圖像采集壓縮卡在數(shù)字化裝甲指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘　要】圖像采集壓縮卡在數(shù)字化裝甲指揮系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景，本文介紹了它應(yīng)用于該系統(tǒng)的理論依據(jù)、技術(shù)實現(xiàn)以及具體功能，并依據(jù)實踐，對圖像采集壓縮卡的功能提出了改進建議。
?? 關(guān)鍵詞：圖像壓縮 圖像處理 小波變換
1　引　言
　 數(shù)字化部隊對戰(zhàn)場信息的需求是巨大的，圖像信息直觀、生動，其作用是顯而易見的。各種視覺信息是戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)決策的重要依據(jù)，它們使軍事指揮員仿佛長了千里眼，能夠運籌帷幄，決勝千里?，F(xiàn)在，圖像通信已經(jīng)從圖文傳真、靜態(tài)圖像傳輸發(fā)展到活動圖像信息傳輸和多媒體通信等多種形式。其中，靜態(tài)圖像傳輸一直受到軍事通信界的青睞，原因是它有以下突出優(yōu)點：占用頻帶窄。它能夠利用原來電報電話業(yè)務(wù)所用的有線／無線窄帶信道來傳送實時的圖像信息，滿足了軍事通信便捷、高效、保密的要求。當(dāng)然，它也能在寬帶信道上作為一種附加業(yè)務(wù)使用。
　 靜態(tài)圖像傳輸有著極其廣泛的應(yīng)用：（1）現(xiàn)場偵察監(jiān)視。如危險場所遠程監(jiān)控、現(xiàn)場偵察圖像傳輸和試驗現(xiàn)場監(jiān)控等。（2）可視電話通信。靜態(tài)圖像可視電話增強了電話通信功能，提高了真實感和保密性。（3）圖片文字資料傳送。通過攝像機將圖片文字資料轉(zhuǎn)換為視頻信號，經(jīng)過圖像采集壓縮卡采集壓縮后傳輸出去，既能代替?zhèn)髡骐妶螅直阌谫Y料的拷貝、存貯和打印等。但是，圖像數(shù)據(jù)量巨大也給圖像信息的存貯、傳輸帶來了很大的困難。例如一幅72 0×576的32位彩色圖像，其原始數(shù)據(jù)量高達1．7MB，若以4．8kbits／s的速率傳輸，大約需要46分鐘，這顯然不能滿足部隊對通信傳輸?shù)囊?。采用圖像采集壓縮卡后，可以將一幅靜態(tài)圖像的數(shù)據(jù)量大大壓縮，在惡劣的戰(zhàn)術(shù)通信環(huán)境下，方便快捷地為數(shù)字化部隊提供豐富而準(zhǔn)確的戰(zhàn)場信息，從而提高數(shù)字化部隊的整體作戰(zhàn)能力。
2　圖像采集壓縮卡的理論依據(jù)
　 在網(wǎng)絡(luò)與多媒體的推廣應(yīng)用中，圖像的數(shù)據(jù)量極大，在圖像的傳輸及存貯上存在著嚴重問題，所以圖像數(shù)據(jù)的壓縮必不可少。事實上，圖像壓縮技術(shù)已經(jīng)歷了多年的發(fā)展，特別是70年代后，圖像編碼的發(fā)展非常迅速，出現(xiàn)了很多方法。但許多方法實際上都因為基于圖像信息的空間相關(guān)性而造成信息冗余。由于技術(shù)出發(fā)點不同，這些方法都有其特定的應(yīng)用范圍。
　 小波變換是由法國科學(xué)家Morlet于1980年提出的，后來其他學(xué)者又繼續(xù)發(fā)展了這一理論。小波變換（Wavelet Transform，簡稱WT）亦稱子波變換。小波變換與小波分析是一種分解與重構(gòu)函數(shù)或信號的新的數(shù)字工具，通過不斷改變尺度將函數(shù)的奇點、信號的突變或圖像的輪廓、細節(jié)逐級放大后，呈現(xiàn)在研究者面前。這就猶如一臺高性能的“數(shù)字顯微鏡”，它能看清函數(shù)、信號、圖像的“切片”的細微特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這一方法，已在圖像處理、數(shù)據(jù)壓縮、信號檢測、數(shù)值計算等許多方面得到日益廣泛的研究和應(yīng)用。小波變換編碼在相當(dāng)程度上克服了傳統(tǒng)變換編碼方法的許多不足，使圖像壓縮編碼技術(shù)邁上了一個新的臺階。
　 傳統(tǒng)的變換編碼方法有很多種，如：廣泛使用的傅立葉變換，沃爾什－哈達瑪變換，余弦變換，正弦變換等。但這些方法都沒有考慮人眼對邊緣輪廓的敏感性，也不符合人眼對不同方向的圖像信息有不同敏感性的特點。
　 小波變換理論一經(jīng)問世即在世界范圍引起轟動并得到關(guān)注。1988年Mallat將小波變換理論用于信號處理，提出了多尺度分析的概念，給出了將圖像分解為不同頻率通道的算法及其重構(gòu)的算法。也就是將原始圖像在頻域內(nèi)作多層分解，然后對這些信息表示采用有選擇的編碼。
　 在變換編碼中，不僅要考慮圖像本身的結(jié)構(gòu)特點，而且同時還要充分考慮作為圖像觀察者 、接受者的人眼的視覺特性，才能保證既有較高的數(shù)據(jù)壓縮比，又有相當(dāng)高的圖像質(zhì)量。小波變換正是將圖像分解成若干與人眼視覺特性相適應(yīng)的具有不同分辨率、不同方向特性的子帶，并使圖像信息能量適當(dāng)集中在某些子帶上，從而兼顧了圖像質(zhì)量和壓縮比的。　　
?? 用小波變換對圖像進行采集壓縮的處理過程為：利用離散小波變換，將圖像分解為亮度分量、水平分量、垂直邊緣分量和對角邊緣分量。對得到的四個子圖，根據(jù)人的視覺生理和心理特點，分別作不同的量化與編碼處理。用快速余弦變換并結(jié)合Huffman編碼法對亮度子圖進行壓縮。而對三個邊緣分量，可采取去掉高頻成分、閾值量化、均勻量化并結(jié)合Huffman編碼壓縮的方法。在解碼端，對于不同的編碼采用不同的解碼。最后，利用小波逆變換還原原來的圖像。
3　圖像采集壓縮卡的技術(shù)實現(xiàn)
　 圖像采集壓縮卡由視頻解碼器，視頻編碼器，幀存貯器，小波變換圖像壓縮編碼解碼器，F(xiàn)IFO，顯示控制等模塊組成，如圖1所示。
　 由圖1可見，從攝像頭進來的PAL制式視頻信號分成兩路：一路由視頻解碼器進行數(shù)字化、分離出R、G、B分量信號后進入FIFO緩存器再經(jīng)局部總線到總線控制器，后由CPCI總線傳入顯卡，從而在計算機顯示器上顯示動態(tài)圖像。
　 另一路經(jīng)另一視頻解碼器進行數(shù)字化、分離出Y、U、V分量信號，經(jīng)驅(qū)動后再分三路，第一路直接送到視頻編碼器，恢復(fù)出模擬視頻信號，并在電視監(jiān)視器上顯示動態(tài)活動圖像；第二路送到幀存貯器，再經(jīng)視頻編碼器進行還原，然后由電視監(jiān)視器顯示靜止圖像；第三路送入小波變換器，由小波變換器對圖像進行壓縮編碼，然后經(jīng)局部總線到總線控制器，再通過CPCI總線進入計算機內(nèi)存，將已壓縮的圖像文件存入硬盤，等待系統(tǒng)發(fā)送。
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?? 相反，在接收方，計算機接收到壓縮后的圖像文件后，將文件中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)總線控制器傳輸入小波變換器，從而對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮解碼。解碼后的視頻數(shù)據(jù)直接進入幀存貯器，然后，由視頻編碼器將它還原成模擬視頻信號。模擬視頻信號又分成兩路：一路由電視監(jiān)視器直接顯示，所顯示的圖像是經(jīng)過系統(tǒng)通信后的靜態(tài)圖像。另一路經(jīng)另一個視頻解碼器，分解出R 、G、B信號，經(jīng)過FIFO緩存器后，再通過總線控制器進入計算機，由顯示器來顯示圖像。此時顯示的畫面即為接收到的彩色靜態(tài)圖像。
4　圖像采集壓縮卡在數(shù)字化部隊指揮控制系統(tǒng)中的功能
　 數(shù)字化部隊指揮控制分系統(tǒng)中使用的圖像采集壓縮卡要求計算機顯示器必須具有32位真彩色，顯示器分辨率必須在800×600以上。在實時動態(tài)顯示時該圖像采集壓縮卡的顯示分辨率為720×576。它可以對圖像數(shù)據(jù)進行采集壓縮，也可以直接將其保存為BMP文件。
　 根據(jù)需求調(diào)查得知，數(shù)字化裝甲部隊也應(yīng)具有較強的圖像采集能力，這樣便于指揮員利用系統(tǒng)采集到的圖片及時、準(zhǔn)確地了解部隊作戰(zhàn)情況，做到知己知彼，力爭戰(zhàn)斗的勝利。
　 計算機顯示器可以動態(tài)地顯示由攝像頭或微波電視接收機發(fā)送的視頻信號，操作員對這些動態(tài)畫面仔細觀察后，可以根據(jù)畫面上信息的重要程度來確定是否采集。
　 當(dāng)圖像動態(tài)顯示時，用戶可以對圖像的亮度、對比度、色度、飽和度進行調(diào)節(jié)，以達到人眼視覺所要求的最佳狀態(tài)。
　 在圖像采集之前，可以選擇采集區(qū)域。用戶可以根據(jù)信息所在區(qū)域，選擇整幅畫面來采集 ，也可以對感興趣的部分區(qū)域進行采集。
　 最后，用戶還可以選擇采集圖像的壓縮率。由于采用了小波變換圖像壓縮編碼技術(shù)，圖像采集壓縮卡對原始模擬圖像信號進行了大比例、高質(zhì)量的壓縮，壓縮率可以從4：1到7500：1 。圖像采集壓縮卡在本系統(tǒng)中，為用戶提供了三種可選擇的壓縮比。一幅720×576×32的圖像經(jīng)壓縮后，選擇1級壓縮率，圖像文件為1KB左右，解壓縮后的圖像與原像相比較模糊，只能看個輪廓；選擇2級壓縮率，圖像文件為6KB左右，解壓縮后的圖像與原像比，清晰度有些差距，圖像基本能分辨；選擇3級壓縮率，圖像文件為20KB左右，解壓縮后的圖像與原像比，清晰度稍有差距，圖像比較清晰。
　 圖像被采集下來后可以存貯于本機，也可以通過通信網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的中心數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲了大量由前沿偵察部隊車輛及其他車輛發(fā)送的圖片與文字資料信息，數(shù)字化部隊指揮員可根據(jù)需要對中心數(shù)據(jù)庫的圖片資料進行檢索、查詢，從中獲取所需的圖片信息，為其制定作戰(zhàn)決策提供信息支持。
5　結(jié)束語
　 上面對圖像采集壓縮卡在數(shù)字化裝甲部隊指揮控制系統(tǒng)中的具體應(yīng)用進行了論述?？梢钥闯觯褂脠D像采集壓縮卡可以為數(shù)字化部隊的指揮員提供各種視覺信息，使其更直觀、生動地觀察前方戰(zhàn)場敵情，從而為制訂戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)決策提供重要依據(jù)。采用小波變換使采集的圖像數(shù)據(jù)獲得了較好的壓縮效果，從而大大減少了一幅圖像在存儲和傳輸時的數(shù)據(jù)量，節(jié)省了內(nèi)存開銷，緩解了傳輸信道上的擁擠現(xiàn)象。圖像采集壓縮卡在數(shù)字化部隊中具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)然，我們希望圖像采集壓縮卡能夠提供更多級別的壓縮比，這樣用戶就可以根據(jù)實際情況選擇合適的壓縮比進行采集壓縮；另外我們還希望能提供對動態(tài)畫面的連續(xù)采集和存儲，這樣可以使信息更全面、真實和具體，更有利于后方指揮員的決策。


1　沈庭芝，方子文．?dāng)?shù)字圖像處理及模式識別．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997
2　劉榴娣，劉明奇．實用數(shù)字圖像處理．北京：北京理工大學(xué)出版社，1997
3　曹荻華，曾巒．基于小波變換的靜態(tài)圖像壓縮的一種方法．指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2000（4）