２０１１年第２期 （总第１３８期） 大众科技 ＤＡＺＨＯＮＧ ＫＥＪ Ｎｏ．２，２０１１ （Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ Ｎｏ．１ ３８） 基于小波变换的遥感图像压缩并行算法研究 刘新国 （中共辽阳市委党校，辽宁辽阳１１１０００） 【摘要】文章针对遥感图像本身的特点和统计特性，首先对遥感图像进行小波变换，将遥感图像进行多分辨率分解，分 解成不同空间、不同频率的子图像；然后将经过小波变换以后的遥感图像分割成不同频带，其中的低频带采用差分脉冲调制法 进行压缩。保证遥感图像主要的信息不丢失，其他高频带采用多级树集合分裂算法编码提高压缩比，这样分为高频和低频带为 算法的并行实现提供了条件。实验结果表明，遥感图像在图像压缩的并行处理以后可以获得更少的时间开销。 【关键词】遥感图像；小波变换；并行算法；多级树集合分裂算法 【中图分类号】 【文献标识码】 【文章编号】１００８－１ １５１（２０１ １）０２－００７３－０２ （一）引言 小波变换定义是指把一基本小波（亦称母小波）的函数 随着遥感技术迅速发展，遥感图像的信息量增大，对遥 （ｆ）做位移ｂ后，再在不同尺度ａ下与待分析的图像ｘ（ｔ）做 感图像的压缩存取和传输速度的提高和满足系统的实时性有 内积： 了很高的要求。 ＝ 本文在研究了遥感图像的基本特征、小波系数相关性以 （瑚 ） 及并行算法的基础上，提出了一种适合处理遥感图像的压缩 其中ａＳＯ 并行算法。通过此遥感图像压缩并行算法，可以提高遥感图 其等效的频域表示为： 像的压缩速度，以便满足系统的实时性。 （二）遥感图像处理模式 （ （ 本文中提出的遥感图像处理模式，具体如图１所示。遥 感图像首先经过小波变换，然后将小波变换后的低频分量和 ｌ 高频分量分别进行Ｈｕｆｆｍａｎ编码后组合成同一码流，然后低 ｌ。弧 Ｈｋ ＨＬ１ 频和高频带分别进行无损压缩，之后利用解码和小波重构过 Ｌ 哪 程恢复出压缩后的遥感图像。模型中的小波变换是按照每级 ｕＩ一 曲． 变换的次序将图像分解成低频和高频子带，从而保证依此进 行Ｈｕｆｆｍａｎ编码时可以顺序得到每个子带的码流，在整合的 码流中低频位于最前面。 图２三级小波分解示意图 小波图像编码的主要工作是选取一个固定的小波基，对 图像作小波分解。以原始图像为初始值，不断将上一级图像 分解为四个子带的过程。每次分解得到的子带图像中，Ｈ Ｌ】表 逆变换输出 示了水平方向的高频、垂直方向的低频成分，ＬＨｊ表示的是水 平方向的低频、垂直方向的高频成分，而｝Ⅱ１ 子带则表示了水 平和垂直方向的高频成分。具体如图２所示。 本文采用双正交小波基用于遥感图像实时压缩。提升方 图１遥感图像处理示意图 案通过分裂、预测和更新三个步骤实现信号高低频的分离“’。 （三）小波变换的图像压缩并行算法 （Ｉ）分裂：分裂过程将原始信号分裂为两个集合，一般 １．小波变换 采用奇偶分裂。 （２）预测：预测过程用偶数部分的值预测奇数部分，预 小波变换是一种信号的时间一尺度分析方法，在时频两域 测是利用数据间的相关性。奇数和偶数部分具有一定的相关 都具有表征信号局部特征的能力。另外，通过小波变换，图 性，所以奇数部分数据可以根据附近的偶数部分数据预测得 像的统计特性有所改善，消除行和列之间的相关关系。因此， 到。 对于处理图像而言，小波变换具有对信号的自适应能力，有 （３）更新：经分裂产生的子集的某些整体性质与原始数 很大的优越性。 【收稿日期】２０１０—１２－０８ 【作者简介】刘新国（１９７８一），男，辽宁辽阳人，中共辽阳市委党校助教，计算机系统结构专业硕士研究生，研究方向为 并行图像处理、并行计算。 ．７３． 据有差异，需要进行更新运算。提升算法的每一步都是可逆 的，重构过程类似于分解过程，采用取消更新、取消预测、 合并三步运算。 ２．编码过程 根据信息论，采用熵编码可以有效提高编码效率，提高图 像压缩率。对图像实现无损压缩，霍夫曼编码无疑是使用最 广的熵编码而且是编码效率较高的变字长编码。霍夫曼编码 的码字长度的排列与符号的概率大小排列时严格逆序的，理 论上已经证明其平均码长最短，因此被称为最佳码。其基本 思想是对出现概率大的信息采用短字长的码字，而对出现概 率小的信息采用长字长的码字，以达到缩短平均码长，从而 实现了数据压缩的目的。在某些信源概率分布的情况下，霍夫 曼编码通过变长编码能使压缩效果达到最优。 改进后的算法过程如下： （１）对将图像进行ｎ层快速提升小波变换。 （２）找出系数中绝对值最大的值ＭＡＸ，求出对应二进制 的位数Ｂ，计算阈值。 （３）细化输出信息，它包括了正确重构值的位。 （４）针对储存量大的问题，引入了“最小闽值”（Ｔ…） 和“最小输出位”（ｂｉｔ ）的方法来解决。原算法的编码过 程是一个随着阈值的降低逐次扫描的过程，每扫描一次，则 多输出一个重要系数的二进制有效位。在一定的压缩比下， 阈值减小到一定的大小则停止编码。每一幅图像在不同的压 缩比下，都存在一个最小阈值，大量的实验表明，一般的图 像在相同的压缩比下，最小闽值的取值大致相同。改进算法 由大量实验统计，得出不同压缩比下的最小阈值，由该阈值 推算出重要系数的最小输出位。 （５）针对其重复扫描的问题，使用“最大值表”来解决。 ＳＰＩＨＴ算法编码过程中将阈值不断减半，重复排序和细化，直 到编码结束。改进的算法在第一遍排序过程中，与ＳＰＩＨＴ算法 一样，逐个元素比较，不同的是改进算法在此过程中同时建 立最大值表，并存入ＬＩＳ链表中对应元素的子孙节点中的系数 最大值。所建立的最大值表与链表ＬＩＳ大小相同，并且随着ＬＩＳ 大小的变化而变化。在以后的过程中，ＳＰＨＩＴ算法每将阈值 减半一次，排序时都需要把所有子孙节点系数一一与阈值比 较，而改进后的算法由于引进了最大值表，只将最大值表中 的值与阈值比较即可，不需要逐个元素比较，计算量大大减 少。 （四）并行实现 １．并行程序初始化。初始化并行环境，得到总进程数、 当前进程号及并行环境的当前时间，这些并行环境的参数主 要用来实现计算任务的动态分配和得到算法运行的时间，以 衡量算法的优劣。 ＭＰＩ Ｉｎｉｔ（＆ａｒｇｃ，＆ａｒｇｖ）：／／并行程序初始化 ＭＰＩ—Ｃｏｍｍｒａｎｋ（ＭＰＩ ＣＯＭＭ ＷＯＲＬＤ，＆ｍｙ—ｒａｎｋ）： ＭＰＩ～Ｃｏｍｍ＿ｓ ｉ ｚｅ（ＭＰＩ—ＣＯＭＭ＿ＷＯＲＬＤ，＆ｇｒｏｕｐ—ｓ ｉ ｚｅ）： ２．结点０读入图像文件，分为文件头和文件数据。从文 件头中得到一些有用参数文件大小，图像高、宽，每个像素 点的位数，再把文件数据读入缓冲区内，以数组形式保存在 结点０中。 ．．７４．． ３．并行实现图像处理的算法。 ｆｏｒ（ｙ＝０：Ｙ＜＝１ｉｎｅ：Ｙ＋＋） ｆｏｒ（Ｘ＝１ ｘ＜ＬｉｎｅＢｙｔｅｓ一１：ｘ＋＋）ｆ ｉ＝ｙ＊ＬｉｎｅＢｙｔｅｓ＋Ｘ： ｇ２＝木（ｔｅｍｐｄａｔａ＋ｉ）： ｇｌ＝｛（ｔｅｍｐｄａｔａ＋ｉ—１）： ｇ３＝，Ｉｃ（ｔｅｍｐｄａｔａ＋ｉ＋１）： ｉｆ（ｇｌ＞ｇ２）｛ ｉｆ（ｇ２＞ｇ３）ｇ＝ｇ２： ｅｌｓｅ｛ ｉｆ（ｇｌ＞ｇ３）ｇ＝ｇ３： ｅｌｓｅ ｇ＝ｇｌ： ） ｅｌｓｅ｛ ｉｆ（ｇｌ＞ｇ３）ｇ＝ｇｌ： ｅｌｓｅ｛ ｉｆ（ｇ２＞ｇ３）ｇ＝ｇ３： ｅｌｓｅ ｇ＝ｇ２： ｝ ｊ ｝（ｔｅｍｐｄａｔａ＋ｉ）＝ｇ： ｝ ４．动态分配计算任务，数据分散在各个进程中。由进程０ 收集这些结果。 ５．输出执行时间。 （五）实验结果与分析 １．原始图像与压缩后的图像 ａ原图 ｂ一次小波变换 Ｃ二次小波变换ｄ三次小波变换 图３原始图像与多次小波变换图像的比较 变换后的图像，低频子带采用差分脉冲调制）法进行无损 压缩，保证图像主要信息不丢失，其他子带采用改进的多级 树集合分裂算法编码方法提高压缩比。 （下转第８５页） 表２ ２００８年行政分区用水量表 行政分 区 单位：亿ｍ 惠阳区 大亚湾区 合计 １ Ｏ４ ０ ４６ 为劣Ｖ类河长８５ｋｍ，占１５．３％。监测河流中东江干流、增江、 惠城区 农业 工业 博罗 ４ ７９ Ｏ ８６ 惠东 ２ ９ｌ Ｏ ９７ 龙门 １．６ｌ Ｏ １４ 西枝江紫溪口以上河段水质较好，为Ｉ～ＩＩＩ类；淡水河、坪 山河、西枝江紫溪口以下河段水质污染严重，水质为劣Ｖ类。 根据２００８年全市入河排污口调查的监测结果表明，惠州 生产 ２ ３１ ２ １１ ０．Ｏ８ ０ ８３ １２ ７４ ５ ３７ 城镇公共 Ｏ ５３ Ｏ １７ ０ ０５ Ｏ １５ ０ １６ ｌ ｌ９ 生活 生态 居民生活 生态环境 Ｏ ７２ ０ ｌ３ ５ ８０ ０ ５９ ０ Ｏ２ ６ ４３ ４ ５５ ２ Ｏ１ ０ ３７ Ｏ Ｏ１ ２．０３ Ｏ １Ｏ ０ ＯＯ ｌ １６ ２ ５１ ０ ｌ８ ２ｌ＿９９ 市２００８年的废污水排放总量为５．９ｌ亿吨。从流域分区上看， 以东江区最大，达４．３５亿吨，占总量的７３．６％；其次是珠江 三角洲区，排放量为０．５９亿吨，占１０．０％：粤东沿海区，排 放量为０．９７亿吨，占１６．４％。从废污水排放组成来看，以工 业废水排放量最大，达４．５６亿吨，占总量的７９．７％；生活污 水排放量为１．３５亿吨，占２０．３％。从行政分区看，各县（市、 总用水量 ２００８年全市总用水消耗量为８．０１亿ｍ３。其中，农业占 ７Ｏ．９％，工业占ｌ０．２％，居民生活占１２．５％，城镇公共占５．６％， 生态环境占０．８％。因用水户需水特性和用水方式不同，耗水 率（消耗量占用水量的百分比）差别也大，全市综合耗水率 为３８．５％。其中，城镇环境为４０％，农业为４７％，城镇公共为 ３７％，居民生活为３８％，工业为１５．２％。从区域上看，综合耗 水率及各用水组成耗水率，各区接近。 水资源利用情况简析如下：（１）与２００７年比较，地表水 供水量增加０．３３亿ｍ３，地下供水量减少０．０１亿ｍ３，总供水 量增加０．３２亿ｍ３；（２）２００８年降水量偏多，农业用水量减 少，工业及生活用水量增加，因此总用水量增加；（３）２００８ 年人均综合用水量为５６０ ｍ３／人。６个县（市、区）人均差别 区）差别较大。其中以惠城区最大，达２．２６亿吨，占３８．４％； 其后依次为惠东、博罗、大亚湾区、惠阳和龙门，分别为１．０６、 １．００、０．７９、０．６２、０．１８亿吨，各占１７．９％、ｌ６．９％、１３．２％、 １０．５％、３．１％。 （三）水资源利用前景 惠州市水资源利用前景较好，大批水利工程即将投资兴 建，如惠阳市西枝江引水工程建成投产，惠卅Ｉ大堤、博罗大 堤、惠州东江水利枢纽工程、钟山寺水利枢纽工程已兴建。 枯水期东江流域三大水库联合调度保证了博罗站流量达到 ３２０ｍ３／ｓ，缓解了下游紧张的供水局面，也极大地改善了水质 状况。水污染的状况已引起普遍的重视，如一批排放不达标 的企业已停业整顿，淡水河污染整治工作已初见成效。 较大，博罗、龙门县用水量最大，均超过６００ ｍ３／人；（４）２００８ 年农业亩均灌溉用水量为８４０ｍ３／亩；（５）２００８年６个县（市、 区）水资源利用状况有较大差别，各区域亦有差别。 （二）水资源质量 随着工农业的发展，惠州市地表水资源已受污染，并有 不断恶化的趋势。东江、西枝江大部分河段水质良好，达ＩＩ 类标准，但部分河段污染严重，如西枝江支流淡水河水质超 （四）结束语 惠州市水资源虽比较丰富，但随着惠州市经济的不断发 展，工农业用水量和城市生活用水量还将增加。因此如何从 社会、经济和技术方面综合研究确定合理利用水资源的战略 方针，实现水资源的可持续利用，特别是应对水质型危机， 是水利、环保工作者和全市人民的努力方向。 标，属劣Ｖ类，水质性供水危机日显突出。 ２００８年水质监测资料表明，惠州市河流的评价河段总河 长５５６ｋｍ，其中水质为Ｉ～ＩＩＩ类河长４７１ｋｍ，占８４．７％；水质 （上接第７４页） （六）结论 本文以小波变换为基础，对遥感图像进行编码，实现了 ２．对经过三次小波变换后的图像进行压缩，表１列出使用 普通单核处理器和四核处理器进行图像压缩处理的运行时 遥感图像的无损压缩。并通过大量实验结果得出，遥感图像 要获得高压缩比往往以巨大的计算量为代价，处理速度慢， 单机无法胜任，不能满足系统的实时要求。本文以并行计算 技术为主要研究对象，重点研究并行算法在图像压缩编码中 的应用，对其编解码算法中的关键一基于小波变换的图像压缩 间。由表ｌ可见，采用并行方式运行时间少于单核处理器运行 时间，所用时间减少大约一半，使得图像压缩获得较小的时 间开销。同时可见，运行时间随着结点的增加而减少，其中 结点数目为８时，运行时间最短。因为结点数越多，用于消息 传递的时间增加，所以当结点继续增加时，运行时间变化缓 慢，甚至有增加趋势。 技术进行深入的研究。针对该编码算法不能满足实时性要求， 提出并行化思想，将编码处理并行化。使得图像压缩获得最 小的时间开销。 表１运行时间对照表 【参考文献】 …１柯丽．基于小波变换的空间遥感图像实时压缩方法研究 ［Ｄ】．中国科学院，２００４． ［２】Ｒａｆａｅｌ Ｃ Ｇｏｎｚａｌｅｚ．Ｒｉｃｈａｒｄ Ｅ Ｗｏｏｄｓ Ｄｉｓｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ． ２ｎｄ ｅｄ『Ｍ１．北京：电子工业出版社，２００２． ［３】柯丽，黄廉卿．改进的快速ＳＰＩＨＴ算法Ⅱ】．红外与激光工 程，２００４，３３（５）：５１０—５１２． 【４】刘振安，章守信，刘胜璞．并行图像处理算法的设计与实现 测控技术２００３，２２（５１：５—６． 一８５—
