基于EZW的地震图像小波压缩算法与实现

张方舟，张乃元，慕林洹，赵思远

(东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318)

基于EZW的地震图像小波压缩算法与实现

张方舟，张乃元，慕林洹，赵思远

(东北石油大学 计算机与信息技术学院，黑龙江 大庆 163318)

介绍了地震图像知识、SEG-Y文件格式以及小波变换基础理论，对EZW算法进行了分析和研究，并基于该算法实现了对地震图像的压缩。采用嵌入式小波编码方法能取得较高的压缩比以及较强的抗误码性，地震数据可视化是指将地震数据映射成可观测到的视觉实体，将地震数据在内存中二维化，并映射成图像，这时就可以对图像再次进行压缩。本文体现了地震图像对于油田勘探研究的重要作用，使人们更为深入地了解了图像压缩算法。

小波编码；EZW；地震图像

在油气田勘探研究中，地震图像起着非常重要的作用。因为地震图像的纹理信息比较丰富，因此采取传统的图像压缩算法取得的压缩比较低。小波变换能够克服傅里叶变换处理非平稳信号时存在的问题和DCT块编码产生的方块效应。嵌入式小波编码方法具有抗误码性强、质量可分级和分辨率可分级等优点，因此成为图像压缩领域的研究热点，备受关注。随着我国经济的发展，石油在社会、经济活动中的地位越来越重要，石油勘探活动日益频繁，对石油勘探数据的存储也提出了更高的要求，笨重的磁带阵列已无法满足其需求；因此，应研究出一套压缩比高、有效的、专门针对地震数据的无损压缩算法，以有效解决石油物探技术的发展瓶颈。数据压缩问题是石油物探数字化的基础，解决好此问题可以有效提高石油物探的数字化水平。 本课题研究的目标是地震图像压缩，主要通过研究小波分析用于图像压缩的理论知识，较为深入地了解图像压缩的基础算法，即EZW算法。

1 地震数据格式及可视化

1.1 关于SEG-Y

通过地震勘探采集的地震数据的组织通常以地震道为单位进行，其存储格式为SEG-Y文件格式[1]，所采集的数据经过读取可以获得很多有用信息，如地下构造信息等；但是，这些原始数据信息信息量巨大而且十分混乱，不利于数据的整理与使用。为了能够获得直接的数据信息，需要对原始数据进行加工和处理，使其经过一系列变换形成图形图像，使展示的信息更容易理解。

勘探地球物理家学会(the Society of Exploration Geophysicists，简称 SEG)成立于1930年，属于公益性组织。石油勘探行业中的地震数据通常情况下采用SEG-Y 数据交换格式，当前使用的版本是SEG-Y rev1.0，数据格式的前 3 600 字节(二进制文件头400字节和文本文件3 200字节)通常看成一个整体，然后是很多个3 200字节的扩展文本文件头记录，最后是很多条道的数据记录。地震数据的存储格式包括整型、IEEE 浮点型和IBM 浮点型等，在同一个三维工区中，同一批次处理的地震数据格式是相同的、唯一的[2]。

1.2 地震数据可视化

地震数据可视化是指将地震数据映射成可观测到的视觉实体，常见的有2种表现形式，即形成地震图像和三维数据体。地震图像是在某个地区采集到的地震数据基础上，将地震数据在内存中二维化，并映射成的图像。

最原始映射出来的地震图像基本都是灰度图像，即黑白图像，这类图像一般主要用于显示地震的剖面或者断层等信息，通过地震图像，可以直观地看到所关心的因素。三维可视化可理解成某一类地震图像加上一层新的维而构成的立体结构，并在此基础上进行解释，称之为地震三维解释。所谓的地震三维解释是指现阶段用面块切片解释，并以垂直剖面和水平切片的解释为辅，再与相干体等不连续性分析相结合，结果用三维可视化显示等一整套解释流程，属于地震数据体“真”三维解释的初级阶段。只有直接利用可视化工具对三维数据进行分析，如断层分析、地层标定分析、沉积分析、岩性分析和储层分析，以及油藏参数表征和油气识别进行交互解释时，才是真正意义的三维解释。

在地震属性图像生成之前，所拥有的素材仅仅是通过实际勘探测量得到的地震数据体，包含了地震各个方面的数据，其中也包括地震属性数据。把地震数据提取到内存中，并利用图像的方式显示出来，该过程称为可视化。可以将加载到内存中的地震属性数据对应的图像认为是一幅灰度图像，根据得到的图像进行压缩[3-6]。

2 小波压缩算法

小波变换是指把信号在一个函数族上做分解，该函数是由一个独立的函数(小波母函数ψ(t))做平移和伸缩变换后得到的，如式1所示：

(1)

式中，a、b分别是伸缩和平移的尺度。ψ(t)在做傅里叶变换后应满足的容许性条件为：

(2)

将小波母函数进行不同的伸缩和平移，得到一系列函数，称为小波基函数。

3 基于EZW算法对地震数据压缩

对小波零树和其结构进行分析，然后分析Embedded Zerotrees Wa3velet，也就是嵌入式零树小波编码算法。该算法是由J. M. Shapiro提出的，其包含了零树和嵌入式编码2个基本概念。通过EZW压缩编码输出的码流具有嵌入式的特点，即从EZW编码器输出码流的起始端到输出码流中的某一个位置，如果应用这段码流对原始图像进行解码恢复，则恢复得到的图像质量比编码器输出的完整码流低，即分辨率不高。虽然图像的分辨率不高，但是十分完整；因此，可以在EZW压缩编码过程中任一点停止编码，也可以在EZW解码压缩码流的过程中的任一点停止解码。在编码器输出的压缩比特流中，比特流越先输出越重要，EZW压缩码流的这种特点特别适用于渐进式的图像传输[7]。

3.1 EZW步骤

图1 小波分解各子带扫描次序

3.2 基于EZW算法对地震图像压缩

下述选取一幅512×512的地震图像，用EZW算法对其进行压缩。在开始编码之前，首先要求初始阈值T(1)：

MaxDecIm=max (max (abs (DecIm)));
T=zeros (1, codeDim);
T(1)=2^flor (log2 (MaxDecIm));

接下来根据实际需要确定扫描次数D=codeDim，然后进行D次主扫描和辅扫描，输出编码，对图像进行编码压缩，本试验中对地震图像进行3级分解、3级编码和3级解码。根据地震刨剖面图选取其中一部分进行压缩。原始图像如图2所示，3层小波分解图如图3所示。

图2 原始图像 图3 3层小波分解图

进行编码过程之后，需要对其进行解码操作，解码过程是编码过程的逆过程，编码进行了多少次扫描过程，解码也需要进行次数相同的相应操作，解码过程包括的主要步骤为接收编码器输出的解码信息，对阈值进行设定，对编码器输出的码流信息当中的重要系数信息以及有效值映射信息进行解读。对该地震图像解码重构的图像如图4所示。

图4 3层重构图像

对地震图像进行5级分解、5级编码和5级解码，5层小波分解图如图5所示，重构图像如图6所示。

图5 5层小波分解图 图6 5层重构图像

4 结语

本文对基于小波变换的静态图像压缩算法、小波变换理论及其在图像压缩中的应用进行了研究，基于EZW算法实现了对地震图像的压缩与重构。该算法的应用能够解决数据压缩问题，提高石油勘探的数字化水平，具有较广阔的应用空间。此外，还要加强这方面的研究，实现地震数据的无损压缩算法，从而得到更好的数据处理效果。

[1] 陈武凡.小波分析及其在图像处理中的应用[M].北京：科学出版社, 2002.

[2] 郑治真.小波变换及其MATLAB工具的应用[M].北京：地震出版社, 2001.

[3] 沈兰荪，魏海，黄祥林．基于子带/小波分解的视频编码可分级性研究[J]．电子学报，2000， 28(7):123-126.

[4] 张旭东，卢国栋，冯健．图象编码基础和压缩技术-原理、算法和标准[M]．北京：清华大学出版社，2004.

[5] 刘方敏，吴永辉，于建新．JPEG2000图像压缩过程及原理概述[J]．计算机辅助设计与图形学学报，2002，14(10)：905-91.

[6] 袁修贵. 多分辨分析理论与深度成像和地震数据处理[D]. 长沙：中南大学，2005.

[7] 郑丹. 谐振面积与电极图案对质量传感器性能的影响[J].新技术新工艺，2014(2)：83-85.

责任编辑李思文

《新技术新工艺》杂志征稿启示

《新技术新工艺》杂志是中国兵器工业新技术推广研究所主办的工业技术类期刊，自1981年国内外公开发行至今已二十余年，荣获中国兵器工业集团公司优秀科技期刊一等奖，国家新闻出版总署“双效期刊”，并连续几年被评为中国科技核心期刊，中国科技论文统计源期刊、检索源期刊。同时还被《中文科技期刊数据库》、《〈中国核心期刊(遴选)数据库》、CEPS中文电子期刊、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社收录。为加强学术交流,促进制造业的发展,热忱欢迎高等院校的科技工作者和企业技术人员踊跃投稿。

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AlgorithmandImplementationofSeismicWavelet-basedCompressionEZW

ZHANG Fangzhou, ZHANG Naiyuan, MU Linhuan, ZHAO Siyuan

(School of Computer and Information Technology, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China)

The paper introduced the seismic image knowledge and SEG-Y file format, and wavelet transform theory, finally did the EZW algorithm analysis and research, and realized image compression to the earthquake based on the algorithm. By using the embedded wavelet coding method higher compression ratio and strong resistance to error can be obtained, seismic data visualization mapping refers to the seismic data can be observed visual entities, the seismic data in memory is two-dimensional, mapping and the image according to the visualization can compress the image again. Reflects the important role in the study of seismic image for the oil field exploration, and can make people more deep understanding of the image compression algorithm.

wavelet encoding, EZW, seismic images

TP 391.41

：A

张方舟(1973-)，男，教授，博士，系主任，主要从事基于3G的安全网关开发和移动网络安全等方面的研究。

2015-01-12