3所示； 第三步由相關(guān)系數(shù)矩陣的最大生成樹，得到預(yù)測關(guān)系表，具體步驟如下 I.在相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索最大值，。118,119 = 0.999，從而得到一組預(yù)測對，波段
118和119 ; II.計算得到P 117,119 = 0. 999，得到第二組預(yù)測對，波段117和119 ; III.以此方法，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣，最終得到一個預(yù)測關(guān)系表。OMIS-I的波段預(yù)
測對的一部分如下[118,119]， [117,119]， [116,117]， [120,119]， [128,120]......其中，后
一個波段作為前一個波段的預(yù)測波段； 第四步將預(yù)測順序存儲在文件predict—list, dat中； 第五步從文件predict—list, dat讀入第一個預(yù)測對118和119波段； 第六步從硬盤中讀入波段119的數(shù)據(jù)，對其進行圖像分塊，并對每一個4 X 4的像
素塊做多模式空間預(yù)測(如圖4)以及整數(shù)變換、量化和編碼，并保存反量化和反變換后的
重建圖像作為下一波段的參考波段； 第七步從硬盤中讀入波段118的數(shù)據(jù)，對其進行圖像分塊，對每一個4X4像素塊展開3種模式的空間預(yù)測，得到3個塊預(yù)測殘差，同時以119波段的重建圖像作為參考波段對像素塊進行譜間預(yù)測，得到1個塊預(yù)測殘差； 第八步比較4個預(yù)測殘差，選擇殘差最小的作為該像素塊的最佳預(yù)測模式。
第九步將每一個像素的預(yù)測誤差進行整數(shù)變換和量化，并將其反量化反變換后的重建值保存至文件。 第十步將變換量化后的預(yù)測誤差和各個像素塊的最佳預(yù)測模式送入基于上下文的自適應(yīng)可變長編碼器； 第十二步從文件predict—list. dat讀入下一個預(yù)測對117和119波段； 第十三步重復(fù)第七 十二步，直到編碼完所有的波段； 第十四步將壓縮后的文件存儲在本地的硬盤中。 第十五步打印-"Compression completed !，， 第十六步關(guān)閉用戶要壓縮的文件以及經(jīng)壓縮后的文件。 為了檢驗本發(fā)明所提出的方法性能，將本發(fā)明的試驗結(jié)果與目前最優(yōu)的有損壓縮標準JPEG-2000進行了比較。試驗結(jié)果顯示，采用本發(fā)明，在相同壓縮比前提下，恢復(fù)圖像的PSNR值有明顯提高，約在1. 5db左右。以相同的預(yù)測順序，對其它0MIS-I圖像進行壓縮，恢復(fù)圖像的質(zhì)量同樣有顯著提高。 實驗結(jié)果表明，用本發(fā)明對128波段的0MIS-I圖像編碼，能夠有效的去除高光譜圖像的空間/譜間相關(guān)性，獲得了較好的結(jié)果。
10
權(quán)利要求
一種基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法，由成像光譜儀或其他數(shù)字化儀器完成成像光譜數(shù)據(jù)的采集，將目標圖像的光學信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，存儲在采集設(shè)備存儲器中；計算機通過現(xiàn)有的USB、紅外接口讀入圖像，在處理器中進行基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像有損壓縮；其特征在于所述的壓縮結(jié)果可以直接存儲在本地硬盤，或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備或進行網(wǎng)絡(luò)存儲；所述的壓縮方法主要包括計算最優(yōu)預(yù)測順序步驟，以及根據(jù)預(yù)測順序?qū)Ξ斍安ǘ芜M行多模式的預(yù)測步驟所述計算最優(yōu)波段預(yù)測順序步驟中，成像光譜圖像在不同的光譜區(qū)間內(nèi)其波段之間的相關(guān)性特點不同，在預(yù)測之前對各個波段進行順序重排，并作為以后波段的預(yù)測波段；所述多模式預(yù)測中，以圖像塊為單位，對成像光譜圖像展開水平模式、垂直模式和直流模式的空間預(yù)測和一種模式的譜間預(yù)測，以預(yù)測精確度高的確定為該圖像塊的預(yù)測模式；成像光譜圖像壓縮包括下述步驟計算機從存儲設(shè)備讀入成像光譜圖像，每個波段的圖像用一個二維數(shù)組表示；計算各個波段間的相關(guān)系數(shù)矩陣；采用相關(guān)系數(shù)來確定波段之間的相關(guān)性，如下式 <mrow><msub> <mi>ρ</mi> <mi>XY</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Cov</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>X</mi> <mo>,</mo> <mi>Y</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msqrt> <mi>D</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>X</mi><mo>)</mo> </mrow></msqrt><msqrt> <mi>D</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>Y</mi><mo>)</mo> </mrow></msqrt> </mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>H</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>W</mi></munderover><mo>[</mo><mi>X</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>μ</mi> <mi>X</mi></msub><mo>]</mo><mo>[</mo><mi>Y</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>μ</mi> <mi>Y</mi></msub><mo>]</mo> </mrow> <mrow><msqrt> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>H</mi> </munderover> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>W</mi> </munderover> <msup><mrow> <mo>[</mo> <mi>X</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>μ</mi><mi>X</mi> </msub> <mo>]</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt><msqrt> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>H</mi> </munderover> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mi>W</mi> </munderover> <msup><mrow> <mo>[</mo> <mi>Y</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub><mi>μ</mi><mi>Y</mi> </msub> <mo>]</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mrow></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，H和W分別表示圖像的高度和寬度，i和j分別表示像素所在的行和列，X和Y分別表示兩個波段獲取的圖像，μx和μy分別表示波段X和Y的像素均值，D(X)、D(Y)為波段X、Y的方差，Cov(X，Y)為波段X和波段Y之間的協(xié)方差，ρXY為波段X與Y之間的相關(guān)系數(shù)；設(shè)成像光譜圖像有N個波段，兩兩波段之間的相關(guān)系數(shù)形成N×N的相關(guān)系數(shù)矩陣，將對角線和上三角矩陣的值置為0；通過計算相關(guān)系數(shù)矩陣的最大生成樹，得到預(yù)測順序表根據(jù)預(yù)測順序表對成像光譜圖像的每個波段進行多模式預(yù)測，并對預(yù)測殘差進行整數(shù)變換、量化和熵編碼從而得到壓縮數(shù)據(jù)；壓縮后的數(shù)據(jù)輸出到緩存器，直接在本地進行存儲或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備進行遠程傳輸?shù)炔僮鳎粚⑺胁ǘ螇嚎s完畢后，關(guān)閉預(yù)測順序表文件，關(guān)閉原始成像光譜圖像文件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法，其特征在于所述的通過計算相關(guān)系數(shù)矩陣的最大生成樹，得到預(yù)測順序表，具體步驟如下2. 1 :在初始相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索最大值PxY，確定第一個預(yù)測對X，Y ;隨即將Pxy置0以更新系數(shù)矩陣，同時保存X， Y的預(yù)測關(guān)系；2. 2 :在步驟i中更新過的相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索與X或Y相關(guān)系數(shù)最大的值P^或PYU，由此得到第二組預(yù)測對X禾P U或Y禾P U ;相應(yīng)地將P xu或P TO置為0以更新相關(guān)系數(shù)矩陣； 將X和U或Y和U的預(yù)測關(guān)系輸出到和步驟i相同的外部存檔文件中；2. 3 :在已進行n-l (2《n《N)次更新的相關(guān)系數(shù)矩陣中搜索與已排定順序波段集中波段相關(guān)系數(shù)最大的值，由此得到第n組預(yù)測對；這時將該預(yù)測對的相關(guān)系數(shù)置為O，將該 預(yù)測對的預(yù)測關(guān)系輸出到和步驟i相同的外部存檔文件中；2. 4 :重復(fù)執(zhí)行步驟iii，直到處理完N個波段，得到完整的預(yù)測順序。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法，其特征在于所 述的多模式預(yù)測包括空間預(yù)測和譜間預(yù)測，其中空間預(yù)測以4X4大小的像素塊為預(yù)測單 位，以該像素塊上方和左邊已經(jīng)完成了編碼和重建的樣值為參考樣值，共有以下3種預(yù)測 模式垂直模式利用待編碼像素塊上方的4個已編碼樣值向下垂直外推； 水平模式利用待編碼像素塊左邊的4個已編碼樣值向右水平外推； 直流模式利用待編碼像素塊上方和左邊共8個已編碼樣值的平均值進行預(yù)測； 譜間預(yù)測以像素點為預(yù)測單位，為了降低預(yù)測的算法復(fù)雜度，每一個當前像素的預(yù)測 像素只取在預(yù)測波段中與其具有相同坐標的一個像素點。預(yù)測方法如式(2)所示<formula>formula see original document page 3</formula>其中i， j為當前像素所在的行和列，X和Y分別表示預(yù)測波段和當前波段，^/,/)代表 當前像素的預(yù)測值，X(i， j)表示預(yù)測像素值，i^和PY分別代表波段X和Y的像素均值， D(X)、D(Y)為波段X、Y的方差;3. 1 ;首先將預(yù)測順序表中的第一個預(yù)測波段分割成4X4大小的像素塊，對每一個待 預(yù)測像素塊逐一進行上述模式的空間預(yù)測，得到3個塊預(yù)測殘差，即垂直模式預(yù)測殘差E。、 水平模式預(yù)測殘差Ep直流模式預(yù)測殘差E2，每一個塊預(yù)測殘差是該像素塊中各點預(yù)測殘 差的總和；選擇塊預(yù)測殘差小的模式作為該像素塊的最佳預(yù)測模式；保留各個像素塊在最 佳預(yù)測模式下每一個像素點的預(yù)測殘差，以及該像素塊的最佳預(yù)測模式；并通過整數(shù)變換、 量化和熵編碼得到X波段的壓縮碼流，同時保留重建圖像作為下一波段的參考波段；3. 2 ;對于預(yù)測順序表中的第二個波段，采用多模式空間和譜間預(yù)測相結(jié)合的方式；首先以同樣方法將該波段進行圖像分割，得到若干4X4大小的像素塊；對每個像素塊進行上述三種模式的空間預(yù)測得到三個預(yù)測殘差(E。，EpE》；同時對該像素塊中的每一個點做上述譜間預(yù)測，并將殘差求和得到譜間預(yù)測的塊預(yù)測殘差(E3);比較E。，......， E3，選擇塊預(yù)測殘差小的模式作為該像素塊的最佳預(yù)測模式，保留各個像素塊在最佳預(yù)測模式下每一個像素點的預(yù)測殘差，以及該像素塊的最佳預(yù)測模 式，并通過整數(shù)變換、量化和熵編碼得到該波段的壓縮碼流，并保留重建圖像作為下一波段的參考波段；3. 3 ;從預(yù)測順序文件中讀入后續(xù)預(yù)測順序?qū)?，依次對各波段采用與步驟3. 2中對第二 波段相同的處理方法進行多模式預(yù)測壓縮。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像壓縮方法，由成像光譜儀或其他數(shù)字化儀器完成成像光譜數(shù)據(jù)的采集，將目標圖像的光學信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信號，存儲在采集設(shè)備存儲器中；計算機通過現(xiàn)有的USB、紅外接口讀入圖像，在處理器中進行基于多模式預(yù)測的成像光譜圖像有損壓縮；壓縮結(jié)果可以直接存儲在本地硬盤，或通過網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備或進行網(wǎng)絡(luò)存儲；壓縮方法主要包括計算最優(yōu)預(yù)測順序步驟，以及根據(jù)預(yù)測順序?qū)Ξ斍安ǘ芜M行多模式的預(yù)測步驟對成像光譜圖像展開水平模式、垂直模式和直流模式的空間預(yù)測或一種模式的譜間預(yù)測。整個方法壓縮效率高，方法復(fù)雜度低，執(zhí)行速度快，易于移植到嵌入式平臺從而實現(xiàn)星上應(yīng)用。
文檔編號H04N7/32GK101720043SQ20091023847
公開日2010年6月2日 申請日期2009年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月20日
發(fā)明者卓力, 朱青, 洪偉, 王素玉, 肖竹 申請人:北京工業(yè)大學