（光学工程专业论文）嵌入式图像采集系统的小波算法及边缘检测研究.pdf

浙江大学硕十学位论文摘要 摘要 信息通信与互联网技术的高速发展，使得数字信息的处理量越来越大，而数 字图像作为其中8 0 以上的数据信息，成为了信息处理中的主要部分。特别是在 基于嵌入式系统的移动图像监控采集领域，目前硬件资源及移动网络都具有局限 性，如何在这此平台上降低图像的数据量以减少存储与传输中的信息量成为了亟 需解决的关键问题。 图像小波分析理论是近二十年来由f o u r i e r 变换发展起来的新兴数字图像处 理方法，具有良好的时域一频域分析特性，但由于嵌入式平台硬件资源的局限性， 算法复杂度较高的传统小波压缩算法的无法较好的在该平台上进行。针对这些问 题本文对传统小波算法进行创新，提出一种基于$ 3 c 2 4 4 0 嵌入式平台的新型的 改进小波变换算法，并创新性的将其引入w i n c e 嵌入式操作系统，同时对小波 算法处理前后图像的边缘信息进行了检测。论文主要内容包括以下几个方面： 1 、研究了嵌入式图像采集系统的特点，搭建了基于a r m 9 的实验平台。同 时对系统平台的软硬件环境进行合理配置，完成了操作系统内核的编译与c m o s 传感器的流接口驱动的修改配置。 2 、对小波变换图像编码理论进行了研究，讨论了小波分解与小波重构在二 维图像信号处理中的运用，并探讨了小波变换中小波基函数的特点与对比。并针 对本论文中用到的d a u b e c h i e s 小波进行了传统小波图像压缩与重构的仿真实验。 3 、分析了小波变换在该平台上进行移植的问题，选择了合理的小波基函数， 在d b 9 7 小波函数的基础上创新的提出了一种基于提升小波变换的优化整型算 法，在有效保留了传统小波变换算法良好时频特性、多分辨率分析等优点的同时 降低了算法复杂度，并设计了与传统j p e g 算法的对比实验。实验结果表明，在 相同压缩比下，三级改进小波算法比传统j p e g 算法缩短了近4 0 的压缩时间， 提高了约1 0 的峰值信噪比，证明了此算法非常适用于嵌入式图像处理领域。 4 、为了反映采集图像在通过改进算法压缩前后轮廓及噪声信息的变化，本 文最后设计经典边缘检测算子对比实验，结果证明了改进小波图像压缩算法良好 的去噪与优良的还原原图像信息的特性，并在此基础上给了最适合本系统的边缘 检测算子 关键词：嵌入式，图像压缩，改进小波变换，正交小波，提升算法，边缘检测 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o n sa n di n t c r n e t t e c h n o l o g y , d i g i t a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gc a p a c i t yb e c o m e sl a r g e r a n dl a r g e r h o w e v e r , d i g i t a li m a g e s ，w h i c hm a k eu p8 0p e r c e n to fd a t ai n f o r m a t i o n ，b e c o m et h e m a i np a r to ft h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g e s p e c i a l l y , i nt h em o b i l ei m a g es u r v e i l l a n c e a n da c q u i r i n gf i l e dw h i c hb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，s i n c et h el i m i t a t i o n so f h a r d w a r er e s o u r c e sa n dm o b i l en e t w o r k s ，h o wt or e d u c et h ea m o u n to fd a t ao fs t o r a g e a n dt r a n s m i s s i o ni no r d e rt or e d u c et h ea m o u n to fi n f o r m a t i o nb e c a m et h ek e y p r o b l e mw h i c hn e e d su r g e n ts o l u t i o n so nt h i sp l a t f o r m i m a g ew a v e l e ta n a l y s i st h e o r yw a sd e v e l o p e di nt h ep a s tt w od e c a d e sf r o mt h e f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ，w h i c hi san e w d i 西t a li m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d i th a sag o o d t i m ea n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sf e a t u r e s ，b u ts i n c et h el i m i t a t i o n so ft h eh a r d w a r e r e s o u r c e so ne m b e d d e dp l a t f o r m ，t h et r a d i t i o n a lw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nw h i c hh a sa h i g ha l g o r i t h mc o m p l e x i t yc a nn o tb ew e l lc a r r i e do u to nt h i sp l a t f o r m i no r d e rt o s o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ri n n o v a t et h et r a d i t i o n a lw a v e l e ta l g o r i t h m s an e w i m p r o v e dl i f t i n gw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o na l g o r i t h mb a s e do na r m 9e m b e d d e d p l a t f o r mi sp r o p o s e d a d d i t i o n a l l y ，b e f o r ea n da f t e rw a v e l e tp r o c e s s i n g ，t h ee d g e i n f o r m a t i o no ft h ei m a g ew a sd e t e c t e d t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fa ne m b e d d e di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，s e tu pa n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mb a s e do na m r 9 a n dr a t i o n a l l yc o n f i g u r et h ep l a t f o r m h a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t ，c o m p l yt h eo p e r a t i n gs y s t e mk e r n e la n dc h a n g e t h es t r e a mi n t e r f a c ed r i v e rc o n f i g u r a t i o no ft h ec m o ss e n s o r 2 r e s e a r c ht h e i m a g ew a v e l e tt r a n s f o r mc o d i n gt h e o r y , d i s c u s st h ew a v e l e t c o m p r e s s i o na n d w a v e l e tr e c o n s t r u c t i o ni nt h et w o d i m e n s i o n a l i m a g es i g n a l p r o c e s s i n ga p p l i c a t i o n ，a n dd i s c u s st h ef e a t u r e sa n dc o n t r a s t so ft h ew a v e l e tf u n c t i o n a n dt h e nas i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft h et r a d i t i o n a lw a v e l e ti m a g ec o m p r e s s i o na n d r e c o n s t r u c t i o ni sc a r r i e do u tb a s e do nd a u b e c h i e sw 打e l e tf u n c t i o nw h i c hu s e di nt h i s p a p e r i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 3 a n a l y s et h et r a n s p l a n t a t i o no ft h ew a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h mo nt h ee m b e d d e d p l a t f o r m ，a n d c h o o s ear e a s o n a b l ew a v e l e tf u n c t i o n a ni n n o v a t i v ea l g o r i t h mb a s e d o i ll i f t i n gi n t e g e rw a v e l e ta l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hb a s e do nd b 9 7w a v e l e t f u n c t i o n s t h ea l g o r i t h mn o to n l ye f f e c t i v e l yr e t a i n st h ee x c e l l e n tf e a t u r e so f t r a d i t i o n a lw a v e l e tt r a n s f o r ma l g o r i t h ms u c ha sg o o dt i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ， m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ，b u ta l s or e d u c e st h ec o m p l e x i t yo ft h ea l g o r i t h m a tl a s t ， c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lj p e ga l g o r i t h m ，a nc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n ti sd e s i g n e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w , u n d e rt h es a m ec o m p r e s s i o nr a t i o ，t h e3 - l e v e lw a v e l e t a l g o r i t h ms h o r t e n sp r o c e s s i n gt i m ea b o u t4 0 ，a n da l s oi m p r o v e st h ep s n ra b o u t 10 i ti se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o re m b e d d e dr e a l t i m ei m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m s 4 i no r d e rt or e f l e c tt h eo u t l i n ea n dn o i s ei n f o r m a t i o nc h a n g e sb e f o r ea n da f t e rt h e w a v e l e ti m a g ep r o c e s s i n g ，ac o m p a r a t i v ee x p e r i m e n to fe d g ed e t e c t i o ni sc a r r i e do u t b a s e do nc l a s s i ca l g o r i t h m t h er e s u l t ss h o wt h a ti m p r o v e dw a v e l e ti m a g e c o m p r e s s i o na l g o r i t h mh a sag o o dd e n o i s i n ga n de x c e l l e n tf e a t u r et or e s t o r et h e o r i g i n a li m a g ei n f o r m a t i o n , a n da l s ot h ep a p e rp r o v i d e st h em o s ts u i t a b l ee d g e d e t e c t i o na l g o r i t h mf o rt h i ss y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，i m a g ec o m p r e s s i o n ，i m p r o v e dw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o n ， o r t h o g o n a lw a v e l e t ，l i f t i n ga l g o r i t h m ，e d g ed e t e c t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：易长3 ( 锄壶字日期：二年多月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江态堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：弘p 年 答辩日期：一望但= ：兰： 导师签名： 签字日期：硼“年2 ) 月c 日 汤 日 j 以 钦h 浙江大学硕上学位论文致谢 致谢 经过一年多的努力，硕士毕业论文接近完稿，两年半的硕士学习生涯也即将 结束。两年多来，在我的导师林斌教授悉心指导和关怀下，我顺利地完成了硕士 课题的研究和论文撰写工作。林老师严于律已、认真负责的工作作风，实事求是、 一丝不苟的治学态度，虚怀若谷、宽厚博大的胸襟气度使我终生受益。在学习生 活和科研工作中的点滴进步，都与林老师的指导和帮助分不开。在本论文的选题 到最后文章的撰写，林老师一直悉心的帮助我，并提供了大量宝贵的指导意见， 同时我也从林老师身上学到了如何做人的哲理，特别是如何做一个对社会和国家 有贡献的人，在此谨向恩师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 在两年半硕士生涯中，还要特别感谢曹向群教授。曹老师虽然年过古稀，但 是无论在学术还是生活上都给我提供了很大的帮助。曹老师乐观的生活作风、严 谨的治学态度、渊博的学术造诣都深深的感染了我。在此特向曹向群教授致以衷 心的感谢。 同时还要感谢陈庆光博士，在硕士课题进行及论文撰写过程中，陈师兄都给 了我大力的帮助和尽心的指导。虽然在一起的时间已匆匆过去，但师兄渊博的学 术知识和认真严谨的科研态度让我受益匪浅。在此，向陈庆光博士致以真诚的谢 意。 再次感谢实验室陈庆光、陈浙泊、杨静、王守涛、宋继东、刘大海、林永涛、 沈焕波、王辉、卢颖飞、吴琼、郝丽芳等各位师兄、师弟和师妹们，在一起朝夕 相处的日子是以后美好的回忆，感谢这些年来他们对我的关心、帮助和支持。还 要感谢工程中心的所有老师和同学，感谢他们给予我的帮助和关怀，祝愿他们工 作顺利、学业有成! 最后，我要感谢我的家人和朋友，他们的支持和鼓励给了我前进的勇气和动 力，在此衷心的感谢他们对我的热切支持和殷切期望! 张文涛 2 0 0 9 1 2 2 7 于求是园 浙江大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 伴随着网络技术和通信技术的迅猛发展，人类社会从工业时代进入到了信息 时代。信息传递和信息内容反映了世界万物的存在状态和运动特征，是事物及其 属性标识的集合，它通常以文字、声音、图像等形式来表现。而人类从自然界获 取知识的过程，有8 0 v 2 上都是通过视觉感知n 1 ，这是人类认识世界的重要信息 来源；同时，图像能给人以最直观且具体的物体形象，但由于图像信息丰富、数 据量大，在人类信息处理的数据量中占到了7 5 p 2 上n 羽，广泛应用于各领域， 且受通信带宽、存储容量和计算机处理速度限制，因此，图像数据的编码技术成 为了数字信号处理领域的关键技术之一。为满足实际工作中的需要，有必要对图 像数据进行压缩处理，以提高传输和存储效率。 1 1 信息论中的图像编解码 在信息论中，我们通常关心信号的编码和解码过程b 1 ，并将信息传输和信息 压缩作为研究的两大领域。编码是用预先规定的方法将文字、数字或其他对象编 成数码，或将信息、数据转换成规定的电脉冲信号，即根据一定的协议或格式把 模拟信息转换成比特流的过程。其中信源编码的目标就是使信源减少冗余，更加 有效、经济地传输，增加了通信的有效性，最常见的应用形式就是压缩。信道编 码则是为了对抗信道中的噪音和衰减，通过增加冗余，如校验码等，来提高抗干 扰能力以及纠错能力，增加了通信的安全性。相反的，解码则是用特定方法把数 码还原成它所代表的内容或将电脉冲信号转换成它所代表的信息、数据等的过 程。其中，整个信息通信系统的流程框图n 4 1 可见图1 1 所示。 广 广1 广 广 广 广一 广 i 信道l l 信源编码h 信道编码卜蝙道传输+ 噪列一信道解码h 信源解码l 一信宿i 。一。1 。一l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一l - _ _ - - - - _ _ - _ - _ _ - - _ _ jl - _ i _ - - _ _ _ - 一l - _ - _ _ _ _ _ _ - 一_ - _ _ l _ 一 图1 1 信患通信系统流程框图 今天图像数据压缩编码在技术和应用上获得了巨大的发展，多种图像编码算 法已广泛应用于各个图像处理领域。如何在实际工作和环境中选择合适的图像编 码方法成为目前数字图像处理技术的关键。本文就信息通信系统中信源编码技术 及图像边缘检测技术进行研究和改进。 1 - 2 嵌入式系统的现状及发展 1 2 1 嵌入式发展现状 浙江大学硕士论文第一章绪论 嵌入式系统d 1 被i e e e ( 国际电机工程师协会) 定义为“控制、监视或者辅 助装置、机器和设备运行的装置”。从中我们可以看出嵌入式系统是软硬件的综 合体，同时还可以包括机械设备等附属装置。但是上述定义仅从应用上加以说明， 并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前普遍被业内认同的定义为：以应用为 中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应于应用领域对功能，可靠性、 成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统早已融人了人们的日常生活，目前所见到的数码相机、可视电话、 多媒体口电话和电话会议等产品，都采用了嵌入式系统的核心技术。嵌入式系 统把微处理器的系统电路与其专用的软件平台相结合，从而实现了系统操作的最 高效率。随着后p c 时代的到来，信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术 获得了广阔的发展空间，有理由相信嵌入式系统会呈现出蓬勃发展的趋势。伴随 着嵌入式处理器的飞速发展和嵌入式操作系统的应用普及，越来越多的应用能够 在更小型的嵌入式系统上构建灵活、稳定、低成本的数字集成系统。 1 2 2 嵌入式发展趋势 基于嵌入式系统的各种优点，从而具有广阔的应用前景，目前已广泛应用于 工业控制、交通管理、信息家电、电子商务、环境工程、机器人等各种领域。数 字信息时代给嵌入式领域的发展带来了巨大的机遇和美好的前景，但对嵌入式生 产厂商亦提出了新挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势d 1 ： 1 、嵌入式领域的开发工作是一项复杂的系统工程，因此要求嵌入式系统厂 商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软 件包支持。 2 、随着因特网技术的成熟，带宽的增加，对嵌入式软硬件的处理和存储速 度提出了更高的要求，多种网络通信接口技术的需求也日益增加。 3 、随着功耗和成本的降低，多种操作系统、精简处理算法不断开发。开发 者需要尽量精简系统内核、选用最佳的编程模型和不断改进算法以满足用户对处 理速度和功耗的要求，利用最少的资源完成最优的功能。 4 、更为友好的人机界面。设计者在嵌入式系统开发时需更从用户出发，提 供更为友好的图像用户界面和灵活可用的控制方式。 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理器。目前全球已有超过1 0 0 0 多 2 浙江大学硕士论文第一章绪论 种的嵌入式处理器产品，流行的架构也已达到了3 0 多个b “1 ，包括a m l 8 6 8 8 、 3 8 6 e x 、c o l d f i r e 、p o w e rp c 、m i p s 、a r m 系列等。而随着微处理器结构由r i s c 全面取代传统的c i s c 构架，a r m 处理器作为r i s c 的典型代表芯片在各个领域 被越来越多的使用。综合起来，其优点主要包括以下几方面b 7 1 ： 1 、体积小、成本低、功耗低、性能高； 2 、c p u 使用大量寄存器，多数数据操作在c p u 内部进行； 3 、支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 位或1 6 位器件； 4 、固定指令长度，功耗降低，同时指令编码更为简单； 5 、寻址方式少，提高了指令处理速度。 1 3 嵌入式图像压缩的背景 1 3 1 嵌入式图像压缩的必要性分析 在信息时代，获取和处理信息成为了数字化时代的特征，但是数字化的信息 特征带来了数据的海量，成为信息的储存和传输过程中的瓶颈，特别是在嵌入式 系统中，数据存储容量和移动网络传输速度的局限性，使图像采集实现实时性的 难度变得很大。虽然依靠增加通信带宽和增大储存容量等方案可以解决，但是这 会明显的增加投入成本。如果能采用数据编码技术，通过压缩算法减少数据量后 再通过重建算法还原数据，就能在节省存储空间的同时明显的减小对传输带宽的 要求，提高传输效率。因此，对嵌入式图像压缩技术的研究对图像采集向微型化、 网络化发展具有重要的意义。 1 3 2 嵌入式图像压缩的可能性分析 信息论的观点表明d 7 1 ，信源数据量是由信源熵( 信息量) 与信息冗余量两 部分组成的。而图像信息本身作为信源，其中必然存在大量冗余信息，数据压缩 的实质就是减少这些冗余以达到数据量减小的目的。通常由于像素在行列间都存 在着较强的相关性，如果利用某种编码算法提取并减少其相关性，就可以在减少 冗余量的同时不减少信源的信息量，这样就实现了图像数据的压缩。实质上压缩 的过程就是减少图像信息中某些数据量的相关性。在某些情况下，我们利用人眼 对不同信息敏感度不同的视觉特性，将敏感度不大或者实际中意义不大的客观信 息加以滤除，那样压缩比可以变得更大。因此，研究图像压缩的重点p 8 1 就是在 于如何去除图像数据冗余量来减少图像信息的数据量。 浙 学论空 笫一章绪论 1 3 3 图像冗余信息 图像数据的冗余信息大致分为以下几类： 1 ) 空间冗余 一帧图像内的任何场景都是由若干像素点构成的”1 ，因此一个像素点通常与 其周围的某些像素点在亮度和色度上存在一定相关性，即其表面物理特征具有某 种相关性，这种相关性的成像结果在数字图像中就表现为空问冗余。举个例子， 下图1 2 中，三个区域a 1 b 。c 分别代表了白云、蓝天和草地，各自表现为相应的 不同颜色，但同一区域内的像素点之问具有相近的亮度和色度，这样就带来了空 间冗余，且冗余量与通区域内像素点的相关性成正 匕。我们可通过改变物体表面 颜色的像素存储方式试图改变空问连贯性，以减少冗余信息量。 图12 空问冗余展示圉 2 ) 时间冗余 时问冗余”是序列图像( 流媒体视频、动画) 和语音数据中常包含的冗余 数据形式。通常在视频序列中，帧与帧之间的图像信息具有较大的相关性，大大 增加了视频信息的 匕特率，而音频信息同样也是一个连续渐变的过程，在时问上 同样具有相关性。如下例图13 中，某人在路上走，两帧图中人物在时间段t 内 仅相对于参照物树发生了位置差异，人物与参照物树的数据在时问上具有相关 性，因此这两帧图像具有时问冗余。目前在流媒体压缩方式中，针对时间冗余进 行编码的算法如h2 6 3 2 6 4 ，m p e g 等进行运动补偿。 浙江大学硕士论文 第一章绪论 余灭 t j 姣j 雯 jkjk 舞 图1 3时间冗余图 3 ) 结构冗余 纹理结构性较强的图像通常存在着结构冗余随1 ，在其纹理区内像素值有着明 显的分布模式。如格子图、肖像头发图、草地波浪纹等。 4 ) 知识冗余 在我们已有知识认知结构的情况下，对某些图像的识别与理解具有极大的相 关性，由此带来的规律性的数据冗余被称为知识冗余隅1 。例如，天空应该是蓝色 的，云朵应该是白色的，草原应该是绿色的，太阳是火红色的。在此种情况下， 为减少数据量，可通过已有知识结构对某些图像中所包含的物体，构造出其基本 模型信息，并创建相应的特征图像库，用以保留和存储图像的基本特性。由此， 知识冗余在模型编码领域中被广泛应用。 5 ) 视觉冗余 以往实验表明，人的视觉系统对图像亮度信息的敏感度要大于色彩度归1 ，并 且随着亮度的增加，视觉敏感度反而降低，由此可知人眼的视觉系统存在一定感 知的极限。如果在图像信息进行编解码操作时带入了噪声信息，且这部分信息超 过了人眼的视觉分辨极限，这部分信息就不会被视觉系统所察觉，这样就造成了 视觉冗余。事实上，通过对人类视觉系统进行的大量研究表明，人类视觉的分辨 能力约为2 6 灰度等级，而一般图像的量化采用2 8 灰度等级，因此存在约2 b i t 的 视觉冗余n 们。 同理，视觉系统对灰度值发生骤变的图像边缘区域和非边缘区域敏感度差别 较大。根据视觉系统的这些特性，对不同频率的图像数据信息，可根据实际需要， 对这些信息进行相应处理。本文研究的基于小波编码的理论就在一定程度上利用 了人眼这一特性。 6 ) 区域相似性冗余 当图像中的多个区域中所对应像素值相同或相近时，就会产生数据重复性存 浙江大学硕士论文第一章绪论 储，这就是图像的区域相似性冗余。在此情况下，一旦记录了某个区域内的各 像素值，则相同或相近区域就不需再记录各像素值。向量量化方法就是消除这种 冗余的图像编码方法。 7 ) 纹理的统计冗余 有些图像纹理本身不服从分布规律，但在统计学上服从某个规律，这样就会 带来统计冗余他1 。利用这一性质通过编码算法也可以减少表示图像信息量，达到 图像压缩的效果。 随着对人类视觉系统和图像编码方法的进一步研究，更多的图像冗余性将会 被发掘，使得数字图像压缩的可能性增大，从而推动图像压缩技术的进一步发展。 1 4 目前现有图像编码算法及特点 图像压缩原理主要在于消除由图像信息在空间上和时间上的相关性带来的 数据冗余来减少图像数据量。图像压缩通常可以分成两种类型：有损压缩和无损 压缩，主要包括的几类图像编码如下图1 4 所示眇1 们。 图像j 丢缩方法 无损压缩有损压缩 黧蓦 il d c ti篙k k 瑚【p e l z w 编码 运动补偿子带编码分形编码 i 采样l m p e g l 矢量量化 lh 2 6 1 图1 4图像压缩方法分类图 1 4 1 无损压缩 无损压缩利用了数据统计特性进行数据压缩，典型的无损压缩编码包括 h u f f m a n 编码、行程编码、算术编码和l e m p e l z e v 编码 1 。无损压缩本身不丢失 图像数据信息，因此不会造成信息失真，它能确保完整的恢复原始图像数据，但 这种方法的压缩比率通常比较低，一般在2 ：1 到5 ：1 之间。 1 4 2 有损压缩 由于人的视觉系统对于图像信息中的不同部分敏感性有差异。有损压缩的原 浙江大学硕士论文第一章绪论 理就是利用这一特性使解压后的图像看起来与原始图像相同或者近似，它不能完 全恢复原始信号的数据，但其压缩较高，其中动态视频图像的压缩比更能达到 1 0 0 ：1 。有损压缩的主要方法包括预测编码、变换编码、模型编码、基于重要性 的编码以及混合编码方法等。压缩比随着编码方法的不同差别较大。 1 ) 预测编码 预测编码是一种消除相邻像素间的数据冗余的编码方法口3 1 ，差分脉码调制 ( 简称d p c m ) 是它的一种基本方法。 2 ) 变换编码 变换编码旨在降低信源空间冗余度一1 。最常见的傅里叶变换就是一种正交 变换。如果将取样后的图像看作一个二维矩阵，对此矩阵进行二维离散傅里叶变 换( d f t ) ，所得变换域中的各元素( 变换系数) ，对应了图像中不同频率成份的 幅度值。由于画面在内容上的连续性，图像矩阵中相邻元素之间的相关性较强， 通过变换后，不同频率的幅度值之间的相关性变得小很多。研究证明h 6 射，各 类正交变换( 例如，k - l 变换，d c t 变换等) 都能在一定程度上减少随机向量 的相关性。由于变换所产生的变换系数间的相关性很小，可分别独立地对其进行 处理；而且信号经过大多数正交变换后，能量都集中在少数系数上，通过量化删 去对人眼不敏感的变换系数，用剩下的系数进行重构，并不会引起明显的失真， 这就是利用正交变换来进行图像压缩的基本原理h 1 。 3 ) 量化 量化是通过将抽样得到信号瞬时值的幅度值进行离散d 1 们，用一组规定的电 平值代替了瞬时抽样电平值。 4 ) 熵编码 熵编码旨在消除信源的统计冗余信息，因此并不会出现中途信号的丢失。常 用的熵编码包括了霍夫曼编码，算术编码，仙农码和游程编码等。所有这些编码 方式都不引起信息的损失，因而称为无损编码。 5 ) 具有运动补偿的帧间预测编码 ( 1 ) 序列图像( 视频图像) 的运动估值 消除序列图像在时间上的冗余，是视频图像编码的重要方法。序列图像的 时间冗余主要表现在1 ： 浙江大学硕士论文第一章绪论 1 、对于静止的场景，两帧图像间的信息是完全相同的； 2 、对于运动的物体，只要知道其运动规律，就可由前一帧图像推算出它在 本帧中的位置。因此，编码器只需将物体的运动信息如运动速度和方向等信息告 知解码器，解码器就可以将此信息与前一帧图像进行比对，从而更新当前图像。 这种方法的关键在于如何从序列图像中提取相关物体的运动信息，因此这种方法 通常被称为运动估值法。 目前，比较成熟的运动估值法主要分为两大类：块匹配方法和像素递归法。 两类方法都只能估计物体的平移运动，而块匹配方法应用更为广泛n 一。块匹 配方法的基本原理是将图像划分成众多块区域，并设定每个子区域中所有像素位 移量都相同。对于第n 帧中的每一子区域，在第n _ 1 帧中先找到与其最相似的子 区域进行匹配。 ( 2 ) 帧间预测编码 帧间预测与消除空间冗余的预测编码类似。该方法不直接传送当前帧( k 帧) 的像素值是s ，而采用了传送s 与前一帧的对应像素s t 之间的差值n 。由于图像 中存在着运动物体，传送x 与前一帧经一定位移后所对应的像素s ”之间的差值的 方法被称为具有运动补偿的帧间预测。显然，它的预测误差较简单的帧间预测低， 能达到更高的压缩比。需要注意在传送帧间差值的同时，还需将该子块前一帧的 运动矢量传送给解码器，以便解码器能从前一帧( k - 1 帧) 图像信息中恢复出当 前子块来。 用k 1 帧预测k 帧图像的方式称为前向预测，从后续的k 帧预测前面的k - 1 帧图像的方法称为后向预测。实际应用中，为了提高压缩比，通常采用由前、后 两帧信息来预测中间帧的双向预测方法，此时需要将前后两子块的运动矢量传送 给解码器。 6 ) 其他编码方法 其他的压缩编码方式如n 1 ：子带滤波，矢量量化，分形编码及基于模型的编 码等。 1 5 嵌入式图像采集系统的研究意义 随着电子技术和信息技术的发展，客户对终端设备便携化、智能化、小型化 的需求越来越高，而嵌入式技术可以提供一种较为完善的解决方案 1 特别是在 浙江大学硕士论文第一章绪论 远程图像采集领域，相对于传统p c 加采集卡体积过大、成本过高、不能移动作 业等缺点，嵌入式图像采集技术控制灵活、携带方便等特点，使其在这一领域得 到广泛应用。 其中图像采集是最核心的技术。图像采集的速度、质量直接影响到产品的整 体效果。嵌入式图像采集系统通过微处理器和嵌入式操作系统的使用，使图像采 集系统可作为网络节点直接与计算机网络通信。内部总线将图像数据送到内置的 w e b 服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 服务器上的图像，真正实 现了图像的远程实时采集与观察。相对于传统的图像采集卡加p c 机的方案，该 系统硬件集成度高，控制灵活，具有体积小、成本低等优点。因此嵌入式图像采 集系统的研究对图像采集向微型化、网络化发展具有重要的意义。 1 6 本文的主要工作及创新点 本论文依托了“嵌入式证件扫描系统”及“嵌入式图像采集仪”两个项目， 通过构架了嵌入式图像采集与处理系统的硬件平台，重点研究了基于a r m 9 平 台的数字图像处理技术，并通过实验对基于嵌入式平台的数字图像小波压缩与边 缘检测等技术进行了研究。主要工作如下： 第一章简单的介绍了嵌入式系统的概念与目前的发展现状与未来的趋势， 探讨了数字信息处理系统中图像压缩的必要性和可能性，其中概要罗列了一些图 像冗余信息的种类。同时介绍了目前图像编码领域的一些已有技术，分析了嵌入 式图像采集系统的研究意义与图像采集传感器的特点。 第二章介绍嵌入式图像采集系统的设计与组成，并分析系统的工作原理， 简要的介绍了系统的硬件平台的主要部分和本论文中实验系统的硬件选型。同时 通过分析了w i n c e 操作系统的特点及软件框架，重点研究了在$ 3 c 2 4 4 0 平台上 进行本论文实验的软件平台编译工作，主要包括b o o t l o a d e r 烧写调试、流接口驱 动的编译、系统内核裁减与定制、图像采集传输与小波压缩应用程序四个部分， 同时对其进行了系统描述。 第三章首先对傅里叶变换到小波变换的发展进行简单介绍，对小波多分辨 率分析进行阐述，并探讨基于小波变换的二维图像信号的分解与重构技术。论文 系统阐述小波基函数的原理及常见小波基的种类及特点，最后利用传统小波算法 对图像信号进行了m a t l a b 仿真实验，以证明小波变换的特性。 浙江大学硕十论文第一章绪论 第四章重点研究基于嵌入式平台的改进小波图像压缩算法。首先介绍小波 提升算法的理论基础及实现步骤，分析嵌入式平台的系统特点，探讨提升算法较 传统算法的优点。在此基础上，重点研究并提出了基于提升算法的嵌入式小波改 进算法，并对此算法的实现框图及数理公式进行详细的分析和推导。 第五章重点进行嵌入式图像小波压缩的实验及结果分析。首先给出实验平 台的框图，并设定实验中研究的性能评价参数。其次给出实验中d b 9 7 小波基的 选择、算法实现的流程框图及实验中小波基及滤波器的函数图。然后通过设计改 进小波算法与传统j p e g 算法在嵌入式平台上的对比实验，得出实验图像及数据， 并分析实验结果。最后在此基础上进行图像数据从嵌入式平台到上位机系统的传 输实验。 第六章在p c 平台上进行图像边缘检测实验。首先简单介绍图像边缘检测 的理论基础及图像边缘的特征，并总结介绍目前该领域的一些算子及其特点。为 了反映经过改进小波图像压缩算法前后的图像噪声及轮廓信息的变化，重点选择 其中几个经典算子进行实验分析，实验结果反映了改进小波算法良好的去噪特性 和轮廓还原性，并得出了在该系统应用中各算子的优劣性。 本论文主要创新点包括以下两点： 一、目前基于嵌入式平台的图像采集与处理系统大多采用l i n u x 操作系统， 而对于w i n d o w sc e 下如何快速的构建图像采集与处理系统，还没有较为详细的 研究，但w i n c e 系统具有接口及外设丰富、程序编译方便快捷、用户操作简单等 优点，本论文在w i n c e 操作系统下进行数字图像的处理具有一定的创新意义 二、在嵌入式数字图像处理领域，由于硬件资源的局限性，基于传统小波算 法的压缩编码由于算法复杂度和浮点运算的特点不能较好的在该平台上运行，通 常使用传统的j p e g 压缩算法进行图像压缩编码，图像处理的效率与结果图像质 量并不理想。本论文通过对嵌入式w i n c e 系统的研究，并通过分析二维小波算 法的原理特点，创新性的提出了一种基于嵌入式系统的优化整型小波算法，将基 于浮点运算的小波算法进行了整型化，同时进行了算法代码的优化，成功将其引 入到嵌入式开发平台上，这种改进算法在嵌入式图像处理方面是创新性的。 浙江大学硕士学位论文第二章图像采集系统的硬件系统及平台设计 第二章图像采集系统的硬件系统及平台设计 2 1 系统基本的设计与功能介绍 远程图像采集系统主要由采集子站( 现场设备层) 、传输网络、远程控制主 站三大块组成n 引，由下图1 所示。采集子站主要负责现场图像的采集和压缩，并 在发送传输命令的同时接收来自远程主站的控制信号。采集子站的硬件系统由图 像传感器( 视频采集卡) 、嵌入式设备及外围存储控制设备组成。远程控制主站 负责向子站发送控制命令，接收图像视频数据，还原图像信息。整个系统原理框 图如下图2 1 所示。 现场图像光学镜头 图2 1远程图像采集系统概图 2 2 图像采集系统的工作原理 为实现图像移动采集与网络传输的功能，本论文终端采用了基于a r m 9 的硬 件框架。整个系统的工作原理如下：远程控制端由控制者输入控制信息，并通过 网络等方式将控制信息传递至a r m 端，a r m 发送实时图像采集指令至c m o s 图像传感器对现场图像进行采集。其中采集端利用c p l d 作为采样控制器，同时 发送正确的时序信号驱动c m o s 并使其正常工作，将采集到的图像信号数据进 行打包并存之系统缓冲区，原始图像信号进入a r m 端进行数据压缩处理，最终 通过网络传输向远程控制端发送图像数据。其中的传输部分可以根据实际工作中 需要采用以太网，蓝牙，u s b 无线网卡等方式进行传输。 其中，a r m 芯片是整个采集仪器系统的核心模块，负责控制现场子站图像 采集和处理来自远程控制中心操作命令的工作。它与c p l d 之间采用i i c 标准进 行通信，控制c p l d 对c m o s 传感器发送指令进行实时图像的采集，并将采集 到的一帧图像数据写入到s d r a m 的缓存区，通知a r m 进行图像压缩，同时进 一 一 一 浙江大学硕一仁学位论文第二章图像采集系统的硬件系统及平台设计 行下一帧图像的采集，通过c s 8 9 0 0 网卡芯片或者g p r s 模块与外界进行网络通 信，并在远程控制中心主机端进行图像解码并显示。论文中设计了多路g p i o 口， 接收来自现场的各种采集指令。 2 3 采集系统中各部分硬件选型 系统采用c s 8 9 0 0 以太网控制器，通过t c p i p 协议栈完成数据信息的有效接 收和发送；利用系统板载摄像头接口可连接图像传感器模块，本系统采用了美国 o m n iv i s i o n 公司的o v 9 6 5 0 摄像头，这是一款基于有效像素为1 3 0 万像素 ( 1 2 8 0 1 0 2 4 ) 的c m o s 彩色图像传感器芯片的产品n3 1 ，具有可编程控制与模数 转换的功能，完成对图像信息的采集以及现场基站的监控。整个基于a r m 平台 的系统构架如下图2 2 所示。 外部响应 控制主站 图2 2 基于a r m 平台的系统硬件框架图 由上图2 2 可以看出，基本系统电路如下： 集成了a r m 9 $ 3 c 2 4 4 0 处理器内核，高性能3 2 位r i s c 体系结构； 2 片h y n i x 公司的3 2 ms d r a m ； 1