基于EZW的地震圖像小波壓縮算法與實現

張方舟，張乃元，慕林洹，趙思遠

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

基于EZW的地震圖像小波壓縮算法與實現

張方舟，張乃元，慕林洹，趙思遠

(東北石油大學 計算機與信息技術學院，黑龍江 大慶 163318)

介紹了地震圖像知識、SEG-Y文件格式以及小波變換基礎理論，對EZW算法進行了分析和研究，并基于該算法實現了對地震圖像的壓縮。采用嵌入式小波編碼方法能取得較高的壓縮比以及較強的抗誤碼性，地震數據可視化是指將地震數據映射成可觀測到的視覺實體，將地震數據在內存中二維化，并映射成圖像，這時就可以對圖像再次進行壓縮。本文體現了地震圖像對于油田勘探研究的重要作用，使人們更為深入地了解了圖像壓縮算法。

小波編碼；EZW；地震圖像

在油氣田勘探研究中，地震圖像起著非常重要的作用。因為地震圖像的紋理信息比較豐富，因此采取傳統的圖像壓縮算法取得的壓縮比較低。小波變換能夠克服傅里葉變換處理非平穩信號時存在的問題和DCT塊編碼產生的方塊效應。嵌入式小波編碼方法具有抗誤碼性強、質量可分級和分辨率可分級等優點，因此成為圖像壓縮領域的研究熱點，備受關注。隨著我國經濟的發展，石油在社會、經濟活動中的地位越來越重要，石油勘探活動日益頻繁，對石油勘探數據的存儲也提出了更高的要求，笨重的磁帶陣列已無法滿足其需求；因此，應研究出一套壓縮比高、有效的、專門針對地震數據的無損壓縮算法，以有效解決石油物探技術的發展瓶頸。數據壓縮問題是石油物探數字化的基礎，解決好此問題可以有效提高石油物探的數字化水平。 本課題研究的目標是地震圖像壓縮，主要通過研究小波分析用于圖像壓縮的理論知識，較為深入地了解圖像壓縮的基礎算法，即EZW算法。

1 地震數據格式及可視化

1.1 關于SEG-Y

通過地震勘探采集的地震數據的組織通常以地震道為單位進行，其存儲格式為SEG-Y文件格式[1]，所采集的數據經過讀取可以獲得很多有用信息，如地下構造信息等；但是，這些原始數據信息信息量巨大而且十分混亂，不利于數據的整理與使用。為了能夠獲得直接的數據信息，需要對原始數據進行加工和處理，使其經過一系列變換形成圖形圖像，使展示的信息更容易理解。

勘探地球物理家學會(the Society of Exploration Geophysicists，簡稱 SEG)成立于1930年，屬于公益性組織。石油勘探行業中的地震數據通常情況下采用SEG-Y 數據交換格式，當前使用的版本是SEG-Y rev1.0，數據格式的前 3 600 字節(二進制文件頭400字節和文本文件3 200字節)通?？闯梢粋€整體，然后是很多個3 200字節的擴展文本文件頭記錄，最后是很多條道的數據記錄。地震數據的存儲格式包括整型、IEEE 浮點型和IBM 浮點型等，在同一個三維工區中，同一批次處理的地震數據格式是相同的、唯一的[2]。

1.2 地震數據可視化

地震數據可視化是指將地震數據映射成可觀測到的視覺實體，常見的有2種表現形式，即形成地震圖像和三維數據體。地震圖像是在某個地區采集到的地震數據基礎上，將地震數據在內存中二維化，并映射成的圖像。

最原始映射出來的地震圖像基本都是灰度圖像，即黑白圖像，這類圖像一般主要用于顯示地震的剖面或者斷層等信息，通過地震圖像，可以直觀地看到所關心的因素。三維可視化可理解成某一類地震圖像加上一層新的維而構成的立體結構，并在此基礎上進行解釋，稱之為地震三維解釋。所謂的地震三維解釋是指現階段用面塊切片解釋，并以垂直剖面和水平切片的解釋為輔，再與相干體等不連續性分析相結合，結果用三維可視化顯示等一整套解釋流程，屬于地震數據體“真”三維解釋的初級階段。只有直接利用可視化工具對三維數據進行分析，如斷層分析、地層標定分析、沉積分析、巖性分析和儲層分析，以及油藏參數表征和油氣識別進行交互解釋時，才是真正意義的三維解釋。

在地震屬性圖像生成之前，所擁有的素材僅僅是通過實際勘探測量得到的地震數據體，包含了地震各個方面的數據，其中也包括地震屬性數據。把地震數據提取到內存中，并利用圖像的方式顯示出來，該過程稱為可視化?？梢詫⒓虞d到內存中的地震屬性數據對應的圖像認為是一幅灰度圖像，根據得到的圖像進行壓縮[3-6]。

2 小波壓縮算法

小波變換是指把信號在一個函數族上做分解，該函數是由一個獨立的函數(小波母函數ψ(t))做平移和伸縮變換后得到的，如式1所示：

(1)

式中，a、b分別是伸縮和平移的尺度。ψ(t)在做傅里葉變換后應滿足的容許性條件為：

(2)

將小波母函數進行不同的伸縮和平移，得到一系列函數，稱為小波基函數。

3 基于EZW算法對地震數據壓縮

對小波零樹和其結構進行分析，然后分析Embedded Zerotrees Wa3velet，也就是嵌入式零樹小波編碼算法。該算法是由J. M. Shapiro提出的，其包含了零樹和嵌入式編碼2個基本概念。通過EZW壓縮編碼輸出的碼流具有嵌入式的特點，即從EZW編碼器輸出碼流的起始端到輸出碼流中的某一個位置，如果應用這段碼流對原始圖像進行解碼恢復，則恢復得到的圖像質量比編碼器輸出的完整碼流低，即分辨率不高。雖然圖像的分辨率不高，但是十分完整；因此，可以在EZW壓縮編碼過程中任一點停止編碼，也可以在EZW解碼壓縮碼流的過程中的任一點停止解碼。在編碼器輸出的壓縮比特流中，比特流越先輸出越重要，EZW壓縮碼流的這種特點特別適用于漸進式的圖像傳輸[7]。

3.1 EZW步驟

圖1 小波分解各子帶掃描次序

3.2 基于EZW算法對地震圖像壓縮

下述選取一幅512×512的地震圖像，用EZW算法對其進行壓縮。在開始編碼之前，首先要求初始閾值T(1)：

MaxDecIm=max (max (abs (DecIm)));
T=zeros (1, codeDim);
T(1)=2^flor (log2 (MaxDecIm));

接下來根據實際需要確定掃描次數D=codeDim，然后進行D次主掃描和輔掃描，輸出編碼，對圖像進行編碼壓縮，本試驗中對地震圖像進行3級分解、3級編碼和3級解碼。根據地震刨剖面圖選取其中一部分進行壓縮。原始圖像如圖2所示，3層小波分解圖如圖3所示。

圖2 原始圖像 圖3 3層小波分解圖

進行編碼過程之后，需要對其進行解碼操作，解碼過程是編碼過程的逆過程，編碼進行了多少次掃描過程，解碼也需要進行次數相同的相應操作，解碼過程包括的主要步驟為接收編碼器輸出的解碼信息，對閾值進行設定，對編碼器輸出的碼流信息當中的重要系數信息以及有效值映射信息進行解讀。對該地震圖像解碼重構的圖像如圖4所示。

圖4 3層重構圖像

對地震圖像進行5級分解、5級編碼和5級解碼，5層小波分解圖如圖5所示，重構圖像如圖6所示。

圖5 5層小波分解圖 圖6 5層重構圖像

4 結語

本文對基于小波變換的靜態圖像壓縮算法、小波變換理論及其在圖像壓縮中的應用進行了研究，基于EZW算法實現了對地震圖像的壓縮與重構。該算法的應用能夠解決數據壓縮問題，提高石油勘探的數字化水平，具有較廣闊的應用空間。此外，還要加強這方面的研究，實現地震數據的無損壓縮算法，從而得到更好的數據處理效果。

[1] 陳武凡.小波分析及其在圖像處理中的應用[M].北京：科學出版社, 2002.

[2] 鄭治真.小波變換及其MATLAB工具的應用[M].北京：地震出版社, 2001.

[3] 沈蘭蓀，魏海，黃祥林．基于子帶/小波分解的視頻編碼可分級性研究[J]．電子學報，2000， 28(7):123-126.

[4] 張旭東，盧國棟，馮健．圖象編碼基礎和壓縮技術-原理、算法和標準[M]．北京：清華大學出版社，2004.

[5] 劉方敏，吳永輝，于建新．JPEG2000圖像壓縮過程及原理概述[J]．計算機輔助設計與圖形學學報，2002，14(10)：905-91.

[6] 袁修貴. 多分辨分析理論與深度成像和地震數據處理[D]. 長沙：中南大學，2005.

[7] 鄭丹. 諧振面積與電極圖案對質量傳感器性能的影響[J].新技術新工藝，2014(2)：83-85.

責任編輯李思文

《新技術新工藝》雜志征稿啟示

《新技術新工藝》雜志是中國兵器工業新技術推廣研究所主辦的工業技術類期刊，自1981年國內外公開發行至今已二十余年，榮獲中國兵器工業集團公司優秀科技期刊一等獎，國家新聞出版總署“雙效期刊”，并連續幾年被評為中國科技核心期刊，中國科技論文統計源期刊、檢索源期刊。同時還被《中文科技期刊數據庫》、《〈中國核心期刊(遴選)數據庫》、CEPS中文電子期刊、中國學術期刊(光盤版)電子雜志社收錄。為加強學術交流,促進制造業的發展,熱忱歡迎高等院校的科技工作者和企業技術人員踴躍投稿。

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聯系電話：010-68962167

AlgorithmandImplementationofSeismicWavelet-basedCompressionEZW

ZHANG Fangzhou, ZHANG Naiyuan, MU Linhuan, ZHAO Siyuan

(School of Computer and Information Technology, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The paper introduced the seismic image knowledge and SEG-Y file format, and wavelet transform theory, finally did the EZW algorithm analysis and research, and realized image compression to the earthquake based on the algorithm. By using the embedded wavelet coding method higher compression ratio and strong resistance to error can be obtained, seismic data visualization mapping refers to the seismic data can be observed visual entities, the seismic data in memory is two-dimensional, mapping and the image according to the visualization can compress the image again. Reflects the important role in the study of seismic image for the oil field exploration, and can make people more deep understanding of the image compression algorithm.

wavelet encoding, EZW, seismic images

TP 391.41

：A

張方舟(1973-)，男，教授，博士，系主任，主要從事基于3G的安全網關開發和移動網絡安全等方面的研究。

2015-01-12