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发布时间: 2018-12-16
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DOI: 10.11834/jig.180245
2018 | Volume 23 | Number 12




    遥感图像处理    




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机载SAR图像的动态金字塔实时显示技术
expand article info 项海兵1,2, 刘劲松3, 吴涛1,2, 赵洪立1,2, 孙龙1,2
1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室, 合肥 230088;
2. 中国电子科技集团公司第三十八研究所智能情报处理重点实验室, 合肥 230088;
3. 河北师范大学数学与信息科学学院, 石家庄 050024

摘要

目的 随着机载SAR(合成孔径雷达)图像分辨率越来越高,幅宽越来越大,传统雷达显控系统将整幅图像放入内存、抽样显示的现有方法存在内存资源紧张、显示图像的等待时间过长等问题,为解决此类问题,提出一种动态金字塔实时显示技术。方法 机载SAR图像实时显示软件包括动态金字塔构建和显示技术。动态金字塔构建技术包括:当接收到一个瓦片的图像数据时,输出第0层级的金字塔瓦片;分6种情况,生成高层级瓦片,随着接收数据不断增多,逐步补全金字塔文件。动态金字塔显示技术是指在瓦片数据不全的情况下,采用递归算法,读取较低层级瓦片,合成、显示当前显示层级图像的技术。这两种技术分属两个独立线程,以硬盘文件(瓦片)为接口,实时交互,协同工作。结果 机载SAR图像实时显示软件仅仅占用30 MB内存,且与图像大小无关;显示第1块SAR图像瓦片的时延小于1 s,与传统显控系统对比,减少约一帧图像的传输时延;显示整帧图像的时延因存储介质读写文件的速率存在差异较大,固态硬盘的时延比较稳定,显示1 GB图像的时延为12.55 s;机械盘的时延受读写速度的影响,当发送时间间隔大于6 ms时,显示1 GB图像的时延仅比传输时延多1.47 s。结论 机载SAR图像实时显示软件能实时向用户呈现接收中的SAR图像,提高了机载SAR图像的显示时效性,降低了机载雷达显控终端的内存需求,改善了机载雷达显控终端的用户体验。

关键词

遥感; 图像金字塔; 机载合成孔径雷达; 实时显示; 递归算法

Real-time display technology of airborne SAR image in pyramid format
expand article info Xiang Haibing1,2, Liu Jinsong3, Wu Tao1,2, Zhao Hongli1,2, Sun Long1,2
1. Key Laboratory of Aperture Array and Space Application No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China;
2. Key Laboratory of Intelligent Information Processing, No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China;
3. College of Mathematics and Information Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China
Supported by: National Natural Science Foundation of China(41671138)

Abstract

Objective With the increasing resolution of airborne SAR (synthetic aperture radar) images and large swath width, the conventional radar display and control system directly store the entire image in memory for sampling and displaying. The problems of conventional methods are resource-intensive and time-consuming, among others. The image pyramid method can effectively allocate and use memory when displaying large images. Previous studies required an entire image as input for display, which cannot meet the requirement of real-time display in application. Develop real-time display software for airborne SAR images with little memory consumption and independent of image size. When the received image size is larger than one tile, the image will be displayed to the user in real time, and will zoom to the original resolution. Methods The real-time display techniques proposed in this study include dynamic pyramid construction and display techniques. The processes of dynamic pyramid construction in detail are as follows:outputting the 0th-level pyramid tiles when receiving tile data; then, six cases are used to generate higher-level tiles. With the increasing numbers of received data, the pyramid file is gradually completed. The dynamic pyramid display technology uses a recursive algorithm to read low-level tiles and synthesizes and displays the current display hierarchy images when the tile data is incomplete. These two technologies run in two threads, interact with hard disk files (tiles) as interfaces, and work together. Result In the real-time display software, we add a separate thread to read 64 MB (8 192×8 192 pixels), 256 MB (16 384×16 384 pixels), and 1 GB (32 768×32 768 pixels) test image files and send a data block of 256×256 pixels to the pyramid module. The time intervals for data transfer vary from 10 ms to 1 ms. The display software runs on solid state hard (SSD) and mechanical disks. The time delay of displaying the first tile and the complete frame of the image is counted. the SAR image real-time display software occupies only 30 MB of memory and is independent of image size. The results show that the use of the SAR image real-time display technology results in a time delay of less than 1 s for displaying the first SAR image tile. Compared with the traditional display control system, the transmission delay of one frame image can be reduced. The delay of an entire frame image display varies greatly due to the access rate of the storage media. The time delay of SSDs is relatively stable, which is related to the size of the image. The larger the image, the greater the delay and the larger the difference between the delay and transmission delay (delay difference). The display delay differences for 64 MB, 256 MB, and 1 GB images are 0.76 s, 3.06 s, and 12.55 s, respectively. The delay of the mechanical disk is divided into two cases:at a sending interval of less than 6 ms, the time delay is relatively stable due to the limitation of hard disks' read/write speed, which is the time required to construct the pyramid for the entire image. The building pyramid time of the 64 MB, 256 MB and 1 GB images is approximately 5.779 s, 23.55 s, and 104.202 s, respectively. At the time interval of more than 6 ms for sending images, the time delay of displaying a frame of image is increased and accompanied by a decrease in transmission rate. Thus, the size of the delay is positively correlated with the size of the image. The delay differences for the 64 MB, 256 MB, and 1 GB images are approximately 0.01 s, 0.15 s, and 1.47 s, respectively. Conclusion The technique developed in this study can present received SAR images to users in real time, improve the display time effectiveness of airborne SAR images, reduce the memory requirements of the airborne radar display and control terminals, and improve user experience in terms of airborne radar display and control terminals.

Key words

remote sensing; image pyramid; airborne SAR image; real-time display; recursive algorithm

0 引言

无人机机载雷达的显控系统通常部署在地面。机载雷达成像后,需先进行数据压缩,再通过无线链路,将压缩后的合成孔径雷达(SAR)图像数据包下传到地面综合处理系统。地面综合处理系统将SAR图像压缩包发送给显控系统,显控系统对数据进行解压和显示,机载雷达的SAR图像数据流图如图 1

图 1 机载雷达SAR图像接收显示流图
Fig. 1 The Data flow diagram of receiving and displaying airborne SAR image

随着机载雷达成像质量不断提升,SAR图像的尺寸急剧增加,单帧SAR图像介于1~3 GB之间。面对这个体量的SAR图像,传统雷达显控系统存在内存紧张、图像解压和显示的处理效率跟不上数据下传速率等问题。通常,安装显控系统的电脑配置较低,以内存4 GB的电脑为例,当两部雷达同时下传3 GB图像时,就无法让SAR图像的全部数据驻留在内存中,只好抽样显示,降低了SAR图像的真实性[1]。尽管SAR图像数据体量很大,但是雷达显控系统面向用户的显示器尺寸并不大,一般为1 920×1 080像素,显示内存的体量小于6 MB,在显示图像时,需要对数据进行重采样,生成窗口大小的显示图片。

接收和解压一帧SAR图像约耗时1~3 min。传统显控系统通常需要等待接收一帧完整图像后,才显示该图像,导致图像显示时延较大。

过往开展了大量图像实时显示技术研究,包括:链路设计型、显示引擎型和图像金字塔型。链路设计型主要针对如何提高数据传输速率提出设计方案,其目的是解决数据来源问题[2-4];显示引擎型主要研究图像渲染技术(DirectDraw、OpenGL等),改善显示效果[5-6];图像金字塔型则通过改变图像文件的组织结构(变单一文件为多层、多块文件),构建分层文件结构,显示分层数据,提高图像显示速度[7]。百度地图、Google地图、高德地图等主流在线地图服务均广泛采用图像金字塔技术。金字塔技术起源于图像压缩技术,其核心思想是通过重采样技术预先将大图像生成不同清晰度的缩略图,并把缩略图裁减成固定大小的图像块,将每个图像块作为一个整体进行存取。一般采用2的$n$次方进行下采样,生成更小、清晰度更差的缩略图。其中,固定大小的图像块称为瓦片;一幅缩略图对应一层瓦片集;各层瓦片集的集合称为图像金字塔文件,如图 2所示。

图 2 动态金字塔示意图
Fig. 2 The schematic diagram of dynamic pyramid

学界围绕如何构建金字塔文件(并行技术、重采样方法),如何管理金字塔文件(瓦片的空间索引),如何显示金字塔文件(快速响应用户操作的内存管理)开展了大量实证研究[8-16]

在构建图像金字塔技术方面,侧重研究并行构建金字塔技术和构建无数据冗余的金字塔方案[9-15]。针对利用GDAL(geospatial data abstraction library)库只能串行构建金字塔的问题[8],学者们提出了基于GPU、MPI、Spark和MapReduce等不同类型的并行方案[9-14]。然而,上述实践均要求以一幅完整的图像文件作为输入,不能满足实时显示的应用需求。尽管分块调度置换的快速浏览海量影像数据技术,直接将原始图像数据分块存储,实现接收一块数据就进行显示,但是该技术在显示比例尺较小时,仍会读取和处理大量的图像数据,不能满足低内存消耗的技术需求[17]

在金字塔管理技术方面,侧重研究瓦片数据的空间索引,索引类型包括线性四叉树和Z曲线等模型[18-19]

在图像金字塔显示技术方面,侧重研究金字塔数据完备状态下,通过多级缓存,预测用户操作,提前将瓦片加载入内存,提高相应效率[20-25]。然而,在随收随显的过程中,金字塔文件存在大量缺失,一般只有0级分辨率的瓦片,当图像缩小显示时,需要将底层级的瓦片合成高层级数据进行显示,此类随收随显工作尚无研究涉猎。

本文直接利用操作系统的文件索引,针对SAR图像的随收随显问题,在传统的图像解析和显示模块之间,增加了图像金字塔瓦片动态生成模块,通过建立SAR图像动态金字塔,实时响应图像终端用户的实时显示请求,合成显示区域图像,发送到图像显示模块,实现机载SAR图像的实时显示,改进了图像金字塔显示技术。

1 图像动态金字塔技术

1.1 动态金字塔构建技术

图像动态金字塔定义如下:设原始分辨率图像为第0层,下采样一次后,图像大小缩小为下一层的1/4,在横向和纵向分别进行1/2抽样。瓦片横向($W_{\text{tile}}$)为256个像素,纵向($H_{\text{tile}}$)为256个像素。瓦片的命名规则为L层级_列号_行号.raw,层级序号从0开始计数。如L0_5_2.raw表示第0层第5列第2行的瓦片,如图 2所示。

计算第$L$层缩略图的横向像素和纵向像素数量和第$L$层金字塔瓦片文件的数量,即

$ {W_L} = \left\lceil {\frac{{{W_I}}}{{{2^L}}}} \right\rceil $ (1)

$ {H_L} = \left\lceil {\frac{{{H_I}}}{{{2^L}}}} \right\rceil $ (2)

$ {W_{{\rm{T}}\mathit{L}}} = \left\lceil {\frac{{{W_L}}}{{{W_{\rm{T}}}}}} \right\rceil $ (3)

$ {H_{{\rm{T}}\mathit{L}}} = \left\lceil {\frac{{{H_L}}}{{{H_{\rm{T}}}}}} \right\rceil $ (4)

式中,$L$为层级,从0开始计数,0级表示原始图像;$W_{\text{I}}$$H_{\text{I}}$分别表示原始图像的横向像素和纵向像素数量;$W_{\text{L}}$$H_{\text{L}}$分别表示$L$层级图像缩略图的横向像素和纵向像素数量;$W_{{\text{T}}L}$$H_{{\text{T}}L}$分别表示$L$分别表示金字塔第$L$层的瓦片横向数量和纵向数量;$W_{\text{T}}$$H_{\text{T}}$分别表示瓦片的横向和纵向像元数量。$\left\lceil {} \right\rceil $表示向上取整。

建立动态金字塔流程包括:接收解压后的SAR图像数据包、计算数据包所在图像的横向和纵向像素数目、计算数据包所含瓦片数量、计算瓦片在第0层的位置、输出第0层的瓦片。利用第0层瓦片,构建第1层瓦片,需分6种情况,循环加以处理,其计算流程如图 3所示。

图 3 构建动态金字塔框图
Fig. 3 The schematic diagram of building dynamic pyramid

Case 1:如果当前瓦片的行号和列号都不是2的整数倍,则读取该瓦片在当前层左侧、上方和左上方的3个相邻瓦片,采用最近邻法,构建更高层瓦片。以L0_1_1.raw为例,它将与L0_0_0.raw、L0_0_1.raw和L0_1_0.raw一起,构建L1层编号为L1_0_0.raw的瓦片(图 2)。

Case 2:如果当前瓦片位于当前层的最右侧,且行号不能被2整除,则读取该瓦片在当前层上一行对应位置的瓦片,采用最近邻法,建立更高一层瓦片。以L0_4_1.raw为例,它将与L0_4_0.raw一起,构建L1层编号为L1_2_0.raw的瓦片(图 2)。

Case 3:如果当前瓦片位于当前层的最下方,且列号不能被2整除,则读取该瓦片在当前层左侧位置的瓦片,采用最近邻法,建立更高一层瓦片。以L0_3_2.raw为例,它将与L0_2_2.raw一起,构建L1层编号为L1_1_1.raw的瓦片(图 2)。

Case 4:如果当前瓦片位于当前层右下角,且行号和列号均能被2整除,将该瓦片作为上一层对应位置瓦片的左上角,采用最近邻法,建立上一层对应位置瓦片。如图 2,将L0_4_2.raw作为L1_2_1.raw的左上角,构建L1层编号为L1_2_1.raw的瓦片。

Case 5:如果原始图像的当前层缩略图的行数或列数不足瓦片边长时,则退出函数。如图 2中第2层的情况,原始图像的该层缩略图的行数小于瓦片的行数,不再生成更高层级瓦片。

Case 6:当前瓦片的行号或列号能被2整除,退出函数,不再生成更高层级瓦片,如图 2中L0_0_0.raw、L0_2_2.raw。

在处理了上述Case1~Case4后,需要更新瓦片行号、列号和层级,继续循环。瓦片的行号和列号赋值为当前值的二分之一,并向下取整;层级数加一。

在实际运行中,存在丢包,即部分瓦片缺失的情况,这将会导致金字塔文件不全。如缺失L0_1_1.raw时,算法就不会生成L1_0_0.raw。因此,在接收到下一帧图像数据时,需要对当前帧图像进行全面检测,补充由丢包引起的缺失瓦片。

1.2 动态金字塔显示技术

在随收随显时,由于金字塔文件不完整,需要通过迭代算法,从较低层级瓦片中提取数据,经重采样处理,合成所需层级的瓦片。显示系统根据用户的鼠标操作确定图像显示范围,计算请求显示区域的图像层级和瓦片位置编号,然后循环获取瓦片数据(如图 4)。获取单个瓦片的递归算法包括5种处理情形:

图 4 动态金字塔瓦片提取框图
Fig. 4 The schematic diagram of tile extraction

Case1:如果所要获取的瓦片存在,且为最初想获取的层级,读取瓦片数据后,返回真;

Case2:如果所要获取的瓦片存在,且不是最初要获取的层级,根据瓦片所在位置,采用最近邻法进行重采样,返回真;

Case 3:如果获取层级瓦片左上角所对应的第0级瓦片的行号大于最新瓦片的行号时,返回假。

Case 4:如果所要获取层瓦片的层级小于0,返回假。

Case 5:如果所要显示的瓦片不存在,且层级大于0,则调用本函数,分别获取该瓦片对应低一级的4个瓦片;以缺失L1_2_1.raw为例,算法将获取L0_4_2.raw、L0_5_2.raw、L0_4_3.raw、L0_5_3.raw,合成L1_2_1.raw。如果下一层4个瓦片都不存在,返回假,否则返回真。

获取一个瓦片后,将瓦片放入输出内存块中。循环获取瓦片数据结束后,将输出内存块中的数据返回给显示界面显示。

2 实验结果

以1 224×720像素(列数×行数)的SAR图像(图 5)为例,验证算法正确性。采用1.1节中的式(1)—式(4),测算动态金字塔所需瓦片层级和每个层级的瓦片数量。以第0级为例,将图像行数720、列数1 224和层级0代入瓦片的层级计算式(1)和式(2),计算出第0层缩略图的行数为720,列数为1 224;将缩略图行数、列数、瓦片边长256,代入式(3)和式(4),计算出第0层瓦片的横向个数为5,纵向个数为3,故0层共有15个瓦片。这与测试图像的实际输出结果相同(表 1)。

图 5 测试图像
Fig. 5 The test image

表 1 测试图像各级瓦片数量统计表
Table 1 The statistics of tile numbers in each level of test image

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层级 横向瓦片数 纵向瓦片数 瓦片总数
0 5 3 15
1 3 2 6
2 2 1 2

在建立动态金字塔过程中,第0级瓦片缺失会导致较高层级的瓦片丢失或较高层级瓦片中存在黑块。针对建立金字塔流程中的Case1、Case2、Case3、Case4和Case6共5种情况,分别删除L0_1_1、L0_4_1、L0_3_2、L0_4_2和L0_0_0,并填写瓦片缺失情况表,见表 2,其中存在黑块的瓦片如图 6所示。表 2与算法流程描述中的实例分析结果一致。

表 2 丢失0级瓦片情况下,各级缺失瓦片情况表
Table 2 The tile status table of the test image without one tile in the 0th level

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瓦片编号 丢失0级瓦片编号
L0_1_1 L0_4_1 L0_3_2 L0_4_2 L0_0_0
L0_0_0 ×
L0_1_1 ×
L0_3_2 ×
L0_4_1 ×
L0_4_2 ×
L1_0_0 ×
L1_0_1
L1_1_0
L1_1_1 ×
L1_2_0 ×
L1_2_1 ×
L2_0_0 ×
L2_1_0 ×
注:表中空白表示瓦片正常;×表示瓦片缺失,∷表示瓦片中存在黑块。为突出差异,未显示5种情况都正常的0级瓦片编号。
图 6 缺失L0_1_1的L2_0_0瓦片图
Fig. 6 The L2_0_0 tile image without the L0_1_1 tile

通过上文分析,说明动态金字塔构建技术的正确性。下文将以缺失L0_1_1瓦片为例,说明动态金字塔显示技术的正确性,如图 7所示。图 7中第3级的显示效果图为第2级瓦片L2_0_0.raw、L2_1_0.raw的合成图。从图中可以看出动态金字塔显示技术能够正常显示其余部分各层级图像。

图 7 丢失L0_1_1瓦片时的显示效果
Fig. 7 The display effect of test image in Pyramid without L0_1_1 at different levels
((a) 0th Level; (b) 1st Level; (c) 2nd Level; (d) 3th Level)

建立和显示大图像金字塔的效率,是判断金字塔技术能否应用于工程的重要指标。为验证动态金字塔技术方案的时效性,在显示软件中,增加一个独立线程,分别读取64 MB(8 192×8 192像素)、256 MB(16 384×16 384像素)和1 GB(32 768×32 768像素)测试图像文件,并定时将256×256像素的数据块发送给金字塔模块。发送数据的时间间隔从10 ms变化为1 ms,相当于传输速率为51.2 Mbit/s到512 Mbit/s,也相当于按8倍压缩率压缩后的传输速率为6.4 Mbit/s到64 Mbit/s。

显示软件分别在笔记本和台式机上运行。其中,笔记本内存为4 GB,CPU型号为I7-4610MQ,硬盘读写速度为60 MB/s,操作系统为Win 7;台式机内存为16 GB,CPU型号为I7-6700,硬盘读写速率为300 MByte/s,操作系统为Win 10。采用文中显示方案,进行测试,统计显示完整一帧图像的时延。

分析统计结果发现,程序在机械盘运行且发送数据的时间间隔小于6 ms时,构建64 MB、256 MB和1 GB图像金字塔的时间分别稳定在5.779 s、23.55 s和104.202 s左右;当发送时间间隔大于6 ms时,构建金字塔的时间,随发送时间间隔的增大,即发送速率的减小而增加。程序在固态盘上运行时,构建金字塔的时间与发送时间间隔成正相关,随发送时间间隔的增加而增加。

将固态硬盘和机械盘显示整帧图像的时延减去传统显示时延得到文中方案较传统方案的时延差。其中,由于传统显示方案只是对数据进行重采样和简单的数据整理,其时延采用数据传输时间进行估算。分析时延差发现,文中显示方案在机械硬盘上运行时,显示完整一帧图像的时延差变化较大。当数据发送时间间隔小于6 ms时,显示时延差随发送间隔的增加而减小;当发送时间间隔大于6 ms时,相当于8倍压缩率数据的传输速度10.4 Mbit/s时,机械盘的存取效率才适应数据发送的强度,64 MB、256 MB和1 GB图像的显示时延差稳定在为0.01 s、0.15 s和1.47 s左右。文中显示方案在固态硬盘运行时,显示完整一帧图像的时延差较为稳定,64 MB、256 MB和1 GB图像的显示时延差分别为0.76 s、3.06 s和12.55 s。

显示一帧完整图像的时间比传统方案长的原因是本文方案在接收到数据后,先写入文件,生成瓦片,然后再读取显示,因而引起时延。为定量分析读写文件对时延的影响,针对64 MB、256 MB和1 GB3种图像在建立金字塔的过程中需要读取和输出瓦片文件的数量进行统计,并模拟读取和输出相对应文件的数量,统计所用时间。分析构建金字塔时间、读取金字塔文件时间和输出金字塔文件时间发现,在机械盘上创建金字塔时,文件读写所用时间占用了建立金字塔时间的90%以上;在固态盘上创建金字塔时,读写文件所用时间占用了建立金字塔时间的70%以上。通过数据分析还发现,程序在机械盘运行且发送数据的时间间隔小于6 ms时,构建64 MB、256 MB和1 GB图像金字塔的时间与离线构建金字塔的时间(6.175 s、26.766 s、108.57 s)相当。因此推断发送时间间隔小于6 ms时,文件读写时间是机械盘时延的主要限制因素。

内存使用方面,文中所提显示方案使用的内存与图像大小无关,仅占用30 MB内存。在第1次显示图像的时延方面,本文方案每隔0.1 s刷新界面,在收到前10个数据包时就能显示图像,显示时延比传统显示方案提前了一帧图像的接收时延。

3 结论

改进金字塔生成流程,在瓦片数据不全的情况下,动态生成图像金字塔瓦片,逐步补全金字塔文件;改进了SAR图像显示流程。针对测试数据,文中显示方案在1 s之内便能显示图像,比传统显示方案,提前近整帧图像的接收时间;算法使用内存不受图像大小影响,稳定在30 MB左右。只在显示完整图像的时延比传统方案多。其中固态硬盘的时延比较稳定,与图像大小有关,图像越大,时延越长,时延与传输时延的差值(时延差)也越大。1 GB图像的时延差为12.55 s;机械盘的时延分为两种情况。当发送时间间隔小于6 ms时,受硬盘读写速度的限制,时延较为稳定,为整幅图像离线构建金字塔的时间;当发送时间间隔大于6 ms时,显示整帧图像的时延才随发送速率的减小而增大,其时延和时延差与图像大小正相关,1 GB图像的时延差为1.47 s。因此,该技术能有效缓解显示终端的内存使用压力,提高SAR图像的显示时效,改善用户体验。

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