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Massive Ultrasonic Data Compression Using Wavelet Packet Transformation Optimized by Convolutional Autoencoders

自编码 计算机科学 数据压缩 超声波传感器 小波 有损压缩 图像压缩 卷积神经网络 小波包分解 人工智能 算法 小波变换 声学 深度学习 图像处理 图像(数学) 物理
作者
Boyang Wang,Jafar Saniie
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:34 (3): 1395-1405 被引量:9
标识
DOI:10.1109/tnnls.2021.3105367
摘要

Ultrasonic signal acquisition platforms generate considerable amounts of data to be stored and processed, especially when multichannel scanning or beamforming is employed. Reducing the mass storage and allowing high-speed data transmissions necessitate the compression of ultrasonic data into a representation with fewer bits. High compression accuracy is crucial in many applications, such as ultrasonic medical imaging and nondestructive testing (NDT). In this study, we present learning models for massive ultrasonic data compression on the order of megabytes. A common and highly efficient compression method for ultrasonic data is signal decomposition and subband elimination using wavelet packet transformation (WPT). We designed an algorithm for finding the wavelet kernel that provides maximum energy compaction and the optimal subband decomposition tree structure for a given ultrasonic signal. Furthermore, the WPT convolutional autoencoder (WPTCAE) compression algorithm is proposed based on the WPT compression tree structure and the use of machine learning for estimating the optimal kernel. To further improve the compression accuracy, an autoencoder (AE) is incorporated into the WPTCAE model to build a hybrid model. The performance of the WPTCAE compression model is examined and benchmarked against other compression algorithms using ultrasonic radio frequency (RF) datasets acquired in NDT and medical imaging applications. The experimental results clearly show that the WPTCAE compression model provides improved compression ratios while maintaining high signal fidelity. The proposed learning models can achieve a compression accuracy of 98% by using only 6% of the original data.

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