（光学专业论文）基于嵌入式系统的图像网络传输研究.pdf

华南师范大学钡 学位论文 摘要 基于嵌入式系统的网络传输技术结合了嵌入式设备工作稳定，实时性好， 集成度高，环境适应能力强，成本低等优点与网络覆盖广泛及接口具有良好通用 性的优点，在各种图像采集现场中具有越来越广泛的应用前景。 本文研究对象为图像采集速率为若干秒一帧到若干帧每秒，通过网络传输 图像数据的图像采集应用系统，随着低成本的监测监控与工业图像采集的发展， 这一类系统得到了非常广泛的应用，其主要特点为对成本敏感，且对采集的图像 没有过于严格的质量要求。针对这类系统的特点，对其采集的图像在网络传输之 前的压缩可以考虑使用精简算法，这有利于降低对硬件性能的要求，降低系统成 本和提高系统运行效率。基于该背景，本文提出了一种适用于研究对象的同时具 有易实现性及较好压缩效果的精简算法，通过仿真来验证该算法的有效性。同时 提出在单芯片上实现全局控制及压缩算法+ 轻量级r t o s 内核+ 精简t c p i p 协议 栈的系统架构方式，设计一个能实现图像采集，图像压缩，并通过网络进行图像 数据实时传输的嵌入式系统。 关键词：图像压缩小波变换嵌入式网络t c p i pr t o s 华南师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fe m b e d d e dn e t w o r ks y s t e mc o n b i n e st h ep r e d o m i n a n c e so f e m b e d d e d s y s t e m s t a b i l i t y , r e a l t i m e ，h i 曲- i n t e g r a t i o n ，h i g hf l e x i b i l i t y a n d a d v a n t a g eo fn e t w o r k e x t e n s i v eo v e r l a ya n dc o m m o ni n t e r f a c e ，w o u l d b ev e r y p r o m i s i n g a n dh a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t s t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i st h e s i si st h ea p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e dl o wi m a g e c a p t u r er a t ea n dl o wn e t w o r kt r a n s f e rv e l o c i t y t h i st y p eo fs y s t e mw i l lb ea p p l i e di n e x t e n s i v ef i e l d sw i t ht h e d e v e l o p m e n t o fl o wc o s ti n d u s t r i a lv i s i o n s y s t e m a n d s t a k e o u ts y s t e m t h et r a i to ft h i sk i n do fs y s t e mi ss e n s i t i v ew i t hc o s ta n dh a sn o t s t r i c t r e q u i r e m e n t o ft h e q u a l i t y o f p i c t u r ec a p t u r e d t h ei m a g ec o m p r e s s i n g a r i t h m e t i co ft h i st y p eo f s y s t e ms h o u l db el e a na n de a s yt oi m p l e m e n t ，i t r e d u c e st h e r e q u i r e m e n to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r m a n dl e a d st ol o wc o s ta n dh i g h e x e c u t i n g e f f i c i e n c y b a s e do nt h i sb a c k g r o u n d ，t h et h e s i sp r e s e n t al e a n i m a g ec o m p r e s s i o n a r i t h m e t i cw i t he a s y - i m p l e m e n t a t i o na n dp r e f e r a b l ec o m p r e s s i o nr e s u l t s i m u l a t i o n s h o w st h a tt h ea r i t h m e t i ci se f f i c i e n t b a s e do nt h ea r i t h m e t i c ，t h et h e s i sp r e s e n t sa n i m p l e m e n ts c h e m e o ft h i s t y p e o fs y s t e m - 一- g l o b a lc o n t r o lf u n c t i o na n d i m a g e c o m p r e s s i n gf u n c t i o n a r ep u ti nas i n g l ec h i p + l i g h t w e i g h tr t o sk e r n e l + l e a n t c p ms t a c k b a s e do nt h es c h e m e p r e s e n t e d t h et h e s i sr e a l i z e sa ne m b e d d e ds y s t e m c o m b i n e s i m a g ec a p t u r i n g ，i m a g ec o m p r e s s i o na n dn e t w o r k t r a n s f e r s k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n ；w a v e l e tt r a n s f o r m s ；e m b e d d e dn e t w o r k ；t c p i p ； r t o s u 牛南! | j 范大学倾：i ：学位论文 绪论 1 研究背景 图像是人们获取客观世界信息的最重要手段之一，图像获取在许多领域中都 有着非常重要的意义。随着科技的发展，通过对远程或当地的目标进行图像采集， 在后端对采集的图像进行处理与分析以获得有用信息的相关技术在航天，交通， 工业控制，数据安全等领域得到越来越广泛的应用。 图像信号获取以及转移可以采用直接存储在采集现场本地，收集一段时间的 数据后由工作人员到采集现场将数据取回分析的方式，或者通过某种途径实时传 输到后端的方式，前者对实时性要求比较高的场合以及某些较为危险的工业现场 缺乏实用价值，后者能实时将采集的信号传输到控制端，较为及时地反映出采集 现场的实际情况，无疑具有更多的灵活性与实用价值，同时由于i n t e r n e t 的 广泛的覆盖以及接口的通用性，传输的方式选用通过网络来进行，将带来成本降 低和系统规划的难度减小的优势。采用通过网络实时传输数据的方式面临采用传 统的p c + 图像采集卡的方式或者基于具备网络功能的嵌入式设备的方式，前者虽 然具备实现简单，功能多样化的优点，但也存在体积庞大，稳定性低，在恶劣环 境中难以工作，成本较高，功能不可裁减等劣势，相比较而言，嵌入式设备具备 工作稳定，易于携带和安装，操作灵活的特点，同时还具有实时性好，集成度高， 环境适应能力强，系统成本低，同时也易于根据实际需要进行功能的添加与裁减 等优点，在图像信号获取的各种应用场合，将得到越来越广泛的应用，是今后的 一个发展趋势。 在网络中传输图像，由于网络的传输速率有限，为了实现图像的稳定传输， 必须对图像进行压缩，无损压缩的压缩比比较低，对降低码率的贡献有限，所以 在对图像质量没有精确要求的情况下通常采用有损压缩算法。由于嵌入式系统具 有计算能力有限的特性，而这是设计面向般p c 或者工作站的图像压缩算法所 不需要考虑的，其压缩算法有其固有的特点，需要单独对其进行研究。目前针对 嵌入式系统进行图像压缩的工作，主要集中在对动态图像实时压缩算法实现的研 究和基于专用图像压缩芯片构架实用系统上，对于对成本敏感，每秒需要传输的 图像的帧数只要求在若干帧以内的场合下适用的压缩算法的研究还鲜有所闻，而 华南师范人学颁上学位论文 随着工业以太网技术和i n t e r n e t 的迅速发展，越来越多图像获取设备将接入 网络，这种较为低端的网络图像传输设备的应用将越来越广泛，对于其上的图像 压缩算法的进行一定的探讨，实现一个同时具备网络功能和图像获取与压缩功能 的嵌入式设备，对该领域进行一次有益的探索与尝试，是一项很有意义的工作。 本文从该领域的压缩算法的分析着手，讨论了此类算法的特点，提出一种 同时具有易实现性及较好压缩效果的精简算法，通过仿真验证该算法的有效性。 同时针对该背景中应用系统的特点提出在单芯片上实现全局控制及压缩算法+ 轻量级r t o s 内核+ 精简的t c p i p 协议栈的系统架构方式，设计了一个针对该领 域的图像采集，图像压缩及网络传输的嵌入式系统。 2 本文所做工作 本文第二章介绍了相关的背景知识，包括嵌入式系统，图像的网络传输， 以及两者相结合的讨论。 第三章对低采集速率嵌入式图像网络传输系统上实现的压缩算法进行讨论。 根据小波变换的各种优良特性尤其是在网络图像传输中的巨大优势提出使用基 于小波变换的压缩算法。并且对压缩的细节问题进行分析与讨论。提出一种该系 统中实现的较优算法，并通过仿真验证该算法。 第四章从系统架构的角度对实现的系统进行描述，介绍了系统总体方案，芯 片选型的考虑和系统集成的具体工作。 第五章全面地介绍了系统的软件设计工作，包括操作系统的选择和移植，嵌 入式t c p i p 协议的设计，压缩算法的实现以及应用程序设计的讨论。 第六章对全文进行简明的总结，并对该领域的研究进行展望。 2 华南师范大学颁士学位论文 第一章嵌入式系统及图像的网络传输 1 , 1 嵌入式系统以及在图像获取中的应用 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应 于应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用程序四部分组 成。 与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点： 1 嵌入式系统通常面向特定应用 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常具有功耗低、 体积小、集成度高的特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而使嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强。 2 嵌入式系统是多种技术的集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的 具体应用相结合后的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式产品的生存能力很强 嵌入式系统与具体应用有机结合，它的升级换代也和具体产品同步进行， 因此嵌入式产品一旦进入市场，就具有较强的生命周期。 4 嵌入式系统的软件通常作为固件形式存在 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般固化在存储器芯 片或单片机中，而不是存储在磁盘等外部载体中。 5 嵌入式系统需要特定的开发环境和开发工具 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成后用户也不能对其中 的程序功能进行修改，必须利用特定的开发环境和开发工具。 在嵌入式系统中，软件的核心是嵌入式操作系统( e m b c d d e d o s ) 【2 引。嵌入式 o s 为多样的嵌入式系统提供统一的基本操作系统特性和软件资源支持，同时又 满足目标系统的特定的运行性能要求，而且达到隔离与系统结构无关的应用层软 件的目的。目前应用比较多的嵌入式操作系统有v x w o r k s ，p s o s ， 3 华南师范大学钡士学位论文 n u c l e u s ，u c l i n u x ，u c o s i i 等。下面分别简要介绍这些实时操作系统。 1 v x w o r k s v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司开发的具有工业领导地位的高性能实时操作系统。 其特点为：可裁减微内核结构，高效的任务管理，多任务，具有2 5 6 个优先级， 具有优先级排队和循环调度，快速的，确定性的上下文切换；灵活的任务间通信， 三种信号灯( 二进制，计数，有优先级继承特性的互斥信号灯) ，消息队列，套 接字，共享内存，信号，微秒级的中断处理。 2 p s o s p s o s 采用了先进的模块化体系结构，包括一个实时多任务核心和一系列的 公司软件部件和连接库。系统中的每个部分都是封闭式的，相互之间既独立又密 切协作。这在很大程度上提高了p s o s 的可扩展性，开发人员可以根据不同的应 用需求来制定操作系统的功能和所需要的内存大小。这种高度的可扩展性还使简 单的独立系统能够轻松地升级到复杂的网络化多处理器系统。 3 n u c l e u s n u c l e u s p l u s 采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的， 通常由几个c 及汇编语言模块构成，提供清晰的外部接口，对组件的引用就是 通过这些接口完成的。除了少数一些特殊情况外，不允许从外部对组件内的全局 进行访问。n u c l e u sp l u s 的组件包括任务控制、内存管理、任务间通信、任务 的同步与互斥、中断管理、定时器及i o 驱动等。 4 g c l i n u x m c l i n u x 的最大特征是没有m m u ( i 勾存管理单元模块) 。它很适合那些没有 m m u 的处理器。t c l i n u x 支持多任务，具有完备的t c p i p 协议栈并支持多种网 络协议，还支持多种文件系统，如r o m f s ，n f s ，f a t l 6 3 2 。实际上，“c l i n u x 已经成功应用于路由器、网络摄像机、机顶盒、p d a 等诸多领域。 4 u c o s - i i t c o s - i i 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时 操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务间同步与通信、内存管 理和中断服务等功能。m c o s 是针对实时系统的要求设计实现的，相对简单， 可以满足较高的实时性要求。具有良好的扩展性能。 4 华南师范大学顾士学位论文 嵌入式系统的自身特点和不断发展使其可广泛应用于工业控制、数据采集、 远程监控、智能管理、信息家电、移动通信、手持设备、网络设备等多种领域。 在图像获取领域，与传统的p c + 图像采集卡的方式相比，嵌入式系统凭借着工作 稳定，环境适应能力强，功耗低，便于安装与携带等优点也得到越多越多的重视 与应用，但是在目前占据主流的图像获取的嵌入式设备通常是单独存在的，采集 得到的图像数据存储到本地存储设备中，每间隔一段时间由工作人员到采集现场 中将数据取回分析，这种方式对于信号的实时获得，采集得的数据的安全性，对 采集系统的控制方面都具有难以消除的劣势。 通过将嵌入式设备接入网络，将原来孤立的单个嵌入式设备通过网络的通用 接口连接起来的技术成为嵌入式网络技术，嵌入式网络技术的引入，使得可以对 分散的嵌入式系统进行统一管理，在图像获取的场合，这使得各个嵌入式系统收 集到的信息能及时的传输回信号的采集的终点，这缩短了信号采集一数据转 移一一信号分析流程的周期，提高了反馈的实时性。可以断言，在将来的图像采 集领域，嵌入式系统与网络结合的技术将大显身手，占据各种应用的主流地位。 1 2 基于嵌入式系统的图像的网络传输 在网络中传输图像，由于网络的传输速率有限，为了实现图像的稳定传输， 必须对图像进行压缩，无损压缩的压缩比比较低，对降低码率的贡献有限，所以 在对图像质量没有精确要求的情况下通常采用有损压缩算法。由于嵌入式系统具 有计算能力有限的特性，需要基于该特点考虑具有适用性和实用性的压缩算法。 目前针对嵌入式系统进行图像压缩的工作，主要集中在以下的两个方面 ( 1 ) 动态图像的实时压缩：要求对视频信号进行实时的压缩，压缩算法基于通 用的标准，应用为视频监控系统或者视频会议系统。”，标准为m p e g 2 ，m p e g 一4 ， h 2 6 4 等，一般使用高端数字信号处理器如1 r i 的6 2 0 0 系列或者p h i l p s 的t r i m e d i a 来实现算法，配合处理能力强的高端控制器如a r m 9 ，x s c a l e ，使用嵌入式l i n u x 或 者嵌入式w i n d o w x p 作为操作系统，或者是使用高中端处理器配合视频压缩专用 芯片来构架系统，这种技术的典型应用是银行系统中的2 4 小时实时监控录像， 特点是对实时性要求高，要求压缩后重建的图像质量好，对成本较不敏感。 ( 2 ) 静态图像的高质量压缩：要求重建后的图像与原图相差极小，一般使用无 华南师范人学硕士学位论文 损压缩或者根据j p e g 2 0 0 0 标准进行低压缩比有损压缩，使用中档数字信号处理 器如t i 的6 7 1 1 配合中档处理器。典型应用是医学图像采集与存储系统。特点为 对重建的图像质量要求高。 由上可见，对于对成本敏感，每秒需要传输的图像的帧数只要求在若干帧以 内的场合下适用的压缩算法的研究还较为少见。该类的应用，如交通状况监测以 及工业视觉等，在将来会得到越来越多重视与发展，而随着工业以太网技术和 i n t e r n e t 的迅速发展，越来越多工业图像获取设备将接入网络，这种较为低 端的网络图像传输设备的应用将越来越广泛，对于这类系统进行研究，对适于在 其上实现的图像压缩算法的进行一定的探讨，是由一定价值的。 该类系统，对图像采集的帧率不高，对图像重建后的质量要求根据具体应用 场合有所不同，同时由于对成本敏感，其理想实现模式应该是在一个中档处理器 上运行一个非标准的灵活的静态图像压缩算法程序来实现压缩。下面的章节将针 对这个背景来进行论述。 小结 本章对论文的背景知识进行介绍，围绕嵌入式系统与嵌入式操作系统的特点 与现状，嵌入式网络与图像获取结合的优点进行了介绍，同时目前指出对于对成 本敏感，每秒需要传输的图像的帧数只要求在若干帧以内的这一未来大有发展的 应用场合的图像压缩算法与具体系统的研究还较为少见，值得在这方面做一些有 益的探索。 6 华南师范大学硕士学位论土 第二章嵌入式网络传输的图像压缩算法 本章将对目前较为通用的几种压缩算法进行描述，并进一步讨论对于对成本 敏感，每秒需要传输的图像的帧数只要求在若干帧以内的嵌入式系统的图像压缩 算法特点以及算法实现的具体细节，提出一种兼有较好的压缩效率与压缩效果的 算法，进行仿真并给出仿真结果。 2 1 图像压缩算法概述 随着现代信息社会对通信业务要求的不断增长，图像通信与通信网容量的矛 盾日益突出，特别是具有庞大数据量的数字图像通信，更难以传输与存储，极大 的制约了图像通信的发展，已成为图像通信发展中的“瓶颈”问题。图像压缩技 术受到了越来越多的关注。图像压缩编码的目的就是要以尽量少的比特数表征图 像，同时保持复原图像的质量，使它符合特定应用场合的要求。图像压缩是图像 存储、处理和传输的基础，它可以减轻图像存储和传输的负担，使图像在网络上 实现快速传输和实时处理。图像压缩技术已经研究了几十年，提出了诸如d p c m 、 d c t 、v q 等压缩方法，并已经形成了基于d c t 等技术的国际压缩标准，如j p e g 、 m p e g 、h 2 6 1 等! 图像压缩技术得到了广泛的实际应用。但是人们也逐渐发现 这些压缩方法的一些缺点：如高压缩比时出现严重的方块效应、没有充分利用人 眼视觉系统( h u m a nv i s u a ls y s t e m ，简称h v s ) 等。为此，人们经过不断探索， 又陆续提出了一些新的压缩方法，例如分形图像压缩、小波变换图像压缩、数论 变换压缩、人工神经网络压缩等。其中分形图像压缩和小波变换图像压缩是当前 的研究热点。 下面将简单描述几种效率较高，压缩后视觉效果得到较好保持的压缩算法： 1 j p e g 压缩“” j p e g 以d c t 为基础，压缩过程如下：首先对图像分成互不重叠的块( 一般 块的大小为8 8 ) ，对每块进行离散余弦变换( d c t ) ，变换后的系数根据量化 表进行量化，量化后的系数按折线扫描重新组织，然后进行游程编码、算术编码 或哈夫曼编码。 优点：形成了国际标准。 7 华南师范人学硕十学位论文 缺点：由于对图像进行分块，在高压缩比时产生严重的方块效应；系数进 行量化，损失信息；压缩比不高，小于5 0 。 2 分形压缩“” 分形压缩主要是利用自相似的特点通过迭代函数系统( i f s ) 来实现的，其 理论基础是迭代函数系统定理和拼贴定理。其主要优点为： ( 1 ) 分形压缩可获得很高的压缩比( 需要人工干预) 1 0 0 0 ：1 和很好的压缩效 果； ( 2 ) 分形压缩利用整体和局部的自相似性压缩，有较广的使用范围； ( 3 ) 解码可以从任意一幅图像开始，解码速度较快； ( 4 ) 将分形压缩用于序列图像。 但是它的缺点也不容忽视： ( i ) 在没有人工干预的情况下，压缩比还不够高； ( 2 ) 恢复图像有方块效应； ( 3 ) 压缩时间长，运算量大，不利于实时处理。 3 小波变换图像压缩“” 由于小波变换使信号的低频长时特性和高频短时特性同时得到处理，有效地 克服了傅氏变换在处理非平稳的复杂图像信号时所存在的局限性，因而在图像压 缩领域得到了广泛的重视。小波变换图像压缩首先对图像进行多级小波分解，然 后对每层的小波系数进行量化( 一般采用零树编码进行量化) ，再对量化后的系 数进行编码，如算术编码、哈夫曼编码等无失真编码。小波图像压缩是当前图像 压缩的热点之一，已经形成了基于小波变换的国际压缩标准，如m p e g 一4 标准， j p e g 2 0 0 0 标准，足以说明小波压缩在图像压缩技术中的重要性。 2 2 嵌入式网络传输的图像压缩算法 本论文的研究主要是基于在某些不需支持传输实时动态图像，传输速率为 若干秒每帧到每秒若干帧的图像采集与传输系统，针对该背景提出应用于系统的 算法应该具备以下特点： a 截取图像的部分比特流仍能得到一幅图的全貌： 获取图像进行正确分析的个重要前提是能及时获取图像的全貌以进行 及时分析和反馈，由于目前的网络出现数据丢失的情况还难以避免，网路 8 华南帅范大学碗士学位论文 阻塞的现象也常出现，在这种情况下，我们考虑的算法首先应该具备该特 点； b 由于在计算能力有限的处理器上实现算法，算法应当是高效而精简的； c 易于程序实现。 在考察和分析了各种算法的特点后，考察基于零树小波编码的算法，该算法 具有以下特点： ( 1 ) 算法思想简洁，易于通过程序实现，并且可以通过对原有算法某些步 骤的改善与省略实现精简的目的； ( 2 ) 是一种嵌入式编码，编码所得的比特流按其重要性排序，可以在任意一 点结束编码，允许精确度达到一个目标压缩率和目标比特率，而仍能确 切地产生同样的图像。 这些特点都能较好地符合上述的算法的要求，认为基于零树小波编码的算法 作为本文所考虑的应用方向的嵌入式系统上的压缩算法具有较高的实用意义。下 面将介绍算法的背景和围绕具体实现细节进行分析与讨论。 基于零树小波编码的算法进行图像压缩大体需要经过以下步骤 1 6 a 7 ：( 1 1 选择小波基及其对应的小波滤波器； ( 2 ) 输入待压缩图像点值序列；( 3 ) 给出 分解层数l 和图像数据向量长度k ；( 4 ) 对源图像采用分解算法进行小波变换， 得到不同层次不同图号的子图：( 5 1 根据不同层次不同子图的特点，对相应小 波系数的各个部分进行嵌入式编码。反过来，在恢复图像( 图像解压缩) 时，需先 根据密码书还原出各层小波系数，最后利用重构算法对还原后的小波系数进行 反变换以重建源图像。 基于零树小波编码的算法主要包含着两种重要的思想，分别为离散小波变换 和零树编码，对于后端的熵编码，我们采用成熟的自适应算术编码来进行，在本 文中不对其进行进一步的改进考虑。下面分别对离散小波变换和零树编码这两种 思想进行描述。 1 离散小波变换，对于离散信号，r 脚，离散小波变换的定义如下： d ，。， 冲。 ) ( 2 1 ) 式中，m ，1 ez jg m ，nr p 为离散小波函魏满足 t f - 。( 七) 一口i 2 q , ( 4 ，七一n b o )( 2 2 ) 9 华南师范大学硕士学位鲶文 其中，吖脚为满足小波变换约束条件的小波基函数； o 为尺度参数；6 0 为 平移参数。与d f t 变换、g a b o r 变换相比，小波的时频局域化使它在信号分析 中有着优良的性质，而且由于它对高频成分采用由粗到细渐进的时空域上的取样 间隔，从而能像自动调焦看清远近不同景物的放大镜一样放大任意细节。因此， 小波分析被誉为数学上的显微镜，是构造图像多分辨率表示的有力工具。它的多 分辨率分析提供了渐进式压缩的基础。而且由于小波逆变换具有一定程度的平滑 作用，因而小波变换的量化不会产生像d c t 的量化方法那样出现明显的块效应， 故此，小波变换压缩图像具有较好的还原效果。离教小波变换在图像处理与图 像分析的各个领域中得到了广泛应用。 1 9 8 8 年，s m a l l a t 利用多分辨率分析的概念，提出了离散小波变换的快速分 解与重构算法，即m a l l a t 算法【“，解决了小波变换计算比较复杂的问题。在实 际应用中，对于n 的图像，需要应用二维离散小波变换，二维离散小波变换的 快速算法如下： x f i _ r 川， 一一 x l h ( nm ，也) 厨l 划= f m ，彩= 咖，g ，j f f 磕1r 2 月l f l ，2 t 1 2 一脚 ho 暑器觚施_ f 1 ，2 啦。国 蛳，g ( i 2 ) 硫1 m 1 一h , 2 n 2 脚 u ：” ，；p w 矗r 聊垃1 垃川一i l 2 n 2 一脚 ( 2 3 ) 式中，g 和h 为分解低通和高通小波滤波器j xk ( n l ，n 2 ) 表示能量集中的低频 子带，体现灰度变化；xl h ( n l ，n 2 ) 为水平低频垂直高频子带，具有水平边缘信 息；x k ( n l ，n 2 ) 为水平高频垂直低频子带，具有垂直边缘信息：xi m ( n 1 n 2 ) 为水平高频垂直高频子带，具有对角边缘信息；原始输入信号为x k ，j 为变 换级数j l 0 9 2 n 。图像分解的数据传递如图2 1 所示： 1 0 兰塑堑婆丛兰塑：! ：堂竺笙苎 图2 1 图像分解的数据传递不愿图 图中，i2 表示下2 采棒即输出只剩下输入样本数的一半。图2 提供了对图像 数据进行小波变换处理的流程。首先，原始图像nx n 经过水平滤波器组分解 成低频和高频分量；然后，数据再通过垂直滤波器组，最终分解成为4 个子带 图像数据r 2 j f 2 j ，完成一级变换。变换后的3 个高频分量l h ，h l 和 h h 直接输出，而低频分量l l ，送到下一级滤波器组中进行第二级变换，依次类 推，最终完成小波变换。如图2 2 所示为一个小波三级分解的示意图。 l l 3l 煳 舭 l bh h j 刚 i h 2眦 u 扪h h l 图2 2 小波三级分解的示意图 2 零树编码是一种嵌入式编码，嵌入式编码是从一幅无信息图像开始，按照被 编码数据的重要性程度依次将对象的低码率数据放入码流，得到逐步精确的图 像，从而实现了渐进的传输【洲，而在解码端可以根据需要通过随时停止解码来 获得不同的压缩码率和显示精度的图像的一种编码方法。其目的主要有两个：一 是对于给定比特率得到最佳( 相对于特定编码算法) 的重建图像质量；二是在较 低比特率下的码流都嵌入目标码流的前端。e z w ( 嵌入式零树小波编码1 是嵌入式 1 1 华南师范大学硕 上学位论文 编码目前最主要的一个研究方向，基于其基本思想，根据不同的应用需求，人们 提出了许多改进的算法 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 1 。 基于零树小波编码的图像压缩算法，在本文研究背景的基础上实现时，面临 的是具体实现的形式以及精简的方式。 对于离散小波变换，相对于实型小波，整型小波基于l i f i n g ( 提升) 快速算法 1 1 4 , 计算非常简单，空间复杂度与时问复杂度选择都大幅降低，非常适合在计 算能力有限，没有浮点运算单元的处理器上实现，虽然在压缩效果上，实型小波 要好一些，但是对于绝大多数的图像，整型小波与实型小波的压缩性能差别很小， 所以本文选择整型小波来进行小波变换。由于l eg a l l ( 5 ，3 ) 小波的小波分解滤波 器的系数为： 具有滤波器的长度小的优点，在降低运算量上有很大贡献，本文选择该小波实现 小波变换。利用l eg a l l ( 5 ，3 ) 小波进行小波分解的方程为： d ：= d ：一i 1 ( j ? + 5 。o + 1 )( 2 4 ) s ：= s ：+ i 1l n 。1 一l + d ：) 相关的算法结构图如图2 3 所示： 图2 3 提升算法结构睡 ( 2 5 ) 华南师范大学硕l 学位论文 可以从图上看出，其基本运算为移位和加法运算，这使得程序实现的方式简 洁而高效。 零树编码( e z w ) 的思想是基于以下事实：在图像的低比特率编码中，用 来表示非零系数位置的开销远远大于用来表示非零系数数值的开销。其核心思想 是通过层次树的层层扫描实现稀疏分布的重要系数位置的隐含编码，通过定义零 树在闷值意义下用根结点预测其后代系数的幅值。 算法实现的具体思路为：由于图像的金字塔式分解从低频到高频子带形成了 一个层次树结构( 如图2 4 所示) ，定义p o s ，n e g i z ，z t r 四个符号：一个小波系 数x ，对于给定阈值t ，若i x l o s t c b s t k p t r ； o s r u n n i n g = t r u e ； 从新任务的堆栈中恢复所有的处理器寄存器； 从中断指令返回； ， 相应的实现代码为 o s s t a r t h i g h r d y m s r c p s r _ c ，g ( i n t d i s i s y s m o d e ) ；切换到系统模式 b l o s t a s k s w h o o k ；调用用户可定义的函数 l d r r 5 ，= o s t c b h i g h r d y ；堆栈指针= o s t c b h i g h r d y o s t c b s t k p t r l d r r 5 ，【r 5 】 华南师范大学硕士学位论文 l d r r 4 ，j r 5 】 l d r r 7 ，= o s r u n i n g m o v r 8 # 1 s t r b r 8 ， r 7 】 a d d s p , r 4 ，6 4 l d r l r ， s p , # - 8 】 ；o s r u n n i n g = t r u e ：调整堆栈指针 m s r c p s r _ c ，# ( i n t d i s i s v c m o d e ) ；切换回超级用户模式 m o v s p , r 4 l d r r 4 ，【s p 】，# - 0 x 0 4；c p s r 出栈 m s r s p s r _ c x s f , r 4 l d m f d s p i ， r 0 一r 1 2 ，l r ，p c “；中断返回 通过适当的移植工作，uc o s i i 就可以顺利地运行在a r m 处理器上了。 4 2 嵌入式t c p i p 协议栈的设计 众所周知，t c p i p 是一个协议族，它由几百种网络通信协议组成，这些协 议用于组织计算机网络中的数据通信。嵌入式系统是一种以应用为核心、以计算 机技术为基础、功能稳定的专用计算机系统。嵌入式t c p i p 协议栈其功能必定 在嵌入式系统的定义范畴之内。因此，嵌入式t c p b p 协议栈的功能是特定的， 它不要求( 也不可能) 实现所有的t c p i p 协议，其实现的必定是t c p i p 族的一个 子剿3 l 3 2 。基于这一思想，我们在设计嵌入式t c p 1 p 协议栈时在t c p h p 协议的 子集中实现，降低设计的难度。由于系统资源有限，本文系统设计的协议栈的目 标是一个能实现所需功能的尽量精简的协议栈。 本文系统中的a r p 协议，讲协议及i c m p 协议是t c p i p 协议栈最基本的也 是必须的协议，对于传输层协议，本文系统的协议栈根据具体需要实现了u d p 与t c p 。 u d p 没有保证可靠性的机制，没有其他的关卡机制，得以实现全速地发送 ( 即充分发挥物理通信设备的速度) 。考虑到本论文设计的系统需要传输大量的 图像数据，而图像的传送对实时性要求较高并且对于掉包不敏感，而由于在局域 网环境下丢包错序的现象很少见，同时可以在应用程序中适当地添加简单的控制 华南师范人学硕上学位论文 机制对乱序进行处理，系统中图像数据的传输采用u d p 具有更优的效果。 相对于u d p ，t c p 的可靠性是以许多复杂措施及由此而增加的开销为代价 换来的，t c p 提供可靠的数据流，但处理的开销较大，传输率有所降低。通过远 程控制台通过网络对系统的工作进行控制的过程具有数据量小，需要保证控制参 数在发送与接受过程中的顺序及内容的严格正确的特点，并且在一个完整的控制 过程中的的交互当中，双方应能了解对方当前的状态，t c p 的机制能有效地满足 这些要求，控制台程序与图像采集系统中的控制线程通过建立t c p 连接进行通 信是很有必要的。 整个协议栈如图4 1 所示，从程序设计的角度上看，各协议的关系体现在图 4 2e 。 图4 1 实现的t c p i p 协议栈结构 兰堕堑垫查兰堡：! 堂些丝兰 圈4 2 实现的t c p i p 协议栈中各协议的关系 4 2 1 以太网控制器的驱动 要实现协议栈，首先需要做的是将以太网控制器的驱动调通，2 5 1 0 片上自 带的以太网控靠4 器结构框图如下： _ j l j 心 h y !| 旧8 。m l a l 旦 匡半- r 翮， 罐h _ p m i ， 1 0 m b m 扣刊i 坐型1 2 卜_ 刊幽! l r l 一 p i s离 b ： o - 1 广。厅丽 ? 篙丽嵛 i 坚竺竺! l 。 m l b td r i i 蜘堕刚厂羽 上= j 1 l 7 i 絮学，| w ： 1 1 3 2 n 2 i ” l d e t e d c t l 5 4 邕堡 l _ 叫a n d c o n s g m a b d m ab i f i m _ c 。r - o i 意尝rb ir 蝈b 时7 m a cc o n - d a n d _ 1 ls 址幛 一q l1 t l 。 图4 3以太网控制器结构框图 编写驱动程序需要对其控制寄存器进行设置，主要工作分别针对b d m a 寄 存器和m a c 寄存器进行，编写相应的函数供上层调用。 在实现相关的函数中需要注意的是对太网控制器中的b u f f e rd e s e 却t o r ( 缓冲 华南师范大学硕士学位论文 区帧描述符1 的操作，数据帧的收发通过帧描述符来控制，帧描述符分为收，发 两组，每一个帧描述符由一个寄存器进行管理。发帧时通过扫描寄存器组获得一 个空闲的帧描述符，填充数据后交予下层处理，接收数据帧时c p u 响应中断， 并扫描寄存器组遍历接收帧描述符，处理每个填充了数据的帧描述符。 实现的函数主要有 1 v o i d t x f d i n i t i a l i z e ( v o i d ) 初始化发送帧描述符对应的结构体； 2 v o i d r x f d i n i t i a l i z e ( v o i d ) 初始化接收帧描述符对应的结构体； 3 v o i ds e n d p a c k e t ( u 84 d a t a ，i n ts i z e ) 1 在当前的t x f d 中取一个空闲的帧描述符； 2 将要发送的数据拷入帧描述符指向的缓冲区； 3 设置发送参数； 4 设置发送寄存器的发送位 5 全局发送帧描述符指针指向下一个帧描述符； ) 4 v o i d m a c t x l s r ( v o i d ) 发送数据中断处理程序，发送完成后产生该中断： 如果发送成功，处理m a c 寄存器和设置发送帧描述符； ) 5 v o i d b d m a r x i s r ( v o i d ) 对全部接收帧描述符进行遍历 牛南师范太学硕士学位论文 1 如果接收数据成功，调用相关数据处理函数； 2 设置接收帧描述符相关位； 3 设置已接收数据氏度字段； 4 调用底层函数，使以太网控制器回到能接收新数据的状态； 6 v o i dm a c l n i t i a l i z e ( v o i d ) 以太网控制器初始化，包括根据需要设置相应的寄存器，复位物理层芯 片以及设置数据发送和接受的中断服务程序； ) 编写好这几个函数后，上层程序就可以直接调用来实现需要的功能。 4 2 2 协议栈的实现 协议栈实现的整体考虑如下： a 在内存中开辟一片缓冲区，分为若干块，每块的大小为以太网数据包的最大 字节数( 1 5 1 4 ) ，为每个缓冲块在程序中维护一个管理数据结构，包含缓冲块首 地址，报文类型，报文长度，接受到的包还是等待发送的包，包的优先级，到达 时间等。 b 以太网控制器接收到数据后，产生中断，中断处理程序中将数据拷贝到某个 缓冲块中，并设定相应的管理字段。 c 协议栈的主程序扫描各个缓冲块，当扫描到某个缓冲块需要处理时，根据管 理字段的值调用相应的协议程序模块进行处理 较低层的函数处理完缓冲区中对应的数据包包头后，修改对应缓冲区的管理 字段，主程序继续扫描，当再次扫描到该缓冲区，将调用相应的较高层协议模块 程序进行处理。发送数据的流程相反，将需要发送的数据拷贝到缓冲区，根据对 应的协议头的格式先进行高层的包头的填充，改写对应的管理字段，主程序继续 扫描，当再次扫描到该缓冲区，调用相应的较低层协议模块根据对应的协议头的 格式进行进一步的包头的填充，如此一级一级封装并向下传递，最后调用以太网 驱动程序将数据包发送出去。该流程如图4 4 所示： 兰直堕苎奎兰塑主堂竺笙墨 一一一 图4 4t c p i p 协议栈实现流程图 在整体的程序设计上，采用一个任务专门处理协议栈，结合中断机制进行协 议栈的运转；对待数据包的处理调度方式结合考虑程序设置的数据包优先级和数 据包到达时间，对于接收到的包，先对优先级最高的数据包进行处理，当优先级 相同时，对先到达的包优先处理。对于发送的包，则按照优先级顺序进行处理。 所有的协议模块的实现都可以分为收包模块和发包模块，发包模块，无非是 根据对应的协议头的格式规定而进行包头的填充，然后将这个新的数据包交到下 一层的协议。收包模块则相对较为复杂，需要进行一定的判定并进行相应的处理。 下面对各个协议的实现进行简要描述。 4 2 21 削r p 协议的实现 a r p 协议即地址解析协议，是将i p 地址与网络物理地址一一对应的协议。 华南师范人学硕士学位论文 在i p v 4 中地址长度是3 2 位，在以太网中，设备的地址是4 8 位( 即m a c 地址) 。 一张a r p 表，用来支持在m a c 地址和i p 地址之间的一对应关系。它提供两 者的相互转换【9 】。主要流程为： 当传送一个的包要传向一个局域网的主机时，当它到达网关时，网关要求 a r p 对应程序找到物理主机或与m 地址相对应的m a c 地址，a r p 对应程序在 缓存中寻找，如果找到地址，则提供此地址，以传送到主机，如果未找到，a r p 对应程序就在网上广播一个特殊格式的消息，如果一台机器发现是自己的i p 地 址，它就发送回应，这样就指出了相应的地址，a r p 对应程序更新自己的缓存 并将此包送到回应的m a c 地址。 程序设计时需要定义一个口地址与以太网地址映射的表，在对方发送a r p 请求 包时，可以从该映射表中读取相应的数据回复给对方，在接受到对方的a r p 包 时将对方的i p 地址与以太网地址映射存储到该表中，程序中通过两个模块 a r p s e n d ( ) 和a r p r e c e i v e ( ) 来实现发送和接收a r p 报文的功能。 其中a r p r c c e n e ( ) 程序设计框图如下： 囤4 5 a r p r e c e l v e 0 流程框图 发送包模块a r p s e n d ( ) 的处理流程较简单，先在映射表中查找有无相应i p 地址与m a c 地址映射的项，如果无则发送a r p 请求包。 4 2 2 2i p 协议与i c m p 协议的实现 ( 1 ) i p 协议 华南师范大学硕十学位论文 i p 是t c p i p 协议簇中最核心的协议，该协议提供的是不可靠，面向无连接 的服务，其工作流程如图4 6 所示。 目l 删