一種成像聲納實(shí)時處理系統(tǒng)中的圖像壓縮解壓方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及聲納信號處理的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種成像聲納實(shí)時處理系統(tǒng)中的 圖像壓縮解壓方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 成像聲納是利用水下聲波對目標(biāo)成像，進(jìn)而進(jìn)行探測和定位的設(shè)備。隨著聲納技 術(shù)的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)處理能力的不斷進(jìn)步，軍民兩用領(lǐng)域均對成像聲納的處理速度和處 理效率提出了更高的要求。處理速度需求的提高驅(qū)使產(chǎn)生了聲納實(shí)時處理系統(tǒng)，處理效率 需求的提高使得聲納的技術(shù)指標(biāo)，尤其是測繪帶寬度有了很大的提升。
[0003] 上述背景決定了成像聲納的兩個性質(zhì)：實(shí)時性和大數(shù)據(jù)量。實(shí)時性帶來的特點(diǎn)是， 在聲納系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)以流的方式進(jìn)行傳輸和交互，理論上可以無限期運(yùn)行，從而忽略了文件 的概念。這就表明，原始數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中是以每次一幀或數(shù)幀的方式周期傳輸?shù)?，圖像是以每 次一行或者若干行的方式周期傳輸?shù)?。因此原始?shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)在傳輸時均為一維的概 念，而不是從文件角度考慮的二維概念。
[0004] 隨著聲納平臺的多樣化發(fā)展，部分脫離母船的成像聲納平臺要求圖像數(shù)據(jù)在空中 做無線傳輸，以供母船實(shí)時監(jiān)視和操控。典型的有半潛式航行器，也稱為遙控多功能航行器 (Remote Multi-Mission Vehicle, RMMV)，使用這種平臺的如洛克希德?馬丁公司推出的搭 載有AN/AQS-20A聲納的遙控獵雷系統(tǒng)（Remote Minehunting System, RMS)。當(dāng)前無線傳輸 的最大問題是帶寬不足，當(dāng)聲納在湖泊或海洋的惡劣環(huán)境中使用時，帶寬更加受到限制。而 應(yīng)用需求又帶來數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，為此亟需改進(jìn)現(xiàn)有的聲納圖像壓縮傳輸?shù)募夹g(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于，為克服采用現(xiàn)有技術(shù)的多種平臺的聲納實(shí)時系統(tǒng)中，聲納處 理子系統(tǒng)所在平臺與母船顯控子系統(tǒng)之間通信時可能帶寬不足的問題，本發(fā)明提供一種成 像聲納實(shí)時處理系統(tǒng)中的圖像壓縮解壓方法及系統(tǒng)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種成像聲納實(shí)時處理系統(tǒng)中的圖像壓縮方法， 所述壓縮方法包含：
[0007] 步驟101)對實(shí)時的聲納圖像的行數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換，得到DCT系數(shù)；
[0008] 步驟102)將得到的DCT系數(shù)劃分為S段，截取第一段DCT系數(shù)；
[0009] 步驟103)將截取的第一段DCT系數(shù)再劃分為若干子段，然后對各子段包含的DCT 系數(shù)分別進(jìn)行量化壓縮處理，完成圖像壓縮；
[0010] 其中，所述的量化壓縮處理的原則為：針對較低頻段數(shù)據(jù)采用較多位數(shù)進(jìn)行整型 量化，針對較高頻段數(shù)據(jù)采用較少位數(shù)進(jìn)行整型量化。
[0011] 可選的，DCT變換的公式為：
[0013] 其中，x(n)表示輸入信號序列；N為序列的點(diǎn)數(shù)；y(k)為DCT變換后得到的系數(shù)。
[0014] 可選的，上述步驟103)進(jìn)一步包含：
[0015] 步驟103-1)將截取的第一段DCT系數(shù)劃分為4個子段，其中第一子段占截取段 落的1/8,第二子段占截取段落的1/8,第三子段占截取段落的1/4,第四子段占截取段落的 1/2 ；
[0016] 步驟103-2)對第一子段的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)使用16位整型量化，具體的量化過程為：
[0017] 設(shè)第一子段的DCT系數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)為yi (k)，首先求得yi (k)序列的絕對值的最大 值，再將整個yi(k)序列歸一化處理，其后乘以16位有符號整型量化范圍的一半，再就近取 整，計(jì)算公式為 ：
[0019] 其中，函數(shù)abs ()表示求絕對值，函數(shù)round ()表示就近取整，函數(shù)max ()表示求 序列的最大值；
[0020] 步驟103-3)采用如下三個公式分別對第二、三、四子段的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，其 中第二子段使用12位整型量化，第三子段使用8位整型數(shù)據(jù)量化，第四子段使用4位整型 數(shù)據(jù)量化：
[0024] 其中，yi(k)表示劃分得到的第i個子段，其中i = 1，2, 3, 4，yi'（k)表示對第i子 段量化后得到的序列。
[0025] 可選的，上述的段數(shù)S應(yīng)滿足如下公式：
[0028] 其中，P⑶為前1/S段DCT系數(shù)的均方和與整個DCT系數(shù)序列的均方和的比值， P ^為設(shè)置的能量含量閾值。
[0029] 針對上述壓縮方法，本發(fā)明還提供了一種成像聲納實(shí)時處理系統(tǒng)中的圖像解壓方 法，所述解壓方法包含 ：
[0030] 步驟201)根據(jù)反量化表達(dá)式對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，對第一子段，第二子段、 第三子段和第四個子段的數(shù)據(jù)的反量化公式分別如下：
[0032] 將反量化后得到的四段數(shù)據(jù)連接為一段數(shù)據(jù)，公式為：
[0034] 步驟201)將反量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT反變換，得到實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)；所述的DCT
[0038] 其中，N為對實(shí)時的聲納圖像的行數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換得到的DCT系數(shù)的總長度。
[0039] 此外，本發(fā)明還提供了一種用于成像聲納的圖像壓縮及解壓系統(tǒng)，所述系統(tǒng)壓縮 子系統(tǒng)和解壓子系統(tǒng)，所述壓縮子系統(tǒng)包含：
[0040] DCT變換模塊，用于對實(shí)時的聲納圖像的行數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換，得到DCT系數(shù)；
[0041] 截取模塊，用于將得到的DCT系數(shù)劃分為S段，截取第一段DCT系數(shù)；
[0042] 分段量化處理模塊，用于將截取的第一段DCT系數(shù)再劃分為若干子段，然后對各 子段包含的DCT系數(shù)分別進(jìn)行量化壓縮處理，完成圖像壓縮；
[0043] 所述解縮子系統(tǒng)包含：
[0044] 反量化處理模塊，用于根據(jù)反量化表達(dá)式對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化，對第一子段， 第二子段、第三子段和第四個子段的數(shù)據(jù)的反量化公式分別如下：
[0046] 將反量化后得到的四段數(shù)據(jù)連接為一段數(shù)據(jù)，公式為：
[0048] DCT反變換，用于將反量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT反變換，得到實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)；所述
的DCT反變換為：
[0052] 其中，N為對實(shí)時的聲納圖像的行數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換得到的DCT系數(shù)的總長度。
[0053] 可選的，上述分段量化處理模塊進(jìn)一步包含：
[0054] 分段子模塊，根據(jù)DCT變換的能量集中特性，進(jìn)一步將截取的第一段落劃分為四 個子段，第一子段占第一段落總長度的1/8,第二子段占第一段落總長度1/8,第三子段占 第一段落總長度的1/4,第四子段占第一段落總長度的1/2 ;
[0055] 量化子模塊，使用不同精度的整型數(shù)據(jù)分別對各子段進(jìn)行量化處理，其中第一子 段使用16位整型量化，第二子段使用12位整型量化，第三子段使用8位整型量化，第四子 段使用4位整型量化。
[0056] 可選的，上述的段數(shù)S應(yīng)滿足下式：
[0059] 其中，P⑶為前1/S段DCT系數(shù)的均方和與整個DCT系數(shù)序列的均方和的比值， P ^為設(shè)置的能量含量閾值。
[0060] 綜上所述，本發(fā)明提供一種在實(shí)時處理系統(tǒng)中對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮的技術(shù)。在實(shí) 時處理端利用本方法進(jìn)行壓縮，在顯控端利用逆向的方法進(jìn)行解壓縮。所述的壓縮方法主 要包括三步驟：（1)對實(shí)時的聲納圖像的行數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換；（2)變換后利用DCT變換的 能量集中特性，對DCT系數(shù)進(jìn)行截?cái)嗵幚?，截取其?/S段系數(shù)，其中常數(shù)S可以根據(jù)實(shí)際 情況靈活設(shè)定；(3)對截?cái)嗪蟮腄CT系數(shù)，再次利用能量集中特性，分段對DCT系數(shù)進(jìn)行不 同程度的量化壓縮處理。
[0061] 在顯控端，主要的解壓縮也分為三個步驟：（1)對接收到的數(shù)據(jù)，根據(jù)反量化表對 數(shù)據(jù)進(jìn)行反量化；（2)進(jìn)行DCT反變換，得到實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)；（3)實(shí)時地輸出圖像至顯示 界面。
[0062] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于：
[0063] (1)利用DCT變換的能量集中特性進(jìn)行DCT系數(shù)截取，有很高的壓縮率；
[0064] (2)利用FFTW實(shí)現(xiàn)DCT變換，運(yùn)算速度快；
[0065] (3)利用分段量化進(jìn)一步提高壓縮率；
[0066] (4)對聲納行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)聲納圖像壓縮傳輸?shù)膶?shí)時性。
【附圖說明】
[0067] 圖1是本發(fā)明提供的成像聲納實(shí)時處理系統(tǒng)中的圖像壓縮方法的處理流程圖；
[0068] 圖2是本發(fā)明提供的分段量化的示意圖；
[0069] 圖3是本發(fā)明的人工目標(biāo)壓縮處理結(jié)果（范圍：200mX35m);其中，圖3(a)是原 圖，圖3(b)是IR = 2的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖3(c)是IR = 4的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖3(d)是IR = 6 的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖3 (e)是IR = 8的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖3 (f)是IR = 16的目標(biāo)恢復(fù)圖；
[0070] 圖4是人工目標(biāo)壓縮處理結(jié)果局部圖（范圍：IOmX 7. 5m)，其中，圖4 (a)是原圖， 圖4 (b)是IR = 2的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖4 (c)是IR = 4的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖4 (d)是IR = 6的目 標(biāo)恢復(fù)圖，圖4(e)是IR = 8的目標(biāo)恢復(fù)圖，圖4(f)是IR = 16的目標(biāo)恢復(fù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0071] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0072] 本發(fā)明的關(guān)鍵在于兩個部分：
[0073] (1)壓縮階段的DCT變換和解壓階段的DCT反變換；
[0074] (2)壓縮階段的量化處理和解壓階段的反量化處理。
[0075] 以下分別進(jìn)行陳述。
[0076]