基于小波的图像网络传输研究

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1、第2 9 卷第4 期增刊仪器仪表学报 V 0 1 2 9 N o 4 1 塑苎堡兰星鱼塾i 里墅皇! 业婴垒! 垡曼! ! 呈望垒堑璺! 堕塑罂里堕垒匹三塑苎 基于小波的图像网络传输研究 丁振宇 ( 装甲兵工程学院信息工程系北京1 0 0 0 7 2 ) 猜要针对图像的网络传输，提出了一种基于小波变换技术的图像网络编码传输方法。首先对图像进行二维小波变换，然 后结合可伸缩编码技术，并应用基于感兴趣区域的编码技术实现图像的网络渐进式编码和传输。实验结果表明，该方法实用 有效，能够改善编码传输后复原图像质量。 关键词小波感兴趣区域编码信噪比可伸缩性渐进式传输 R e s e a r c ho fI

2、 m a g eT r a n s m i s s i o no v e rN e t w o r kB a s e do nW a v e l e t D i n gZ h e n y u ( D e p to f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n gt h eA c a d e m yo f A r m o r e dF o r c eE n g i n e e r i n gB e i j i n g1 0 0 0 7 2C h i n a ) A b s t r a c tT h ep a p e rp r e s e n t sam e

3、 t h o do fi m a g et r a n s m i s s i o na V e rn e t w o r kb a s eO nw a v e l e t F i r s t l ya ni m a g ei s t r a n s f o r m e db yt w od i m e n t i o nw a v e l e t S e c o n d l yt h ei m a g ei se n c o d e db yR O Ic o m b i n e dw i t hS N Rs c a l a b l e t e c h n o l o g y F i n a

4、l l yt h ei m a g ei st r a n s f o r m e do v e rn e t w o r k E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e a n dc a ni m p r o v er e c o v e r yq u a l i t yo f t h ei m a g e K e yw o r d s W a v e l e tR O Ie n c o d i n gS N Rs c a l a b l e p r o g r e

5、s s i v et r a n s m i s s i o n 1引言 目前，J P E G 和G I F 压缩格式的图像是图像网 络传输中的丰要格式，它们具有较高的压缩比和较 好的视觉效果【l I 。然而，这两种格式的图像在网络 带宽比较低的条件下需要较长的时间才能显示完 整的图像。随着多媒体应用领域的扩大，传统J P E G 和G I F 压缩编码技术已经无法满足新技术条件下网 络传输的需要。近年来，小波技术发展迅速，基于 小波变换的新一代静态图像压缩编码技术在网络 传输应用中具有明显的优势，在实际中，可以应用 多分辨率分析、图像质量分级编码以及感兴趣区域 编码，实现图像的渐进式传输。

6、2 图像的小波变换编码 首先给出数字图像的小波变换模型1 2 1 1 3 l 。对于 一个给定的数字图像，记为一个数据集合 1 3 7 口己，o f N I ，o ， N 2 ，则必存在一个函数 f ( x ，y ) L 2 ( R ) 使得f ( x ，y ) = 口：，仍，( x ，y ) 通过离散小波变换，获得厂( x ，y ) 曲肴限层分解为： f ( x ，y ) - - a 。j q ，d ，o ，J ，) = f ，J 口0 蟛( x ，j ，) + q m , d 虼d ( x ，y ) 。记公式： t , j m dt , j D 胛 口0 ，O i N l ，o ， 2 )

7、 j a 己，q m ，j d ，o i - mN I ，0 歹 2 一N 2 ) ，其中 m = 1 , 2 ，：d = 1 , 2 ，3 。此即为数字图像的小波分 解，逆过程为小波合成，均满足M a l l a t 算法的分解 和合成公式。对于图像分解，小波变换相当于交替 在水平和垂直方向上进行滤波和亚采样。 数字图像的小波模型可以理解为将固定尺度 下空间采样的数字图像分解为连续小波变换在空 第4 期增刊 丁振宇：基于小波的图像网络传输研究 图I 小波分解的滤波器结构示意图 3 信噪比可伸缩性和感兴趣区域编码 3 1 信噪比可伸缩性 可伸缩编码技术是实现图像渐进传输的重要 基础，可伸缩编码

8、技术包含有编码数据流，能方便 的表达图像在不同分辨率条件下的解码数据来源。 在应用可伸缩压缩编码的系统中，解码系统能通过 编码码流得其中一部分进行解码，然后生成在某一 分辨率条件下的解码图像。 实际中，经常采用信噪比( S i g n a lN o i s e R a t i o ，S N R ) 可伸缩性来保证网络传输的图像最基本 的图像解码质量。这种特性需要在信道中传输相同 的空间分辨率条件下的最基本图像质量的码流，随 着码流的不断增加其解码图像质量不断提高。图像 经过小波变换后，其小波系数分为L L 、L H 、H L 和H H 四个子带，在这四个子带中L L 子带系数包 含有原始图像的

9、大部分图像信息，因此，L 乙子带 的小波系数单独进行编码并优先传输、解码。其它 子带的小波系数则根据网络传输环境或实际需要 可以自由的选择的进行传输或者不传输。 3 2 图像的感兴趣区域编码 用户感兴趣区域( R e g i o n so fI n t e r e s t ，R O I ) 编 码是图像国际标准J P E G 2 0 0 0 中的重要特性。R O I 实际上是图像的一部分，剩下的部分称为背景，实 际编码中往往是R O I 部分的数据流优先编码，并且 1 3 8 精度较背景部分高。 R O I 编码指一般通过一系列编码手段实现选好 的R O I 区域以更高的质量或更高的分辨率优先

10、编 解码与传输。其基本原则：在低解码率下，要保R O I 区域的解码质量优于其他背景区域，而在较高解码 率时，必须保证R O I 最先实现无损编码，最后要保 证图像的所有部分均可以实现无损解码。 J P E G 2 0 0 0 中的R O t 编码是基于可伸缩编码技 术的。其原理是f 5 1 1 6 1 ：在系数量化完成后，将与R O I 区域有关的变换系数放大? ( n 为整数) 倍，也就 是将系数比特向左位移，这样做就使R O I 的有关系 数比与背景有关的系数出在更高更重要的位平面 上。在嵌入式编码过程中，与R O I 有关的系数存在 最高几个位平面上的编码通道，在码流中比任何与 背景有

11、关的系数位平面码流通道靠前。因此R O I 将 被优先解码，并且在重构图像中具有更高的质量。 在R O I 编码中一个关键问题是如何生成R O I 罩。 所谓R O I 罩是指对最后重构R O I 有贡献的所有小 波分解系数的集合。其生成原理是首先利用R O I 的 形状信息确定属于R O I 的像素，然后根据所采用的 小波变换的逆变换确定重构当前层R O I 系数所需 要的上一层系数，最后依照图像小波分解的层数重 复上述过程，从而确定各子带中的R O I 罩大小并找 到所有与R O I 有关的系数。 R O l 编码过程是： ( 1 ) 根据如上所述，生成R O I 罩； ( 2 ) 找到缩

12、放值够并参照罩进行系数偏移， 将R O I 系数放大2 ”； ( 3 ) 对偏移后所有小波图像系数按位平面从 高到低依次编码，并在编码流的嵌入R O I 区域的形 状、位置、大小及系数偏移量等信息写入码流。 R O l 解码过程是： ( 1 ) 从码流中得到缩放值s ( 2 ) 从解码流中获取R O I 区域的形状、位置 及大小等信息，根据这些信息完成R O I 区域的再 现： ( 3 ) 根据解码流中的系数偏移量信息将所有 R O I 系数或背景系数还原到原来位置。 4 图像的渐进式编码传输实现 实际应用中，在一幅较大的图像中往往只有一 小块区域对用户是重要的，如果冉采用常规方法对 第2 9

13、 卷仪器仪表学报 整幅图像完全压缩传输，必然限制了重要区域信息 的传输效率。因此，在基于感兴趣区域编码技术的 基础上，笔者实现了静止图像的网络渐进式编码、 传输。算法的实现流程示意图如图2 所示。 二维小渡交换 奎波逆变换 1T 小渡系数量化 小被系数反量化 It 基于信噪比可伸缩的基于信噪比可伸缩的 感兴趣区域编码 感兴趣区域解码 I 编一黼 ， 图2 图像渐进式编码、传输示意图 图像的渐进传输通过普通的W E B 方式，主要 包含图像数据流处理、图像数据压缩编码和解码、 图像数据传输等三个部分。 4 1 图像数据流处理 图像数据流处理部分主要是读取图像文件并 生成数据流，实现对数据流的按位

14、操作，并提供后 续操作的接口。下面是通过结构化方式对图像数据 流的定义。 S t r u c t F I L E * F i l e ； 图像数据文件 i n t I n d e x ； 数据索引 i n t H i g h F l a g ； 高位标志 i n t S t o r e S i z e ； 存储空间大小 i n t S t o r e S t a r t ； 数据存储起始地址 c h a rS t o r e M o d e 2 ；文件模式 基于上述数据结构，实现数据流处理的函数包 括对数据流文件的打开和关闭、按位读取数据流文 件、按位写数据流文件。 4 2 图像数据压缩编码和

15、解码 图像数据压缩编码和解码部分主要实现对图 像文件的压缩并在传输后将压缩码流解压缩。主要 函数包括二维小波变换和逆变换、图像R O I 编码和 解码、解码图像质量评价和码率控制。 C l a s sl m a g e E n c o d e D e c o d e p u b l i c ： v o i dW a v e T r a n s ( i n t i m a g e D s t , i n tw i d t h , i n t h e i g h t , i n tl e v e l s ) 图像二维小波变换 v o i dW a v e l n v e r s e ( i n t

16、 i m a g e D s t ，i n tw i d t h , i n t h e i g h t , i n tl e v e l s ) I 圣1 像二维小波逆变换 i n t R O I E n c o d e ( i n t i m a g e D s t ，i n tn u m , F I L E * f D s t i m * B i t S t a r t , i n tb i t L e f t ) I I R O I 编码 i n t R O I D e c o d e ( i n t 幸i m a g e D s t , i n th u m ，F I L E * f D s t i n t * B i t S t a r t , i n tb i t L e f t ) R O l 编码 f l o a tP s n r ( i n t * C h a n e ll ，i n t * C h a n e l 2 ，