基于低帶寬網(wǎng)絡(luò)的氣象圖像ROI壓縮及交錯(cuò)顯示算法?

徐開來(lái) 馬良荔 馮澤波

（1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）（2.海軍參謀部規(guī)劃和編制局 北京 100000）

1 引言

隨著遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的擴(kuò)展，遠(yuǎn)海氣象保障的意義不斷加深，遠(yuǎn)海船舶及航海保障人員對(duì)岸基可視化氣象實(shí)況、預(yù)報(bào)產(chǎn)品的需求不斷增加，目前可用的遠(yuǎn)海通信手段并不多，且成本高，設(shè)備體積大，帶寬小，實(shí)現(xiàn)圖像傳輸仍有一定困難。

北斗是我國(guó)自行研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有定位、授時(shí)、短報(bào)文功能，其中短報(bào)文功能為解決遠(yuǎn)海通信提供了雙向信道，具有低成本、體積小等優(yōu)點(diǎn)，是解決偏遠(yuǎn)地區(qū)通信的有效手段之一，但是帶寬小是制約這一應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的根本的問題，特別是對(duì)體積較大的圖像傳輸就更為突出，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)非短報(bào)文數(shù)據(jù)的傳輸能力不足，并不是圖像傳輸?shù)淖顑?yōu)解決方案，但目前在同等價(jià)格、同等體積的通信設(shè)備中并沒有更好的替代產(chǎn)品，因此研究基于北斗短報(bào)文通信的圖像傳輸技術(shù)就具有一定的理論和應(yīng)用價(jià)值。從具體應(yīng)用方面來(lái)看，北斗的短報(bào)文通信在傳輸中還存在限制，具體如下：

1）單次通信容量有限，每次進(jìn)行短報(bào)文通信所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是有限的，普通用戶最高傳輸速度為120字節(jié)/分鐘，數(shù)據(jù)如果超過最大報(bào)文長(zhǎng)度，必須進(jìn)行分包傳輸；

2）通信頻度有限，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)每發(fā)送完一條報(bào)文后需等待很長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)行下一次傳輸，完全傳輸完一張圖像耗時(shí)很長(zhǎng)。

3）北斗衛(wèi)星通信是不可靠的通信鏈路，在連續(xù)傳輸中丟包率較高率，而圖像文件體積較大，其中任何一部分文件丟失極有可能導(dǎo)致最終圖像重構(gòu)失敗。

由此可見，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)信道屬于低速帶寬網(wǎng)絡(luò)，只有大幅減小文件體積，才能實(shí)現(xiàn)利用短報(bào)文傳輸圖像。實(shí)際預(yù)報(bào)工作中，一幅氣象圖像通常只有不到20%的區(qū)域是有價(jià)值預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，預(yù)報(bào)員往往也只關(guān)注這部分感興趣區(qū)域（region of interest，ROI）。這部分區(qū)域也會(huì)隨保障地區(qū)的不同而改變，例如，我國(guó)陸地北部、南部和近海（東海、渤海、南海）、遠(yuǎn)海的ROI區(qū)域均是不同的。相比非感興趣區(qū)域（region of not interest，RONI），ROI區(qū)域需要進(jìn)行更高質(zhì)量的編碼，并且在傳輸和顯示時(shí)具備更高的優(yōu)先級(jí)。

因此，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種能夠保證高分辨率ROI區(qū)域，且有效減小圖像總體積的壓縮算法。在圖像的切割、壓縮、傳輸、重構(gòu)與顯示的過程中，賦予圖像優(yōu)先級(jí)屬性，ROI區(qū)域采用高分辨率的無(wú)損壓縮，RONI區(qū)域根據(jù)優(yōu)先級(jí)屬性采用階梯式分辨壓縮，并采用Webp圖像格式輸出，大幅減少圖像文件體積和傳輸?shù)却龝r(shí)間。

2 Webp圖像壓縮格式分析

利用北斗短報(bào)文進(jìn)行圖像傳輸?shù)那闆r，多用于氣象、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通、海事等，通常是反映區(qū)域或局部的圖像資料，更新頻度低，色彩深度少，常用圖像壓縮格式主要有：JPG（JPG2000）、GIF 、PNG 格式。文獻(xiàn)［1～6］在圖像壓縮格式上均采用JPG2000，本文經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，針對(duì)大部分色深位數(shù)低（2位～8位）的氣象圖像，JPG2000并不是最優(yōu)壓縮格式，具體對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下文。文獻(xiàn)［3］采用傳統(tǒng)的GIF格式，GIF和PNG這兩種格式對(duì)色深低的圖像壓縮效果較好，但并不是最優(yōu)，隨著技術(shù)發(fā)展已產(chǎn)生了壓縮效果更好的通用格式，本文選取了Google的圖像壓縮格式Webp。

選取幾種常見的專業(yè)氣象圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比對(duì)各圖像格式壓縮效果，根據(jù)不同圖像的顯示特點(diǎn)，分別設(shè)置不同的圖像屬性，其中JPG品質(zhì)均為60，部分圖像可去除地理信息（GEO）減小體積，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 各圖像格式壓縮效果比對(duì)

JPG（JPG2000）常用于攝影作品，支持最高級(jí)別的壓縮，不過這種壓縮是以犧牲圖像質(zhì)量為代價(jià)的有損壓縮，而且由于氣象圖像色彩深度位數(shù)低，JPG并不是最理想的壓縮格式。比對(duì)結(jié)果中只有“衛(wèi)星云圖（無(wú)GEO）”中JPG壓縮效果最好，但是無(wú)GEO的圖像必須支持透明屬性，否則后期地理信息無(wú)法疊加，故JPG（JPG2000）最不適合氣象圖像壓縮。

GIF是一種基于LZW算法的無(wú)損壓縮格式，多用于動(dòng)畫，對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、色彩深度低的圖像有很好的壓縮效果。PNG格式的設(shè)計(jì)目的是試圖替代GIF格式，同時(shí)增加一些GIF格式所不具備的特性，PNG使用從LZ77派生的無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮算法。本次實(shí)驗(yàn)中PNG和GIF兩種圖像格式壓縮效果各有優(yōu)勢(shì)，但總體效果都不如Webp。

Webp是由Google開發(fā)的一種同時(shí)提供了有損壓縮與無(wú)損壓縮的圖片文件格式，派生自VP8編碼格式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Webp的壓縮率要高于PNG和GIF壓縮率，轉(zhuǎn)換后的Webp體積大幅減少，無(wú)損Webp相比PNG減少10%～60%；圖片質(zhì)量也得到保障，肉眼幾乎無(wú)法看出差異，是目前效果最好的壓縮格式。需要注意的是只有從PNG格式壓縮轉(zhuǎn)換成Webp格式才能得到最好的壓縮效果。

3 自定義ROI圖像壓縮算法

使用Webp格式一定程度上減小了圖像體積，但相對(duì)于北斗信道的帶寬，完整傳輸一張圖像的時(shí)間依舊過長(zhǎng)。以傳輸間隔為60s，速率120字節(jié)/分鐘的民用北斗SIM卡為例，完整傳輸各氣象圖像的等待時(shí)間如表2所示。

表2 各氣象圖像的北斗通信傳輸時(shí)間

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于Webp格式的ROI圖像壓縮方法，用戶可自定義重點(diǎn)關(guān)注的感興趣區(qū)域（ROI區(qū)域），以一張標(biāo)準(zhǔn)傳真圖為例，覆蓋范圍東經(jīng)60°至西經(jīng) 150°，北緯 10°至 70°，幾乎覆蓋整個(gè)亞洲，但是作為我國(guó)的預(yù)報(bào)工作者僅用東經(jīng)100°至130°，北緯20°到45°，便可完成日常的預(yù)報(bào)保障任務(wù)，ROI區(qū)域即（100o，45o），（130o，20o），如遇出海任務(wù)，只分析海洋區(qū)域即可，實(shí)際ROI區(qū)域只占整幅圖像的不到20%。文獻(xiàn)［1］采用被動(dòng)式ROI，氣象圖像不同于其它圖像，因保障區(qū)域不同所關(guān)注的ROI區(qū)域也不同，且針對(duì)同樣的保障區(qū)域每個(gè)預(yù)報(bào)員的ROI區(qū)域也不同，氣象圖像是主觀性很強(qiáng)的圖像資料，本文采用的主動(dòng)ROI區(qū)域，可以根據(jù)用戶需求將壓縮率降到最低，高效滿足保障需求。

如果只根據(jù)用戶自定義的ROI區(qū)域進(jìn)行裁剪壓縮，雖然可以大幅縮小圖像體積，但是由于氣象圖像的特殊性，并不是對(duì)非ROI區(qū)域毫不關(guān)心，因此，本文設(shè)計(jì)了以ROI區(qū)域?yàn)橹行牡碾A梯分辨率壓縮算法。設(shè)圖像寬度A(px)，高度B(px)，用戶自定義 ROI坐標(biāo) (X1，Y1)，(X2，Y2)，用戶自定義階梯等級(jí)Ln(n≥1)，根據(jù)用戶設(shè)定的階梯等級(jí)Ln從原始圖像ROI區(qū)域的上、下、左、右邊緣分別遍歷像素信息，根據(jù)n值進(jìn)行階梯式裁切，階梯坐標(biāo)偏移公式為

圖1 ROI壓縮算法流程圖

圖2 按ROI優(yōu)先級(jí)對(duì)圖片進(jìn)行階梯式切割、壓縮

之后按照優(yōu)先級(jí)對(duì)各階梯區(qū)域依次通過北斗進(jìn)行可靠傳輸傳輸，接收端每收到一個(gè)區(qū)域，便交錯(cuò)呈現(xiàn)一部分區(qū)域，用戶可以提早辨識(shí)ROI區(qū)域，不需要等到所有圖像傳輸完畢。下面以1張標(biāo)準(zhǔn)傳真圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果過如表3所示。

4 基于ROI的專用交錯(cuò)顯示算法

交錯(cuò)顯示技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器常用功能，指下載圖片時(shí)進(jìn)行隔行下載，一張圖只用一半的時(shí)間就可以初步辨識(shí)，之后再下載另一半，因此可以減少用戶等待時(shí)間。北斗通信屬于低速網(wǎng)絡(luò)，顯示較大圖像時(shí)，須全部傳輸完畢才能顯示圖像，而利用交錯(cuò)技術(shù)圖像可以逐步的顯示出來(lái)，讓用戶可以優(yōu)先獲取ROI區(qū)域的圖像，若ROI區(qū)域已滿足辨識(shí)要求可以隨時(shí)停止其余部分的傳輸，以達(dá)到減少等待時(shí)間的目的。

表3 壓縮前后體積大小及傳輸時(shí)間比對(duì)

本文針對(duì)北斗通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合ROI壓縮算法，對(duì)交錯(cuò)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以ROI區(qū)域?yàn)橹行模h(huán)矩形為最小單位逐環(huán)顯示，最高優(yōu)先級(jí)保證ROI區(qū)域傳輸，非ROI區(qū)域交錯(cuò)顯示，也可在圖像滿足保障需求時(shí)用戶主動(dòng)停止后續(xù)傳輸，可大幅減少等待時(shí)間。

默認(rèn)的已知信息為圖像寬度 A(px)，高度B(px)，用戶自定義 ROI坐標(biāo) (X1，Y1)，(X2，Y2)，用戶自定義階梯等級(jí)Ln(n≥1)，具體算法步驟如下：

1）初始化一張?jiān)紙D像 (0，0)(A，B)（空白畫布，定義為用戶的當(dāng)前畫布。

2）ROI區(qū)域 (X1，Y1)，(X2，Y2)傳輸完畢后優(yōu)先重構(gòu)繪圖，并初始化一個(gè)臨時(shí)畫布。

3）等待非ROI區(qū)域第n個(gè)區(qū)域傳輸完畢，按照優(yōu)先級(jí)屬性，循環(huán)倒序重構(gòu)繪圖［注：為減小圖像體積，圖像中的空白區(qū)域均不帶透明屬性，因此圖像重構(gòu)必須倒序疊加，啟用臨時(shí)畫布，將之前已顯示的圖像存儲(chǔ)在臨時(shí)畫布，將之后傳輸完成的低優(yōu)先級(jí)區(qū)域優(yōu)先繪制在當(dāng)前畫布，再將臨時(shí)畫布存儲(chǔ)的圖像疊加到當(dāng)前畫布上。］，獲取該區(qū)域的圖像寬度An(px)，高度 Bn(px)，以 (nAn，nBn)重新采樣，生成新繪圖區(qū)域，此時(shí)，取出臨時(shí)畫布圖像以(X1/n，Y1/n)偏移量合并重繪在該區(qū)域上，之后整體將該區(qū)域存儲(chǔ)在臨時(shí)畫布，并以的偏移量繪制在用戶當(dāng)前畫布上。

4）重復(fù)步驟3）直至圖像顯示完畢或用戶主動(dòng)取消。

圖3 交錯(cuò)顯示效果

5 結(jié)語(yǔ)

文中提到思路不僅局限于北斗通信，也適用于其他低速信道，客觀上北斗短報(bào)文并不是圖像傳輸?shù)淖罴逊桨?，也不是北斗衛(wèi)星的發(fā)展方向，但目前北斗通信模塊覆蓋廣、成本低、體積小，在遠(yuǎn)海和山區(qū)依舊有應(yīng)用價(jià)值。例如，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，服務(wù)器端向客戶端傳輸圖像數(shù)據(jù)時(shí)，利用這種方法在有限的傳輸帶寬上提供更加靈活的圖像傳輸機(jī)制，有助于提升客戶端瀏覽圖像的用戶體驗(yàn)，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有很好的應(yīng)用前景。

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