VTS雷达原始视频压缩编码的研究
摘要
船舶交通管理系统(VTS，Vessel Traffic Services)是一种旨在改善船舶交通安全、效率，保护海上环境的服务系统。它的发展适应了水上交通运输的迅速发展及船舶密度急剧增加的需要。
雷达子系统是VTS系统的重要组成部分。雷达利用电磁波反射原理收集监测海域内的物体回波信息，雷达原始视频数据实时动态地反映了海域内的真实情况，因此对于交通管制和海事取证具有极其重要的作用。但是雷达原始视频信号频谱很宽，要求传输设备有很宽的通频带，而且效率低、投资大。因此为了充分利用原始视频信息，同时满足传输带宽的要求，必须对雷达原始视频信号进行压缩。
随着信息时代的发展，以计算机为中心的多项技术在VTS系统中得到广泛的应用，使VTS系统朝向通用化、软件化和集成化的方向发展。现代VTS系统对多源信息的统一处理与表现、开放的系统结构和高效灵活的人机交互等方面的要求越来越迫切。
结合VTS系统的现实要求和发展方向，本文从VTS雷达原始视频图像数据的特点出发，从信息论中关于数据压缩的基本原理出发，从现代信号处理特别是图像信息处理领域中的压缩编码国际标准出发，提出了雷达原始视频编解码系统方案，其主体部分——编解码器是在PC机内利用压缩软件实现，阐述了系统工作流程；提出了基于JPEG压缩算法和H．263压缩算法的雷达图像编码方案，分析了编解码算法；进行了仿真试验，在实验结果的基础上分析了编码算法压缩雷达原始视频图像的可行性和有效性。
VTS(Vessel Traffic Services) system is aimed at improving vessel traffic safety, efficiency and protecting seas environment. Its development is to satisfy the increasing requirements caused by the rapid development of waterborne traffic and the rise of vessel density.
Radar sub-system is an essential part of VTS system. It can get the information of the objects in its supervised water area by collecting the reflected electromagnetic wave. Because the raw radar video represents the real condition of the supervised water area, it is an important information resource for VTS centers and maritime administrative offices to get the evidence on the spot. But the bandwidth of the raw radar video is too wide to transmit directly in the common communication channel. Therefore, it is necessary to compress the raw radar video before transmission so as to satisfy the channel bandwidth.
Furthermore, computer-based technologies have got widely used in this rapidly developing information era. Modern VTS is growing to be a system with uniform abilities to process and represent every kind of information, open system structure, and highly efficient man-machine interactivity.
Considering practical needs and developing trend of VTS, based on analyzing the signal characters of VTS radar video, studying basic data compression principles in Information Theory, comparing international coding standards in the forefront of image processing, a VTS radar video coding system suitable for transmission in the narrow channel is proposed in this thesis. Its main block梒oder and decoder, is realized in the common PC with software. The working process is demonstrated detailed. Two coding schemes suitable for compressing radar image are also proposed, one based on JPEG algorithm and the other based on H.263 algorithm. Finally, the simulation is conducted, and the feasibility and practicality are analyzed based on the results of the experiments.
雷达子系统是VTS系统的重要组成部分。雷达利用电磁波反射原理收集监测海域内的物体回波信息，雷达原始视频数据实时动态地反映了海域内的真实情况，因此对于交通管制和海事取证具有极其重要的作用。但是雷达原始视频信号频谱很宽，要求传输设备有很宽的通频带，而且效率低、投资大。因此为了充分利用原始视频信息，同时满足传输带宽的要求，必须对雷达原始视频信号进行压缩。
随着信息时代的发展，以计算机为中心的多项技术在VTS系统中得到广泛的应用，使VTS系统朝向通用化、软件化和集成化的方向发展。现代VTS系统对多源信息的统一处理与表现、开放的系统结构和高效灵活的人机交互等方面的要求越来越迫切。
结合VTS系统的现实要求和发展方向，本文从VTS雷达原始视频图像数据的特点出发，从信息论中关于数据压缩的基本原理出发，从现代信号处理特别是图像信息处理领域中的压缩编码国际标准出发，提出了雷达原始视频编解码系统方案，其主体部分——编解码器是在PC机内利用压缩软件实现，阐述了系统工作流程；提出了基于JPEG压缩算法和H．263压缩算法的雷达图像编码方案，分析了编解码算法；进行了仿真试验，在实验结果的基础上分析了编码算法压缩雷达原始视频图像的可行性和有效性。
VTS(Vessel Traffic Services) system is aimed at improving vessel traffic safety, efficiency and protecting seas environment. Its development is to satisfy the increasing requirements caused by the rapid development of waterborne traffic and the rise of vessel density.
Radar sub-system is an essential part of VTS system. It can get the information of the objects in its supervised water area by collecting the reflected electromagnetic wave. Because the raw radar video represents the real condition of the supervised water area, it is an important information resource for VTS centers and maritime administrative offices to get the evidence on the spot. But the bandwidth of the raw radar video is too wide to transmit directly in the common communication channel. Therefore, it is necessary to compress the raw radar video before transmission so as to satisfy the channel bandwidth.
Furthermore, computer-based technologies have got widely used in this rapidly developing information era. Modern VTS is growing to be a system with uniform abilities to process and represent every kind of information, open system structure, and highly efficient man-machine interactivity.
Considering practical needs and developing trend of VTS, based on analyzing the signal characters of VTS radar video, studying basic data compression principles in Information Theory, comparing international coding standards in the forefront of image processing, a VTS radar video coding system suitable for transmission in the narrow channel is proposed in this thesis. Its main block梒oder and decoder, is realized in the common PC with software. The working process is demonstrated detailed. Two coding schemes suitable for compressing radar image are also proposed, one based on JPEG algorithm and the other based on H.263 algorithm. Finally, the simulation is conducted, and the feasibility and practicality are analyzed based on the results of the experiments.
引文
[1] 刘人杰、柳晓鸣，船舶交通管理电子系统，第一版，1992，大连海事大学出版社
[2] 索继东、柳晓鸣、刘人杰，VTS系统的通用化、软件化和集成化，1999 VTS论文集，1999，pp65～68
[3] 张润泽，船舶导航雷达(第三册)，1990．2，人民交通出版社
[4] 王汇源，数字图像通信原理与技术，2000，国防工业出版社
[5] 吴乐南，数据压缩的原理与应用，1995，电子工业出版社
[6] 精英科技，视频压缩与音频编码技术，2001．6，中国电力出版社
[7] A.Murat Tekalp, Digital Video Processing, 1995, Prentice Hall
[8] 沈兰荪，图像编码与异步传输，1998．5，人民邮电出版社
[9] 刘永坦，雷达成像技术，1999．10，哈尔滨工业大学出版社
[10] 黄东霖等，多媒体视听业务，1998．10，北京邮电大学出版社
[11] 钟玉琢等，多媒体计算机技术基础及应用，1999．6，高等教育出版社
[12] 索继东、莫翠君，VTS雷达图像的压缩，大连海事大学校庆暨中国高等航海教育90周年论文集(船舶通信与导航分册)，大连海事大学出版社，1999，pp98～101
[13] 吴桂生，小波变换域雷达视频数据压缩，雷达与对抗，1999．4，pp37～42
[14] 毕厚杰、汪涛，宽带IP(数据)和视频接入技术，2002．6，北京邮电大学出版社
[15] V. Sabbatino, S.Bottalico, Radar Image Compression, IEE--- Radar 97, 1997, pp725～728
[16]姚庆栋、毕厚杰等，图像编码基础，1984，人民邮电出版社
[17] Rob Koenen, From MPEG-1 to MPEG-21: Creating an Interoperable Multimedia Infrastructure, 2001.12, ISO/IEC JTC1/SC29/WG11 N4518
[18] Recornmendation H.263 (02/98), ITU Recommendations E13823
[19] Jerry D. Gibson、Toby Berger、Tom Lookabaugh等著，多媒体数字压缩标准，李煜晖、朱山风等译，第一版，2000．8，电子工业出版社
[20] CCITT第九次全体会议文件：蓝皮书卷Ⅲ．6——H和J系列建议，中国印刷
[21] Mark Nelson，数据压缩技术原理与范例，第一版，1995，科学出版社龙门书局
[22] 托马斯J·林奇著，数据压缩技术及其应用，吴家安、杜淑玲译，第一版，1989，人民邮电出版社
[23] 袁玫、袁文，数据压缩技术及其应用，第一版，1995，电子工业出版社
[24] 胡建宝、陈世杰，多媒体高级编程技术，第一版，1995，电子科技大学出版社
[25] 郝杰、吴元清、郑榕，实用多媒体技术及其C语言实现，第一版，1995，电子工业出版社
[26] 周长发、周建欣编著，Visual C++5.0多媒体编程技术与实例，第一版，1999，电子工业出版社
[27] 北京安可尔通讯技术有限公司，视频压缩编码，2000，北京安可尔通讯技术有限公司(www.ankeer.com)
[28] 高文，多媒体数据压缩技术，1994，电子工业出版社
[29] 胡晓峰，多媒体系统原理与应用，1995，人民邮电出版社
[30] 钟玉琢、齐卫，多媒体数据压缩编码的发展趋势，1997，第六届全国多媒体学术会议论文集
[31] 王汇源、王峰，用于远程监控系统的视频编码方案，计算机工程，2000．26(4)，pp22～23
[32] Aizawa. K., Model-Based Image Coding: Advanced Video Coding Techniques for Very Low Bit Rate Application, Proc. IEEE, 1995,83(2), pp259～271
[33] Brian Ngo, Comparison of the Video Compression International Standard ITU H.261, H.263, and Moving Picture Expert Group-4 (MPEG-4), Project Report from John Hopkins University, 2002
[34] John Wiseman, An Introduction to MPEG Video Compression, internet: http://www.member.aol.com/ ht a/aymbandgrl/index.html
[35] H.263 Video Coding, 4i2i Communications Ltd, Internet: http://www.4i2i.com/h263 video codec.html
[36] 汪铭东、吴桂生、黄湘鹏，雷达视频压缩传输系统，现代雷达(2)，2002．3，pp49～52
[37] Anders Lidén, Video Coding Standard, 2001.10, Lulea Tekniska University Seminar
[38] 罗为民、余胜生、周劲利，几种运动视频编码的比较，1998．11，电视技术
[39] 王玉萍，视频会议的相关技术和相关标准Internet: http://www.exin.net/cap-info/q4/13.html
[40] 徐义民，各种运动图像压缩标准之比较，2001．4 Internet: http://www.china-pub.com/computers/emook/O924/info.html
[41] 谭浩强，C程序没计，1991．7，清华大学出版社
[42] 林俊杰，C++6程序设计经典，1999．11，科学出版社
[43] 黎洪松，数字图像压缩编码技术及其C语言程序范例，1994，学苑出版社
[44] Li R, Zeng B, Liu M L, A new three-step search algorithm for block motion estimation, IEEE Trans on Circuits and Systems for Video Technology, 1994, 4(4), pp438～442
[45] 杨品、巴林凤，JPEG-Video图像采集、压缩和还原系统，计算机世界月刊，1994(6)，pp18～19
[46] P. Noll, Wideband speech and audio coding, IEEE Communications Magazine, 1993.11
[47] 茅一民，图像通信和图像图形处理芯片的新进展，1993，14(2)，pp100～105
[48] 船舶交通管理信息系统，信息工程学院电子信息工程教研室
[49] 信息论，Internet：http://www.systemscience.org/xgxk/xxl.htm
[50] 王汇源，一种快速模板匹配法及其在运动估计中的应用，数据通信，1999，(3)，pp18，42
[51] 林福全、陆达，多媒体与CD-ROM，第一版，1995，清华大学出版社
[52] 谢卫国。沈兰荪，利用分形变换的帧间图像运动补偿预测编码，北京工业大学学报，1996，22(4)，pp82～86
[53] 毕厚杰，多媒体信息利用电话线的IP接入，中国数据通信网络，2000(1)，
pp8～13
[54] 侯自强，数字视频技术进展，中国图像图形学报，1996，1(1)，pp58～63
[55] Riley M J, Richardson I E G, Digital Video Communications, 1997, Artech House
[56] 伯晓晨，李涛，刘路等，Matlab工具箱应用指南——信息工程篇，2000，电子工业出版社
[57] 张宜华，精通Matlab 5，1999，清华大学出版社
[58] ITU-TS Rec. H.26x, Generic Coding of Moving Pictures and Audio, ISO/IEC xxxx, Third working draft, New York, 1993.7
[59] 朱秀昌、胡栋，p×64kb／s会议电视系统探讨，通信学报，1993，14(2)，pp9～17
[60] 马小虎、张明敏、严华民等，多媒体数据压缩标准及实现，1996，清华大学出版社
[61] 郑君里、杨为理等，信号与系统，1981，人民教育出版社
[62] 丁鹭飞、耿富录，雷达原理，修订版，1995，西安电子科技大学出版社
[63] 朱雪龙，应用信息论基础，2000，清华大学出版社
[2] 索继东、柳晓鸣、刘人杰，VTS系统的通用化、软件化和集成化，1999 VTS论文集，1999，pp65～68
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[45] 杨品、巴林凤，JPEG-Video图像采集、压缩和还原系统，计算机世界月刊，1994(6)，pp18～19
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[50] 王汇源，一种快速模板匹配法及其在运动估计中的应用，数据通信，1999，(3)，pp18，42
[51] 林福全、陆达，多媒体与CD-ROM，第一版，1995，清华大学出版社
[52] 谢卫国。沈兰荪，利用分形变换的帧间图像运动补偿预测编码，北京工业大学学报，1996，22(4)，pp82～86
[53] 毕厚杰，多媒体信息利用电话线的IP接入，中国数据通信网络，2000(1)，
pp8～13
[54] 侯自强，数字视频技术进展，中国图像图形学报，1996，1(1)，pp58～63
[55] Riley M J, Richardson I E G, Digital Video Communications, 1997, Artech House
[56] 伯晓晨，李涛，刘路等，Matlab工具箱应用指南——信息工程篇，2000，电子工业出版社
[57] 张宜华，精通Matlab 5，1999，清华大学出版社
[58] ITU-TS Rec. H.26x, Generic Coding of Moving Pictures and Audio, ISO/IEC xxxx, Third working draft, New York, 1993.7
[59] 朱秀昌、胡栋，p×64kb／s会议电视系统探讨，通信学报，1993，14(2)，pp9～17
[60] 马小虎、张明敏、严华民等，多媒体数据压缩标准及实现，1996，清华大学出版社
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[62] 丁鹭飞、耿富录，雷达原理，修订版，1995，西安电子科技大学出版社
[63] 朱雪龙，应用信息论基础，2000，清华大学出版社