图像采集压缩卡在数字化装甲指挥系统中的应用

【摘　要】图像采集压缩卡在数字化装甲指挥系统中有着广阔的应用前景，本文介绍了它应用于该系统的理论依据、技术实现以及具体功能，并依据实践，对图像采集压缩卡的功能提出了改进建议。
   关键词：图像压缩 图像处理 小波变换
1　引　言
　 数字化部队对战场信息的需求是巨大的，图像信息直观、生动，其作用是显而易见的。各种视觉信息是战略战术决策的重要依据，它们使军事指挥员仿佛长了千里眼，能够运筹帷幄，决胜千里。现在，图像通信已经从图文传真、静态图像传输发展到活动图像信息传输和多媒体通信等多种形式。其中，静态图像传输一直受到军事通信界的青睐，原因是它有以下突出优点：占用频带窄。它能够利用原来电报电话业务所用的有线／无线窄带信道来传送实时的图像信息，满足了军事通信便捷、高效、保密的要求。当然，它也能在宽带信道上作为一种附加业务使用。
　 静态图像传输有着极其广泛的应用：（1）现场侦察监视。如危险场所远程监控、现场侦察图像传输和试验现场监控等。（2）可视电话通信。静态图像可视电话增强了电话通信功能，提高了真实感和保密性。（3）图片文字资料传送。通过摄像机将图片文字资料转换为视频信号，经过图像采集压缩卡采集压缩后传输出去，既能代替传真电报，又便于资料的拷贝、存贮和打印等。但是，图像数据量巨大也给图像信息的存贮、传输带来了很大的困难。例如一幅72 0×576的32位彩色图像，其原始数据量高达1．7MB，若以4．8kbits／s的速率传输，大约需要46分钟，这显然不能满足部队对通信传输的要求。采用图像采集压缩卡后，可以将一幅静态图像的数据量大大压缩，在恶劣的战术通信环境下，方便快捷地为数字化部队提供丰富而准确的战场信息，从而提高数字化部队的整体作战能力。
2　图像采集压缩卡的理论依据
　 在网络与多媒体的推广应用中，图像的数据量极大，在图像的传输及存贮上存在着严重问题，所以图像数据的压缩必不可少。事实上，图像压缩技术已经历了多年的发展，特别是70年代后，图像编码的发展非常迅速，出现了很多方法。但许多方法实际上都因为基于图像信息的空间相关性而造成信息冗余。由于技术出发点不同，这些方法都有其特定的应用范围。
　 小波变换是由法国科学家Morlet于1980年提出的，后来其他学者又继续发展了这一理论。小波变换（Wavelet Transform，简称WT）亦称子波变换。小波变换与小波分析是一种分解与重构函数或信号的新的数字工具，通过不断改变尺度将函数的奇点、信号的突变或图像的轮廓、细节逐级放大后，呈现在研究者面前。这就犹如一台高性能的“数字显微镜”，它能看清函数、信号、图像的“切片”的细微特征和内部结构。这一方法，已在图像处理、数据压缩、信号检测、数值计算等许多方面得到日益广泛的研究和应用。小波变换编码在相当程度上克服了传统变换编码方法的许多不足，使图像压缩编码技术迈上了一个新的台阶。
　 传统的变换编码方法有很多种，如：广泛使用的傅立叶变换，沃尔什－哈达玛变换，余弦变换，正弦变换等。但这些方法都没有考虑人眼对边缘轮廓的敏感性，也不符合人眼对不同方向的图像信息有不同敏感性的特点。
　 小波变换理论一经问世即在世界范围引起轰动并得到关注。1988年Mallat将小波变换理论用于信号处理，提出了多尺度分析的概念，给出了将图像分解为不同频率通道的算法及其重构的算法。也就是将原始图像在频域内作多层分解，然后对这些信息表示采用有选择的编码。
　 在变换编码中，不仅要考虑图像本身的结构特点，而且同时还要充分考虑作为图像观察者 、接受者的人眼的视觉特性，才能保证既有较高的数据压缩比，又有相当高的图像质量。小波变换正是将图像分解成若干与人眼视觉特性相适应的具有不同分辨率、不同方向特性的子带，并使图像信息能量适当集中在某些子带上，从而兼顾了图像质量和压缩比的。　　
   用小波变换对图像进行采集压缩的处理过程为：利用离散小波变换，将图像分解为亮度分量、水平分量、垂直边缘分量和对角边缘分量。对得到的四个子图，根据人的视觉生理和心理特点，分别作不同的量化与编码处理。用快速余弦变换并结合Huffman编码法对亮度子图进行压缩。而对三个边缘分量，可采取去掉高频成分、阈值量化、均匀量化并结合Huffman编码压缩的方法。在解码端，对于不同的编码采用不同的解码。最后，利用小波逆变换还原原来的图像。
3　图像采集压缩卡的技术实现
　 图像采集压缩卡由视频解码器，视频编码器，帧存贮器，小波变换图像压缩编码解码器，FIFO，显示控制等模块组成，如图1所示。
　 由图1可见，从摄像头进来的PAL制式视频信号分成两路：一路由视频解码器进行数字化、分离出R、G、B分量信号后进入FIFO缓存器再经局部总线到总线控制器，后由CPCI总线传入显卡，从而在计算机显示器上显示动态图像。
　 另一路经另一视频解码器进行数字化、分离出Y、U、V分量信号，经驱动后再分三路，第一路直接送到视频编码器，恢复出模拟视频信号，并在电视监视器上显示动态活动图像；第二路送到帧存贮器，再经视频编码器进行还原，然后由电视监视器显示静止图像；第三路送入小波变换器，由小波变换器对图像进行压缩编码，然后经局部总线到总线控制器，再通过CPCI总线进入计算机内存，将已压缩的图像文件存入硬盘，等待系统发送。
                          
   相反，在接收方，计算机接收到压缩后的图像文件后，将文件中的图像数据经总线控制器传输入小波变换器，从而对图像数据进行压缩解码。解码后的视频数据直接进入帧存贮器，然后，由视频编码器将它还原成模拟视频信号。模拟视频信号又分成两路：一路由电视监视器直接显示，所显示的图像是经过系统通信后的静态图像。另一路经另一个视频解码器，分解出R 、G、B信号，经过FIFO缓存器后，再通过总线控制器进入计算机，由显示器来显示图像。此时显示的画面即为接收到的彩色静态图像。
4　图像采集压缩卡在数字化部队指挥控制系统中的功能
　 数字化部队指挥控制分系统中使用的图像采集压缩卡要求计算机显示器必须具有32位真彩色，显示器分辨率必须在800×600以上。在实时动态显示时该图像采集压缩卡的显示分辨率为720×576。它可以对图像数据进行采集压缩，也可以直接将其保存为BMP文件。
　 根据需求调查得知，数字化装甲部队也应具有较强的图像采集能力，这样便于指挥员利用系统采集到的图片及时、准确地了解部队作战情况，做到知己知彼，力争战斗的胜利。
　 计算机显示器可以动态地显示由摄像头或微波电视接收机发送的视频信号，操作员对这些动态画面仔细观察后，可以根据画面上信息的重要程度来确定是否采集。
　 当图像动态显示时，用户可以对图像的亮度、对比度、色度、饱和度进行调节，以达到人眼视觉所要求的最佳状态。
　 在图像采集之前，可以选择采集区域。用户可以根据信息所在区域，选择整幅画面来采集 ，也可以对感兴趣的部分区域进行采集。
　 最后，用户还可以选择采集图像的压缩率。由于采用了小波变换图像压缩编码技术，图像采集压缩卡对原始模拟图像信号进行了大比例、高质量的压缩，压缩率可以从4：1到7500：1 。图像采集压缩卡在本系统中，为用户提供了三种可选择的压缩比。一幅720×576×32的图像经压缩后，选择1级压缩率，图像文件为1KB左右，解压缩后的图像与原像相比较模糊，只能看个轮廓；选择2级压缩率，图像文件为6KB左右，解压缩后的图像与原像比，清晰度有些差距，图像基本能分辨；选择3级压缩率，图像文件为20KB左右，解压缩后的图像与原像比，清晰度稍有差距，图像比较清晰。
　 图像被采集下来后可以存贮于本机，也可以通过通信网发送到系统的中心数据库。系统的中心数据库内存储了大量由前沿侦察部队车辆及其他车辆发送的图片与文字资料信息，数字化部队指挥员可根据需要对中心数据库的图片资料进行检索、查询，从中获取所需的图片信息，为其制定作战决策提供信息支持。
5　结束语
　 上面对图像采集压缩卡在数字化装甲部队指挥控制系统中的具体应用进行了论述。可以看出，使用图像采集压缩卡可以为数字化部队的指挥员提供各种视觉信息，使其更直观、生动地观察前方战场敌情，从而为制订战略战术决策提供重要依据。采用小波变换使采集的图像数据获得了较好的压缩效果，从而大大减少了一幅图像在存储和传输时的数据量，节省了内存开销，缓解了传输信道上的拥挤现象。图像采集压缩卡在数字化部队中具有广阔的应用前景。当然，我们希望图像采集压缩卡能够提供更多级别的压缩比，这样用户就可以根据实际情况选择合适的压缩比进行采集压缩；另外我们还希望能提供对动态画面的连续采集和存储，这样可以使信息更全面、真实和具体，更有利于后方指挥员的决策。


1　沈庭芝，方子文．数字图像处理及模式识别．北京：北京理工大学出版社，1997
2　刘榴娣，刘明奇．实用数字图像处理．北京：北京理工大学出版社，1997
3　曹荻华，曾峦．基于小波变换的静态图像压缩的一种方法．指挥技术学院学报，2000（4）