基于VFW軟件開發(fā)包實現(xiàn)聲吶圖像壓縮存儲系統(tǒng)的應用方案

作者：董琎琎;金雪;夏偉杰;袁春輝
針對聲納系統(tǒng)圖像實時存儲過程中的大數(shù)據(jù)量問題，本文提了一種聲納視頻壓縮存儲的工程實現(xiàn)方法。采用MPEG-4視頻編碼標準［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)境下實現(xiàn)了對聲吶視頻的高壓縮率、高壓縮質(zhì)量的實時壓縮存儲。經(jīng)過實際測試，本文設計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、直觀顯示觀測區(qū)域狀況和識別目標等特點，被廣泛地應用于軍事、經(jīng)濟領域。在成像聲納系統(tǒng)的設計過程中，為了實現(xiàn)對目標更為細膩的刻畫，系統(tǒng)的角度和距離分辨率指標往往都很高。本文設計的成像聲納的相關技術指標為：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。在工程實踐中，我們需要對聲納的實時畫面進行存儲，以便后期的查閱和分析，在15Hz的幀速率下，每小時產(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來解決這一問題。
1VFW軟件開發(fā)包
VFW（VideoforWindows）是微軟推出的關于數(shù)字視頻的一個軟件開發(fā)包，它圍繞AVI文件標準，推出了一整套完整的視頻采集、壓縮解壓縮、回放和編輯API。它可以實現(xiàn)從傳統(tǒng)模擬視頻源得到視頻剪輯，還可以實現(xiàn)影像壓縮和影音播放。由于AVI文件格式在數(shù)字視頻技術中被廣泛使用，因此VFW在將來一段時間內(nèi)仍會有較高的實用價值。用戶不必專門安裝VFW，Windows系統(tǒng)本身就包含了VFW技術。安裝Windows的時候VFW所需的相關組件就會同時被安裝上。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現(xiàn)
要進行聲吶圖像壓縮存儲，在選擇了Xvid編碼器的基礎上，還要進行一系列操作，主要包括：AVI文件的初始化、壓縮參數(shù)設置、壓縮前后位圖格式設置、判斷壓縮支持、圖像壓縮和存儲。軟件實現(xiàn)流程如圖1所示。
基于VFW軟件開發(fā)包實現(xiàn)聲吶圖像壓縮存儲系統(tǒng)的應用方案
基于VFW軟件開發(fā)包實現(xiàn)聲吶圖像壓縮存儲系統(tǒng)的應用方案
2.1壓縮前位圖格式的設置
本文成像聲吶系統(tǒng)無需進行視頻采集，而是直接接收前端信號處理FPGA上傳的數(shù)據(jù)。濕端設備上傳的數(shù)據(jù)是波束形成后得到的，每個距離點處有538個波束，距離像上的點數(shù)由探測量程決定，距離分辨率為2.5cm。圖像數(shù)據(jù)是一個矩陣。
如果直接顯示圖像數(shù)據(jù)，那么在屏幕上為一個矩形，和實際探測區(qū)域為90°視角的扇形區(qū)域不一致。為了符合人們的觀察習慣，需要把圖像進行坐標轉(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，每個像素點由一個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，在顯示的時候需要將灰度圖像映射成彩色圖像，即每個像素點由三個8bit的值表示，分別為RGB強度值。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，它保存的是扇形圖的位圖信息，包括圖像的寬度、高度、大小、每個像素點的位數(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。在MFC工程的頭文件中定義了一個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)進行賦值。
2.2壓縮參數(shù)設置
該部分定義了一個COMPVARS結(jié)構(gòu)的對象保存編碼器的壓縮參數(shù)。開發(fā)者可以自己手動設置該結(jié)構(gòu)體中的各個成員變量，前提是你必須了解使用的編碼器的參數(shù)值;也可以彈出一個對話框讓用戶選擇編碼器，如圖4所示，同時初始化COMPVARS結(jié)構(gòu)。

本文中采用第二種方法來設置壓縮參數(shù)。ICCompressorChoose（）函數(shù)中的uiFlags參數(shù)可供開發(fā)人員進行不同應用的開發(fā)，可以設置為如表1所示的五種值。
本文選擇MPEG-4Xvid編碼器。如果用戶成功選擇了一個編碼器，該函數(shù)返回TRUE，否則返回FALSE。通過一個指向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)進行圖像壓縮。
2.3壓縮后位圖格式的設置
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)用要先定義一個結(jié)構(gòu)的指針，作為函數(shù)的第三個參數(shù)。函數(shù)返回時，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，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。使用時直接將設置好的壓縮器句柄、輸入位圖格式、輸出位圖格式當作實參傳遞給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)做準備。它有兩個參數(shù)：一個為編碼器的壓縮參數(shù)，另一個為輸入數(shù)據(jù)的位圖格式。初始化成功返回TRUE。具體形式如下所示：
BOOLICSeqCompressFrameStart（
PCOMPVARSpc，//壓縮參數(shù)
LPBITMAPINFOlpbiIn//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，與干端顯控軟件實時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，壓縮率達到10倍以上。由此可見，MPEG-4編碼標準圖像壓縮質(zhì)量高，同時壓縮率也高。

3聲吶圖像壓縮效果評價
3.1壓縮率
設計了兩種方法比較不同圖像數(shù)據(jù)的壓縮率，一種將標準正弦信號直接作為聲吶接收的回波信號，進行信號處理以及波束形成后，干端實時接收顯示的圖像作為壓縮源，另一種將真實水域中聲吶接收到的回波信號，進行信號處理以及波束形成后，干端實時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、像素點與像素點之間冗余度越大，圖像的可壓縮程度越大，壓縮率越高?？傮w來說，本文設計的成像聲納視頻壓縮存儲方法的標準壓縮率達到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)量客觀評價的指標。圖像質(zhì)量評價標準是針對單幀圖像而言的，因此可以將視頻圖像分解為多個靜止圖像，通過計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，當高于35時，則人眼很難看出兩幅圖像的差異。由此可見，本文設計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，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)的復查和分析。