（电子科学与技术专业论文）基于jpeg2000的嵌入式图像采集终端的设计与实现.pdf

a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，t h eu s a g eo fe m b e d d e di m a g ea c q u i s i t o nt e r m i n a lh a sb e c o m em o r e i n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d ，t h u si m a g er e s o l u t i o n ，q u a l i t y a n dd e l i v e r ya p p r o a c hr e q u i r e s c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n t a si m a g ec o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s a n d s i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y s c o n t i n u e sd e v e l o p ，h i g h d e f i n i t i o ni m a g e a f t e rc o m p r e s sh a sl e s sd a t a v o l u m ea n dr e q u i r el e s sb a n d w i d t ht oe n a b l ed a t at r a n s m i s s i o nt h r o u g hw i r e l e s sn e t w o r k ， w h i c hg r e a t l ye x p a n d e dt h ea p p l i c a t i o no fi m a g em o n i t o r i n gs u c ha st r a c k i n go b j e c t s f o r d y n a m i cm o n i t o r i n g ，p o r t a b l em o n i t o r i n g ，a n ds oo n t h ep a p e ra n m y z e dt h ec u r r e n ti m a g ec o m p r e s s i o nc o d i n g a n dw i r e l e s sn e t w o r k t e c h n o l o g ys t a t u sa n dd e v e l o p m e n t ，c a r r i e do u tac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h es y s t e m t h e n t h ep a p e ri n t r o d u c e dj p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o nt e c h n o l o g ya n ds o m eo t h e rr e l a t i v eb a s i c k n o w l e d g e ，f o c u s i n go nt h ej p e g 2 0 0 0i m a g ec o m p r e s s i o nc o d i n ga n da n a l y s i so ft h ec o d i n g p r o c e s si nd e t a i l ，a n dr e a l i z et h ej p e g 2 0 0 0i m a g ec o m p r e s s i o nc o d i n gw i t ht h eu s eo f a d s p b f 5 3 3 a n dw i t ht h ec o m b i n eo fw i f iw i r e l e s sn e t w o r k ，t h ep a p e rc o m p l e t e dt h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee m b e d d e di m a g ea c q u i s i t o n t e r m i n a la tl a s t t h ep a p e ru t i l i z ea d ic o m p a n y sb l a c k f i n5 3 3d s pp r o c e s s o ra st h ec o r eo f t h es y s t e m ， c o m l e t e dt h ed e s i g no fe x p a n s i o no ft h es y s t e mh a r d w a r ec i r c u i t ，a n dd e t a i l e di m a g ec a p t u r e m o d u l e s ，w i r e l e s sm o d u l e sa n dm e m o r ym o d u l e s ，a n ds oo n ；t h e nb a s eo nt h eh a r d w a r e d e s i g ni st h et r a n s p l a n t a t i o no fb o o t l o a d e ra n dt t c l i n u xe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t h e c o m p l e t i 0 1 1o ft h eo v 9 6 5 0i m a g es e n s o r , i s p 7 6 1a n dn a n df l a s hd r i v e r ；f i n a l l y , b a s eo n j a s p e rs t a n d a r dl i b r a r y , j p e g 2 0 0 0i m a g ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mh a sb e e n r e a l i z e do nb f 5 3 3 ， a n do t h e rr e l a t e dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g nh a sb e e nc o m p l e t e d t h e w h o l es y s t e mh a ss o m et r a i t so fs i m p l ec o n f i g u r a t i o n ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s m a l lv o l u m e ， a n ds t r o n ge x p a n s i b i l i t y , e t c b a s e do nt h ec o m p l e t i o no ft h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m s ，t h ep a p e r c a r r i e do u tat e s tm e t h o d s y s t e mb o o tp r o c e s s ，i m a g ed a t ac o m p r e s s i o na n dt r a n s m i s s i o n p r o c e s sh a sb e e nt e s t e d a n dt h ep a p e re s p e c i a l l ya n a l y s e dt h eq u a l i t yo fj p e g 2 0 0 0i m a g e c o m p r e s s i o na l g o r i t h m a n dt h e s et e s t sv e r i f i c a t i f i e dt h es y s t e m ，a n dt h et e s tr e s u l t sp r o v e d t h a tt h es y s t e mh a sa c h i e v e dt h ed e s i g no b j e c t i v e s k e yw o r d s ：i m a g ea q u i s i t i o n ，j p e g 2 0 0 0a l g o r i t h m ，w i r e l e s sn e t w o r k ，d s p i l l 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 巷择吼泗夕年了月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“妒) 作者签名： 导师签名： 邗参 硕i j 学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着科学技术的发展，图像监控技术发展十分迅速，成为现代管理、控制的重要手 段之一。图像监控一直是近年来的热点应用技术之一，由于内容直观、信息丰富，图像 监控系统广泛应用于各种不同的场合。图像监控系统是根据某种特定的使用目的和应用 条件，由图像采集、图像处理、图像传输、图像管理和系统控制等相关电子设备和传输 介质组成的一个有机整体。此外，除了出于监控的目的，在很多场合，由于客观条件的 限制，不方便或不可能进入现场进行直接的观察，只能用适应性更强的电子图像设备来 代替完成。因此，利用图像技术对重要对象进行监控，己经逐渐成为现代生活中必不可 少的一部分。目前己广泛应用于交通、金融、商业、医院、工矿企业、住宅小区等。 图像监控系统的主要作用是对目标景物的监视。其中控制设备的作用是为了更准 确、清晰、高效地获取目标图像信息。通过对控制设备的操作，调整图像采集设备，改 善再现图像的质量。图像监控系统的另一个特点是可以把被监视场所的图像全部或部分 地记录下来，为同后对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。特别是画面分割器和 长延时录像设备、大容量存储器的出现，为实现对多画面长时问连续监视、记录提供了 极大方便。总之，图像监控系统己成为安全防范技术体系中不可缺少的重要组成部分。 但是，随着应用需求的增加，在一些监控系统中，由于各监控点分布范围广、数量多、 距离远，还可能处于运动物体上，因此架设光缆、铺设电缆难度大、成本高，而且有些 监控点线路难以到达，例如在实际应用中，有很多监控系统需要在运动中或在远距离实 施监控，如物流监控，运动中的车辆监控等，这些应用环境不适合有线图像监控系统应 用，需用无线网络( 如w i 。f i 、w i m a x 、g p r s ，c d m a 和i n t e m e t 网络等) 实施监控。无 线图像监控系统在这样的现实应用需求中产生，无线图像监控系统的出现是计算机网络 7 技术与监控技术相结合的必然结果。借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依 靠安装在现场的各种传感器及音频设备，在异地可以随时了解现场生产与设备情况，对 现场情况及时进行监测和控制。 基于w i f i 的短程无线图像监控是目前监控系统的研究热点之一，由于组网方式灵 活，连接方便，故可很好的作为许多主流网络接入技术的补充，具有广阔的应用前景。 1 ) w i f i 是高速有线接入技术的补充 目前，有线接入技术主要包括以太网、x d s l 等。w i f i 技术作为高速有线接入技术 的补充，具有为可移动性、价格低廉的优点，w i f i 技术广泛应用于有线接入需无线延 伸的领域，如临时会场等。由于数据速率、覆盖范围和可靠性的差异，w i f i 技术在宽 带应用上将作为高速有线接入技术的补充。而关键技术无疑决定着w i f i 的补充力度。 现在o f d m 、m i m o ( 多入多出) 、智能天线和软件无线电等，都开始应用到无线局域 网中以提升w i f i 性能，比如说8 0 2 11 n 计划采用m i m o 与o f d m 相结合，使数据速率 成倍提高。另外，天线及传输技术的改进使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达 到几公里。 2 ) w i f i 是蜂窝移动通信的补充 w i f i 技术的次要定位蜂窝移动通信的补充。蜂窝移动通信可以提供广覆盖、 高移动性和中低等数据传输速率，它可以利用w i f i 高速数据传输的特点弥补自己数据 传输速率受限的不足。而w i f i 不仅可利用蜂窝移动通信网络完善的鉴权与计费机制， 而且可结合蜂窝移动通信网络广覆盖的特点进行多接入切换功能。 3 ) w i f i 也是3 g 的一种补充 无线接入技术则主要包括i e e e 的8 0 2 1 1 、8 0 2 1 5 、8 0 2 1 6 和8 0 2 2 0 标准，分别指 w l a n 、无线个域网w p a n 、蓝牙与u w b 、无线城域网w m a n 、w i m a x 和宽带移动接 入w b m a 等。一般地说w p a n 提供超近距离的无线高数据传输速率连接；w m a n 提 供城域覆盖和高数据传输速率；w b m a 提供广覆盖、高移动性和高数据传输速率；w i f i 则可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率。 w i f i 无线网络具有如上所述的许多优点，但无线传输带宽相对窄、易受干扰等特 点给系统的设计与实现带来挑战。而j p e g 2 0 0 0 是一种较新的静态图像国际压缩标准， 有着非常广阔的应用前景。虽然目前互联网上的主流图片压缩格式还是j p e g ，但是 j p e g 在图像质量和压缩比上还是无法与j p e g 2 0 0 0 比拟的，j p e g 2 0 0 0 很可能将取代 j p e g 而成为主流的图像压缩格式。 1 2 主流图像压缩算法介绍 图像数据之所以能被压缩，就是因为数据中存在着冗余。图像数据的冗余主要表现 为：图像中相邻像素间的相关性引起的空间冗余；图像序列中不同帧之间存在相关性引 起的时间冗余；不同彩色平面或频谱带的相关性引起的频谱冗余。数据压缩的目的就是 通过去除这些数据冗余来减少表示数据所需的比特数，l 。 图像压缩可分为无损压缩及有损压缩2 种。其中无损压缩方法主要有行程长度编码、 熵编码等；有损压缩的方法主要包括色度抽样、变换编码、分形压缩等。目前主要应用 的压缩方法，如m p e g ( m o v i n gp i c t u r e se x p e r t sg r o u p ) 、j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t s g r o u p ) 、j p e g 2 0 0 0 等，都是无损压缩及有损压缩的结厶【坶j 。 1 2 1 【p e g 一4 m p e g 4 在1 9 9 5 年7 月开始研究，1 9 9 8 年1 1 月被i s o i e c 批准为正式标准，正式 标准编号是i s o i e c l 4 4 9 6 。m p e g 一4 的主要特点是利用很窄的带宽，通过帧重建技术、 数据压缩，以求用最少的数据获得最佳的图像质量1 2 3 】。 m p e g 系列协议中，图像序列是按照g o p ( g r o u po f p i c m r e ) 茭3 单位组织的，一个g o p 硕i ：学化论文 由一个i 帧( 参考帧) 多个b 帧和p 帧组成。典型的格式为i b b p b b p 这些帧以第一个i 帧为基础，相互之问具有依赖性( 即p 帧是在i 帧的基础上，结合运动预测和运动补偿生 成，b 帧则在i 帧和p 帧的基础上采用双向预测的方法而得到) 。 在m o t i o nj p e g 2 0 0 0 中图像序列之间没有依赖性，每一帧独立编码。这是m o t i o n j p e g 2 0 0 0 和m p e g 系列协议本质的区别。m p e g 系列协议的帧内编码采用d c t 变换 技术，而m o t i o nj p e g 2 0 0 0 协议帧内编码采用小波变换技术实现帧内的相关。小波变换 比d c t 具有更好的全局时频特性，其重建图像具有更好的视觉效果。 在压缩效率方面，m o t i o nj p e g 2 0 0 0 与m p e g 4 比较，当压缩b l ( c r 较高时c r 3 2 ：1 ) ，m p e g 一2 与m o t i o nj p e g 2 0 0 0 仍能提供较好的图像质量，而与m p e g 4 相比， m o t i o nj p e g 2 0 0 0 的压缩效率更高一些。 如果压缩比较低( c r 3 2 ：1 ) ，例如用于医疗的视频图像，m o t i o nj p e g 2 0 0 0 能提供 最佳的图像质量，并且利用小波可实现无损压缩；而在压缩l l , j , 于8 ：l 的范围内， m p e g 4 的图像质量将不再有改善。 1 2 2j p e g j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e l sg r o u p ) 是在国际标准化组织o s o ) 领导之下制定静 态图像压缩标准的委员会，第一套国际静态图像压缩标准i s o1 0 9 1 8 i ( j p e g ) 就是该委 员会制定的。j p e g 是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，而且还 保有质量不错的图像，j p e g 发展十分迅速，被广泛的应用到互联网领域。然而，j p e g 存在以下不足： 1 ) j p e g 采用离散余弦( d c t ) ，以8 x 8 矩阵为单位进行变换，不支持大于6 4 6 4 k 的大尺寸图像的压缩。 2 ) j p e g 采用量化系数矩阵，对量度和色度的频率系数进行量化。由于这一步是先 相除再取整，故引入了失真的成分。 3 ) 尽管j p e g 标准具有重新启动间隔( r e s t a r ti n t e r v a l ) 的规定，但是在噪声环境中传 输时，当碰到比特差错时图像质量将受到严重的损坏，抗误码性较弱。 4 ) 当前的j p e g 压缩标准在中端和高端比特率时，能够提供比较优秀的质量。但是， 在小于o 2 5b i t p i x e l 的比特率时，将会出现明显的“方块 效应( 即“马赛克 现象) ， 其质量变得无法接受。 1 2 3j p e g 2 0 0 0 j p e g 2 0 0 0 作为j p e g 的下一代的影像压缩法，压缩品质更好，并可改善无线传输 时，常因讯号不稳造成马赛克及位置错乱的情况，改善传输的品质。此外，以往在线浏 览图片时总要花许多时间等待全图下载，j p e g 2 0 0 0 格式具有r a n d o ma c c e s s 的特性， 可让浏览者先从服务器下载1 0 的图片资料，在模煳的全图中找到需要的部分后，再重 毖十j p e g 2 0 0 0 的嵌入图像采集终端的设汁j 实现 新下载这部分资料即可，如此一来可以大幅缩短浏览图片的时间。 j p e g 2 0 0 0 系统分为下列7 个部分： 第一部分：j p e g 2 0 0 0 图像编码系统； 第二部分：扩充( 给第一部分的核心定义添加更多的特征和完善度) ； 第三部分：运动j p e g 2 0 0 0 ； 第四部分：一致性； 第五部分：参考软件( 目前包含j a v a 和c 实现) ； 第六部分：复合图像文件格式( 用于文件扫描和传真应用程序) ； 第七部分：对第一部分的最小支持( 技术报告) 。 j p e g 2 0 0 0 图像编码系统为完全被认可的i s o 标准，定义了核心压缩技术和最小文 件格式，第二部分第六部分定义压缩和文件格式的扩充。其中，第一部分已经制定完 成，其余部分还在制定过程中。 在无线传输环境下，j p e g 2 0 0 0 还具备以下独有的优势： 1 超低比特率性能：j p e g 2 0 0 0 在所有位率下都具有出众的性能，尤其是在低比特 率下相对于j p e g 的严重的方块效应，表现更为良好； 2 按像素精度和分辨率渐进传输：当网络速度较慢时，采用这种传输方式，可以 先传一个图像的梗概，当接收到更多的数据时可以改善解码图像的质量，提高解码图像 的分辨率和尺寸； 3 无损压缩和有损压缩：在j p e g 2 0 0 0 中通过包含一个可逆( 整数) 的小波变换，可 以实现对同一压缩码流进行有损和无损压缩。 4 随机码流访问和处理：j p e g 2 0 0 0 标准通过r o i ( 感兴趣区域访问) 机制来实现空 间的随机访问。同时它还支持“兴趣度”，可实现在每个感兴趣的区域中，对解压缩图 像的质量进行调整。 5 比特误差的鲁棒性：通过包含再同步标记来实现对噪声通信信道引入的误码的 鲁棒性，数据以相对较小的独立块进行编码，并且在每个块中有机制规定来检测并排除 错误。 此外，j p e g 2 0 0 0 连续构建功能允许以一种连续的方式对一幅图像从上至下进行编 码，而不需要对整个图像进行缓冲，这对于嵌入式系统中的低存储器实现具有很大的优 势。 1 3 国内外研究状况 目前国内支持j p e g 2 0 0 0 标准的图像软件产品还不多，网络应用是j p e g 2 0 0 0 的一 个主要应用场合，但一些相关的科研机构已经做了大量的研究工作，为将来的产业应用 打下了唪实的基础。如清华大学微电子研究所正在与美国w i s 技术公司合作开发基于 f p g a 用于j p e g 2 0 0 0 设备核心的画质无损有损过滤器的运算器。数码相机中采用 硕j ：学位论文 j p e g 2 0 0 0 标准压缩也是大势所趋，国内的一些相机制造商正在积极进行这一方面的开 发。上海海鸥相机公司现在已经达到年产6 0 万部普通百万像素解像j p e g 标准数码相机 的能力；凤凰光学仪器公司与北京大学遥感所合作建立了数码相机压缩控制芯片及 c m o s 成像器的研发组。相信在不久的将来随着标准的全面推广，国内的相关产业将会 得到迅猛发展。 国外相关的设备制造商和解决方案提供商在支持j p e g 2 0 0 0 技术和设备的研发上也 投入了大量精力和物力，已经出现了许多相关的硬件和软件产品。如a d 、t i 等芯片生 产厂家都已经或正在研发j p e g 2 0 0 0 的芯片组。目前i m a g ep o w e r 公司已开发出了 j p e g 2 0 0 0 的多媒体数字信号编解码器c y p r e s sj p e g 2 0 0 0e n c o d e r d e c o d e rr e l e a s e l 0 ； a m p h i o n 公司也开发了使用通用a r m 处理器实现j p e g 2 0 0 0 编解码功能的硬件，可以 满足实时解压缩数字图像的要求；a d 公司生产的a d v x x x 系列j p e g 2 0 0 0 编解码芯片， 具有较低的功耗和成本，其中a d v 2 0 2 是a d 公司最新推出的一款单片j p e g 2 0 0 0 ( i s o i e c l 5 4 4 4 1 图像压缩标准) 编解码芯片，是当今市场上少有的具有实时压缩和解压 缩标准( s d ) 视频信号和高清晰度( h d t v ) 视频信号功能的芯片。 综合总结国内外研究状况，j p e g 2 0 0 0 压缩解压芯片或是其他应用都是今年各大厂 商研发的热点之一。这也从侧面说明了该技术是今后发展趋势所在，具有广阔的发展前 景。 1 4 本论文内容和安排 全文分为5 章，各章内容安排如下： 第一章：绪论，概述了论文的研究背景、主流图像压缩算法的介绍及国内外研究状 况。 第二章：主要针对j p e g 2 0 0 0 压缩标准及流程进行了说明。 第三章：论述了图像采集终端硬件的设计与实现。包括设备选择、硬件连接等内容。 第四章：论述了系统软件开发环境的构架。主要包括了操作系统的移植、各模块驱 动及系统相关软件介绍等内容。 第五章：论述了论文的实际测试方法并选取了2 幅图像况明了论文的测试结果。 基十j p e g 2 0 0 0 的嵌入j 削像采集终端的1 5 2 计j 实现 第2 章j p e g 2 0 0 0 图像压缩算法分析 针对原j p e g 标准的不足，联合摄影专家组于1 9 9 7 年3 月征集提案，制定新一代的 图像压缩标准( j p e g 2 0 0 0 ) ，进一步改善原算法的性能，以适应低带宽、高噪声的环境， 以及医疗图像、电子图书馆、传真、i n t e r n e t 网上服务和保安等方面的应用。国际标准 化组织w g l 小组于2 0 0 0 年8 月制订了最终的国际标准化草案【4 1 。 2 1j p e g 2 0 0 0 的主要特点 j p e g 2 0 0 0 标准提供了一套新的特点，这些特点对于一些新产品( 如数码相机等) 和应用( 如互联网) 是非常重要的。它把j p e g 的四种模式( 顺序模式、渐进模式、无 损模式和分层模式) 集成在一个标准之中。在编码端以最大的压缩质量( 包括无失真压 缩) 和最大的图像分辨率压缩图像，在解码端可以从码流中以任意的图像质量和分辨率 解压图像，最大可达到编码时的图像质量和分辨率。j p e g 2 0 0 0 应用的领域包括互联网、 彩色传真、打印、扫描、数字摄像、遥感、移动通信、医疗图像和电子商务等。它的最 主要的特点包括【5 8 】： 1 高压缩率：由于在离散子波变换算法中，图像可以转换成一系列可更加有效存 储像素模块的“子波”，因此，j p e g 2 0 0 0 格式的图片压缩比可在现在的j p e g 基础上再 提高1 0 3 0 ，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑，这一特征在互联网和遥感等图像 传输领域有着广泛的应用。 2 无损压缩和有损压缩：j p e g 2 0 0 0 提供无损和有损两种压缩方式，无损压缩在许 多领域是必须的，例如医学图像中有时有损压缩足不能忍受的，再如图像档案中为了保 存重要的信息较高的图像质量是必然的要求。同时j p e g 2 0 0 0 提供的是嵌入式码流，允 许从有损到无损的渐进解压。 3 渐进传输：现在网络上的j p e g 图像下载时是按“块”传输的，因此只能一行一 行地显示，而采用j p e g 2 0 0 0 格式的图像支持渐进传输( p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ) 。所谓 的渐进传输就是先传输图像轮廓数据，然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量。 互联网、打印机和图像文档是这一特性的主要应用场合。 4 感兴趣区域压缩：可以指定图片上感兴趣区域( r e g i o no fi n t e r e s t ) ，然后在压缩 时对这些区域指定压缩质量，或在恢复时指定某些区域的解压缩要求。这是因为子波在 空问和频率域上具有局域性，要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精 确保留，只要对应它的一部分编码没有误差就可以了。 5 码流的随机访问和处理：这一特征允许用户在图像中随机地定义感兴趣区域， 使得这一区域的图像质量高于其它图像区域：码流的随机处理允许用户进行旋转、移动、 滤波和特征提取等操作。 6 容错性：在码流中提供容错性有时是必要的，例如在无线等传输误码很高的通 硕l ? 学位论文 信信道中传输图像时，没有容错性是让人不能接受的。 7 开放的框架结构：为了在不同的图像类型和应用领域优化编码系统，提供一个 开放的框架结构是必须的，在这种开放的结构中编码器只实现核心的工具算法和码流的 解析，如果需要解码器可以要求数据源发送未知的工具算法。 8 基于内容的描述：图像文档、图像索引和搜索在图像处理中是一个重要的领域， m p e g 7 就是支持用户对其感兴趣的各种“资料 进行快速、有效检索的一个国际标准。 基于内容的描述在j p e g 2 0 0 0 中是压缩系统的特性之一。 由于本文采用的无线传输方式，该方式一般具有带宽有限，较易受干扰等特点。 j p e g 2 0 0 0 的一些特性适用于图像在无线环境下的传输1 1 5 , 2 7 j 。如： 1 j p e g 2 0 0 0 在低码率下具有的超级压缩特性，原始图像数据被压缩到1 3 2 以下 时，采用基于离散余弦变换( d c t ) 的压缩会产生较大的块失真，而同样的这种低码率， 而采用离散小波变换( d w t ) 的j p e g 2 0 0 0 还能获得比较好的质量。 2 j p e g 2 0 0 0 独立压缩每一帧，所以传输错误只影响一帧，而不会传播到相继的图 像中。同类的压缩解决方案，例如m p e g 2 和其它基于时间域的压缩方案，都是把多帧 作为一组来压缩，某一帧的传输错误通常会影响该组中的其它大多数帧，从而导致令人 难以接受的视频质量下降。j p e g 2 0 0 0 以帧为单位进行帧内编码，没有运动估值和帧问 预测编码，这样虽然浪费了一些压缩编码效率，但却大大提高了抗误码的能力，码流容 易控制和编辑，并且软硬件实现简单，这些特性都很有利于在无线网络中的实现。 3 j p e g 2 0 0 0 能实现渐进传输，它先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提 高图像质量：在j p e g 2 0 0 0 中，基本的编码引擎是基于e b c o t ( e m b e d d e db l o c kc o d i n g w i t ho p t i m i z e dt r u n c a t i o no f t h ee m b e d d e db i t s t r e a m ) 的，由它生成的嵌入码也具有高容错 性。基于小波的独特码流还支持可选的数据包保护，即使信道噪声严重到无法纠正某些 数据包错误的程度，视频质量也只会缓慢下降。 2 2j p e g 2 0 0 0 的基本框架 j p e g 2 0 0 0 编解码器主要包括预处理解码后处理、单元问变换逆变换、单元内变 换逆变换、量化反量化、t i e r - 1 ( 第一阶段) 编码解码、t i e r 2 ( 第二阶段) 编码解码， 和码率控制等部分组成。除了码率控制部分，编码器和解码器各部分均一一对应，解码 是编码的逆过程。j p e g 2 0 0 0 编码及解码结构框图分别如图2 1 及图2 2 所剥9 】： 对编码器来说，首先对原始图像进行预处理，包括图像区域的填充块( t i l e ) 分割、 直流电平的位移和颜色分量变换；然后对各个填充块分量( t i l ec o m p o n e n t ) 进行离散小 波变换，并对子带小波系数进行量化；t i e r - 1 编码将量化小波系数划分为小的码块( c o d e b l o c k ) 并对各个码块进行位平面展开，每个位平面进行三次编码扫描，各次扫描得到的 符号流进行基于上下文的算术编码，输出各个编码码段比特流；t i e r 2 编码对得到的比 特流分层和打包，并按一定的渐进顺序组织为输出码流。码率控制部分是通过调整量化 魑十j p e g 2 0 0 0 的嵌入l = 图像采集终端的改汁j 实现 步长和截断编码码流来实现各种期望的码率 1 0 , 1 3 】。 原始图像 编码后图像 编码后图像 重建图像 2 2 1 分块 图2 1j p e g 2 0 0 0 编码结构框图 图2 2j p e g 2 0 0 0 解码结构框图 在许多情况下，直接压缩一幅图像所需的内存开销过大，不宜将整幅图像作为一个 单元直接压缩。为了解决这个问题，编码器会将一幅图像分成许多小块，每一块独立进 行编码。每个块的大小可以是任意的，最大可以是原图像的大小，也就是不存在划分区 域的情况。j p e g 2 0 0 0 标准p a r t l 要求划分的区域是互不重叠的，因为这种划分是最简 单的，但由此而产生的一个缺点就是边缘象素环境信息的缺乏，这个问题在j p e g 2 0 0 0 标准p a r t 2 中得到了解决，但增加了算法的计算复杂度。分块编码的另一个优点就是 在解码时，可以只对所感兴趣的图像区域进行解码操作，而不需要解码整个图像。 2 2 2 预处理解码后处理 编码器要求输入信号在以0 为中心的指定区间内，预处理过程就是一个确保输入信 号满足要求的条件的过程。假定一个采样信号有p 位，这些采样信号可能是有符号的或 者是无符号的，处于【- 2 ，2 p - i 1 】或是【o ，2 p 1 】的区间中。显然，如果得到采样信号是无 符号数，信号所在的区间 0 ，2 p _ 1 】不以0 为中心。此时，为了满足编码器的需要，每个 采样信号的值需要减去2 n 1 的偏差值。如果得到的采样信号为有符号数，则信号所处的 硕i j 学化论文 区问【2 卜1 ，2 p - i 1 】已经满足编码器的需求，故此时不需要进行预处理过程。 解码后处理过程是预处理的逆过程，用以恢复预处理过程中改变的数据。即如果原 始采样信号是无符号的，则解码后处理过程会加上预处理时减去的偏差值。 2 2 3 单元间变换逆变换 示亮度色差成份y c b c ，的变换系数v o ( x ，y ) ，v l ( x ，y ) 和v 2 ( x ，y ) t 1 4 1 。 iv o ( x ，y ) i1 0 2 9 9o 5 8 7o 11 4 0u o ( x ，y ) l lv i ( x ，y ) l = i o 1 6 8 7 5 一o 3 3 1 2 6 o 5 i lu l ( x ，y ) i l v 2 ( x ，y ) j 【- o 50 4 1 8 6 9 0 0 8 1 3 1 1 l u 2 ( x ，y ) j ( 2 1 ) iu o ( x ，y ) li 101 4 0 2 0v o ( x ，y ) i iu l ( x ，y ) l = il 一0 3 4 4 1 3 - 0 7 1 4 1 4i fv l ( x ，y ) l l u 2 ( x ，y ) jl 1 - 1 7 7 20 j l v 2 ( x ，y ) j ( 2 2 ) v o c w ) = 【丢( 吣w ) + 2 u 。( w ) + 吲w ) ) 】 u ( x ，y ) = u 2 ( x ，少) 一u l ( x ，y ) ( x ，y ) = u o ( x ，y ) 一u l ( x ，少) 逆变换公式为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) u 。( x ，y ) = v o ( x ，y ) 一 丢( k ( 工，y ) + ( x ，j ，) ) 】 ( 2 6 ) u o ( x ，j ，) = 砭( z ，y ) + u i ( x ，y ) ( 2 7 ) u 2 ( x ，y ) = k ( 工，y ) + u l ( x ，j ，) ( 2 8 ) 解码器的单元内逆变换为单元内变换的逆过程，根据编码器采用的i c t 或是r c t 算法，还原原始数据。 2 2 4 单元内变换逆变换 在这一阶段中，编码器会对每一个单元实施小波变换。小波变换可以在时域和频域 上对原始信号进行多分辨率分解。由于分解后的信号的统计特性更便于压缩，故经变换 后的信号压缩率更高。对二维图像做小波变换，实际上就是把原始图像的像素值矩阵变 换成另一个有利于压缩编码的系数矩阵，经过小波变换后，原始图像被分解成几个子图 像，每个子图像包含了原始图像中的不同频率成分i l6 。 在分解的图像中，左上角子图包含了图像的低频分量，即图像的主要特征，低频分 量可再次分解；右上角子图包含了图像的垂直分量，即包含了较多的垂直边缘信息；左 下角子图包含了图像的水平分量，即包含了较多的水平边缘信息；右下角子图包含了图 像的对角分量，即同时包含了垂直和水平边缘信息【7 】。分解示意图如图2 3 所示： 划 j ， 砒卜2 h l r 1 l h 袋- 2h h b 2 l h 卜lh h r _ i 图2 3 小波分解示意图 单元内逆变换为以上变换的逆过程。在解码时，如果只需要一个分辨率较低的图像， 则只需从码流中解码出低频子图。由于每一级小波分解都是对空间分辨率和频率分量的 进一步细分，故在同一码流中可实现图像多级分辨率。 2 2 5 量化反量化 进行图像压缩，尤其是有损图像压缩，一个关键的步骤是对变换后的系数进行量化。 利用人类视觉系统特性，在不影响图像主观质量的前提下，通过适当的量化减小变换系 数的精度，从而达到图像压缩的目的。量化是信息损失的主要源头之一，它的关键是根 据变换后的图像系数特征，重构图像质量要求等因素设计合理的量化步长。在不可逆方 式中，子带样本系数要依靠量化过程来映射到量化索引表中，然后进行编码。因为量化 本身是不可逆的，所以可逆方式中没有包括量化，但是可逆和不可逆方式都必须为块编 码器提供待编码整数的绝对范围，这个操作称为界定。在不可逆方式中，界定与量化参 硕i j 学位论文 数的选择有关。 在不可逆过程中，量化操作通过式( 2 9 ) 定义： q h n = s i g n ( y b 】) 掣】 ( 2 9 ) 6 这罩，y b n 表示子带b 的样本，具有单位标称范围一l 2 到l 2 ，ab 表示步长参数， 而q b n 表示其量化索引。由于可以对不同的子带分配不同的b i t 数，因此可为每个子带 选择一个单独的步长“。在编码阶段，块编码器就是对量化索引的进行编码操作。 每个子带的步长以一个指数b 和一个尾数“表示，如式( 2 1 0 ) - 6 = 2 一( 1 + 告) ( 2 1 0 ) 这里8b 和l ab 都是非负整数，其数值范围如式( 2 1 1 ) ： o 8b 2 5 ，0 1 1b 2 ( 2 1 1 ) 在界定的时候，编码器和解码器都需要取相同的位数，该位数应当足够用来表示在 每个子带b 中的量化索引大小。由于子带样本值有时会超出标称范围界限，因此，在 j p e g 2 0 0 0 中引入了一个参数g ，称作保护位( g u a r db i t s ) ，同时使所有子带样本遵从式 ( 2 1 2 ) 界刚1 1 1 ： 2g-1粥疗】 4 0 d b ； 3 4 2 2 图像传感器与d p s 连接电路设计 o v 9 6 5 0 的硬件连接如图3 4 所示，o v 9 6 5 0 设置为8 位输出模式，数据总线y 2 y 9 与d s p 的p p i ( p a r a l l e lp e r i p h e r a li m e r f a c e ) 接口连接；s c c b 数据线与时钟线分别与 d s p 的可编程i op f 0 与p f 2 相连；帧同步信号线与p p i 接口对应接口相连。另外在 o v 9 6 5 0 的时钟输入端接入了一个3 2 m h z 的有源晶振作为时钟同步信号1 2 4 j 。 p p i 是半双工双向端口，包含最多至1 6 位的数据线。同时还包括一个专用的时钟引 脚( p p i _ c l k ) ，3 个帧同步引脚( p p i _ f s l 用作h s y n c 水平同步、p p i f s 2 用作v s y n c 垂直同步和p p if s 3 用作f i e l ds y n c 场同步) 以及4 位专用的数据引脚。通过配置与 p p i 接口公用的p f x 引脚，以获得额外的数据线。在本方案中为了配合o v 9 6 5 0 ，采用 了8 位数据传输的方式，故配置了额外的4 个p f x 引脚作为p p i 数据引脚。 s c c b 总线是o m n i v i s i o n 公司定义的控制总线，通过时钟线与数据线不同的逻辑组 合以实现控制指令的传输及信息反馈。硬件设计中选取了d s p 空闲的2 个可编程i o 用 以模拟s c c b 总线所需要的时序，从而达到控制o v 9 6 5 0 工作状况的目的f 2 3 】。 3 5w i f i 无线传输模块 图3 4o v 9 6 5 0 硬件连接 t i m e d ( p p i 尽1 ) t 妇迭p p i j 髭) 图像采集并处理完成之后，需要有传输途径使得监控接收端能收到采集到的图像数 据，综合权衡组网灵活性及实际应用环境，本文选取了支持i e e e8 0 2 1 l g 协议的t p - l i n k 的w l 3 2 2u s bw i f i 无线模块。 3 5 1 w i f i 无线局域网简介 无线局域网由无线网卡、无线接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 、计算机和有关设备组成， 采用单元结构，每个单元称为一个基本服务组( b a s i cs e r v i c es e g m e n t ，b s s ) 。b s s 的组成 有集中控制方式、分布对等方式和集中控制方式与分布对等方式的混合三种方式。 集中控制( i n f r a s t r u c r t u r e ) 方式：每个单元由一个中心站控制，终端在该中心站的 控制下相互通信。这种方式中b s s 区域较大，但中心站建设费用较昂贵。 分布对等( a d h o c ) 方式：b s s 中任