一種基于JPEG2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法與流程

本發(fā)明涉及極地科考，具體涉及一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法。

背景技術(shù)：

1、在南極等極端環(huán)境下，出于科考目的，對企鵝或冰山進(jìn)行圖像和視頻拍攝時(shí)，需要較高的清晰度，通常會導(dǎo)致圖片和視頻數(shù)據(jù)量過大難以實(shí)時(shí)存儲的問題，因此需要將拍攝的圖片和視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。由于通信基礎(chǔ)設(shè)施有限，帶寬資源稀缺且成本高昂。對于拍攝的圖片和視頻進(jìn)行一般壓縮后仍然存在數(shù)據(jù)量大，傳輸成本高的問題。

2、此外，在極地區(qū)域進(jìn)行圖像和視頻拍攝時(shí)，周圍環(huán)境通常是不變的，而所要觀察的目標(biāo)，如企鵝、冰山等，是比較固定的，且所要觀察的目標(biāo)與周圍環(huán)境相比，占比很小。而在極地地區(qū)，并沒有眾多的活動物體，因此周圍環(huán)境通常是不變的，對于不變的周圍環(huán)境來說，則是不必要進(jìn)行高質(zhì)量壓縮和傳輸?shù)摹?/p>

3、jpeg2000作為新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域，在極地考察中也普遍應(yīng)用。jpeg2000核心算法包括離散小波變換、比特平面編碼及算術(shù)編碼、率失真優(yōu)化和碼流組織，具有支持有損和無損壓縮、信噪比snr和分辨率漸進(jìn)傳輸、感興趣區(qū)roi編碼及碼流隨機(jī)訪問等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的jpeg2000圖像編碼技術(shù)，雖然能夠提供較高的壓縮率，但在帶寬受限的情況下仍會產(chǎn)生大量傳輸開銷。

4、針對這一問題，業(yè)界提出了多種優(yōu)化方案。其中，增量編碼技術(shù)通過僅傳輸圖像變化部分來減少數(shù)據(jù)量，在某些應(yīng)用場景下取得了不錯(cuò)的效果。同時(shí)，區(qū)域感興趣編碼也能夠通過針對性地提高重點(diǎn)區(qū)域的編碼質(zhì)量，在保證關(guān)鍵信息清晰度的前提下進(jìn)一步壓縮邊緣背景數(shù)據(jù)。此外，漸進(jìn)式傳輸技術(shù)可以先傳輸縮略圖，再逐步傳輸高分辨率細(xì)節(jié)，最小化每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

5、然而，現(xiàn)有技術(shù)還存在一些不足之處。增量編碼方法無法對圖像中的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域給予優(yōu)先傳輸，而區(qū)域感興趣編碼又需要依賴人工指定感興趣區(qū)域，缺乏自動化能力。同時(shí)，現(xiàn)有方案還未能充分整合增量編碼、區(qū)域優(yōu)先編碼和漸進(jìn)式傳輸?shù)燃夹g(shù)，無法實(shí)現(xiàn)更加全面的優(yōu)化。

6、因此，在南極等極端環(huán)境下，鑒于通信基礎(chǔ)設(shè)施有限，帶寬資源稀缺且成本高昂，亟需發(fā)明一種能充分整合增量編碼、區(qū)域優(yōu)先編碼和漸進(jìn)式傳輸?shù)燃夹g(shù)的圖像傳輸方法，高效地進(jìn)行高清靜態(tài)圖像的遠(yuǎn)程傳輸是一個(gè)亟待解決的問題，降低圖像遠(yuǎn)程傳輸所需的帶寬資源，滿足南極等極端環(huán)境下的應(yīng)用需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，適用于極地科考領(lǐng)域，能夠充分利用jpeg2000的高壓縮性能，結(jié)合增量編碼、目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先編碼和漸進(jìn)式傳輸?shù)燃夹g(shù)，大幅降低圖像遠(yuǎn)程傳輸所需的帶寬資源，滿足南極等極端環(huán)境下高清圖像遠(yuǎn)程的應(yīng)用需求。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

3、一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：包括以下步驟：

4、s1：對相機(jī)捕捉的第一幀圖像，采用標(biāo)準(zhǔn)的jpeg2000無損編碼方式進(jìn)行壓縮，生成完整的初始圖像數(shù)據(jù)包，并通過拷貝方式直接攜帶回基地；

5、s2：對后續(xù)拍攝的圖像幀，計(jì)算與前一幀的差異圖像，僅對差異部分進(jìn)行jpeg2000編碼，生成增量編碼數(shù)據(jù)包，將增量編碼數(shù)據(jù)包通信傳輸回基地；

6、s3：接收端可根據(jù)初始圖像數(shù)據(jù)包及增量編碼數(shù)據(jù)包進(jìn)行圖像重建；

7、進(jìn)一步，步驟s2更為具體地包括以下步驟：

8、s21：結(jié)合目標(biāo)檢測算法，提取當(dāng)前圖像幀中差異圖像中的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域；

9、s22：對重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域賦予更高的jpeg2000編碼質(zhì)量，對于邊緣背景區(qū)域的差異圖像，降低編碼質(zhì)量，進(jìn)一步壓縮傳輸數(shù)據(jù)量；

10、s23：在增量編碼數(shù)據(jù)包的傳輸過程中，先傳輸重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域的高質(zhì)量編碼數(shù)據(jù)，然后再傳輸邊緣背景區(qū)域的低質(zhì)量編碼數(shù)據(jù)。

11、進(jìn)一步，在s23步驟中的傳輸過程中，采用jpeg2000的漸進(jìn)式傳輸功能，先傳輸縮略圖，再逐步傳輸高分辨率細(xì)節(jié)，最小化每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

12、進(jìn)一步，步驟s1中，利用基于小波變換的圖像壓縮編碼器進(jìn)行無損編碼壓縮。

13、進(jìn)一步，基于小波變換的圖像壓縮編碼器包含一個(gè)中心控制和數(shù)據(jù)交換器、1～3級小波變換驅(qū)動器、二維小波變換引擎、聯(lián)合編碼器以及兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存：ram_a和ram_b。

14、進(jìn)一步，二維小波變換引擎實(shí)現(xiàn)5/3小波變換。

15、進(jìn)一步，壓縮編碼器各模塊工作順序由中心控制和數(shù)據(jù)交換器控制，工作過程由以下6個(gè)狀態(tài)組成：

16、1)idle狀態(tài)：系統(tǒng)空閑狀態(tài)，復(fù)位所有模塊，等待下一幀到來時(shí)進(jìn)入lvl1變換狀態(tài)；

17、2)lvl1變換狀態(tài)：1級小波變換驅(qū)動器把圖像送給二維小波變換引擎變換得到ll1，hl1，lh1，hh1子帶寫入ram_a中，同時(shí)中心控制與數(shù)據(jù)交換器讀取ram_b內(nèi)的上一幀圖像壓縮碼流輸出；

18、3)lvl2變換狀態(tài)：2級小波變換驅(qū)動器從ram_a中讀出ll1子帶系數(shù)送給二維小波變換引擎變換得到ll2，lh2，hl2，hh2寫入ram_b中；

19、4)lvl3變換狀態(tài)：3級小波變換驅(qū)動器從ram_b讀出ll2子帶系數(shù)送給二維小波變換引擎變換得到ll3，lh3，hl3，hh3寫入ram_a中；

20、5)子帶轉(zhuǎn)移狀態(tài)：中心控制與數(shù)據(jù)交換器把lh2、hl2和hh2子帶從ram_b復(fù)制到ram_a，這樣就完成圖像的3級二維小波變換過程；

21、6)熵編碼狀態(tài)：聯(lián)合編碼器級聯(lián)了最佳量化、自適應(yīng)零游程編碼和指數(shù)哥倫布編碼對ram_a內(nèi)的3級小波變換進(jìn)行熵編碼，并把編碼輸出碼字寫入ram_b中；完成當(dāng)前圖像的壓縮進(jìn)入idle狀態(tài)。

22、進(jìn)一步，步驟s21中，結(jié)合目標(biāo)檢測算法，提取圖像中的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域的具體步驟為：

23、s211、獲得第一幀圖像，對第一幀圖像進(jìn)行濾波處理；

24、s212、建立背景模型；

25、s213、采集當(dāng)前幀，對背景模型和當(dāng)前幀進(jìn)行隔行隔列的模板匹配，得到背景模型和當(dāng)前幀的偏移距離；

26、s214、從背景模型的中間對稱截取一圖像區(qū)域，再通過偏移距離得到當(dāng)前幀的對應(yīng)部分圖片，并對背景模型和當(dāng)前幀的這兩個(gè)圖片進(jìn)行sobel邊緣化、二值化，以及相互模糊比較；

27、s215、分析比較結(jié)果，判斷重點(diǎn)目標(biāo)是否出現(xiàn)或移動，若是重點(diǎn)目標(biāo)出現(xiàn)或移動，確定重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域，反之則返回步驟s213。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

29、本發(fā)明的基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，能夠充分利用jpeg2000的高壓縮性能，結(jié)合增量編碼、目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先編碼和漸進(jìn)式傳輸?shù)燃夹g(shù)，大幅降低圖像遠(yuǎn)程傳輸所需的帶寬資源，滿足南極等極端環(huán)境下高清圖像遠(yuǎn)程的應(yīng)用需求。

技術(shù)特征：

1.一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：步驟s2更為具體地包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：在s23步驟中的傳輸過程中，采用jpeg2000的漸進(jìn)式傳輸功能，先傳輸縮略圖，再逐步傳輸高分辨率細(xì)節(jié)，最小化每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：步驟s1中，利用基于小波變換的圖像壓縮編碼器進(jìn)行無損編碼壓縮。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：基于小波變換的圖像壓縮編碼器包含一個(gè)中心控制和數(shù)據(jù)交換器、1～3級小波變換驅(qū)動器、二維小波變換引擎、聯(lián)合編碼器以及兩個(gè)數(shù)據(jù)緩存：ram_a和ram_b。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：二維小波變換引擎實(shí)現(xiàn)5/3小波變換。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：壓縮編碼器各模塊工作順序由中心控制和數(shù)據(jù)交換器控制，工作過程由以下6個(gè)狀態(tài)組成：

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于jpeg2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，其特征在于：步驟s21中，結(jié)合目標(biāo)檢測算法，提取圖像中的重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域的具體步驟為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于JPEG2000的靜態(tài)圖像增量編碼及目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先傳輸方法，包括以下步驟：S1：對相機(jī)捕捉的第一幀圖像，采用標(biāo)準(zhǔn)的JPEG2000無損編碼方式進(jìn)行壓縮，生成完整的初始圖像數(shù)據(jù)包，并通過拷貝方式直接攜帶回基地；S2：對后續(xù)拍攝的圖像幀，計(jì)算與前一幀的差異圖像，僅對差異部分進(jìn)行JPEG2000編碼，生成增量編碼數(shù)據(jù)包，將增量編碼數(shù)據(jù)包通信傳輸回基地；S3：接收端可根據(jù)初始幀及增量數(shù)據(jù)包進(jìn)行圖像重建。同時(shí)對重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域賦予更高的JPEG2000編碼質(zhì)量，并采用JPEG2000的漸進(jìn)式傳輸功能。本發(fā)明能夠充分利用JPEG2000的高壓縮性能，結(jié)合增量編碼、目標(biāo)區(qū)域優(yōu)先編碼和漸進(jìn)式傳輸?shù)燃夹g(shù)，大幅降低圖像遠(yuǎn)程傳輸所需的帶寬資源，滿足南極等極端環(huán)境下高清圖像遠(yuǎn)程的應(yīng)用需求。

技術(shù)研發(fā)人員：曹叔楠,廖周鑫,高旻昊,何劍鋒,王碩仁,程昊,鐘銘鼎
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國極地研究中心（中國極地研究所）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30