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8/16/2019 Aili2006 Pending

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WANG A i l i ,ZHANGY e ,

GUYa n f e n g

D e p a r t m e n t o fE l e c t r o n i c sa n d C o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g ,H a r b i nI n s t i t u t eo f T e c h n o l o g y

A b s t r a c t - G e n e r a l l ys y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r ( S A R ) i m a g ec o m p r e s s i o nm e t h o d sb a s e d o n w av el e tt r a n s f o r m removes t a t i s t i cr e d u n d a n c y o f i m a g e d a t a a n d n e g l e c t v i s u a lr e d u n d a n c y . I n v i e w o f t h i s p r o b l e m , a new i m a g ec o m p r e s s i o nm e t h o db a s e d o n human v i s u a ls y s t e m( H V S )i sp r o p o s e di n t h i sp a p e r . F i r s tSAR i m a g e i s d e c o m p o s e d b yw a v e l e t t r a n s f o r m , t h e n w a v e l e t c o e f f i c i e n t si n d i f f e r e n ts u b b a n d s a r e w e i g h t e db y t h e p e a k o f c o n t r a s t s e n s i t i v i t yf u n c t i o n ( C S F ) c u r v e i n w a v e l e t d o m a i n , a t l a s t s e t

p a r t i t i o n i n g i n h i e r a r c h i c a l t r e e s ( S P I H T )a l g o r i t h mi s u s e dt o c o d e t h e w e i g h t e dw a v e l e t c o e f f i c i e n t st o f o r m embeddedb i t s t r e a m . C o m p r e s s i o nr e s u l t ss h o w t h a t c o m p a r i n gw i t hc o n v e n t i o n a lSPIHT a l g o r i t h m , t h e m e t h o dp r o p o s e di n t h i sp a p e r g e t s b e t t e r s u b j e c t v i s u a lq u a l i t ya t t h e samec o m p r e s s i o n r a t i o w i t h a l m o s t e q u i v a l e n t o b j e c t i v ee v a l u a t i o nr e s u l t s .

K e y w o r d s : SA R i m a g e c o m p r e s s i o n ; human v i s u a ls y s t e m ( H V S ) ; c o n t r a s t s e n s i t i v i t yf u n c t i o n ( C S F ) ; s e tp a r t i t i o n i n g i nh i e r a r c h i c a l t r e e s ( S P I H T )a l g o r i t h m .

I . I N T R O D U C T I O N

S y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r( S A R ) i s a r e m o t e s e n s i n gt e c h n o l o g yt h a tu s e s t h em o t i o no f t h er a d a rt r a n s m i t t e rt os y n t h e s i z ea n a n t e n n a a p e r t u r em u c hl a r g e rt h a nt h ea c t u a la n t e n n a a p e r t u r ei n o r d e rt o y i e l dh i g hs p a t i a lr e s o l u t i o nr a d a ri m a g e s .I nt h el a s tf e w y e a r s ,h i g h - q u a l i t yi m a g e so ft h e e a r t hp r o d u c e d b y SAR s y s t e m s h a v e b e c o m ei n c r e a s i n g l ya v a i l a b l e .And SA R s y s t e m s a r ed e v e l o p i n gf r o m S i n g l ew a v e b a n d ,s i n g l e p o l a r i za t i on ,f i x e di n c i d e n c et o m u l t i - w a v e b a n d ,m u l t i - p o l a r i z a t i o n ,c h a n g e a b l ei n c i d e n c ea n d m u l t i - m o d e .H o w e v e r ,w h i l e t h ev o l u m eo fi m a g ed a t ac o l l e c t e db y SA R s y s t e m si s i n c r e a s i n gr a p i d l y ,t h ea b i l i t yt o t r a n s m i tt h e mt o t h eg r o u n d ,o rt o s t o r et h e m ,i s n o t i n c r e a s i n gs of a s t .T h u s ,t h e r ei s a s t r o n gi n t e r e s ti nd e v e l o p i n gd a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h m st h a tc a n o b t a i nh i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i o s ,w h i l e k e e p i n g i m a g eq u a l i t yt oa n a c c e p t a b l el e v e lf o rSAR i m a g ed a t a .

W a v e l e tt r a n s f o r mh a s g o o dl o c a lt i m e a n d f r e q u e n c ya n a l y s i sc h a r a c t e r i s t i c ,s t r u c t u r es i m i l a r i t yb e t w e e ns u b b a n d sa n d e n e r g y c o n c e n t r a t i o n ,s o i t i s w i d e l yu s e d i ni m a g e c o m p r e s s i o n .T h e m o s t r e p r e s e n t a t i v ei m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mi s t h ee m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e t E Z W ) E 1a l g o r i t h mp r o p o s e db y S h a p i r ot h r o u g hu s i n gz e r o t r e et o e n c o d ew a v e l e tc o e f f i c i e n t sw h i c he q u a lz e r o o ra p p r o a c hz e r o a n d f o r m i n ge m b e d d e db i te a s y t o c o n t r o lc o m p r e s s i o nr a t i o .S e tp a r t i t i o n i n gi n h i e r a r c h i c a lt r e e s( S P I H T )2 1 a l g o r i t h mp r o p o s e d b y S a i d a n d P e a r l m a ne f f i c i e n t l yu t i l i z e di m p o r t a n tc o e f f i c i e n t ss i m i l a r i t ya m o n g

d i f f e r e n ts c a l es u b b a n d sa n d c a n o b t a i nb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nEZW a tt h es a m ec o m p r e s s i o nr a t i o .

T h e a l g o r i t h m sa l la b o v er e m o v e ds t a t i s t i cr e d u n d a n c yu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r mn e g l e c t i n gv i s u a lr e d u n d a n c y.T h em e t h o dwe p r o p o s e dm a i n l y f o c u s e so n r e m o v i n gv i s u a lr e d u n d a n c ya t t h em e a n t i m er e m o v i n gs t a t i s t i cr e d u n d a n c yi n SAR i m a g e c o m p r e s s i o nt o i n c r e a s es u b j e c t q u a l i t yo fr e c o n t r u s r e d i m a g e .A t f i r s t ,w a v e l e tt r a n s f o r mi sa p p l i e dt oSAR i m a g e ,t h e ne a c h s u b b a n di s w e i g h t e da c c o r d i n gt of r e q u e n c ys e n s i t i v i t yi nh u m a nv i s u a ls y s t e m( H V S )m o d e la n d a t l a s t w a v e l e t c o e f f i c i e n t sa r e c o d e d b y S P I H Ta l g o r i t h m .E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a ta t t h es a m ec o m p r e s s i o nr a t i o ,t h e m e t h o dp r o p o s e d i n t h i s p a p e ri n c r e a s e sr e c o n s t r u c t e di m a g e v i s u a l q u a l i t ya n d k e e p si m a g ee d g e a ndt e x t u r ei n f o r m a t i o ne f f i c i e n t l y.

I I . S A RIMAGEC H A R A C T E R I S T I CA N A LY S I S

SA R i s a h i g hr e s o l u t i o nc o h e r e n ti m a g i n gs y s t e ma n di n h e r e n tm u l t i p l i c a t i v es p e c k l e n o i s ei n c r e a s e se n t r o p y ,s e v e r e l ya f f e c t i n gi m a g e v i s u a li n t e r p r e t a t i o na n dc o m p r e s s i b i l i t y .

T h e r ea r emany s c a t t e rp o i n t si na s p a c e r e s o l u t i o nc e l li nSAR s y s t e m ,s oe c h o w a v ei sv e c t o rs u mo f t h e mw h i c h

h a v e d i f f e r e n td i s t a n c e st o r e c e i v e r .T h u se c h o i n t e n s i t yi sn o t d e t e r m i n e db y g r o u n do b j e c ts c a t t e rc o e f f i c i e n t s ,b u th a s g r e a tr a n d o mf l u c t u a t i o na r o u n ds c a t t e rc o e f f i c i e n t s [ 3 ] .I n SAR i m a g e ,t h i sa p p e a r s t h a th o m o g e n e o u sr e g i o nh a sn o n - u n i f o r mg r a y v a l u ea s s t r o n gn o i s ew h i c hw e c a l l e ds p e c k l en o i s e .T h u s e a c h p i x e li n SA R i m a g e c a n b ee x p r e s s e da s a m u l t i p l i c a t i v ep r o d u c to f b a c k s c a t t e ri n t e n s i t ya n d s p e c k l en o i s e :

I ( i ,j ) = R ( i ,j ) S ( i ,j ) 1 )

w h e r e I i s i m a g e c o n t a i n i n gn o i s e ,R i s g r o u n d o b j e c ts c a t t e ri n t e n s i t ya n d S i s s p e c k l en o i s ep r o d u c e dd u r i n gf a d i n gp r o c e s s w h i c h s e p a r a t e l ys u b m i t F d i s t r i b u t i o n ,s i n g l es i d e b a n d e x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o na n d Gammad i s t r i b u t i o na n d R i s i n d e p e n d e n to f S .

I n SA R i m a g e c o m p r e s s i o n ,i t i s w a s t e t o s p e n db i t sc o d i n gs p e c k l en o i s e .I n o r d e rt o g e tr e c o n s t r u c t e di m a g ew i t h h i g hq u a l i t y ,we s h o u l d u s e m o s t p o s s i b l eb i t st oe x p r e s su s e f u li n f o r m a t i o na t a g i v e nc o m p r e s s i o nr a t i o .B yc o m p a r i s o no f w a v e l e tc o e f f i c i e n t so f i m a g e w i t h o u t a n dw i t h s p e c k l en o i s e ,i t c a n b e f i n dt h a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m i n l o w f r e q u e n c yi s s m a l l b u ti n h i g h f r e q u e n c yi sl a r g e ,t h i ss u f f i c i e n t l yi l l u s t r a t e ss p e c k l en o i s ed i s t r i b u t e si nh i g h f r e q u e n c ys u b b a n d . R e f e r e n c e [ 4 ]a l s oa n a l y z e d i nh o m o g e n e o u sr e g i o n ,s p e c k l en o i s e i s p r i n c i p a l

c o m p o n e n t so f h i g h f r e q u e n c yi n w av e le t d o ma in .S oc o a r s e q u a n t i z a t i o ni s a p p l i e dt o s p e c k l en o i s ei n h i g h

T h i s w o r kw a s s u p p o r t e di np a r t l yb y t h eC h i n aN a ti o n a l S c i e nc eF o u n d at i o n u n d e rG r a n tCNSF 6 0 4 7 2 0 4 8 .

0 - 7 8 0 3 - 9 5 8 2 - 4 / 0 6 / 2 0 . 0 0c 2 0 0 6I E E E



f r e q u e n c yt o t r a n s m i tc o e f f i c i e n t so f e d g et o r e m o v ev i s u a lr e d u n d a n c yf u r t h e r .M o r e o v e r ,i nt e r m s o f SA R i m a g e , t h eh i g h e s tf r e q u e n c yi s w e i g h t e db y l e a s tv a l u e j u s ts h r i n k i n gw a v e l e tc o e f f i c i e n t so f s p e c k l en o i s ew h i c hd i s t r i b u t e si nh i g h f r e q u e n c y ,t h u sa l l o c a t i n gm o r e b i t st o e d g e s .T h i ss u b b a n dw e i g h t i n gm e t h o dc a n b e c o n s i d e r e dt o u s e CSF

m a s k t o m u l t i p l yw a v e l e t c o e f f i c i e n t s ,t h e nS P I H Ta l g o r i t h mi s u s e d t o p e r f o r m q u a n t i z a t i o na n d b l o c kd i a g r a mo f c o d i n gs c h e m ea ss h o w ni nF i g . 3 :

Image-> W a v e l e t SPIHT B i tD e c o m p o s i t i o n* 0 - Q u a n t i z a t i o n- S t r e a m

C S FMask

F i g u r e 3 . B l o c kd i a g r a mo f S P I H Tc o d i n gs c h e m ew i t h CSF w e i g h t i n g

I no r d e rt o t r a n s f o r mt h eCSF c u r v e w h i c hh a sr e l a t i v e l yu n i f o r m s p a t i a lf r e q u e n c y i n F i g u r e1 t o m a t c h w a v e l e tc o e f f i c i e n t s ,we p e r f o r ma w a v e l e t d e c o m p o s i t i o no f t h eCSF c u r v e .A t i - l e v e l d e c o m p o s i t i o n ,w e i g h t o fd i a g o n a ls u b s p a c ei s d e t e r m i n e db y t h ep e a k o f CSF c u r v e

i n w a v e l e t d o m a i n l a b e l e da s p i ; i f t h ep e a k o f l o w

f r e q u e n c y i s l a b e l e da s q , , w e i g h t o f h o r i z o n t a la n d

v e r t i c a ls u b b a n di s d e t e r m i n e db y p T h e l o w e s tf r e q u e n c y i s w e i g h t e db y t h ep e a k o f CSF c u r v e i n i t ss u b s p a c e .

V . E X P E R I M E N T A LR E S U L T SAN DA N A LY S I S

F o r o u r e x p e r i m e n t s ,we c h o o s ea s c e n e o f a r u r a la r e ai n J a p a n o b t a i n e db y P I - S A Rw i t h 3m r e s o l u t i o n( s i z eo f5 1 2X 5 1 2 ) ,s h o w ni nF i g u r e4 ( a ) .F i g u r e4 ( b )i s e n l a r g e dr e s u l to f o r i g i n a lSAR i m a g e i n u p p e r - r i g h ts q u a r e .T h es c e n e c o n t a i n sm a n yu r b a n f e a t u r e st h a tt y p i c a l l ya p p e a r i nh i g h - r e s o l u t i o na i r b o r n eSA R i m a g e r y .C o n s i d e r i n gt h ee f f i c i e n c yo f c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m ,w e a d o p t e db i o r t h o g o n a l9 / 7w a v e l e t t o d e c o m p o s ea n d r e c o n s t r u c tSAR i m a g e a n d d e c o m p o s i t i o nl e v e li s c h o s e n a s f i v e .We i g h t sa r e1 1u n i q u e v a l u e :3 . 7 8 , 3 . 4 8 , 3 . 4 8 ,3 . 2 1 , 3 . 5 5 ,3 . 5 5 ,3 .4 8 , 5 . 3 0, 5 . 3 0 , 7 . 2 0,4 . 7 4 , 4 . 7 4 ,3 . 7 5 ,2 . 3 3 ,2 . 3 3 ,1 . 0 0i n c o r r e s p o n d e n c ew i t h e l e v e ns u b b a n d s f r o m l o wf r e q u e n c y t o h i g hf r e q u e n c y a n d a t t h e s a m e l e v e lt h ep r e c e d e n c es e q u e n c e i s h o r i z o n t a l ,v e r t i c a la n d d i a g o n a ls u b b a n d .

I no r d e rt o a s s e s st h e e f f ec t i v e n e s so f o u r c o m p r e s s i o na l g o r i t h mo n SA R i m a g e ,t w o s c h e m e sa r ea p p l i e d :o u rm e t h o dw i t h CSF w e i g h t i n ga n d c o n v e n t i o n a lS P I H T .T h er e s u l t so f e a c h t w o e n c o d i n g m e t h o d s a r e s h o w n i nF i g u r e . 4 ( c ) ,( d ) a t 0 . 5 b p p a n d t h e q u a l i t ya s s e s s m e n tp a r a m e t e r s a r eg i v e ni n Ta b l e I h e r ew e u s e PSNR t od e s c r i b e r e c o n s t r u c t e di m a g e s 'd e f l e c t i o nt oo r i g i n a li m a g e .I t c a n b e o b s e r v e dt h a to u r m e t h o dg e t sPSNRa l i t t l el o w e rt h a n c o n v e n t i o n a lS P I H Ta l g o r i t h m ,b u tv i s u a lq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t e di m a g e a p p a r e n t l yo u t p e r f o r mS P I H T , f o re x a m p l ed i v i d i n gl i n e si n t h e f i e l d sp r e s e n tc l e a ra n dc o n t i n u o u s .

s p e c k l en o i s e .C o m p a r i n gt o S P I H T ,o u r m e t h o di n c r e a s e s3 E N L o n a n a v e r a g e i n d i c a t i n gt h i sm e t h o de f f e c t i v e l ys u p p r e s s e ss p e c k l e n o i s ed u r i n gc o m p r e s s i o np r o c e s s .

TA B L EI . COMPARISONO F PSNR DB) RESULTSWITHD I F F E R E N TALGORITHMS

I I ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~Method

Bi t R a t e ( b p p )1 . 0 0 0 . 5 0 0 . 2 5 0 . 2 0

CSF o f f 2 7 . 5 0 2 4 . 7 1 2 3 . 2 3 2 2 . 7 5CSF o n 2 6 . 9 1 2 4 . 4 5 2 2 . 9 6 2 2 . 5 9

a b )

C ) U I )

i g u r e4 . ( a )O r i g i n a lSA R i m a g e . ( b )C l o s e - u po f o r i g i n a li m a g ei nupper r i g h tcorner. c )R e c o n s t r u c t e di m a g ew i t h o u tCSF m a s ka t 0 . 5 b p p ,

P S N R = 2 4 . 7 1 d B .( d )R e c o n s t r u c t e di m a g ew i t h CSF m a s ka t0 . 5 b p p ,P S N R = 2 4 . 4 5 d B .

V I . C O N C L U S I O N

T h i s paper a n a l y z e d h u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i ca n dw e i g h t e d w a v e l e t c o e f f i c i e n t si n d i f f e r e n ts u b b a n d sa c c o r d i n g t o CSF f u n c t i o n t o c o m p l e t e SA R i m a g ep r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o na n d c o m p r e s s i o n .E x p e r i m e n t a l

r e s u l t ss h o w e d t h a ta t t h esame c o m p r e s s i o nr a t i o ,t h i sm e t h o d ca n a c h i e v e b e t t e rs u b j e c tv i s u a lq u a l i t ya n de f f i c i e n t l yk e e p t e x t u r e a n d e d g e i n f o r m a t i o ns u p p r e s s i n gs p e c k l en o i s e a t a c e r t a i nd e g r e e .S i n c e SPIHT a l g o r i t h mu t i l i z e su n i f o r mq u a n t i z a t i o nt o e n c o d e ,t h ef u r t h e rr e s e a r c hmay f o c u s on u t i l i z i n gv a r i a b l eq u a n t i z a t i o ns t e pt o h i g he f f i c i e n t l ycompress SA R i m a g e s .

ACKNOWLEDGMENT

T h ea u t h o r sw o u l dl i k et o t h a n kC H E NYu s h if o ru s e f u ld i s c u s s i o n sa n d h e l pi np r o g r a m m i n g .

R E F E R E N C E S

M e a n t i m e ,w e a d o p te q u i v a l e n tn u m b e ro f l o o k s( E N L )t o m e a s u r e c o m p r e s s i o na l g o r i t h m s 'a b i l i t yt o s u p p r e s s



[ 1 ] S h a p i r o J M , E m b e d e di m a g ec o d i n g u si ng z e ro t r e e so f w av e le tc o e f f i c i e n t s[ J ] .IEEE T r a n s o n S i g n a l P r o c e s s i n g , v o l 4 1 ( 1 2 ) :p p .3 4 4 5 - 3 4 6 2 ,1 9 9 3 .

[ 2 ] A . S a i d a n d W. A . P e a l r l m a n , A n e w, f a s t a n d e f f i c i e n ti m a g ec o de c b as e ds e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s ,IEEE T r a n s .o nC i r c u i t sa n d S ys te mf o rV i d e o Te c h n o l o g y ,v o l .6 , p p .2 4 3 - 2 5 0 ,J u n e 1 9 9 6 .

[ 3 ] K a n e v e v s k yM B . New s p e c t r a le s t i m a t ef o rSA R i l m a g i n go f t h eo c e a n , I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f R e m o t eS e n s i n g ,v o l1 0 ( 2 6 ) ,p p .3 7 0 7 - 3 7 1 5 ,2 0 0 5 .

[ 4 ] M a r c S , G i a n f a n c oD a n d K e i t h P B . A n a l y s i s o f s p ec kl e n o is ec o n t r i b u t i o no n w av e l et d ec o mp o s i t io n o fSA R i m a g e s , IEEET r a n s a c t i o n so n G eo s ci en ce a ndR e m o t eS e n s i n g ,v o l 1 1 (3 6 ) , p p ,1 9 5 3 - 1 9 6 2 , 1 9 9 8 .

[ 5 ] M a n n o sJ L a n d S a k r i s o n D J . T h e e f f e c t so f a v i s ua lf i d e l i t yc r i t e r i o no n t h e e n c o d i n g o f i m a g e s , .IEEE t r a n s a c t i o n so nI n f o r m a t i o nT h e o r y ,v o l2 0 ( 3 ) ,p p .5 2 5 - 5 3 6 ,1 9 7 4 .

[ 6 ] A l b a n e s iM, G r a z i aa n d G u e r r i r uF . An H V S - b a s e da d a p t i v ec o d e rp e r c e p t u a l l yi m a g e c o m p r e s s i o n , P a t t e r nr e c o g n i t i o n ,v o l 4 ( 3 6 ) ,p p 9 97 - 10 0 7 , 2 0 0 2.

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