(高清版)GBT 42650-2023 空间数据与信息传输系统 多光谱和高光谱图像无损及近无损压缩

国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I Ⅲ 1 1 1 1 1 3 3 3 3 4 46.2维度 4 46.4样本坐标索引 4 47.1通则 47.2预测谱段数目 6 67.4局部和 6 77.6加权 8 9 7.9样本表征值 7.10加权值更新 7.11映射量化索引 8编码器 8.2压缩图像数据结构 8.3帧头 8.4压缩码流 附录A(资料性)部分符号计算说明 31附录B(资料性)低熵编码表 32Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件参考了“ISO18381:2013《空间数据与信息传输系统多光谱和高光谱图像无损压缩》”起本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC1GB/T42041航天术语空间数据与信息传输d,y,dW,y,,dNW,d2(t),d(t),dNW(t)——方向局部差；2Nx,Ny,Nz——图像维数；w2(t),ww(t),wNW(t),5,5:——权值指数偏移量；39R₄(j)——长度受限的GPO2码字；GPO2:2次方Golomb编码(Golomb-power-of-2)征值46图像表示6.1概述6.2维度6.2.1图像是由有符号或无符号整数样本值sx,y.构成的一个三维矩阵。其中x,y代表空间维度，z代表谱段。6.2.2x,y和z取0≤x≤Nx-1,0≤y≤Ny-1,0≤z≤Nz-1范围内的整数值，图像维度Nx,Ny,Nz的最小值为1,最大值为2¹6。F,(z,x)=sz,y.x,0≤x≤Nx-1,0≤z≤Nz-1 (1)6.3动态范围6.3.1图像数据样本的量化位数D为2～32范围内的整数。为了计数简便，图像数据样本sz,y.及其相关变量可依据x,y,z这三个索引确其中t按公式(2)计算：t=y·Nx+x (2)给定t,x和y值可按公式(3)和公式(4)计算，mod的说明见附录A。x=tmodNx (3) (4)7预测器7.1通则7.1.1本条主要介绍了从输入图像样本sz,y,计算样本预测值sr,y,z和映射量化索引δ,y,的方法。7.1.2样本预测值sz,y,的计算在单次遍历图像样本的过程中进行。5xxS"p-S-2ya)基于宽邻域b)基于窄邻域c)基于列0z,y,之差(见7.5.1)。三个方向局部差d~,y,x,dw,y,x,dW分别等于四倍样本表征值s",y-1,x6选择全预测模式或简化预测模式(见7.3)。在简化预测模式下，预测值是基于预测谱段(先前计算。在全预测模式下，预测值是基于预测谱段的中心局部差和当前谱段的三个方向局部差NNW图4某谱段中局部差的计算d)由当前谱段局部和以及当前谱段和预测谱段局部差的加权和计算得到样本预测值(见7.7)。计算中所用的加权值(见7.6)随样本预测值自适应地更新(见7.10)。计算相应的样本表征值s",y,z(见7.9)。用户可以指定绝对误差限制和/或相对误差限制用于控制每个样本的最大重建误差m(t)。c)量化系数再映射成无符号整数值δ,y,称之为映射量化索引(见7.11)。7.2预测谱段数目参数P为用户指定的用于图像预测的谱段数目，其范围为0≤P≤15。在谱段z-1,z-2,…z- (5)z——谱段索引；7.3全预测模式和简化预测模式值的局部差数目C,按公式(6)计算：7.4局部和7.4.1局部和σz,y,为样本sz,y.在谱段77.5局部差当x和y不全为0时(当t>0),中心局部差按公式(11)计算： (11)当x和y不全为0时(当t>0),三个方向局部差按公式(12)～公式(14)计算： (12) (13) (14)当t>0,局部差向量U_(t)为C₂个局部差构成的向量。在全预测模式下，局部差向量U₂(t)按公8U₂(t)——局部差向量；d.(t)——N方向局部差；dw(t)——W方向局部差；dNW(t)—-NW方向局部差。 (16)7.6加权Wmin=-20+2,wmax=20+2-1Ω——权值分辨率参数。方向加权值；方向加权值；9W.(t)——加权向量。加权值的计算方法见7.6.3和7.10。用户可选择使用默认加权初始化或指定加权初始化来确定每个谱段z的初始加权向量W₂(1),所当使用默认加权初始化时，对每个谱段z,各初始化加权向量元素w(¹(1),w(²)(1),…,w(P²)当使用指定加权初始化时，W₂(1)使用由用权值初始化向量A,可以在头文件中进行编码，见8.3,权值初始化向量的选择应基于传感器特性、权值初始化分辨率Q为用户指定的整数，取值范围一般为3～Q+3bits。1——组成元素全为1的向量；7.7预测计算 (22)5₂(t)=clip(modi[d₂(t)+2°(G₂(t)-4sma)]+20+²2s或7.7.4样本预测值s₂(t)按公7.8量化预测残差使用步长为2m₂(t)+1的均匀量化器进行量化，量化器的输出为有符号整数值，称为量化系数q₂(t),按公式(27)定义差值m₂(t)赋值见公式(28):m(t)=0…………(28)对所有的z和t成立。否则，用户可以通过为每个z设定一个绝对误差限定值a_,或/且为每个z设定一个相对误差限定值r.,从而控制最大误差值m(t)。 (29) (30) (31)如果使用绝对误差限制，则对于每个谱段z,a.为在范围0≤a,≤如果使用相对误差限制，则对于每个谱段z,r₂为在范围O≤r₂≤2DR-1内的整数，其中Dr为用的相对误差限制常数，它是满足0≤R*≤2DR—1范围内的整数。周期性误差限制更新策略不用于输入图像为谱7.9样本表征值7.9.1样本表征值使用用户指定的分辨率参数日来进行计算，该分辨率参数日应为0≤0≤4范围内每一个φ2应是用户指定的O≤φ₂≤2⁰-1范围内的整数。每一个业，应是用户指定的O≤业₂≤2⁸-1范围内的整数，除非保真度控制模式为无损，在这种情 (32)其中，s(t)是7.7.2中定义的高分辨率样本预测值，s'(t)是钳位后的样本重建值，按公式(34) (34)e₂(t)=2s'(t)-s₂(t) (35)b)权值更新尺度因子变化间隔tinc应为2的幂次，并满足2⁴≤tine≤2¹¹。7.10.4对于z=0,…,Nz-1和i=1,…,Pi的谱段间的权值指数偏移量t⑩,和谱段内的权值指数偏移量5:都是用户指定的整数，它们分别在-6≤5!≤5和一6≤5:≤5的范围内。7.11映射量化索引8编码器8.1概述本条介绍压缩系统的熵编码部分和压缩图像数据结构。压缩码流主要实现对预测器输出的映射量化索引δ,y,进行无损编码，见8.4。如果使用周期性误混合熵编码方法包括样本自适应熵编码和16个可变长度的低熵编码。映射量化索引的编码顺序帧头图像元数据图像元数据结构见图7所示，内容应包括基本信息和补充信息表两部分。其中，基本信息为必选(必选的)可变(可选的)基本信息应具有表1中指定的结构。其中，用户选择的输出码字大小B,以字节为单位，应为1～8定义位宽/bit说明8用户可任意指定该部分的值，如可以定义该值为一组图像序列中某幅图像的索引号Nx值的模2¹⁶编码，为16比特无符号二进制整数Ny值的模2¹⁶编码，为16比特无符号二进制整数Z大小Nz值的模2¹⁶编码，为16比特无符号二进制整数1‘0’:表示图像样本值为无符号整数；‘1':表示图像样本值为有符号整数预留1本部分应该设置为‘0’ 1‘0':表示动态范围满足D≤16;‘1':表示动态范围满足D>16动态范围4D值的模2⁴编码，为4比特无符号二进制整数1‘0’:表示样本按谱间交织顺序编码；‘1':表示样本按谱段连续顺序编码当使用谱间交织顺序编码时，本部分应该为M值的模2¹⁶编码，本部分应该全部为‘0’预留2本部分应该设置为‘00’出码字大小3B值的模2³编码，为3比特无符号二进制整数2‘00':使用样本自适应熵编码；‘01':使用混合熵编码；‘10':使用块自适应熵编码预留1本部分应该保持全部为‘0’2‘00’:无损；‘01':仅绝对误差限制；‘10':仅相对误差限制；‘11’:使用绝对误差限制和相对误差限制预留2本部分应该保持全部为‘00’补充信息表的数目4定义位宽/bit2‘00:无符号整数‘01':有符号整数‘10':浮点预留2本部分应该保持全部为‘00’—4表的用途应该编码为4比特无符号整数值(见表3)预留1本部分应该设置为‘0’—2‘00’:零维‘01':一维‘10':以z、x轴构成的二维结构‘11';以y、x轴构成的二维结构预留1本部分应为‘0’4见8.3.2.3.51)如果指数a为0,则表示的值为：(一1)·j·2¹-B-Dp定义12345预留Nz-1,x=0,…,Nx-1。forx=0toNx-1编码i,4)如果表是以y、x轴构成的二维结构，则按照循环嵌套的顺序对ifory=0toNy-1编码iy.d)表的元素序列(每个为1+Dp+DE比特);3)如果表是以z、x轴构成的二维结构，则按照循环嵌套的顺序对表中的元素fory=0toNy-1注：有条件的必选是指在近无损压缩模式条件下，量化和样本表征值为必选项，8.3.3.4和8.3.3.5中出现的该状态与此含义相同。可变定义位宽/bit预留1设置为‘0’ 1‘0’:样本表征值不包括在预测器元数据结构中；此时样本表征‘1’:样本表征值包括在预测器元数据结构中41‘0’:使用全预测模式；‘1’:使用简化预测模式1‘0”:所有t(和：值均为零‘1':某些t(⑩)和：值可能为非零2‘00':使用基于邻域的宽局部和‘01':使用基于邻域的窄局部和‘10':使用基于列的宽局部和‘11':使用基于列的窄局部和寄存器大小6R值的模2⁶编码为6比特无符号二进制整数4表4基本信息(续)定义位宽/bit4值(log₂tine一4)编码为4比特无符号二进制整数441‘0’:预测器元数据没有包含权值指数偏移表‘1':预测器元数据包含权值权值指数偏移表1‘0’:使用默认加权初始化模式‘1’:使用用户指定加权初始化模式1‘0':预测器元数据没有包含权值初始化表‘1’:预测器元数据包含权值初始化表5当使用默认加权初始化值时，该值为‘00000’否则，本部分值为Q的5比特无符号二进制整数如果权值初始化表标志或权值指数偏移表标志为‘1’,则在预测器元数据帧头部分应该包含权值大小当权值初始化列表包含在预测器元数据中时，需对指定权值初始化向量{A,}Nz-¹进行编码，编码编码A.的第j个分量大小/Bytes误差限制更新周期1绝对误差限制相对误差限制定义位宽/bit预留1该字段应该值为‘0’1‘0’:不使用周期性误差限制更新‘1':使用周期性误差限制更新预留24当使用周期性误差限制更新时，这个字段将包含值u,其编码为定义位宽/bit预留1该字段应该为‘0’ 1‘0':与谱段无关的绝对误差限制赋值‘1':与谱段有关的绝对误差限制赋值预留2该字段应该为‘00’4对DA进行模2⁴编码，为4比特无符号整数(有条件的)见8.3.3.4.3定义位宽/bit预留1该字段应该为‘0’1‘0’:与谱段无关的相对误差限制赋值‘1':与谱段有关的相对误差限制赋值预留24对Dr进行模2⁴编码，为4位无符号整数(有条件的)定义位宽/bit预留53θ的编码值，为3比特无符号二进制整数预留1该字段应该为‘0’1‘0’:所有谱段使用相同的φ.值‘1’:各谱段的φ.值可能不同1‘0’:衰减表子块不包含在样本表征值中‘1’:衰减表子块包含在样本表征值中预留1该字段应该为‘0' 固定衰减值4如果与谱段有关的衰减参数标志为‘0’,则该字段将φ,的值编码为4位无符号整数，所有谱段均相同否则，该字段将全为‘0’预留1与谱段有关的偏移量标志1‘0’:所有谱段使用相同的业，值‘1':各谱段的业.值可能不同1‘0’:偏移表子块不包含在样本表征值中‘1’:偏移表子块包含在样本表征值中预留1该字段应该值为‘0’固定偏移量4为4位无符号整数，所有谱段均相同否则，该字段将全为‘0’衰减表子块(可选的)见8.3.3.5.2偏移表子块(可选的)见8.3.3.5.3定义位宽/bit5Umax的模2⁵编码，为5比特无符号二进制整数3(y*-4)编码为3比特无符号二进制整数3y。的模2³编码，为3比特无符号二进制整数累加器初始常数4当指定累加器初始常数K时，该部分应为K的4比特无符号二进制整数；否则，该部分应设置为全‘0’累加器初始化列表标志1‘0’:熵编码器元数据不包含累加器初始化列表‘1’:熵编码器元数据包含累加器初始化列表累加器初始化列表(可选)见8.3.4.2.2定义位宽/bit5Uma的模2⁵编码，为5比特无符号二进制整数3(y*-4)编码为3比特无符号二进制整数3y。的模2³编码，为3比特无符号二进制整数预留5该字段值为‘00000’预留1该部分应设置为‘0’ 块大小2‘01':块大小J=16‘10':块大小J=32‘11':块大小J=64受限的编码选项标志1当D≤4且使用受限的编码选项集时，该部分应设置为‘1';否则，该部分应设置为‘0’—参考样本间隔r值的模2¹²编码，为12比特无符号二进制整数ifymod2”=0且使用周期性误差限制更新if使用绝对误差限制if绝对误差限制与谱段无关输入Aif使用相对误差限制if相对误差限制与谱段无关输入R*序为按像素谱间交织(BIP)顺序。当不使用周期性误差限制更新时，误差限定值不是熵编码器输入序GB/T42650—20238.4.3.2样本自适应熵编码在样本自适应熵编码选项下，每个映射量化索引8₂(t)都用变长的二进制码字进行编码。8.4.3.2.2中定义了所使用的变长码字集合，8.4.3.2.3中描述了映射量化索引的自适应编码选择的统计特性。8.4.3.2.4中描述了如何对每个映射量化索引和误差限定值选择码字。长度受限的2次方Golomb(GPO2)码字是可变长度的二进制码字，对无符号整数j和无符号整数编码指数k的编码为R(j),编码如下：进制表示组成；用户指定的长度限制参数Umax应为8≤Umax≤32范围内的整数。8.4.3.2.3自适应编码选择的统计特性自适应编码选择的统计特性由累加器Z₂(t)和计数器P(t)组成，它们在整个编码过程中都会自适应地进行更新。计数器的初值按公式(43)计算：对于每一个谱段，累加器的初值按公式(44)和公式(45)计算：k"——累加器初始参数(用户指定)。累加器初始参数k"由用户指定且为满足范围0≤k"≤min(D-2,14) (44) (45)内的整数，也可指定累加器初始常数K,K为0≤K≤min(D-2,14)内的整数，对于所有的z值，有k"当t>1时，谱段z的累加器值按公式(46)计算：式中：2.(t)谱段z的累加器。计数器值按公式(47)计算：式中：γ*——计数器缩放区间调整参数(用户指定)。累加器和计数器的比例缩放间隔由用户指定的缩放区间调整参数γy*决定，γ*为满足max每个绝对误差限定值应编码为DA比特的无符号二进制整数，每个相对误差限定值应编码为DR (48)在混合熵编码选项下，根据自适应编码选择的统计特性将每个映射量化索引分为高熵或低熵编码方式。每个高熵映射量化索引使用变长二进制码字进行编码。每个低熵映射量化索引，使用16个可变长度编码中的一个进行编码。每个高熵映射量化索引可以立即生成一个输出码字，而每个低熵编码需反向长度受限的GPO2码字是可变长度的二进制码字，对于无符号整数j及无符号整数编码指数用户指定的长度限制参数Uma应为8≤Umax≤32范围内的整数。低熵码字是一组由16个非二进制输入、二进制输出的变长码表组成的集合。每个低熵编码应a)阈值T,和输入符号限制L,两者的值在表14中给出；b)一个码表，码表中的码字是将一组非二进制的变长输入码字的前缀集合，映射到一组变长的c)一个刷新表，给出从输入码字的所有符合编码规则的前缀集合到一组输出刷新码字的映射。每个低熵编码的码表和刷新表见附录B。表14低熵编码输入符号限制和阈值编码指数i阈值T012836465464748292222220初始计数器值r(0)应等于F(0)=2*0这里，用户指定的初始计数指数γ。的值应为1≤y₀≤8范围的初始化方法是将2₂(0)近似等于4r(0)8。对于t≥1,谱段z的高分辨率累加器的值按公式(49)计算：计数器F(t)和高分辨率累加器2_(t)进行缩放的间隔由用户定义的计数器缩放区间调整参数γ·每个绝对误差限定值应编码为DA比特无符号二进制整数，每个相对误差限定值应编码为Dg比编码输出之前，应在码流中首先输出2₂(t-1) (51)如果8₂(t)是低熵映射量化索引，则应使用满足2₂(t)·2¹⁴<F(t)·T的最大编码指数i的低熵编通过附加输入符号l,(t)来更新第i个低熵编码的活动前缀。a)编码表中列出的相应输出码字将被输出到压缩码流中；b)低熵编码的活动前缀应重置为空序列。压缩码流的尾部由以下几个部分组成：按照低熵编码刷新表对每个低熵编码的活动前缀按照编码索引递增的顺序进行编码；对每个谱段z中的最终高分辨率累加器值按照谱段索引递增的顺序进行编c)块大小参数J应取8,16,32或64。(资料性)部分符号计算说明对任意实数x,n≤x的最大整数n按公式(A.1)计算。对任意整数x和正整数R,函数modk[x]按公式(A.4)计算。对任意实数x,函数sgn(x)的定义见公式(A.6)(资料性)b)标记0^{i}用于表示对符号0的第i次连续出现。比如，0^{0}表示空序列。c)标记n'hX表示长度为n的输出码字，其中X为该码字的十六进制描述。例如7'h1F表示码字0011111。d)符号n'h(X+2r)或n'h(X+r)表示长度为n比特的输出码字，其中括号中的数等于该码字的十六进制表示。注意，X是用十六进制写的。尖括号<>表示二进制码字的反转。例如<7'h1F>表示码字1111100。如在表B.27中低熵编码13的码表中，输入码字0~{r}1,1≤r≤2,输出码字<7'h(3F+2r)>。对于该编码，如果输入码字为001,则输出码字为<7'h(3F+4)>=<7’h43>=<1000011>表B.1低熵码0的码表56123表B.1低熵码0的码表(续)9ABCX表B.2低熵