CN103796018B - 一种遥感影像实时压缩及渐进传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其中包括发送端，接收端，以及用于发送端与接收端之间进行实时数据传输的传输模块。发送端包括对遥感影像进行实时读取和处理的图像读取模块，以及对处理后的瓦片进行实时编码和压缩的图像压缩模块；接收端包括对包进行实时解压的图像解压缩模块和对解压后的重建图像进行显示的图像显示模块；本发明在传统金字塔模型的基础上，提拱了一个实时压缩、实时传输、实时解压的系统，能够使压缩码流在信道中渐进式传输，客户端先看到影像的概貌，然后影像细节不断快速增加直至得到最清晰的影像，缩短用户的等待时间。
Description
技术领域
本发明涉及图像数据传输领域，具体涉及一种遥感影像实时压缩及渐进传输系统。
背景技术
随着网络技术的发展，人们从网上获取地理信息的需求在日益增长。很多如百度、谷歌等网站都提供电子地图服务。地理数据服务软件Google Earth，以及我国在2010年发布的“天地图”网站，均说明地理信息行业正向着公众服务的方向迈进。为了实现遥感影像在Internet上的快速发布，现有方法通常是将影像重采样，并将金字塔各层切割成瓦片，建立影像金字塔存储模型。目前，对纹理瓦片压缩的方法较多，然而，这些都是基于对瓦片事先压缩好的方法，当用户需要金字塔某一层对应的某个区域时，服务器端将该区域覆盖的所有瓦片发送出去，接收端将这些瓦片数据全接收完毕后，才可以解压缩并显示。这种方法在多用户请求或网络状况不好时，容易使用户等待时间过长。
发明目的
本发明的目的在于提供一种遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其可实时进行压缩、传输、解压，使压缩码流在信道中渐进式传输，降低用户的等待时间。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其包括：
用于对图像进行实时压缩的发送端，发送端包括对遥感影像进行实时读取和处理的图像读取模块，以及对处理后的瓦片进行实时编码和压缩的图像压缩模块；
用于对发送端发送的包进行实时解压的接收端，接收端包括对包进行实时解压的图像解压缩模块和对解压后的重建图像进行显示的图像显示模块；
以及用于发送端与接收端之间进行实施数据传输的传输模块。
具体方案为：
发送端采用SPIHT算法作为遥感影像瓦片的编码方法。发送端对原始遥感影像，先构建金字塔，并对各层进行瓦片切割；对用户请求的每一个瓦片，进行如下操作：发送端预先分配一个缓冲区，然后对请求的瓦片进行SPIHT编码，每生成一位编码，则立即送入缓冲区，当缓冲区的码流达到一定长度，则加入包头并打包传送，同时，压缩继续进行。重构图像的分块大小为256×256。
接收端接受的包，根据包头信息确定包内的码流长度，并分配对应大小的缓存，将码流写入缓存，写入完毕后立即解压并显示，然后释放对应缓存。
发送端将瓦片图像经小波变换后，采用SPIHT逐个位平面进行编码，将每个位平面对应的码流生成一个包，每个包在传输过程中生成一个头文件，头文件记录了该包的序号和该包中码流的长度。
传输模块采用以太网进行数据传输。传输模块每传输完一个包，接收端向发送端发出一个确认指令，发送端接收该指令后，再发送下一个包。
本发明在传统金字塔模型的基础上，提拱了一个实时压缩、实时传输、实时解压的系统，能够使压缩码流在信道中渐进式传输，客户端先看到影像的概貌，然后影像细节不断快速增加直至得到最清晰的影像，缩短用户的等待时间。这种质量递增的流式数据传输模式，非常适合遥感数据的网络发布，在低带宽的网络环境下使用，效果尤为明显。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2、3为两个不同的数据源；
图4、5为图2、3数据源在不同分块尺寸下重建图像质量的变化趋势图；
图6、7为图2、3数据源在TCP/IP协议下不同分块尺寸算法的复杂度变化图；
图8为SPIHT编码流程图；
图9为第0个包的数据组织图；
图10为第i个位平面对应的包头和包内容；
图11为发送模块的编码、压缩流程示意图；
图12为接收模块的解压流程示意图；
图13为发送端进行压缩和传输的图像；
图14-a为传输的第3阶段图像显示模块显示的图像；
图14-b为传输的第4阶段图像显示模块显示的图像；
图14-c为传输完毕后图像显示模块显示的图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的遥感影像实时压缩及渐进传输系统如图1所示，其包括：
用于对图像进行实时压缩的发送端，发送端包括对遥感影像进行实时读取和处理的图像读取模块，以及对处理后的瓦片进行实时编码和压缩的图像压缩模块；
用于对发送端发送的包进行实时解压的接收端，接收端包括对包进行实时解压的图像解压缩模块和对解压后的重建图像进行显示的图像显示模块；
以及用于发送端与接收端之间进行实施数据传输的传输模块。
本发明中对原始遥感影像，先构建金字塔，并对各层进行瓦片切割。对用户请求的每一个瓦片，进行下面操作：发送端预先分配一个缓冲区，然后对该瓦片进行SPIHT编码。每生成一位编码，则立即送入缓冲区。当缓冲区的码流达到一定长度，则加入包头并打包传送。同时，压缩继续进行。接收端收到该包后，根据包头信息确定包内的码流长度，并分配对应大小的缓存，将码流写入缓存，写入完毕后立即解压并显示，然后释放对应缓存。通过这种方式，后面传输的数据是前面已接收数据的增量，每次根据新解压的数据对已显示影像实时更新，实现了影像显示的快速平滑过渡。
对于遥感影像，目前，最普遍的全球地形数据组织方法是金字塔模型。为了测试不同大小的瓦片对压缩/重构性能的影响，采用多幅遥感图像，分别在不同分块大小(64×64、128×128、256×256、512×512、1024×1024)，不同压缩倍率(1∶10，1∶80)下进行压缩和重构，以得到最佳分块大小。由于不同的遥感图像得出的结果类似，这里只给出两幅遥感图像的结果。
图2、3为采用的两幅遥感图像，大小分别为1024×1024和2048×2048，对于图3，为了更好的看出分块对性能的影响，最大的块取2048×2048，即原始图像大小。
图4、5给出了JPEG2000压缩方法下，对于不同分块大小的重建图像质量。由图4、5可以看出，重构图像的质量随着分块尺寸的增大而增大。且尺寸为256×256的分块是一个重要拐点。对于小于该尺寸的分块，随着块尺寸的减小，恢复图像信噪比急剧下降。而对大于该尺寸的块，虽然重建图像的PSNR值单调递增，但增加的幅度很小，且随着图像尺寸的增大，计算量会大大增加。因此，从重建质量上看，选用256×256的分块大小最为合理。
图6、7给出了在TCP/IP协议下，不同压缩比(这里选取的是10∶1和80∶1)和不同分块大小的情况下图像传输的效率。图中，纵坐标为系统总耗时(ms)。总耗时越小，表明系统效率越高。其中，系统总耗时为图像分块时间，压缩时间和传输时间三项的总和。由图6、7可以看出，仿真曲线都经历了先降再升的过程，即对于不同图像大小的情况，系统的总时耗都有一个最小值。根据仿真结果，系统性能在分块大小为256×256时达到最佳。综合上面仿真结果，
对于一般遥感图像，无论是从重建图像质量还是系统总的计算复杂度上讲，采取256×256均为最佳分块策略。
渐进式图像传输(PIT)通常用在低带宽的网络环境下，该技术可将数据分为几个阶段传输。PIT技术应满足两个基本条件：一是在前期传输的近似图像应尽可能清晰，即重要信息先传输。二是在前几个阶段接收的数据应能够与后面传来的图像叠加，即后接收的数据是对已有数据的细化。由于SPIHT算法是一种嵌入式编码，它按照位平面自上而下的顺序编码，保证了重要的信息在前。此外，该种编码方式能够在任意位置进行解码，这为码流的分阶段传输和显示提供了极大的方便。故采用SPIHT算法作为遥感影像瓦片的编码方法。SPIHT算法通过三个链表，把所有像素点按空间方向树的结构组织起来进行编码。这三个链表他们分别是：重要像素点链表(LSP)、不重要像素点链表(LIP)、不重要像素集合链表(LIS)，SPIHT编码流程具体如图8所示。
瓦片图像经小波变换后，采用SPIHT逐个位平面进行编码，将每个位平面对应的码流生成一个包，每个包在传输过程中均需一个头文件。头文件记录了两种信息，一是该包的序号，以保证按顺序解压；二是该包中码流的长度，根据该长度预先分配动态内存，以存储该包的码流文件。记录码流长度的另一个作用是供解码端确定解码的终止位，当解码至该包的最后一位时，进行图像显示。对于一个位平面，将包头和压缩码流分为两个包发送。设有P个位平面，则生成2P个包。由于接收方对压缩码流解码前必须预先知道一些图像信息，故将这些信息放在一起作为第0个包单独传送，这个包称为SPIHT头文件。故包的总数为2P+1个。
下面对各包的数据组织进行简要说明。
第0个包：SPIHT解压缩需要的头文件，头文件包括图像长度、宽度、小波分解级数、小波分解系数最大值。
包头P0，h的长度=包编号(8位)
包内容P0，c的长度=16位+16位+8位+16位=56位
故第0个包的总长度为64位，如图9所示，图9中Length为图像长度，Width为图像宽度，Level为小波分解级数，MaxValue为小波系数最大值。
第i个位平面对应两个包：
包头pi，h的长度=包编号(8位)+码流总长度(32位)=40位。
包内容pi，c的长度=具体的码流。
包头和包内容的数据组织结构如图10所示，包头包括Num和Code_Len，Num指包编号，Code_Len指码流总长度的二进制表示，Code_stream指压缩码流数据。
发送端的功能是进行压缩并实时传输。设原始图像大小为A，压缩比为Cr，则在发送端预先开辟大小为A/Cr的总缓冲区。首先传输第0个包，即SPIHT头文件，为解压端提供压缩所必须的信息。然后对位平面进行SPIHT压缩，压缩过程中生成的二进制位不断写入总缓冲区。当压缩完一个位平面，则先将包头写入预先分配好的内存中(5个字节)，然后根据包头提供的码流长度，临时分配动态内存，将缓存中的压缩码流写入该内存中，等待信道进行传输。信道每传输完一个包，则将对应的内存释放，继续读取下一个包。需注意，在传输过程中，编码端的压缩还在进行。压缩和传输各分配一个线程，两个线程同步并独立进行工作，从而实现了实时压缩并传输，过程如图11所示。
采用Socket，在标准的TCP/IP协议下，在以太网上进行数据传输。在传输信道，为了尽量使通信不丢包，采用双工通信的方式。每传输完一个包，则接收端向发送端发出一个确认指令，发送端接收该指令后，再发送下一个包。
接收模块采用如图12所示流程进行解压，预先开辟一个大小为8个字节的动态内存，以及2P个大小为5个字节的动态内存。8个字节的内存用来接收SPIHT头文件，为后面的SPIHT解压缩做准备。接收并解译第0个包后，将该内存释放。当接收到第1个包时，即最高位平面对应的包头，将其放入下一个动态内存中，解译后得到对应的码流长度。然后根据该长度临时开辟动态内存，并接收码流(第2个包的信息)。接收完毕后，将码流解压缩并显示，然后释放包1和包2对应的内存。在解压缩期间，信道传来的包继续放入下一块内存中，等待进行相同的操作。随着接收数据的增多，叠加在已有数据上的细节的越来越多，图像逐渐变得更清晰。
为了验证分级压缩和渐近传输的效果，根据以上分析与设计，采用一副大小为2048×2048的遥感影像，分割瓦片大小为256×256。硬件环境为两台电脑，其中压缩和传输一台电脑，解压和显示一台电脑。配置为Pentium4处理器，2G内存，Windows2000系统。软件环境为Visual Studio2010，OpenCV2.4，编程语言为C++。发送端的压缩和传输过程如图13所示，接收端在不同阶段的解压缩和显示过程如图14-a、14-b、14-c所示。
由图13、14-a、14-b、14-c所显示的结果可知，发送端压缩并打包发送码流后，解码端能够实时接收并解压收到的包，解压完毕立即进行显示。随着包的传送，影像细节迅速增加，可以平滑的过渡到最好的质量。这种渐近传输的方式在低带宽的网络环境下尤为有利。
本发明针对传统影像金字塔模型下，将所有被请求的瓦片全传输完再解压的问题，提出了网络环境下遥感影像实时压缩及渐近传输系统，并对系统实现过程中的关键环节进行了详细分析。实验结果表明，用户端看到的图像能够快速平滑过渡至最清晰，克服了传统方法中影像显示的“阶跃”效应，有效的解决了用户主观感觉等待时间过长问题。这种质量的流式数据传输模式，降低了对网络带宽的需求，非常适合遥感数据的网络发布，对进一步提高虚拟地球平台的遥感影像金字塔调度效率提供了较好的解决办法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其包括：
用于对图像进行实时压缩的发送端，发送端包括对遥感影像进行实时读取和处理的图像读取模块，以及对处理后的瓦片进行实时编码和压缩的图像压缩模块；
用于对发送端发送的包进行实时解压的接收端，接收端包括对包进行实时解压的图像解压缩模块和对解压后的重建图像进行显示的图像显示模块；
以及用于发送端与接收端之间进行实时数据传输的传输模块；
发送端采用SPIHT算法作为遥感影像瓦片的编码方法；
发送端对原始遥感影像，先构建金字塔，并对各层进行瓦片切割；对用户请求的每一个瓦片，进行如下操作：对于大小为A的原始图像，压缩比为Cr，在发送端预先开辟大小为A/Cr的总缓冲区；首先传输第0个包，即SPIHT头文件，为解压端提供压缩所必须的信息；然后对位平面进行SPIHT压缩，压缩过程中生成的二进制位不断写入总缓冲区；当压缩完一个位平面，则先将包头写入预先分配好的内存中，然后根据包头提供的码流长度，临时分配动态内存，将缓存中的压缩码流写入该内存中，等待信道进行传输；信道每传输完一个包，则将对应的内存释放，继续读取下一个包；在传输过程中，编码端的压缩还在进行；压缩和传输各分配一个线程，两个线程同步并独立进行工作，从而实现了实时压缩并传输；
接收端接受的包，根据包头信息确定包内的码流长度，并分配对应大小的缓存，将码流写入缓存，写入完毕后立即解压并显示，然后释放对应缓存；
发送端将瓦片图像经小波变换后，采用SPIHT逐个位平面进行编码，将每个位平面对应的码流生成一个包，每个包在传输过程中生成一个头文件，压缩码流形成的包和生成的头文件分为两个包发送，头文件记录了该包的序号和该包中码流的长度，记录包的序号以保证按顺序解压，记录包中码流的长度以根据该长度预先分配动态内存，以存储该包的码流文件。
2.如权利要求1所述的遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其特征在于：重构图像的分块大小为256×256。
3.如权利要求1所述的遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其特征在于：传输模块采用以太网进行数据传输。
4.如权利要求1所述的遥感影像实时压缩及渐进传输系统，其特征在于：传输模块每传输完一个包，接收端向发送端发出一个确认指令，发送端接收该指令后，再发送下一个包。
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