基于視覺感知約束的遙感圖像壓縮算法.研究

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1、獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到，本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可

2、以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在_____年解密后適用本授權(quán)書。本論文屬于不保密□。（請在以上方框內(nèi)打“√”）學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：年月日日期：年月日1緒論1.1研究背景和意義遙感是二十世紀(jì)六十年代發(fā)展起來的新興綜合科學(xué)技術(shù)，它與空間、電子、光學(xué)、計算機、地質(zhì)等科學(xué)密切相關(guān)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的一個重要組成部分。從理論上遙感有如下定義：遙感是不直接接觸有關(guān)目標(biāo)物或現(xiàn)象而能收集信息，并能對其[1,2]進行識別、分類、判讀和分析的一種技術(shù)。衛(wèi)星遙感圖像已經(jīng)成為大尺度下觀測地面情況的重要手段，在軍事和民用方面均得到

3、了成熟的應(yīng)用，并產(chǎn)生了重大的社會和經(jīng)濟效益。同時遙感技術(shù)的發(fā)展，使遙感信息的空間分辨率、譜間分辨率不斷提高，隨之而來的是單位時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)量亦急劇增長(像素分辨率每提高1倍，數(shù)據(jù)量將增加3倍)，如高分辨率成像光譜儀HIRIS要獲取地面分辨率為30米的192個譜段數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率達到280Mbps，美國DoD/NASA繼LANDSAT-7后發(fā)射的高級陸地遙感衛(wèi)星(ALRS)將要獲取2.5米的地面分辨率，預(yù)計將達到389Mpixel/s，若按8bit/pixel計算,總的碼率將達到3000Mbps。焦平面技術(shù)和推掃技術(shù)將使多光譜成像儀產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達到

4、數(shù)Gbps，與此同時，可以利用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸信道只有300Mbps，數(shù)據(jù)的采集速率已遠遠超過傳輸信道可用的速率。即使采用先進的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸信道(600Mbps)，平均壓縮比也要14:1，這就要求在下傳數(shù)據(jù)之前采用有效的[3]方法對其進行壓縮。早期的圖像壓縮算法是基于DCT變換的，在較低碼率時會出現(xiàn)嚴重的方塊效應(yīng)，難以滿足高分辨率衛(wèi)星圖像所需大壓縮比的要求，無法保證圖像的保真度。小波理論的引入，使圖像壓縮產(chǎn)生了一場革命性的變化。在“十五”期間，對16倍定比壓縮的遙感圖像壓縮算法進行了研究，這些算法在壓縮高分辨率和紋理豐富的遙感圖像時，重建圖像將會產(chǎn)生嚴重

5、的振鈴效應(yīng)。另外，不同區(qū)域的圖像，其紋理細節(jié)會有所不同，而其“壓縮難度”也是不同的，即在同樣保真度下，某些區(qū)域只需少量的比特，而某些區(qū)域則需大量的比特才能達到。如果壓縮算法具有可變壓縮比特性，則可以在不同區(qū)域給定不同的壓縮比，可保持整體圖像的高保真度，同時滿足信道1傳輸?shù)膸捪拗茥l件。因為近無損壓縮技術(shù)最大只能提供約10:1的壓縮比，這么高的數(shù)據(jù)下傳碼率，遠遠超出了目前衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸信道300Mbps的傳送能力。為了盡量保持高分辨率遙感圖像所具有的信息，必須解決輸入數(shù)據(jù)碼率和傳輸信道帶寬之間的矛盾。所以星載高分辨率遙感圖像數(shù)據(jù)的實時、大壓縮比、高保真的壓

6、縮技術(shù)就成了解決這一矛盾的關(guān)鍵技術(shù)。1.2圖像壓縮基礎(chǔ)1.2.1圖像壓縮的可能性[4]圖像數(shù)據(jù)有極強的相關(guān)性，即圖像信息有大量的冗余信息。這是圖像壓縮技術(shù)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。人們追求的目標(biāo)就是最大限度的利用這種冗余信息，盡量減少表示圖像時所需的數(shù)據(jù)來進行圖像壓縮。數(shù)據(jù)是用來表示信息的,如果不同的方法為表示給定量的信息使用了不同的數(shù)據(jù)量，那么使用較多數(shù)據(jù)量的方法中，有些數(shù)據(jù)必然是代表了無用的信息，或者是重復(fù)的表示了其他數(shù)據(jù)已經(jīng)表示了的信息,這就是數(shù)據(jù)冗余的概念，它是數(shù)據(jù)壓縮中的關(guān)鍵。在數(shù)字圖像壓縮中，有三種基本的數(shù)據(jù)冗余：1.像素間冗余；2.編碼冗余；3.心

7、里視覺冗余。如果能夠減少或者消除其中的一種或者多種冗余，就能取得數(shù)據(jù)壓縮的效果。l空間冗余在圖像中，空間冗余又稱為像素間冗余或者幾何冗余。在絕大多數(shù)的圖像數(shù)據(jù)中，相鄰像素（無論是行或列方向）之間都具有很大的相關(guān)性，每個獨立的像素所攜帶的信息相對較少。換句話說，單個像素由于常能由鄰近像素的值推斷出來，所以其對圖像的視覺貢獻是有很多冗余的。l編碼冗余編碼冗余也即信息熵冗余，信息熵定義為K-1H=-pplog(1-1)?i=0ii2式中，K為碼元的個數(shù)，p為第i個碼元發(fā)生的概率。熵表示了圖像的信息量，i2熵的大小與信源的概率模型有著密切的關(guān)系。香農(nóng)定理告訴我

8、們，在不產(chǎn)生任何失真的前提下，通過合理的編碼，對于每一個信源符號分配不等長的碼字可以任意接近于