IDCT变换和DCT反变换
[0077] DCT变换常用于信号处理和图像处理，尤其多用于对信号或图像进行有损数据压 缩。其特点是大多数自然信号经过变换后其能量主要集中在低频部分，而高频部分能量很 少，这就是DCT变换的"能量集中"特性。利用该特性，仅使用少量的DCT系数就可以重建 信号，并且信号失真不大。
[0078] DCT变换如下式所示。
[0084] 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， 系数ω (k)与DCT变换的系数相同。
[0085] 在具体实现中，可以使用FFTW函数库来实现DCT和IDCT的快速执行。FFTW函数 库支持数据结构复杂的DCT和IDCT变换，是目前已知免费的计算FFT、DCT最快的函数库。
[0086] 基于上述公式和说明，对实时的声纳图像的行数据进行DCT变换，得到DCT系数； 将得到的DCT系数划分为S段，截取第一段DCT系数（第一段DCT系数对应低频段数据）。
[0087] 2分段量化
[0088] 在截取段落中，DCT系数仍然符合低频能量较高，高频能量较低的特点，因此可以 进行分段量化，以进一步提高压缩效率。
[0089] 提出的量化规则为，设待处理的信号长度为M，则对截取的第一段落的前M/8数据 使用16位整型（intl6)量化，其后的M/8用12位整型（intl2)量化，再之后的M/4用8位 整型（int8)量化，最后的M/2段落数据用4位整型（int4)量化。如图2所示。
[0090] 3压缩效率
[0091] 压缩效率是表征压缩效果的重要指标。本发明所涉及压缩方法的压缩效率关键有 两点。一是DCT变换后的数据截取，其压缩倍数（Interc印tion Ratio, IR)为可设常数S。 [0092] 二是分段量化带来的压缩。声纳成像处理子系统获得的图像数据通常是浮点型， 以32位浮点型（float32)为例进行计算，则量化带来的压缩倍数为
[0094] 其中sizeof ()函数表示数据类型的字节数。
[0095] 总的压缩倍数（Compression Ratio, CR)为
[0096] CR = 4. 267 · IR
[0097] 例如DCT截取段落为总长的1/8时，压缩倍数为34. 14.
[0098] 4处理实例
[0099] 图3为圆柱形目标的处理结果，图像垂直航迹方向（图中横轴方向）的长度为 200m，沿航迹方向（图中坚轴方向）的长度为35m。
[0100] 从处理结果可以看出，对于截断倍数IR依次为2, 4, 6, 8, 16的情形，从大尺度来 看，目标在大范围背景下解压后仍能清晰显示。将目标所在局部截取出来进行对照，如图4 所示。其垂直航迹方向为l〇m，沿航迹方向为7. 5m。从局部对照可以看出，随着截断倍数的 增加，目标的清晰度也在不断下降。
[0101] 为了进一步对图像压缩效果进行判断，采用图像压缩客观评价中的几种标准。如 下所述。
[0102] 均方误差：设原始图像行信号为f (η)，恢复图像信号为g(n)，且信号长度均为N。 则均方误差（Mean Square Error, MSE)定义为
[0104] 峰值信噪比：峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)定义为
[0113] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 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： 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； 步骤102)将得到的DCT系数划分为S段，截取第一段DCT系数； 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； 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。2. 根据权利要求1所述的成像声纳实时处理系统中的图像压缩方法，其特征在于，DCT 变换的公式为：其中，x(n)表示输入信号序列；N为序列的点数；w(k)为系数；y(k)为DCT变换后得 到的系数。3. 根据权利要求1所述的成像声纳实时处理系统中的图像压缩方法，其特征在于，所 述步骤103)进一步包含： 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 ; 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： 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fyi(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：其中，函数abs〇表示求绝对值，函数round()表示就近取整，函数max()表示求序列 的最大值； 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：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。4. 根据权利要求1所述的成像声纳实时处理系统中的图像压缩方法，其特征在于，所 述的段数S应满足如下公式：P(S) >P 0 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。5. -种成像声纳实时处理系统中的图像解压方法，所述的解压方法用于解压采用权利 要求3记载的压缩方法的数据，所述解压方法包含 ： 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：将反量化后得到的四段数据连接为一段数据，公式为： K^) = [v,(/〇v：(?)y^)vt(A-)] 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反变 换为：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。6. -种用于成像声纳的图像压缩及解压系统，其特征在于，所述系统压缩子系统和解 压子系统，所述压缩子系统包含： 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； 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； 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； 所述解缩子系统包含： 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：将反量化后得到的四段数据连接为一段数据，公式为： .v(A-)-[y,(A-)y2(k)yx(k)v.(/r)] 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：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。7. 根据权利要求6所述的用于成像声纳的图像压缩解压系统，其特征在于，所述分段 量化处理模块进一步包含： 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 ; 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。8. 根据权利要求6所述的成像声纳实时处理系统中的图像压缩解压系统，其特征在 于，所述的段数S应满足下式：P(s)> P 0 其中，P⑶为前l/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。
【专利摘要】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，所述压缩方法包含：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；步骤102)将得到的DCT系数划分为S段，截取第一段DCT系数；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。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。本发明利用DCT变换的能量集中特性进行DCT系数截取，有很高的压缩率；利用分段量化进一步提高压缩率；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。
【IPC分类】H04N19/625, G01S15/89
【公开号】CN105100810
【申请号】CN201410209108
【发明人】江泽林, 刘维, 张鹏飞, 刘纪元, 张春华
【申请人】中国科学院声学研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2014年5月16日