(高清版)GBT 42651-2023 空间数据与信息传输系统 图像数据压缩

国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会I 12规范性引用文件 1 1 2 2 3 3 3 3 46.1概述 4 4 56.4一维信号小波逆变换 66.5一级二维离散小波变换 7 76.7多级二维离散小波变换 8 86.9子带权重 8 9 97.2段头信息 7.4交流系数位深编码 227.5位平面编码实现 23Ⅲ1GB/T42041航天术语空间数据与信息传输由最低子带的1个DC系数和其余9个子带中的63个AC系数组成的64个小波系数的集合。2H;:孙系数集G₁的子集(i=0,1,2;j=0,1,2,3)。signs.[v]:二进制字，其中的比特为系数x的符号，类型t₆(x)不为1时忽略。1表示负。tm(业):业中的最大值。3DWT:离散小波变换(DiscreteMSB:最高有效位(MostSignificantBit)注：此处描述的压缩编码方法为逻辑概念非实体。约定的“像素”,既可被理解为传统意义上二维平面图像的像素，也可被理解为经过预处理后多光谱或高码使用的算法参数值在第7章数据段头中明确定义。本文件给出了图2所示的规则来标识一个N位字中的每个位。该字中第一个被传输的位(即图中示一个二进制值(比如计数器)时，最高有效位(MSB)对应2的最高幂，即2N-¹。本文件使用下面的命名法来描述：8位为1个字节。位046离散小波变换本条规定的图像去相关采用9阶低通和7阶高通滤波器实现多级二维离散小波变换。一维小波变换见6.3,二维变换通过一维离散小波进行二维张量扩展生成，具体见6.5和6.7。有关一维(二维)小波逆变换定义及描述见6.4,6.6和6.8。本文件给出了两种9/7小波变换：a)9/7浮点离散小波变换，也称9/7双在进行位平面编码前，三级二维小波变换(见6.7)的每层输出值需近似整数(位平面编码见第76.2.1输入图像数据为像素(位深R)既可以是无符号型，也可以是有符号型。可支持的最大R值的取值推荐见表1,R的取值范围可确保BPE的DWT系数不超过本文件支持的32位动态范围。有符号类小波方式无符号型有符号型整数DWT浮点DWT6.2.2浮点DWT和整数DWT的计算均依赖于待变换图像帧的图像尺寸大小，如图像宽度和高度。6.2.3通过7.2定义的数据头文件信息可计算得到图像幅宽，头文件信息的尾标识可计算得到图像6.2.5对于浮点DWT和整数DWT时图像的宽度和高度均为8的整数倍。若图像的宽度或高度不满1)对图像的右边界(水平方向索引值最大)的像素点进行填补；2)列补齐填充的像素值为图像最右列的像素值。b)行高补齐：1)对图像的下边界(垂直方向索引值最大)的像素点进行填补；2)行补齐填充的像素值为图像最后一行的像素值。56.3.19/7浮点变换{g-3,g-2,g-1,go,g₁,g₂,g₃},分解滤波器系数的具体数值见表2。表29/7分解滤波器系数i值低通滤波器h,高通滤波器g0一0.788485616406士2士3士46.3.29/7整数变换9/7整数离散小波变换引入非线性近似，是为了在去相关过程中可以输出整数，用于实现无损与公式(1)定义的浮点型DWT一样，一维整数DWT将信号矢量变换映射[公式(1)]为两组小波6通过公式(4)计算可得低频系数C;。 (4)公式(3)和公式(4)定义了文件中的整数小波变换。首先通过公式(3)计算D,,然后通过公式(4)计算C,,顺序不可颠倒。6.4.1浮点9/7小波逆变换表39/7合成滤波器系数i值高通滤波器p.0士1士2士3士4—C,和高频系数D,,按照公式(8)和公式(9)进行逐层重构得到信号矢量xi。 (8)7水平高通，水平低通，水平高通，原始图像水平低通子带水平高通子带原始图像水平低通，水平低通，8ua)先将最高级的四个子带LL₃,LH₃,HL₃,HH₃b)再对LL₂,LH₂,HL₂,HH₂四个子带进行单6.9.3表4给出了整数DWT子带系数表49/7整数DWT权重因子9tL₃mC州子系数C美tG块里的每个簇F,有一个父系数pi,一个包含4个子系数的集合C,和一个由16个孙系数组成的表5单个簇中系数的子带内坐标父系数p.表6交流系数的原始子带系数级别簇2的任意值。S值的选择基于可获得的存储段数据的存储容量大小。当传输多个图像帧时，每个新帧的在编码过程中，若干块组成的一个段被进一步分割为群，除段内的最后一个群外每个群包含16个块，当S不是16整倍数时，它包含块的个数为S对16取余的值。直流系数用2的补码表示，公式(10)给出了2的补码形式表示cm所需的比特数为：大值，段内的每个直流系数按照2的补码形式使用BitDepthDC比特表示。要注意BitDepthDC的最小值为1。 这里涵盖第m块中的所有AC系数x的最大值。 BPE对一个段中系数幅值的位平面进行连续编码，并在编码段数据流的适当位置插入交流系数信息。位平面b由每个直流系数按照2的补码整数中的第b个比特和每个交流系数幅值对应二进制整数一个位平面到下一个位平面b会减小，从b=BitDepthAC-1开始，到b=0结束。随着编码过程从一个位平面到下一个平面，小波变换系数的分辨率有效提升1倍。位平面编码过程见7.5。段头信息(见7.2)直流系数初始化编码(见7.3)交流系数位深编码(见7.4)位平面编码b=BitDepthAC-1(见7.5)位平面编码b=BitDepthAC-2(见7.5)位平面编码b=0(见7.5)阶段0阶段2阶段2阶段0阶段23字节-1字节5字节-3长度(字节)内容说明3必选项包含每段独有的一些特性信息1项，其他为可选项25限定了每一段压缩后的字节数和失真度3348注1:段头信息第1部分包含的是编码段信息的值，该信息值会在段到段切换时发生改注2:段头信息第2部分说明了每个编码段的字节数限定值和失真度界限，DWT系数根据此限定值进行编码。段头信息第2部分可以放在原始图像或应用过程的位置，或者对于输出码率变化的情的开头位置。注3:可选的段头信息第3部分规定的内容通常对一幅图或一次应用过程里是固定的，但是间有变化。在典型应用中，可以出现在每幅图像的最开头部分，但不会在每个编码段出注4:第4部分是对整幅图，固定不变的参数。表8总结了段头第1部分的内容，图9描述了段头第1部分的结构。表8段头第1部分内容域位宽/bit4图像起始标识位‘1’:本段是图像的起始段‘0’:本段非图像的起始段1图像结束标识位‘1':本段是图像的最末段‘0’:本段非图像的最末段85无符号二进制整型5交流系数位深无符号二进制整型1预留01‘1':有第2部分‘0':无第2部分表8段头第1部分内容(续)域位宽/bit11':有第3部分11':有第4部分3无符号二进制整型5预留第4图像结束标识位第3部分标志分标志.1位0是图像起始标识位(Sta.3位2～位9是段计数器(SegmentCount)位，说明.4位10～位14代表直流系数位深BitDepthDC值，其表示形式是BitDepthDC值模32后得到的无符号二进制整数。BitDepthDC等于一个段中的直流系数按照2的补码形式表示时需要的比特.5位15～位19代表交流系数位深BitDepthAC值。5bits的BitDepthAC变量值的表示形式a)1表示后面有第3部分；b)0表示后面无第3部分。a)1表示后面有第4部分；b)0表示后面无第4部分。段头第1B部分中控制。表9总结了第2部分的内容，图10表9段头第2部分内容域位宽/bit本段被压缩后的最大长度(字节数)模2²7的无符号整型1是否停止压缩输出(见7.3)1表示完成量化直流系数编码(见7.3.2)和直流系数的附加位平面编码(见7.3.3)后停止压缩输出；共同决定何时停止压缩输出5当BitPlaneStop=b,StageStop=s成时(见7.5),或输出长度已达到规定的上限(SegByteLimit)2‘00’:第1阶段(见7.5.3)‘01';第2阶段(见7.5.3)‘10’:第3阶段(见7.5.3)11':第4阶段(见7.5.4)11表示长度不足时可以使用填充比特；4预留使用标使用标识段停止标识直流量停止标识图10段头第2部分结构.1位0～位26表示压缩后的编码段长度限制(SegByteLimit),说明为：b)SegByteLimit值的第2部分该值被再次更新为止。.2位27是直流停止标识位(DCStop),该标识表明该编码段的结束，说明为：b)0表示何时终止该编码段，由位平面索引值(BitPlaneStop)和该位平面内的编码阶段(StageS-.3位28～位32代表位平面停止(BitPlaneStop)域，说明为：a)该5bits的BitPlaneStop为无符号二进制整数，它表示对b)当DCStop为0时，表明该值规定了编码终止的位平面索引值，除非编码输出达到了Sec)当DCStop为1时，表明BitPlaneStop和StageStop将被忽略。.4位33～位34包含编码终止阶段域。2bits的StageStop域表示编码段终止于某个位平面a)00代表第1阶段(见7.5.3);b)01代表第2阶段(见7.5.3);c)10代表第3阶段(见7.5.3);d)11代表第4阶段(见7.5.4)。.5位35包含使用填充(UseFill)域，表示在每个编码段中是否使用填充比特来补足输出最大长a)1表示当需要时每个编码段通过使用填充比特来产生满足SegByteLimit长度限的编码数据；b)0分两种情况：1)未使用填充比特使得编码输出长度达到SegByteLimit字节，实际该编码段字节数可能小于SegByteLimit字节；2)当已来到编码终止点(由DCStop、BitPlaneStop、StageStop共同确定)却未达到最大输出直流优化选择直流优化选择第3部分的结构。表10段头第3部分内容位宽/bitS按块定义的段大小1(见7.3.2)‘1':最优化选择‘0':试探式选择1(见7.4)1':最优化选择2预留图11段头第3部分结构a)1表示最优化k值选择方法；用于缩放子带的权重、输入图像的一些信息和编码的字长度等。表11总结了段头第4部分的内容，图12描述了第4部分的结构。表11段头第4部分内容位宽/bit1规定DWT的类型‘0’:浮点DWT‘1:整数DWT2预留1‘0’:输入为无符号量1':输入为有符号量4它是模16的无符号二进制整型模2²0的无符号二进制整型1图像转置标记，规定整幅图像‘0':不转置1':要转置2‘00’:字长为8bits‘01':字长为16bits‘10':字长为24bits‘11':字长为32bits1预留01的数据‘0’:子带的权重是6.9中定义的标准值‘1’:子带的权重是用户自定义的2子带HH₁的权重重值均定义为：‘00’:权重为2°‘01':权重为2¹‘10’:权重为2²‘11':权重为2³全置为‘00'2子带HL₁的权重2子带LH₁的权重2子带HH₂的权重2子带HL₂的权重2子带LH₂的权重2子带HH₃的权重2子带HL₂的权重2子带LH₃的权重2子带LL₃的权重预留预预位标识HH₁HL₁LH₁HH₂H₂LH₂HH₃像素值符号扩展像素位带权重子带权重子带权重子带权重图像转置标记型位深标图像宽度像素位深码字长子带权带带预留位子度识图12段头第4部分结构.1位0表示DWT类型域(DWTtype),说明如下：.3位2是扩展像素位深标志域(ExtendedPixelBitDepthFlag),用于说明输入像素位深是否大.5位4～位7指像素位深域(PixelBitDepth),是像素位深值模16后得到的.6位8～位27表示图像宽度域(ImageWidth),是图像像素宽度模20的数值转换成无符号二.8位29～位31是编码的字长度定义位(Cob)如果CustomWtFlag的值为1,则自定义子带权重域的值设置如下：1)00:权重为2°,2)01:权重为2¹,3)10:权重为2²,4)11:权重为2³;c)如果CustomWtFlag的值是0,则上述20个比特置为全0。7.3直流系数初始化编码段0被编码，此时应满足位平面索引值b<q。表12直流系数量化交、直流动态范围说明BitDepthDC-(1+[BitDepBitDepthDC-(1+[BitDepthAC/zp直流动态范围比交流动态范围的一半稍高，直流系数超过交流动态范围的一半的部分比特位进行差分编码 (13)LL₃——低频子带LL₃。对于初始化直流编码阶段的量化过程，直流量化因子应与交流系数的动态范围BitDepthAC ,S-1},BPE将计算量化系数见公式(14): (14)GB/T42651—20直流系数的剩余比特按照7.5描述的位平面编码步骤进行编码产生部分结果也出现在编码比N=max{BitDepthDC-q,1}对于包含S个连续系数的序列，第一个量化直流系数称作参考样本 (16) (17)θm=min(cm-1-xmin,Xmax一cm-1),xmin=—2N-1,xmax=2N-1-1 a)第一个群包含15个8m值(由于第一个量化直流系数直接被当作一个参考样本编码了);c)如果S不是16的整数倍时，最后一个群只包含J个δm,其中J等于S对16取余。数标识的不编码(每个8m使用常规的N比特无符号二进制整数表示)到几种可变长度编码等。表13编码选项标识符ID码ID码0表13编码选项标识符ID码(续)ID码未编码1固定长度—Nbit图13选择不编码时群的码流结构当不选择不编码选项时，给定编码参数k,8m的可变长码流由两部分组成，第1部分由z个0和1个1组成，其中z=|8m/2*|,第2部分由δm二进制表示的k个最低比特位组成。是群内样本第1部分码字对应的数据流，最后是第2部分码字组成的数据流，码流结构见图14。(15个量化)(J个量化) b)使用试探式方法选择k值(通常得到的是次优值):一个群中所有系数差分的和△按公式(19)计算：编码选项标识符k的选择取决于和△的值，按照表14给出的规则确定k。表14编码选项标识符k的选择规则J·2N+⁵≤128·△+49·J的最大非负整数注：为了与推荐标准兼容，其他选择k参数的方法不予考虑。2段头第3部分如有，说明了选择编码选项标识符k的方法。3当编码选项标识符k采用了最优化的选择方法，且得到的最优编码选项不是唯一时，应采用当q>max{BitDepthAC,BitShift(LL₃)}时，每个直流系数接下来的q-max{BitDepthAC,BitShift(LL₃)}比特须紧跟要比特后跟着输出第q-2个重要比特，所以未编码比特位，以此类推，直到每个直流系数输出完第max{BitDepthAC,BitSa)如果BitDepthAC是0,则BitDepthAC_Blockm数值序列全为零且无需编码。而且该段的所有b)如果BitDepthAC是1,每个BitDepthAC_Blockm的值非0即1,因此每个BitDepthAC_c)其余情况，就要用7.3.2描述的用于量化直流分量的差分及变长编码方式对该段中1)该段BitDepthAC幅度值所需的比特位数N计算方法见公式(20):N=[log₂(1+BitDepthAC)]表14中编码参数k将根据此N值而确定。Xmin=0,xmax=2N-1块0,1,…,S-1的阶段1的比特位块0,1,…,S-1的阶段3的比特位块0,1,…,S-1的阶段4的比特位当2⁶≤|x|<2⁶+¹(应提取x在此位平面上的值);系数的类型决定了系数比特编码发生的阶段。当交流系数x的类型为0或1时[含to+1(x)=0],则x的第b个最重要幅度比特在阶段1～3中编码。否则，如果x的类型为2,则该比特位已经在阶段4阶段1～阶段3在BPE编码位平面b的编码阶段1～阶段3中，每个满足tb+1(x)=0的交流系数x的第b个幅度比特进行编码。父系数的第b个幅度比特在阶段1编码，子系数在阶段2编码，孙系数在阶段3编码。对于t₆(π)=1的情况，每个编码阶段还包括指示系数x符号的编码比特。阶段1～阶段3的编码利用了家族的结构对AC系数统一分组从而进行熵编码。阶段4的编码是针对满足t₆(x)=2的每个交流系数x的第b个幅度比特进行的.2除了7.1定义的集合C,G,H;,块中父系数列表P可用公式(22)表示：P={po,p₁,p₂} (22)D₁={C,G,} (23).5对用于描述系数列表业关于位平面b上信息的某些二进制码字的简化符号定义如下：a)types.[v]表示二进制码字，由业中满足t₆(x)=0或1的系数x的第b个幅度比特组成；‘O’表示非负系数；c)给定系数类型值列表A={λo,λ1,λz,…,λz},令tword[A]表示由A中类型值等于0或1的λ.6列表P的顺序为P={po,pi,pz},而列表C₁和H,的顺序则由表5中列出的它们的成员系.7对于在位平面b+1类型为0(系数在当前位平面未被选择)的所有交流系数的第b个幅度比c)types.[H;],i=0,1,2b)tranp=tword[{tm(D₁):i=0,d)tranh=tword[{tm(Ho),tmx(Hn),tm(H₂),tm(H;₃)}],i的范a)阶段1(父系数)b)阶段2(子系数)c)阶段3(孙系数)1)trang给出的变长编码来实现。长度仅为1bit的码字和符号比特码字直接输出到压缩码流中，不需要再进行编码。长度大于1bit的码字需按照描述的熵编码进行编码，码流输出到码字生成相应阶段的序列中。