圖像采集壓縮卡在數(shù)字化裝甲指揮系統(tǒng)中的應用

【摘　要】圖像采集壓縮卡在數(shù)字化裝甲指揮系統(tǒng)中有著廣闊的應用前景，本文介紹了它應用于該系統(tǒng)的理論依據、技術實現(xiàn)以及具體功能，并依據實踐，對圖像采集壓縮卡的功能提出了改進建議。
?? 關鍵詞：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)術決策的重要依據，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。當然，它也能在寬帶信道上作為一種附加業(yè)務使用。
　 靜態(tài)圖像傳輸有著極其廣泛的應用：（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換為視頻信號，經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?，又便于資料的拷貝、存貯和打印等。但是，圖像數(shù)據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)據量大大壓縮，在惡劣的戰(zhàn)術通信環(huán)境下，方便快捷地為數(shù)字化部隊提供豐富而準確的戰(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
　 在網絡與多媒體的推廣應用中，圖像的數(shù)據量極大，在圖像的傳輸及存貯上存在著嚴重問題，所以圖像數(shù)據的壓縮必不可少。事實上，圖像壓縮技術已經歷了多年的發(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性而造成信息冗余。由于技術出發(fā)點不同，這些方法都有其特定的應用范圍。
　 小波變換是由法國科學家Morlet于1980年提出的，后來其他學者又繼續(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”的細微特征和內部結構。這一方法，已在圖像處理、數(shù)據壓縮、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用。小波變換編碼在相當程度上克服了傳統(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。
　 小波變換理論一經問世即在世界范圍引起轟動并得到關注。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的算法。也就是將原始圖像在頻域內作多層分解，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構特點，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)據壓縮比，又有相當高的圖像質量。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集中在某些子帶上，從而兼顧了圖像質量和壓縮比的。　　
?? 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。
　 另一路經另一視頻解碼器進行數(shù)字化、分離出Y、U、V分量信號，經驅動后再分三路，第一路直接送到視頻編碼器，恢復出模擬視頻信號，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，然后經局部總線到總線控制器，再通過CPCI總線進入計算機內存，將已壓縮的圖像文件存入硬盤，等待系統(tǒng)發(fā)送。
??????????????????????????
?? 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)據經總線控制器傳輸入小波變換器，從而對圖像數(shù)據進行壓縮解碼。解碼后的視頻數(shù)據直接進入幀存貯器，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，所顯示的圖像是經過系統(tǒng)通信后的靜態(tài)圖像。另一路經另一個視頻解碼器，分解出R 、G、B信號，經過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)據進行采集壓縮，也可以直接將其保存為BMP文件。
　 根據需求調查得知，數(shù)字化裝甲部隊也應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，可以根據畫面上信息的重要程度來確定是否采集。
　 當圖像動態(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，圖像采集壓縮卡對原始模擬圖像信號進行了大比例、高質量的壓縮，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，也可以通過通信網發(fā)送到系統(tǒng)的中心數(shù)據庫。系統(tǒng)的中心數(shù)據庫內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需要對中心數(shù)據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)中的具體應用進行了論述?？梢钥闯?，使用圖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)術決策提供重要依據。采用小波變換使采集的圖像數(shù)據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)據量，節(jié)省了內存開銷，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用前景。當然，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．數(shù)字圖像處理及模式識別．北京：北京理工大學出版社，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．指揮技術學院學報，2000（4）