一种成像声纳实时处理系统中的图像压缩解压方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及声纳信号处理的技术领域，特别涉及一种成像声纳实时处理系统中的 图像压缩解压方法及系统。
【背景技术】
[0002] 成像声纳是利用水下声波对目标成像，进而进行探测和定位的设备。随着声纳技 术的发展，以及计算机处理能力的不断进步，军民两用领域均对成像声纳的处理速度和处 理效率提出了更高的要求。处理速度需求的提高驱使产生了声纳实时处理系统，处理效率 需求的提高使得声纳的技术指标，尤其是测绘带宽度有了很大的提升。
[0003] 上述背景决定了成像声纳的两个性质：实时性和大数据量。实时性带来的特点是， 在声纳系统中，数据以流的方式进行传输和交互，理论上可以无限期运行，从而忽略了文件 的概念。这就表明，原始数据在系统中是以每次一帧或数帧的方式周期传输的，图像是以每 次一行或者若干行的方式周期传输的。因此原始数据和图像数据在传输时均为一维的概 念，而不是从文件角度考虑的二维概念。
[0004] 随着声纳平台的多样化发展，部分脱离母船的成像声纳平台要求图像数据在空中 做无线传输，以供母船实时监视和操控。典型的有半潜式航行器，也称为遥控多功能航行器 (Remote Multi-Mission Vehicle, RMMV)，使用这种平台的如洛克希德?马丁公司推出的搭 载有AN/AQS-20A声纳的遥控猎雷系统（Remote Minehunting System, RMS)。当前无线传输 的最大问题是带宽不足，当声纳在湖泊或海洋的恶劣环境中使用时，带宽更加受到限制。而 应用需求又带来数据量大的特点，为此亟需改进现有的声纳图像压缩传输的技术。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，为克服采用现有技术的多种平台的声纳实时系统中，声纳处 理子系统所在平台与母船显控子系统之间通信时可能带宽不足的问题，本发明提供一种成 像声纳实时处理系统中的图像压缩解压方法及系统。
[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种成像声纳实时处理系统中的图像压缩方法， 所述压缩方法包含：
[0007] 步骤101)对实时的声纳图像的行数据进行DCT变换，得到DCT系数；
[0008] 步骤102)将得到的DCT系数划分为S段，截取第一段DCT系数；
[0009] 步骤103)将截取的第一段DCT系数再划分为若干子段，然后对各子段包含的DCT 系数分别进行量化压缩处理，完成图像压缩；
[0010] 其中，所述的量化压缩处理的原则为：针对较低频段数据采用较多位数进行整型 量化，针对较高频段数据采用较少位数进行整型量化。
[0011] 可选的，DCT变换的公式为：
[0013] 其中，x(n)表示输入信号序列；N为序列的点数；y(k)为DCT变换后得到的系数。
[0014] 可选的，上述步骤103)进一步包含：
[0015] 步骤103-1)将截取的第一段DCT系数划分为4个子段，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] 步骤103-2)对第一子段的浮点型数据使用16位整型量化，具体的量化过程为：
[0017] 设第一子段的DCT系数对应的数据为yi (k)，首先求得yi (k)序列的绝对值的最大 值，再将整个yi(k)序列归一化处理，其后乘以16位有符号整型量化范围的一半，再就近取 整，计算公式为 ：
[0019] 其中，函数abs ()表示求绝对值，函数round ()表示就近取整，函数max ()表示求 序列的最大值；
[0020] 步骤103-3)采用如下三个公式分别对第二、三、四子段的数据进行量化处理，其 中第二子段使用12位整型量化，第三子段使用8位整型数据量化，第四子段使用4位整型 数据量化：
[0024] 其中，yi(k)表示划分得到的第i个子段，其中i = 1，2, 3, 4，yi'（k)表示对第i子 段量化后得到的序列。
[0025] 可选的，上述的段数S应满足如下公式：
[0028] 其中，P⑶为前1/S段DCT系数的均方和与整个DCT系数序列的均方和的比值， P ^为设置的能量含量阈值。
[0029] 针对上述压缩方法，本发明还提供了一种成像声纳实时处理系统中的图像解压方 法，所述解压方法包含 ：
[0030] 步骤201)根据反量化表达式对接收的数据进行反量化，对第一子段，第二子段、 第三子段和第四个子段的数据的反量化公式分别如下：
[0032] 将反量化后得到的四段数据连接为一段数据，公式为：
[0034] 步骤201)将反量化后的数据进行DCT反变换，得到实际的图像数据；所述的DCT
[0038] 其中，N为对实时的声纳图像的行数据进行DCT变换得到的DCT系数的总长度。
[0039] 此外，本发明还提供了一种用于成像声纳的图像压缩及解压系统，所述系统压缩 子系统和解压子系统，所述压缩子系统包含：
[0040] DCT变换模块，用于对实时的声纳图像的行数据进行DCT变换，得到DCT系数；
[0041] 截取模块，用于将得到的DCT系数划分为S段，截取第一段DCT系数；
[0042] 分段量化处理模块，用于将截取的第一段DCT系数再划分为若干子段，然后对各 子段包含的DCT系数分别进行量化压缩处理，完成图像压缩；
[0043] 所述解缩子系统包含：
[0044] 反量化处理模块，用于根据反量化表达式对接收的数据进行反量化，对第一子段， 第二子段、第三子段和第四个子段的数据的反量化公式分别如下：
[0046] 将反量化后得到的四段数据连接为一段数据，公式为：
[0048] DCT反变换，用于将反量化后的数据进行DCT反变换，得到实际的图像数据；所述
的DCT反变换为：
[0052] 其中，N为对实时的声纳图像的行数据进行DCT变换得到的DCT系数的总长度。
[0053] 可选的，上述分段量化处理模块进一步包含：
[0054] 分段子模块，根据DCT变换的能量集中特性，进一步将截取的第一段落划分为四 个子段，第一子段占第一段落总长度的1/8,第二子段占第一段落总长度1/8,第三子段占 第一段落总长度的1/4,第四子段占第一段落总长度的1/2 ;
[0055] 量化子模块，使用不同精度的整型数据分别对各子段进行量化处理，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] 可选的，上述的段数S应满足下式：
[0059] 其中，P⑶为前1/S段DCT系数的均方和与整个DCT系数序列的均方和的比值， P ^为设置的能量含量阈值。
[0060] 综上所述，本发明提供一种在实时处理系统中对图像数据进行压缩的技术。在实 时处理端利用本方法进行压缩，在显控端利用逆向的方法进行解压缩。所述的压缩方法主 要包括三步骤：（1)对实时的声纳图像的行数据进行DCT变换；（2)变换后利用DCT变换的 能量集中特性，对DCT系数进行截断处理，截取其前1/S段系数，其中常数S可以根据实际 情况灵活设定；(3)对截断后的DCT系数，再次利用能量集中特性，分段对DCT系数进行不 同程度的量化压缩处理。
[0061] 在显控端，主要的解压缩也分为三个步骤：（1)对接收到的数据，根据反量化表对 数据进行反量化；（2)进行DCT反变换，得到实际的图像数据；（3)实时地输出图像至显示 界面。
[0062] 与现有技术相比，本发明的技术优势在于：
[0063] (1)利用DCT变换的能量集中特性进行DCT系数截取，有很高的压缩率；
[0064] (2)利用FFTW实现DCT变换，运算速度快；
[0065] (3)利用分段量化进一步提高压缩率；
[0066] (4)对声纳行数据进行连续处理，实现声纳图像压缩传输的实时性。
【附图说明】
[0067] 图1是本发明提供的成像声纳实时处理系统中的图像压缩方法的处理流程图；
[0068] 图2是本发明提供的分段量化的示意图；
[0069] 图3是本发明的人工目标压缩处理结果（范围：200mX35m);其中，图3(a)是原 图，图3(b)是IR = 2的目标恢复图，图3(c)是IR = 4的目标恢复图，图3(d)是IR = 6 的目标恢复图，图3 (e)是IR = 8的目标恢复图，图3 (f)是IR = 16的目标恢复图；
[0070] 图4是人工目标压缩处理结果局部图（范围：IOmX 7. 5m)，其中，图4 (a)是原图， 图4 (b)是IR = 2的目标恢复图，图4 (c)是IR = 4的目标恢复图，图4 (d)是IR = 6的目 标恢复图，图4(e)是IR = 8的目标恢复图，图4(f)是IR = 16的目标恢复图。
【具体实施方式】
[0071] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细阐述。
[0072] 本发明的关键在于两个部分：
[0073] (1)压缩阶段的DCT变换和解压阶段的DCT反变换；
[0074] (2)压缩阶段的量化处理和解压阶段的反量化处理。
[0075] 以下分别进行陈述。
[0076]