本發(fā)明涉及一種地震數(shù)據(jù)壓縮方法，特別涉及一種針對(duì)地震數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮方法。
背景技術(shù)：
地震勘探儀器通常使用24位ad轉(zhuǎn)換技術(shù)獲取3字節(jié)有符號(hào)整型的采樣數(shù)據(jù)。ad轉(zhuǎn)換位數(shù)的增加和采集道數(shù)的增加需要更高的數(shù)據(jù)傳輸效率?，F(xiàn)有的地震數(shù)據(jù)流壓縮方法利用數(shù)據(jù)數(shù)值的分布規(guī)律對(duì)單個(gè)采樣數(shù)據(jù)重新編碼，從而達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的。這種方法只考慮了單次采樣的數(shù)據(jù)，沒(méi)有利用相鄰多次采樣的數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性消除數(shù)據(jù)之間存在的冗余，即數(shù)據(jù)還能被進(jìn)一步壓縮。
事實(shí)上，單通道在一段時(shí)間內(nèi)采集到的地震數(shù)據(jù)類似于一次機(jī)械振動(dòng)的數(shù)據(jù)。通常地震勘探儀器的采樣頻率遠(yuǎn)大于地震信號(hào)的頻率，樣點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的變化一般要遠(yuǎn)小于信號(hào)幅度，如果用樣點(diǎn)間的差來(lái)表示數(shù)據(jù)值，大部分?jǐn)?shù)據(jù)將分布在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。然后使用指數(shù)golomb編碼可以極大地減小地震數(shù)據(jù)占用的長(zhǎng)度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種針對(duì)地震數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮方法，可以在地震勘探設(shè)備采集時(shí)使用本發(fā)明方法對(duì)24位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮，以提高設(shè)備的傳輸效率。是地震勘探設(shè)備通信及數(shù)傳過(guò)程中的一種數(shù)據(jù)編碼解碼技術(shù)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種對(duì)地震數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮方法，用于對(duì)單個(gè)通道若干個(gè)周期采集到的24位地震數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，是實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行無(wú)損壓縮，使用自適應(yīng)的編碼方法壓縮n個(gè)周期3n字節(jié)的數(shù)據(jù)；壓縮后數(shù)據(jù)量大幅減小，可提高數(shù)據(jù)傳輸效率。
數(shù)據(jù)壓縮分兩步進(jìn)行：n階差分預(yù)測(cè)編碼、k階指數(shù)golomb編碼；
(1)n階差分預(yù)測(cè)編碼實(shí)現(xiàn)步驟如下：
(11)差分預(yù)測(cè)編碼是對(duì)單個(gè)通道n個(gè)周期采集到的3n字節(jié)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的；
(12)先計(jì)算n個(gè)周期的數(shù)據(jù)的一階差分，利用后一個(gè)數(shù)據(jù)減前一個(gè)數(shù)據(jù)得到差分?jǐn)?shù)據(jù)，即原始數(shù)據(jù)為：x1,x2,…,xn，則一階差分?jǐn)?shù)據(jù)為：x1,x2-x1,…,xn-xn-1；
(13)對(duì)一階差分?jǐn)?shù)據(jù)再做一次差分，即后一個(gè)數(shù)據(jù)減前一個(gè)數(shù)據(jù)，得到二階差分，即原始數(shù)據(jù)的二階差分為：x1,x2-x1,x3-2x2+x1,…,xn-2xn-1+xn-2；
(14)對(duì)二階差分后的數(shù)據(jù)再做一次差分，得到三階差分，再對(duì)三階差分后的數(shù)據(jù)再做一次差分，可得四階差分，以此類推，得到任意階次的差分預(yù)測(cè)編碼；
(2)k階指數(shù)golomb編碼實(shí)現(xiàn)如下：
(21)將差分預(yù)測(cè)編碼后的單個(gè)數(shù)據(jù)即(xn-xn-1)分成兩個(gè)部分：符號(hào)位sign(xn-xn-1)和絕對(duì)值|xn-xn-1|，指數(shù)golomb編碼僅對(duì)絕對(duì)值進(jìn)行，考慮對(duì)非負(fù)整數(shù)m的k階指數(shù)golomb編碼；
(22)將m用二進(jìn)制碼表示，去掉低位的k個(gè)比特，k即為指數(shù)golomb編碼的階數(shù)，然后加1；
(23)計(jì)算留下的比特?cái)?shù)，將此數(shù)減1，并記作m；
(24)將步驟(22)中的去掉的k個(gè)比特補(bǔ)回串尾，并在串頭添加m個(gè)0，得到非負(fù)整數(shù)m的k階指數(shù)golomb編碼；
(25)對(duì)差分預(yù)測(cè)編碼后的n個(gè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算其k階指數(shù)golomb編碼，然后將這n個(gè)k階指數(shù)golomb編碼的數(shù)據(jù)按位組合得到一幀數(shù)據(jù)，即為3n字節(jié)原始數(shù)據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)。
再計(jì)算在不同的n和k下數(shù)據(jù)壓縮后的長(zhǎng)度，然后選擇最佳壓縮時(shí)的n和k，由此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
(1)與現(xiàn)有的地震數(shù)據(jù)流壓縮技術(shù)相比，本發(fā)明中的地震數(shù)據(jù)流壓縮方法利用相鄰多次采樣的數(shù)據(jù)之間存在的相關(guān)性來(lái)消除數(shù)據(jù)之間存在的冗余；同時(shí)利用自適應(yīng)編碼對(duì)不同地震期的數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳的編碼，因此本發(fā)明中的地震數(shù)據(jù)流壓縮方法有更好的壓縮性能。
(2)經(jīng)測(cè)試，使用本發(fā)明所述的壓縮方法通常可以將采集到的地震數(shù)據(jù)壓縮為原始數(shù)據(jù)大小的30％-70％；對(duì)于處于地震平穩(wěn)期的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)壓縮可達(dá)到原數(shù)據(jù)的50％以下；數(shù)據(jù)壓縮在理論上的最優(yōu)情況下可達(dá)原數(shù)據(jù)的10％。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明一種對(duì)地震數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮方法的操作流程示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明中的壓縮方法分兩步進(jìn)行：差分預(yù)測(cè)編碼、指數(shù)golomb編碼。
1.差分預(yù)測(cè)編碼：
差分編碼，即除第一個(gè)元素外，將其中各元素都表示為各該元素與其前一元素的差的編碼。
原始數(shù)據(jù)為：x1,x2,…,xn
壓縮數(shù)據(jù)為：x1,x2-x1,…,xn-xn-1
二階差分，即對(duì)差分后的數(shù)據(jù)再做一次差分。
原始數(shù)據(jù)為：x1,x2,x3,…,xn
壓縮數(shù)據(jù)為：x1,x2-x1,x3-2x2+x1,…,xn-2xn-1+xn-2
對(duì)二階差分后的數(shù)據(jù)再做一次差分，可得三階差分，再對(duì)三階差分后的數(shù)據(jù)再做一次差分，可得四階差分。以此類推，可得高階差分。
n階差分是用前n個(gè)點(diǎn)擬合n-1次函數(shù)，并預(yù)測(cè)下一個(gè)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)在該函數(shù)曲線上，用預(yù)測(cè)誤差進(jìn)行編碼。由于地震波形及其各階導(dǎo)數(shù)的數(shù)值在相鄰采樣點(diǎn)間的變化很小，所以在預(yù)測(cè)編碼后，大部分?jǐn)?shù)據(jù)將分布在一個(gè)較小的范圍內(nèi)。然后使用指數(shù)golomb編碼可以極大地減小地震數(shù)據(jù)占用的長(zhǎng)度。
差分預(yù)測(cè)編碼只需要做若干次減法，容易用硬件實(shí)現(xiàn)，可以用于實(shí)時(shí)壓縮和解壓。
欲解壓，只需對(duì)差分預(yù)測(cè)編碼后的數(shù)據(jù)做若干次加法，就可以得到無(wú)損的原始數(shù)據(jù)。
2.指數(shù)golomb編碼：
在差分預(yù)測(cè)編碼之后，信號(hào)中存在統(tǒng)計(jì)冗余(即小幅度比大幅度出現(xiàn)的概率大)，故可依據(jù)信號(hào)幅度的概率分布特點(diǎn)來(lái)壓縮數(shù)據(jù)。這里我們采用指數(shù)golomb編碼。表示非負(fù)整數(shù)m的k階指數(shù)golomb編碼用如下方法生成：
a)將m用二進(jìn)制碼表示，去掉低位的k個(gè)比特，然后加1
b)計(jì)算留下的比特?cái)?shù)，將此數(shù)減1，并記作m
c)將第1步去掉的k個(gè)比特補(bǔ)回串尾，并在串頭添加m個(gè)0
例如，對(duì)1階指數(shù)golomb編碼，0到13的編碼如下：
由此可見(jiàn)，如果數(shù)據(jù)出現(xiàn)小幅度的概率比出現(xiàn)大幅度的概率大，則通過(guò)指數(shù)golomb編碼可以較好地壓縮數(shù)據(jù)。
k階指數(shù)golomb編碼包含以下數(shù)據(jù)：
mbit的0+1bit的1+(m+k)bit的數(shù)據(jù)
對(duì)于可能為負(fù)數(shù)的整數(shù)，指數(shù)golomb編碼還應(yīng)增加1bit的符號(hào)位。
解壓時(shí)，對(duì)于某串k階指數(shù)golomb編碼的數(shù)據(jù)，先計(jì)算數(shù)據(jù)頭部0的個(gè)數(shù)，并記作m；再去掉這m個(gè)0，該數(shù)據(jù)的有效位數(shù)為m+k+1，將該數(shù)據(jù)減去2k，即可得到指數(shù)golomb編碼數(shù)據(jù)的解碼，即原始數(shù)據(jù)。
k階指數(shù)golomb編碼和解碼可以用一個(gè)組合邏輯電路實(shí)現(xiàn)，因此可以用于實(shí)時(shí)壓縮和解壓。
經(jīng)過(guò)n階差分預(yù)測(cè)編碼和k階指數(shù)golomb編碼，n個(gè)24位的原始數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為n個(gè)位長(zhǎng)不定的數(shù)據(jù)。將這n個(gè)位長(zhǎng)不定的數(shù)據(jù)按位依次排列在一起，并在數(shù)據(jù)頭部加上有關(guān)n和k的信息，可形成一幀待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
對(duì)于相同的n個(gè)原始數(shù)據(jù)，不同的n和k得到的壓縮率是不同的；對(duì)于不同的原始數(shù)據(jù)，最佳壓縮時(shí)的n和k也是不同的。如果我們事先做好電路，當(dāng)我們輸入n個(gè)原始數(shù)據(jù)時(shí)，就可以迅速得出壓縮效果最佳時(shí)的差分預(yù)測(cè)編碼階數(shù)n和指數(shù)golomb編碼階數(shù)k，即可以為每一段數(shù)據(jù)選擇最佳的n和k，由此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)編碼。
解壓一幀數(shù)據(jù)時(shí)，先解析數(shù)據(jù)頭部的n和k，再對(duì)數(shù)據(jù)的余下部分進(jìn)行k階指數(shù)golomb編碼的解碼，得到n個(gè)數(shù)據(jù)；最后對(duì)這n個(gè)數(shù)據(jù)做n階差分預(yù)測(cè)編碼的解碼，可以得到n個(gè)24位的原始數(shù)據(jù)。
采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明一種對(duì)地震數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮方法可以在地震勘探設(shè)備采集時(shí)對(duì)24位模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮，以提高設(shè)備的傳輸效率，壓縮后數(shù)據(jù)量大幅減小，能將壓縮后的數(shù)據(jù)無(wú)損恢復(fù)成原始的24位形式。
下面結(jié)合實(shí)例再對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例一種對(duì)地震數(shù)據(jù)流的自適應(yīng)實(shí)時(shí)無(wú)損壓縮方法中的壓縮過(guò)程。壓縮對(duì)單個(gè)通道n個(gè)周期采集到的24位地震數(shù)據(jù)共3n字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行。n通常取8、16、32或64。
先計(jì)算3n字節(jié)原始數(shù)據(jù)的1到p階的差分預(yù)測(cè)編碼，p<n且p通常不超過(guò)4，使用np-p(p+1)/2個(gè)減法器可實(shí)現(xiàn)這一步。每階的差分預(yù)測(cè)編碼都有3n個(gè)字節(jié)。算上重復(fù)的，1到p階的差分預(yù)測(cè)編碼共有[np-p(p+1)/2]*3個(gè)字節(jié)。算上原始數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)共有[np-p(p+1)/2+n]*3個(gè)字節(jié)。
再計(jì)算這些數(shù)據(jù)的指數(shù)golomb編碼，指數(shù)golomb編碼的階數(shù)可取k1,k2,...,ks。如果硬件資源足夠，指數(shù)golomb編碼的階數(shù)可取0,1,2,…,24。某階的指數(shù)golomb編碼可用一個(gè)組合邏輯電路來(lái)計(jì)算。計(jì)算上一步中所有數(shù)據(jù)的各階指數(shù)golomb編碼一共需要[np-p(p+1)/2+n]*s個(gè)這樣的組合邏輯電路。
對(duì)于每一個(gè)差分預(yù)測(cè)編碼的階數(shù)(0到p)和每一個(gè)指數(shù)golomb編碼的階數(shù)(k1到ks)，利用組合邏輯電路可以計(jì)算3n字節(jié)的原始數(shù)據(jù)在差分預(yù)測(cè)編碼和指數(shù)golomb編碼后的長(zhǎng)度。比較這(p+1)*s個(gè)長(zhǎng)度，選擇使得編碼后長(zhǎng)度最短的差分預(yù)測(cè)編碼階數(shù)n和指數(shù)golomb編碼階數(shù)k作為最佳壓縮時(shí)的n和k。
將有關(guān)n和k的信息放在一幀數(shù)據(jù)的頭部，這些信息占一個(gè)字節(jié)，其中n占3位，k占5位，n可取值0～7，k可取值0～31。頭部之后存放3n字節(jié)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)n階差分預(yù)測(cè)編碼和k階指數(shù)golomb編碼后的數(shù)據(jù)。
解壓時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭部的信息得出數(shù)據(jù)壓縮時(shí)使用的差分預(yù)測(cè)編碼階數(shù)n和指數(shù)golomb編碼階數(shù)k；再選取合適的指數(shù)golomb解碼器對(duì)數(shù)據(jù)的余下部分進(jìn)行解碼，得到n個(gè)數(shù)據(jù)；最后對(duì)這n個(gè)數(shù)據(jù)做n階差分預(yù)測(cè)編碼的解碼，可以得到n個(gè)24位的原始數(shù)據(jù)。
以上所述為本發(fā)明的具體實(shí)施方案，提供以上實(shí)施方案僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。