论文部分内容阅读
摘要：针对Link-16数据链带宽低的特点，采用了JPEG2000的图像压缩方式，相较于JPEG压缩方式，JPEG2000拥有更加优秀的特点，尤其在低比特率传输条件下，压缩性能最高可达200%的提升。对战场图像进行JPEG2000图像压缩，在经过时隙资源分配、图像管理、码流封包、码流映射、错误修复等步骤后，实现了通过Link-16数据链传输图像。
关键词：数据链;JPEG2000;LRCP渐进传输
0 引言
数据链在现代信息化战争中具有举足轻重的作用，以美国为首的北约集团逐步研发并装备了各类数据链装备，并在科索沃战争、伊拉克战争和叙利亚战争等军事行动中逐渐完善，形成了较为完备的数据链体系，是未来战争中不可或缺的信息化装备。但是，现有的数据链在使用中主要体现在话音传输、文字传输、态势监测、敌我识别、编队作战、武器协同、电子战和反电子战等方面，并不具备图像信息的传输能力。
战场图像包括红外图像、可见光图像、雷达合成图像等，图像中包含的信息相较于语音和文字描述更加完善，能够直观反映出战场形势，包括敌方特定目标态势信息、战术完成情况、目标摧毁评估等，因此，在多军兵种协同作战体系中，数据链网内成员共享图像信息有助于提升敌我识别、战场形势共享、目标态势共享、目标摧毁评估和协同作战的能力[1]。
1 Link-16数据链
Link 16数据链最早是在上世纪80年代为实现空对空通信而设计的，可在视距内实现安全的机器对机器通信：交换战场态势信息、发布命令、导航和识别等，随后经过几代发展，Link 16的消息和协议不断扩展，担当了更多的角色，但其波形基本相同。最开始的Link 16端机类似与冰箱，由于其体积重量和费用成本的缘故，最开始仅能在重型舰船和大型指控飞机上装备使用，但这些联合战术信息分发系统（JTIDS）显示的由Link 16提供的信息能够为战场决策者提供必不可少的支撑。随着战斗机逐步占据了每次军事行动的主导地位，推动了多功能信息分发系统（MIDS）的发展，现在MIDS已经装备在大多数的战斗机和舰上[2]。
Link-16数据链发展迅速，但在该数据链上传输图像方面，存在带宽不足、编码方式和图像解压缩标准不匹配的问题，彻底解决这些问题需要依据图像解压缩标准来研发新波形，并保证一定的带宽，该解决方式成本极高且无法与旧设备进行兼容，因此，如何對旧设备进行改进升级并选择合适的图像解压缩方法，使现有数据链能够传输图像就成为主要的解决方法，通过对战场图像进行JPEG2000码流构建，将图像信息压缩并转换为码流，最后将码流封包，在Link-16网络相对应的时隙中进行发布。
2 JPEG2000图像码流构建与管理
资源分配，按照类型不同对战术图像（空中、海上和地面图像等）进行分类，分配以不同的码流设计方法，按照重要程度分配不同的网络参与组的时间资源。一般来说，为了保证图像的传输成功，将包含图像编解码信息层和照片中最关键的部分采用标准封装（STD）和最高抗干扰方式传输，其余部分以更高速率的其他网络参与组（NPG）发送。
如图1所示，为JPEG2000图像码流构建流程图，在此阶段执行的资源分配和码流构建步骤如下[3]：
a）设计Link-16网络参与组，依据数据链的抗干扰保护方案和图像封包结构，将NPG分为1到4共四种类型。
b）分配时间资源，根据相关研究和工作实践，一般每个NPG分配的时隙资源不超过5个，四个NPG时隙分配分别为X_TS、Y_TS、Z_TS、W_TS。
c）选取网络参与组，根据质量层不同选择相应的网络参与组，计算传输速率。例如，选取第一类网络参与组作为传输通道，通过时隙资源数、封包位数以及时长，计算方法为：V1=X_TS*NPG_STD/Ts，（V1为传输速率，X_TS为时隙资源数，NPG_STD为封包位数，Ts为时长）计算出该质量层的传输速率，并按照此种方法，以此计算出所有质量层的传输速率。
d）图像预处理，战术图像的尺寸质量分辨率都有区别，为了规范化传输，提高图像传输的成功率，需要对战术图像进行标准化处理，尤其是需要对较大尺寸的图像进行裁剪，最大尺寸不超过5000*5000像素。
e）计算像素深度。依据每个质量层的传输速率计算其相对应的像素深度（BPP），计算方法为：BPPn=BPP（n-1）+V1/M*N（n代表层数，MN为图像的像素尺寸）。
f）码流构建。依据各层的像素深度（BPP），将各质量层分别构建为JPEG2000码流。
Link-16数据链网络为图像传输分配了一定数量的时隙（Ts），为了判断时隙数量与图像是否匹配，使图像的编码参数能够适应管理单元的要求，需要进行图像管理，对经过预处理的图像进行JPEG2000压缩并重构，将重构图像和原始图像进行质量比对，得到峰值信噪比（PSNR），同时建立一个阈值（T）用于平衡代码流与图像的需求关系，根据PSNR和T值相比，判断该图像是否可以直接传输[4]，如图2所示。
3 图像传输
依据JPEG2000标准的EBCOT算法，选择LRCP渐进传输方案，该方案的传输特性是按照二进制层（L）、分辨率（R）、组件（C）、位置（P）四个要素的优先级顺序，将码流按照其所包含信息的重要性不同，分别采用STD、P2DP、P4等的封包格式。例如，在LRCP传输方案中，L层优先级最高，则将包含有图像头信息和L层信息采用STD标准封装，R层采用P2DP封包，C层采用P4封包，P层采用P4_NEDC封包，
将不同格式封包的码流在对应的网络参与组时隙资源上进行传输，映射主要考虑的是封包结构与不同速率NPG层进行映射。STD格式数据映射至速率为26KB/S的NPG层，该层传输速率低，但抗干扰能力强，收到30%的数据即可还原全部数据;P2DP、P4、P4_NEDC格式分别映射至速率为64KB/S、146KB/S和238KB/S的NPG层[5]。
由于外界的影响，以P2DP、P4、P4_NEDC格式封包的码流可能会出现误码，影响图像码流及图像重构。根据Link-16数据链的传输特性，其发布时隙每12秒循环一次，为了提高误码数据包的抗干扰能力，将误码数据包采用STD封包并将其映射至对应的NPG层，如图3所示。
4 总结
本文结合Link-16数据链组网技术特点和JPEG2000技术优势，采用LRCP渐进传输方案，该传输方案能够充分适应数据链的传输带宽，通过对战场图像进行JPEG2000码流构建，将图像信息压缩并转换为码流，最后将码流封包，在Link-16网络相对应的时隙中进行发布，并对误码检测后重新发送，提高了抗干扰能力，达到了准确传输图像信息的目标。纵然本方法只是实验室的解决方案，但为数据链传输图像提供了一个技术参考，能够有效提高多军种协同作战的效率。
参考文献
[1]周正道，王闵，吴成柯.JPEG码流组织算法分析[J].微电子与计算机，2002（10）：4—6
[2]周浦城，周远，韩裕生.视频图像去雨技术研究进度[J].图像学报，2017（5）：629—646
[3]巨志勇，王超男，何晓蕾，视频图像的车辆速度实时检测算法研究[J].计算机应用研究，2017（9）：2822—2824
[4]Cheng Y H，Wang J.A Motion Image Detection Method Based on the Inter-Frame Difference Method[J].Applied Mechanics and Materials，2014，490-491：1283-1286
[5]张玉婉.智能视频监控中的目标检测算法研究[D].西安电子科技大学，2017.
关键词：数据链;JPEG2000;LRCP渐进传输
0 引言
数据链在现代信息化战争中具有举足轻重的作用，以美国为首的北约集团逐步研发并装备了各类数据链装备，并在科索沃战争、伊拉克战争和叙利亚战争等军事行动中逐渐完善，形成了较为完备的数据链体系，是未来战争中不可或缺的信息化装备。但是，现有的数据链在使用中主要体现在话音传输、文字传输、态势监测、敌我识别、编队作战、武器协同、电子战和反电子战等方面，并不具备图像信息的传输能力。
战场图像包括红外图像、可见光图像、雷达合成图像等，图像中包含的信息相较于语音和文字描述更加完善，能够直观反映出战场形势，包括敌方特定目标态势信息、战术完成情况、目标摧毁评估等，因此，在多军兵种协同作战体系中，数据链网内成员共享图像信息有助于提升敌我识别、战场形势共享、目标态势共享、目标摧毁评估和协同作战的能力[1]。
1 Link-16数据链
Link 16数据链最早是在上世纪80年代为实现空对空通信而设计的，可在视距内实现安全的机器对机器通信：交换战场态势信息、发布命令、导航和识别等，随后经过几代发展，Link 16的消息和协议不断扩展，担当了更多的角色，但其波形基本相同。最开始的Link 16端机类似与冰箱，由于其体积重量和费用成本的缘故，最开始仅能在重型舰船和大型指控飞机上装备使用，但这些联合战术信息分发系统（JTIDS）显示的由Link 16提供的信息能够为战场决策者提供必不可少的支撑。随着战斗机逐步占据了每次军事行动的主导地位，推动了多功能信息分发系统（MIDS）的发展，现在MIDS已经装备在大多数的战斗机和舰上[2]。
Link-16数据链发展迅速，但在该数据链上传输图像方面，存在带宽不足、编码方式和图像解压缩标准不匹配的问题，彻底解决这些问题需要依据图像解压缩标准来研发新波形，并保证一定的带宽，该解决方式成本极高且无法与旧设备进行兼容，因此，如何對旧设备进行改进升级并选择合适的图像解压缩方法，使现有数据链能够传输图像就成为主要的解决方法，通过对战场图像进行JPEG2000码流构建，将图像信息压缩并转换为码流，最后将码流封包，在Link-16网络相对应的时隙中进行发布。
2 JPEG2000图像码流构建与管理
资源分配，按照类型不同对战术图像（空中、海上和地面图像等）进行分类，分配以不同的码流设计方法，按照重要程度分配不同的网络参与组的时间资源。一般来说，为了保证图像的传输成功，将包含图像编解码信息层和照片中最关键的部分采用标准封装（STD）和最高抗干扰方式传输，其余部分以更高速率的其他网络参与组（NPG）发送。
如图1所示，为JPEG2000图像码流构建流程图，在此阶段执行的资源分配和码流构建步骤如下[3]：
a）设计Link-16网络参与组，依据数据链的抗干扰保护方案和图像封包结构，将NPG分为1到4共四种类型。
b）分配时间资源，根据相关研究和工作实践，一般每个NPG分配的时隙资源不超过5个，四个NPG时隙分配分别为X_TS、Y_TS、Z_TS、W_TS。
c）选取网络参与组，根据质量层不同选择相应的网络参与组，计算传输速率。例如，选取第一类网络参与组作为传输通道，通过时隙资源数、封包位数以及时长，计算方法为：V1=X_TS*NPG_STD/Ts，（V1为传输速率，X_TS为时隙资源数，NPG_STD为封包位数，Ts为时长）计算出该质量层的传输速率，并按照此种方法，以此计算出所有质量层的传输速率。
d）图像预处理，战术图像的尺寸质量分辨率都有区别，为了规范化传输，提高图像传输的成功率，需要对战术图像进行标准化处理，尤其是需要对较大尺寸的图像进行裁剪，最大尺寸不超过5000*5000像素。
e）计算像素深度。依据每个质量层的传输速率计算其相对应的像素深度（BPP），计算方法为：BPPn=BPP（n-1）+V1/M*N（n代表层数，MN为图像的像素尺寸）。
f）码流构建。依据各层的像素深度（BPP），将各质量层分别构建为JPEG2000码流。
Link-16数据链网络为图像传输分配了一定数量的时隙（Ts），为了判断时隙数量与图像是否匹配，使图像的编码参数能够适应管理单元的要求，需要进行图像管理，对经过预处理的图像进行JPEG2000压缩并重构，将重构图像和原始图像进行质量比对，得到峰值信噪比（PSNR），同时建立一个阈值（T）用于平衡代码流与图像的需求关系，根据PSNR和T值相比，判断该图像是否可以直接传输[4]，如图2所示。
3 图像传输
依据JPEG2000标准的EBCOT算法，选择LRCP渐进传输方案，该方案的传输特性是按照二进制层（L）、分辨率（R）、组件（C）、位置（P）四个要素的优先级顺序，将码流按照其所包含信息的重要性不同，分别采用STD、P2DP、P4等的封包格式。例如，在LRCP传输方案中，L层优先级最高，则将包含有图像头信息和L层信息采用STD标准封装，R层采用P2DP封包，C层采用P4封包，P层采用P4_NEDC封包，
将不同格式封包的码流在对应的网络参与组时隙资源上进行传输，映射主要考虑的是封包结构与不同速率NPG层进行映射。STD格式数据映射至速率为26KB/S的NPG层，该层传输速率低，但抗干扰能力强，收到30%的数据即可还原全部数据;P2DP、P4、P4_NEDC格式分别映射至速率为64KB/S、146KB/S和238KB/S的NPG层[5]。
由于外界的影响，以P2DP、P4、P4_NEDC格式封包的码流可能会出现误码，影响图像码流及图像重构。根据Link-16数据链的传输特性，其发布时隙每12秒循环一次，为了提高误码数据包的抗干扰能力，将误码数据包采用STD封包并将其映射至对应的NPG层，如图3所示。
4 总结
本文结合Link-16数据链组网技术特点和JPEG2000技术优势，采用LRCP渐进传输方案，该传输方案能够充分适应数据链的传输带宽，通过对战场图像进行JPEG2000码流构建，将图像信息压缩并转换为码流，最后将码流封包，在Link-16网络相对应的时隙中进行发布，并对误码检测后重新发送，提高了抗干扰能力，达到了准确传输图像信息的目标。纵然本方法只是实验室的解决方案，但为数据链传输图像提供了一个技术参考，能够有效提高多军种协同作战的效率。
参考文献
[1]周正道，王闵，吴成柯.JPEG码流组织算法分析[J].微电子与计算机，2002（10）：4—6
[2]周浦城，周远，韩裕生.视频图像去雨技术研究进度[J].图像学报，2017（5）：629—646
[3]巨志勇，王超男，何晓蕾，视频图像的车辆速度实时检测算法研究[J].计算机应用研究，2017（9）：2822—2824
[4]Cheng Y H，Wang J.A Motion Image Detection Method Based on the Inter-Frame Difference Method[J].Applied Mechanics and Materials，2014，490-491：1283-1286
[5]张玉婉.智能视频监控中的目标检测算法研究[D].西安电子科技大学，2017.