摘要：遥感图像快速压缩传输系统为用户开展海量遥感图像存储与网络共享提供技术支撑平台。系统采用客户端对客户端的设计架构，采用图像分层分块、自适应小波变换、网络链路质量探测等技术，成功研制了遥感图像快速压缩传输系统，满足了各类型遥感图像应用单位之间的遥感图像共享、浏览、压缩与传输需求。
关键词：图像压缩；小波变换；网络传输
中图分类号TP391 文献标识码：A DOI：10.3969，j.issn.1003-6970.2012.01.002
引言
随着光电传感器技术的不断进步，遥感平台特别是星载平台获取的地面影像分辨率与光谱分辨率不断提高、地面覆盖范围不断扩大，在为专业人员提供高时效、高分辨率遥感数据同时，数据量也成倍增加。以美国商业卫星GeoEye-1获取的地面影像为例，该卫星每天绕地球12或13圈，能够采集70万平方公里的全色图像和35万平方公里的多光谱彩色图像，最高地面分辨率可达为0.41米，单日产生的遥感图像数据量接近10TB，如此大的海量数据为数据的地面分发和传输带来了巨大挑战，单纯依靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是跟不上用户需求的。
目前，我们国家受通信条件的限制，大数据量与低通信带宽的矛盾仍然制约着海量遥感数据传输的时效性。通过研制与现有带宽相适应的低成本、低通信带宽、高质量的快速图像压缩传输系统，使遥感数据远距离、异地的快速分发成为可能，解决在环境监测、灾害评估、战场态势监控等领域对遥感数据保障时效性要求高的瓶颈。
1系统设计
1.1系统设计思路
系统设计采用点对点客户端模式，发送端利用遥感图像分块压缩技术，将较大幅面的图像进行拆分，生成等大小的矩形图像块，通过高倍率压缩算法将每一个小块图像进行压缩，同时，采用将用户选取的感兴趣区域进行无损压缩或低压缩比处理，将非感兴趣区域采用高压缩比进行压缩的策略，进一步减少用于网络传输的压缩包的数据量。接收端通过网络按顺序接收压缩包，进行压缩图像概览和预览、感兴趣区域选择、图像解压等操作，并自动完成数据的拼合，最终实现网络任意两点之间遥感数据的共享。
1.2系统功能组成
遥感图像压缩传输系统主要包括图像预处理、图像拼接、压缩图像概览和预览、图像压缩传输和数据注册管理模块组成，各模块间关系如图1所示。
1.2.1图像预处理模块
将较大图像进行拆分，生成等大小的(位于图像边界的除外)矩形图像块。其目的是为了方便图像的压缩、传输与更新。
在大幅遥感图像编码拆分处理后，将分块图像按照行、列赋予名称，这样有利于对于它们进行管理。典型的图像块边界尺寸为512像素、1024象素、2048象素。系统根据已编码图像块的索引信息以及该图像块地理位置建立快速索引图。
1.2.2图像拼接模块
针对无地理坐标(有按次序编号图块)的图像以及有地理坐标的图像，提供拼接工具，可以将多个图块拼接成为一个大图像。当总数据量超过2GByteS，图像按照IMG格式存储，未超过2Gbytes，按照Geotiff或者bmp格式存储。
1.2.3压缩图像概览和预览模块
提供图像概览窗口，查看图像缩略图信息以及局部区域细节，并且提供感兴趣区域选择界面，使用户可以选择感兴趣区域，将感兴趣区域图块参数存入指定的文件。也可以对压缩、解压大图像进行预览，初步了解处理后图像是否符合要求。
1.2.4图像压缩传输模块
对遥感图像进行压缩处理，生成多分辨率、多种压缩比的渐进编码文件。最顶层的图层数据量最小，可作为概略图显示；最底层为无损压缩信息，可提供最高质量的影像。以上算法可以满足不同用户的需要，根据网络状况和感兴趣区域调整传输方式和压缩比。
1.2.5数据注册管理
将遥感图像数据注册到系统中统一管理，对发送方的可共享信息进行配置，方便共享和传输操作。
1.3系统工作流程
在具体应用中，遥感图像数据可分两类：一是有地理编码的图像数据；二是无地理编码的图像数据。两者的压缩和传输过程相同，如图2所示。
①数据预处理
提供图像分块界面，按照用户定义的分块大小，将遥感图像进行分块处理，对每一个分块图像进行编号、存储。
②分块压缩处理
针对全局图像进行压缩处理，对于分块数据按照多分辨率压缩算法进行压缩，获得多种分辨率、多种质量等级的分块压缩图像。
③感兴趣区域选择
提供感兴趣区域选择界面，对预处理后的遥感图像进行浏览，选定感兴趣区域(程序自动选择感兴趣区域覆盖的分块)，确定感兴趣区域的压缩倍率(无损或近无损)。
④压缩图像传输(图像发送方)
按照系统的通信条件，将全局压缩图像上线传输。在专用线路中，实现断点续传功能，使用进度条显示全局图像中已经传送的和待传送的百分比。
⑤压缩图像接收(图像接收方)
接收压缩后的图像数据，解压、还原数据，并且放在指定目录下。
⑥全局压缩图像预览
接收方在完成压缩图像的接收之后，对全局压缩图像进行浏览。远端用户接收到压缩文件后，可还原成和原始一样大小的图像，其中，感兴趣区域图像为无损或失真极小，而其它区域为压缩倍率较大图像数据还原的结果。
2系统重要功能技术实现
2.1图像分割预处理与拼接
图像分割预处理主要是将较大图像进行拆分，生成等大小的(位于图像边界的除外)矩形图像块，其目的是为了方便图像的压缩，传输。在传输完毕之后可以将小的图像块重新拼合成为大的图像。在大幅遥感图像编码拆分处理后，需要对分块图像进行编码，并根据已编码图像块的索引信息，及该图像块对于大图像的标准栅格或地理位置建立快速索引图。系统影像数据编码采用最简单的二维线性编码方案。
影像数据是按照“1分4”的影像分割原则。用户可根据影像大小将其分为不同层次的小块图像，从第1层的未分割影像块，到第2层4幅、第3层16幅、第4层64幅……这样一直分割到最高的图层。如果用LL表示层数，那么待传输的影像就是一个2(LL-1)2(LL-1)的影像块矩阵。如图3所示，二维线性编码方案是将以上影像矩阵的左上角影像块设为本编码的原点，垂直向下(向南)为Y轴方向，平行向右(向东)为x轴方向，影像块的行数和列数范围是：[0.2(LL-1)-1]。最终，每个影像块的编码表示为：LL-YYYYYY-XXXXXX，其中，LL为：层数；YYYYYY为：该影像块在Y轴的行数；XXXXXX为：该影像块在X轴的列数，数值保持定长前端补“0”的方式。
二维线性编码方案的特点是不同层次的影像位置关系非常简单，可以大大提高影像数据拼合的计算速度和查询效率。例如：影像的“放大一倍”和“缩小一倍”就对应的是编码的简单“×2”和“÷2”计算，影像的上下左右平移就对应的是编码的简单整数加减运算，这些都是二进制计算机的最基本运算形式。
图像拼接模块将零散的图像按照二维线性编码策略进行重新摆放与拼接，将多个图块拼接成为一个大图像。当总数据量超过2GByteS，图像可以选择按照IMG格式存储。系统界面及图像拼接模块显示效果如图4所示。
2.2图像压缩与解压
2.2.1图像压缩解压的基本原理
图像压缩解压的原理如图5所示，对输入的大图像进行重叠分块后，根据图像类型对光学图像采用自适应小波分解，分解后的小波系数进行非线性变换处理，以增强弱信息。对非线性变换后小波系数进行格型量化，再按优化路径进行子带位平面编码，达到给定倍率时则中止编码，输出压缩数据。
2.2.2图像压缩的核心步骤
图像压缩包括图像变换、量化和编码三个核心步骤。
(1)图像变换。
当前基于小波变换的压缩算法主要采用的小波基是5-3样条小波和9-7双正交小波。5-3样条小波往往通过提升方案实现整数小波变换。由于采用5-3整数小波变换直接进行整数运算，因此它可以提高压缩/解压速度。在低倍率压缩时，浮点小波与整数小波得到的结果几乎相同，但在高倍率压缩时，由于量化间隔加大，整数小波的性能将低于浮点小波。
另外，由于计算机的有限字长效应，浮点小波无法实现无损变换，因此在无损压缩时必须采用整数小波变换。基于两者的优缺点考虑，在无损压缩和低压缩倍率时，系统采用了5-3整数小波基进行图像去相关，在高倍率压缩时，采用9-7浮点小波变换。
(2)量化。
在图像压缩中，量化是失真的主要来源。本系统算法采用的是均匀标量量化。在理论上，矢量量化的性能是最优的，但复杂度太高，在没有专用硬件支持的情况下，很难实际应用。标量量化复杂度较低且能够通过位平编码来实现。
(3)编码。
当前比较流行的编码方法是自适应算术编码，它能够根据上下文自适应能够设定输入的编码符号的概率分布情况。由于小波变换后相邻的系数具有一定的关系，即大系数往往具有大的相邻系数。因此系统采用自适应算术编码进行熵编码。为了更多的保留重构图像的细节信息，对编码器进行一定的改进，主要体现在：
在编码时，图像中的复杂区域消耗了大量的码率，而码率的增加对复杂区域的质量改善并不显著，特别是在8倍压缩时平坦区域图像质量的严重降低。因此，系统根据图像不同区域的复杂程度来分配码率，显著地提高了解压图像质量。
2.2.3单块图像压缩与解压
单块压缩模块是压缩系统的核心模块，无论是面向传输的压缩还是面向存储的压缩都是建立在单块压缩的基础之上。单块压缩处理的对象是经过分块之后的单波段或者多波段子图像块。
单块压缩模块的结构设计如图6所示。
系统的输入参数包括块大小，输入数据指针，输出数据指针和压缩质量或者压缩倍率参数。并且允许输入输出共用同一块内存，即在压缩完成后，将压缩数据流输出到输入图像块存放的地方。
压缩参数表存放描述压缩过程的所有参数，相当于文件头，包括块大小，分解级数，压缩倍率，压缩质量，系数链表等参数，可以保证压缩数据唯一解码。
初始化的部分首先建立压缩参数表，为小波变换和输出数据分配内存作为缓冲区，将输入8比特图像转化为16比特图像转移到系数缓冲区内。
对单波段影像或光谱变换后的影像，根据图像的统计特性进行自适应变换。
系数组织模块根据各子带和各比特平面对重建图像质量的影响大小由高到低进行排序，同时也考虑算术编码器的效率，建立适当的数据结构，从而使系统做到无论压缩倍率为多少，重建图像的质量总是最优。
算术编码器对小波系数做进一步压缩，编码的路径取决于路径选择的结果。
率失真控制部分将用户输入的压缩指令如倍率或质量转化为对编码过程的控制，通过设定步长的循环运算保证实现一定精度的率失真控制。根据图像不同区域的复杂程度来分配码率，以保留图像中的边缘和细节信息。
单块解压模块的结构和压缩结构基本相同，只是各个功能模块都执行反变换，数据结构维持不变。这里不再赘述。
2.3网络传输模块设计
在系统中，图像传输可采用两种方式，一种是利用互联网通用文件传输工具，一种是利用自研的通信模块。其中，自研通信模块直接通过操作系统提供的网络通讯模块设计实现，即Socket。Socket最早是由Unix系统开发的一套网络通讯接口，简单而易学使它逐渐被其他系统所实现采用。为了提高本系统的反应，大量采用了多线程技术，每个不同的主机连接创建一个服务线程。
2.3.1一体化通信底层通信模块设计
底层通信传输采用以下技术实现：
分组传输方式：在报文比较长时，发送方发送前将长报文分成若干较小的分组；接收方收到分组后，将分组还原成原始报文；
应答确认机制：根据用户对传输数据可靠性的要求，在发送方和接收方建立应答机制，当接收方每收到一个需可靠传输的报文分组时，立即向发送方回送一个确认；发送方在某个“时间片”内收不到确认时，重发该报文。
脉搏探测：控制协议中的位置报文(脉搏报文)用于交换相互之间的位置信息，并可测试链路接收方是否处于活动状态；
链路质量探测：数据的发送方根据位置报文的返回情况，能够对链路的质量有一个评估，从而决定对发送方的发送策略。
优先级：按照优先级高低次序依次发送相应图像数据。
传输优先级：发送方根据链路质量制定相应的优先级，链路质量好，提高或保持当前优先级，链路质量差降低优先级。发送方根据优先级高低延时发送数据，保障遥感图像传输效率和可靠性。
超大型图像传输：在允许范围内采用增加压缩比，再传输的方法，降低网络带宽占用时间。
2.3.2底层通信进程与上层应用系统的接口设计
为较好地实现网络数据传输，在底层通信进程与上层应用系统的接口设计上采用了以下思路：
底层通信系统以独立进程运行，自定义通信进程和上层应用进程的接口协议。
在底层通信系统通信接口设计上，尽可能使接口协议简单化，并且采用共享内存文件的方法交换预先定义好的数据结构，使上层应用系统与通信系统的耦合性最小。
将压缩后的数据拆分成不同大小的数据包，同时在传输协议上充分考虑了传输线路的不稳定性，使得底层应用程序可以根据网络的通信状况调整通信包大小，甚至在严重拥塞时及时取消数据传输。
基于以上方法，本系统在通信设计上，采用标准的TCP/IP和UDP协议，既保证了遥感图像传输的效率，具有较好的稳定性，又满足了网络环境中数据快速传输的要求。
3结论
本系统通过自研的底层通信控制软件，采用数据分块压缩打包、分组传输、脉搏探测、链路质量探测、优先级排序等技术和方法，并在传输策略上充分考虑了传输线路的不稳定性，使得底层应用程序可以根据网络的通信状况调整通信包大小，甚至在严重拥塞时及时取消数据传输，实现了在低带宽、不稳定网络通信条件下遥感图像网络共享。使得遥感图像在各类型复杂通信环境下的传输成为可能，为全国各类型遥感图像应用单位之间的遥感图像共享、浏览、压缩与传输提供了有效手段。
参考文献
[1]王柯俨.遥感图像高效压缩编码方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2005.01.
[2]丁海玲，林宝军，张善从.高速遥感图像实时压缩仿真系统研究[J].计算机仿真，2006，23(5)：42 44.