基于VFW的成像聲納視頻壓縮存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)聲納系統(tǒng)圖像實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(chǔ)的工程實(shí)現(xiàn)方法。采用MPECJ-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)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(duì)聲吶視頻的高壓縮率、高壓縮質(zhì)量的實(shí)時(shí)壓縮存儲(chǔ)。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，本文設(shè)計(jì)方案能夠滿足成像聲納系統(tǒng)在lOOm滿量程條件下，最高幀率15Hz的應(yīng)用需求。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267428.htm

關(guān)鍵詞：聲納系統(tǒng)；視頻壓縮；MPECJ-4；Xvid；VFW

DOI： 10.3969/j.issn.1 005-5517.2 015.1.009

項(xiàng)目基金：江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（蘇政辦發(fā)（2012》

本項(xiàng)目榮獲2014中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽（第九屆）華東賽區(qū)團(tuán)隊(duì)一等獎(jiǎng)、個(gè)人一等獎(jiǎng)、全國總決賽三等獎(jiǎng)

本項(xiàng)目榮獲Xilinx OpenHW2014開源硬件與嵌入式設(shè)計(jì)大賽二等獎(jiǎng)、組委會(huì)特別獎(jiǎng)項(xiàng)“最佳工業(yè)應(yīng)用獎(jiǎng)”

夏偉杰（1979-），男，副教授，研究方向：雷達(dá)信號(hào)處理。董琎琎（1986-）男，碩士，研究方向：信息獲取與處理。金雪（1992-），女，碩士，研究方向：信息獲取與處理。袁春輝（1990-），男，碩士，研究方向：信息獲取與處理。

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(cè)區(qū)域狀況和識(shí)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(duì)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lOOm，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(duì)聲納的實(shí)時(shí)畫面進(jìn)行存儲(chǔ)，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(chǔ)空間為3600X[15X（100X40X538）]Byte=116.2085GB，對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)能力的要求將會(huì)非常苛刻，亟需引入圖像壓縮技術(shù)來解決這一問題。

1 VFW軟件開友包

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(huì)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Wind ows的時(shí)候VFW所需的相關(guān)組件就會(huì)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(duì)話框源文件HAICADlg.cpp中包含Vfw.h文件。

2 聲吶圖像壓縮存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

要進(jìn)行聲吶圖像壓縮存儲(chǔ)，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(chǔ)。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(hào)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(cè)量程決定，距離分辨率為2.5 cm。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(cè)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(duì)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

該音B分定義了一個(gè)COMPVARS結(jié)構(gòu)的對(duì)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(duì)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(duì)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：圖6聲吶圖像壓縮前后對(duì)比

BOOLICSeqCompressFrameStart（

PCOMPVARS pc， //壓縮參數(shù)

LPBITMAPINFOlpbiln//輸入位圖格式）；

2.5 圖像壓縮與存儲(chǔ)

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(chǔ)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(píng)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(hào)直接作為聲吶接收的回波信號(hào)，進(jìn)行信號(hào)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(hào)，進(jìn)行信號(hào)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(chǔ)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(chǔ)需求。

3.2 壓縮質(zhì)量

目前視頻圖像壓縮質(zhì)量的檢測(cè)方法一般采用峰值信噪比（PSNR）作為圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)的指標(biāo)。圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)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MxⅣ的數(shù)字化圖像（3）

MSE （R）、MSE （G）、MSE（B）分別為三個(gè)基色分量的均方值。

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)果只PSNR=37.1646。通常情況下，只PSNR值高于28，則待測(cè)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(chǔ)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(cè)試場(chǎng)景，以保證后期對(duì)數(shù)據(jù)的復(fù)查和分析。