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摘要：針對聲納系統(tǒng)圖像實(shí)時(shí)存儲過程中的大數(shù)據(jù)量問題，本文提了一種聲納視頻壓縮存儲的工程實(shí)現(xiàn)方法。采用MPEG-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)[1]及Xvid編碼器，基于VFW數(shù)字視頻軟件開發(fā)包，在VS2010開發(fā)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了對聲吶視頻的高壓縮率、高壓縮質(zhì)量的實(shí)時(shí)壓縮存儲。經(jīng)過實(shí)際測試，本文設(shè)計(jì)方案能夠滿足成像聲納系統(tǒng)在100m滿量程條件下，最高幀率15Hz的應(yīng)用需求。 引言 聲納成像在海洋資源開發(fā)和海洋防衛(wèi)等方面有著重要的意義，具有作用距離遠(yuǎn)、直觀顯示觀測區(qū)域狀況和識別目標(biāo)等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于軍事、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。在成像聲納系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)更為細(xì)膩的刻畫，系統(tǒng)的角度和距離分辨率指標(biāo)往往都很高。本文設(shè)計(jì)的成像聲納的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：量程100m，視角90°×20°，波束數(shù)538，波束間距0.17°，量程分辨率：2.5cm，最高幀率：15Hz。在工程實(shí)踐中，我們需要對聲納的實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行存儲，以便后期的查閱和分析，在15Hz的幀速率下，每小時(shí)產(chǎn)生的圖像需要占據(jù)的存儲空間為3600X[15X(100X40X538)]Byte=116.2085GB，對系統(tǒng)存儲能力的要求將會非常苛刻，亟需引入圖像壓縮技術(shù)來解決這一問題。 1 VFW軟件開發(fā)包 VFW(Video for Windows)是微軟推出的關(guān)于數(shù)字視頻的一個(gè)軟件開發(fā)包，它圍繞AVI文件標(biāo)準(zhǔn)，推出了一整套完整的視頻采集、壓縮解壓縮、回放和編輯API。它可以實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)模擬視頻源得到視頻剪輯，還可以實(shí)現(xiàn)影像壓縮和影音播放。由于AVI文件格式在數(shù)字視頻技術(shù)中被廣泛使用，因此VFW在將來一段時(shí)間內(nèi)仍會有較高的實(shí)用價(jià)值。用戶不必專門安裝VFW，Windows系統(tǒng)本身就包含了VFW技術(shù)。安裝Windows的時(shí)候VFW所需的相關(guān)組件就會同時(shí)被安裝上。VS2010中提供了VFW的頭文件Vfw.h和庫文件Vfw32.lib。在VS2010開發(fā)環(huán)境中調(diào)用VFW，只需要將Vfw32.lib加入工程，并在主對話框源文件HAICADlg.cpp中包含Vfw.h文件。 2 聲吶圖像壓縮存儲的實(shí)現(xiàn) 要進(jìn)行聲吶圖像壓縮存儲，在選擇了Xvid編碼器的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)行一系列操作，主要包括：AVI文件的初始化、壓縮參數(shù)設(shè)置、壓縮前后位圖格式設(shè)置、判斷壓縮支持、圖像壓縮和存儲。軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖 1所示。 2.1 壓縮前位圖格式的設(shè)置 本文成像聲吶系統(tǒng)無需進(jìn)行視頻采集，而是直接接收前端信號處理FPGA上傳的數(shù)據(jù)。濕端設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)是波束形成后得到的，每個(gè)距離點(diǎn)處有538個(gè)波束，距離像上的點(diǎn)數(shù)由探測量程決定，距離分辨率為2.5cm。圖像數(shù)據(jù)是一個(gè)矩陣。 如果直接顯示圖像數(shù)據(jù)，那么在屏幕上為一個(gè)矩形，和實(shí)際探測區(qū)域?yàn)?0°視角的扇形區(qū)域不一致。為了符合人們的觀察習(xí)慣，需要把圖像進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將矩形視圖轉(zhuǎn)換成扇形視圖，如圖 2所示。除此之外，波束形成產(chǎn)生的是灰度圖像，每個(gè)像素點(diǎn)由一個(gè)8bit的像素值表示，即0~255的灰度值。為了提高人眼對圖像的分辨能力，在顯示的時(shí)候需要將灰度圖像映射成彩色圖像，即每個(gè)像素點(diǎn)由三個(gè)8bit的值表示，分別為RGB強(qiáng)度值。這種彩色并非真正意義上的彩色圖像，故而稱之為偽彩色。圖 3所示為偽彩色映射的bone、cool、copper、hot、jet五種映射方式。 壓縮前位圖格式與轉(zhuǎn)換后的扇形圖像有關(guān)，它保存的是扇形圖的位圖信息，包括圖像的寬度、高度、大小、每個(gè)像素點(diǎn)的位數(shù)等。最終顯示的扇形圖的寬和高與圖像是否處于縮放狀態(tài)有關(guān)。在MFC工程的頭文件中定義了一個(gè)40字節(jié)的專有結(jié)構(gòu)來保存壓縮前的位圖格式，根據(jù)圖像是否處于縮放狀態(tài)進(jìn)行賦值。 2.2 壓縮參數(shù)設(shè)置 該部分定義了一個(gè)COMPVARS結(jié)構(gòu)的對象保存編碼器的壓縮參數(shù)。開發(fā)者可以自己手動(dòng)設(shè)置該結(jié)構(gòu)體中的各個(gè)成員變量，前提是你必須了解使用的編碼器的參數(shù)值;也可以彈出一個(gè)對話框讓用戶選擇編碼器，如圖 4所示，同時(shí)初始化COMPVARS結(jié)構(gòu)。 本文中采用第二種方法來設(shè)置壓縮參數(shù)。ICCompressorChoose()函數(shù)中的uiFlags參數(shù)可供開發(fā)人員進(jìn)行不同應(yīng)用的開發(fā)，可以設(shè)置為如表 1所示的五種值。 本文選擇MPEG-4 Xvid編碼器。如果用戶成功選擇了一個(gè)編碼器，該函數(shù)返回TRUE，否則返回FALSE。通過一個(gè)指向COMPVARS結(jié)構(gòu)的指針返回用戶通過對話框選擇的編碼器的壓縮參數(shù)信息并使用該壓縮參數(shù)進(jìn)行圖像壓縮。 2.3 壓縮后位圖格式的設(shè)置 在壓縮前位圖格式和編碼器的壓縮參數(shù)都已知的情況下，可使用ICCompressGetFormat宏來設(shè)置壓縮器的輸出格式，根據(jù)輸入位圖格式和選擇的編碼器的壓縮參數(shù)，返回一種編碼器支持的輸出位圖格式。傳址調(diào)用要先定義一個(gè)結(jié)構(gòu)的指針，作為函數(shù)的第三個(gè)參數(shù)。函數(shù)返回時(shí)，指針指向的結(jié)構(gòu)就包含了編碼器的輸出位圖格式。 在VS2010中調(diào)試程序時(shí)，通過變量監(jiān)視查看到輸出位圖的信息頭，如圖 5 編碼器輸出位圖格式所示。由此可見Xvid編碼器將24位RGB格式仍然壓縮成24位RGB格式。 2.4 判斷壓縮支持 在進(jìn)行圖像壓縮之前需要判斷是否支持該壓縮方式。ICCompressQuery宏用來判斷選定的編碼器是否支持輸入格式或者是否能夠?qū)⑤斎敫袷綁嚎s成輸出格式，如果支持則返回ICERR_OK。使用時(shí)直接將設(shè)置好的壓縮器句柄、輸入位圖格式、輸出位圖格式當(dāng)作實(shí)參傳遞給ICCompressQuery宏即可。 這里定義了FrameStart函數(shù)來完成幀序列壓縮的資源分配，為使用幀圖像壓縮函數(shù)做準(zhǔn)備。它有兩個(gè)參數(shù)：一個(gè)為編碼器的壓縮參數(shù)，另一個(gè)為輸入數(shù)據(jù)的位圖格式。初始化成功返回TRUE。具體形式如下所示： BOOL ICSeqCompressFrameStart( PCOMPVARS pc, //壓縮參數(shù) LPBITMAPINFO lpbiIn //輸入位圖格式 ); 2.5 圖像壓縮與存儲 這里定義了ICCompress函數(shù)來完成單幀圖像的壓縮，并定義了一系列輔助函數(shù)來完成資源分配、資源釋放和壓縮后數(shù)據(jù)的存儲地址返回。每壓縮完一幀數(shù)據(jù)，要先設(shè)置流的格式信息，然后就可以將壓縮后的視頻數(shù)據(jù)寫入AVI數(shù)據(jù)流。壓縮后的AVI文件通過普通的視頻播放器解壓播放，顯示畫面如圖 6(b)所示，與干端顯控軟件實(shí)時(shí)顯示的壓縮前的聲吶圖像基本一致，如圖 6(a)所示，人眼幾乎看不出差別，壓縮率達(dá)到10倍以上。由此可見，MPEG-4編碼標(biāo)準(zhǔn)圖像壓縮質(zhì)量高，同時(shí)壓縮率也高。 3 聲吶圖像壓縮效果評價(jià) 3.1 壓縮率 設(shè)計(jì)了兩種方法比較不同圖像數(shù)據(jù)的壓縮率，一種將標(biāo)準(zhǔn)正弦信號直接作為聲吶接收的回波信號，進(jìn)行信號處理以及波束形成后，干端實(shí)時(shí)接收顯示的圖像作為壓縮源，另一種將真實(shí)水域中聲吶接收到的回波信號，進(jìn)行信號處理以及波束形成后，干端實(shí)時(shí)接收顯示的圖像作為壓縮源。為了提高結(jié)果的可信度，在不同水域情況下壓縮比較，得到的聲吶圖像的壓縮率如表 2 所示。 從表中可以看出，圖像數(shù)據(jù)幀與幀之間、像素點(diǎn)與像素點(diǎn)之間冗余度越大，圖像的可壓縮程度越大，壓縮率越高。總體來說，本文設(shè)計(jì)的成像聲納視頻壓縮存儲方法的標(biāo)準(zhǔn)壓縮率達(dá)到10倍以上，滿足系統(tǒng)的存儲需求。 3.2 壓縮質(zhì)量 目前視頻圖像壓縮質(zhì)量的檢測方法一般采用峰值信噪比(PSNR)作為圖像質(zhì)量客觀評價(jià)的指標(biāo)。圖像質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是針對單幀圖像而言的，因此可以將視頻圖像分解為多個(gè)靜止圖像，通過計(jì)算單幀圖像的峰值信噪比來得到視頻圖像的峰值信噪比。給定一幅大小為M×N的數(shù)字化圖像 在Matlab中根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算單幀圖像的峰值信噪比，得到結(jié)果PSNR=37.1646 。通常情況下，PSNR值高于28，則待測圖像和參考圖像差異不明顯，當(dāng)高于35時(shí)，則人眼很難看出兩幅圖像的差異。由此可見，本文設(shè)計(jì)的成像聲納視頻壓縮存儲方法在保證一定的壓縮比例的同時(shí)，得到的圖像壓縮質(zhì)量較高，可以基本無失真重現(xiàn)測試場景，以保證后期對數(shù)據(jù)的復(fù)查和分析。 參考文獻(xiàn)： [1]Vetro A, Wiegand T, Sullivan G J. 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