（电路与系统专业论文）基于Blackfin+DSP的嵌入式图像采集终端的设计与研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 摘要 近些年来，随着人们对图像质量要求的不断提高，以及图像压缩技术和信 号处理技术的不断发展，经过压缩处理后的图像数据大大降低了数据总量和所需 的传输带宽，使其高清晰度的图像数据能够在普通的通信系统中方便地传输，大 大扩展了图像采集等相关系统的应用场合，例如对无人值守移动基站的监控、远 程指纹识别系统等。 论文首先分析了当前图像压缩编码技术和嵌入式系统应用技术的现状和发 展状况，进行了系统方案比较分析，最终利用嵌入式系统实现j p e g 静态图像压 缩编码，结合无线传输，完成了高清晰静态图像采集终端可行性方案设计与研究。 论文简要介绍了数字压缩技术和基本方式等相关知识，着重对j p e g 静态图 像压缩编码的基本原理、实现流程和相关关键技术进行了详细分析。 在通过比较分析各种设计方案的基础上，选定a d i 公司b 1 a c k f i n5 3 3d s p 作 为系统核心处理器，并以此为核心，对系统硬件电路进行了总体设计，详细介绍 了主处理器模块，图像采集模块，存储器模块和无线传输模块以及相关外部电路 的硬件接口等，并简要介绍了硬件设计中电路板设计要求。然后在u c l i n u x 嵌入 式操作系统基础上，进行了u c l i n u x 内核移植、o v 9 6 5 0 图像传感器驱动程序、j p e g 算法优化、无线传输程序等相关系统软件设计。整个系统设计具有结构简单，功 耗低，体积小，可扩展能力强等特点。 最后系统测试部分详细介绍了测试流程和测试方法，经过测试得到优化前后 系统时钟数，通过比较可以得出每个d c t 变换效率得到了提高，进而系统整体性 能得到了改善，并且通过在p c 机上解码接收到的码流，得到采用不同量化矩阵 压缩的图像效果图。文章最后对系统总体设计过程进行了归纳和总结。 关键词：图像采集；c m o s 传感器；b l a c k n n 数字信号处理器；j p e g 算法 a b s t r a c t n o w a d a y s ，a l o n g w i t ht h ei n c r e a s i n g d e m a n do fi m a g eq u a l l t y a n dt n e d e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y0 fi m a g ec o m p r e s s i o na n ds i g n a lp r o c e s s l n g ，l m a g e d a t aa f t e rc o m p r e s s i n gh a ss ol a 玛e l yd e c r e a s e dt h eg r o s s 锄o u n ta n dt r a n s m l s s l o n b a n d w i d t ht h a ti m a g ed a t ao fh i g hd e f i n i t i o nc o u l db ee x p e d i e n t l yt 豫n s m l t t e d l n n o r m a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s ot h ea p p l i c a t i o n so fi m a g es u r v e l l l a n c e ，s u c n a s ， i m a g es u r v e i l i a n c es y s t e m b a s e do nb a s es t a t i o nw i t h o u tg u a r d ，n n g e r p 加t i d e n t i 矗c a t i o ns y s t e m ，e t c ，h a v eb e e nh i 曲l ye x t e n d e d t h et h e s i sf i r s t l ya n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to t ! t h e1 m a g e c o m p r e s s i o nc o d i n gt e c h n 0 1 0 9 y a n de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ， c o m p a r e s d i f f e r e n ts c h e m e so ft h es y s t e m ，a n dn n a l l yd e c i d e st ou s e t h ee m b e d d e ds y s t e mt o i m 口l e m e n tj p e gs t i l lp i c t u r ec o m p r e s s i o nc o d i n gw i t ht h ew i r e l e s st r a n s m l s s l o n t o r e a l i z et h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ff e a s i b i l i t yo f t h ei m a g ea c q u l s l t l o nt e r m l n a l t h et h e s i si n t r o d u c e si n t e r r e l a t e dk n o w l e d g e o fd i g i t a lc o m p r e s s l o nt e c h n o l o g y a n db a s i cm a n n e r ，a n de m p h a t i c a l l ya n a l y z e s 也eb a s i cp r i n c i p l e ，r e a l l z a t l o n t i o w ， a n dc o r r e l a t i v ek e yt e c h n o l o g yo f j p e gs t i l lp i c t u r ec o m p r e s s l o nc o d l n g o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fd i f f e r e n td e s i g ns c h e m e s ，t h et h e s l sc h o o s e s t h e b l a c k f i n5 3 3d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ro fa d ic o r p o r a t i o na n du s e s i ta st h ec o r et o d e s i g nt h eo v e r a uh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e m a l s o ，t h i st h e s i sg i v e s d e t a l l so 士 m o d u l e so ft h em a i np r o c e s s o r ，t h ei m a g ea c q u i s i t i o n ，t h em e m o r ya n dt h ew l r e l e s s t r a n s i m i s s i o n ，i n t e r f a c e so fi n t e r r e l a t e dp e r i p h e r a lc i r c u i t ，a n ds u m m a n l yi n t r o d u c e s t h ei m p o i r t a n tr e q u i r e m e n tw h e nd e s i g n i n gt h ec i r c u i tb o a r d t h e n t h et h e s l s9 1 v e s t h ed e s i g no ft h es o f t w a r eo ft h ek e r n e lt r a n s p l a n t a t i o no ft h eu c l i n u x0 p e r a t l o n s v s t e m ，t h ed r i v e ro ft h ep i c t u r es e n s o r ，t h eo p t i m i z a t i o no fj p e ga l g o r i t h m ，t h e d r i v e ro ft h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o na n ds o s 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 w s t r o n ge x p a n s i b i l i t y ，e t c o n f i n a l l yt h ew h o l es y s t e md e s i g nh a s p 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 d a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ep a i r to fs y s t e mt e s t i n gd e t a i l e d l yi n t r o d u c e st e s t i n g n o wa n dm e t h o d ，a l s oa r e rt e s t i n gw ec a ng e tb o t ht h ea m o u n to fs y s t e mc l o c k b e f o r eo p t i m i z i n ga n dt h eo n ea f t e r0 p t i m i z i n g ，a n dw e k n o wt h a tt h ee m c i e n c y 。f e a c hd i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r mi si m p f o v e db yc o m p a r i n gd a t ao fs y s t e mc l o c k ，a n d t h a t 也ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e mi s a l s oa m e l i o r a t e d ，m o r e o v e r w ec a n i h 基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 a q u i r ed i f f e r e mp i c t u r e sw h i c hw e r ec o m p r e s s e db ya d o p t i n gd i f f e r e n tq u a n t i z a t i o n m a t r i xa f t e rd e c o d i n gf r o mp e r s o n a lc o m p u t e r a t1 a s t ，t h et h e s i sc o n c l u d e sa n d s u m m a f i z e st h ep r o c e s so ft h ew h o l es y s t e md e s i g n k e y 、 ，o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ；c m o ss e n s o r ；b l a c k f i nd s p ；j p e ga l g o r i t h m 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 他个人或集体已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： 聿c j l 甲z 日期：山pt 年乒月旷日 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 、不保密酿 ( 请在以上相应方框内打“) 作者虢辞i 妒话隰加吝年争月f 日 翩鹤：名邛哆醐：m 雄肌汨 硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 上世纪九十年代以来，随着社会的进步和人民生活水平的不断提高，人与 人之间的信息交流日趋频繁，传统的以语音为主的交流方式已经不能满足人们的 需求，包括文本、语音、图像等在内的全方位立体式的交互方式( 就是现在正在 蓬勃发展的多媒体通信方式) 已成为人们追逐的目标。而在这诸多媒体数据中， 尤以图像信息所提供的信息量最为丰富，这是因为：人类接受的信息7 0 是来 自于视觉，周围事物在视网膜上的映像是人类最有效和最重要的信息获取方式， 所以图像信息作为传递信息的重要媒体和手段是十分重要的。图像信息又分为视 频图像和静止图像，其中视频图像是活动图像或运动图像，实际上是由许多单一 的画面组成的，每幅画面称为一帧，由于人眼的视觉特性，每秒2 4 帧的画面才 能形成具有活动影像感觉的视频图像，因此视频图像信息获取需要很高的要求， 而静止图像信息量相比于视频图像信息量则要小很多。就数字图像而言，图像信 息的获取就是要把图像转换成适合输入计算机的数字信号。而且事实上，在很多 实际应用场合并不一定需要活动图像传输，能够很好地传输一幅幅静止图像就可 以了，例如在无人值守的仓库、机房、变电所、新闻现场、事故现场、智能小区、 交通要道进行监控，远程指纹识别等等，在这些应用中，一般需要具有灵活方便、 成本低、图像分辨率高，可扩展性强等特点，并且可以利用电话线或无线方式进 行数据传输的图像采集设备。本系统方案正是基于这一需求，结合静态图像压缩 算法和嵌入式操作系统设计了基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端。 该系统终端基于d s p 进行图像处理，在保持了d s p 的优势的同时又具有嵌 入式系统的特点【lj ： ( 1 ) 支持高速大容量存储器：在图像处理中往往有大量的数据需要处理，这就 要求系统具有大容量的存储器，同时实时处理图像时要求存储器也要有很 高的存取速度，在这一点上，b l a c k f i n 系列d s p 实现了与s d r a m 等高速 大容量存储器的无缝连接，同时还支持s r a m 、r o m 、f l a s h 、f i f o 等 各种类型的存储器。 ( 2 ) d m a 功能：b l a c 依i n5 3 3d s p 中集中了d m a 控制器，可以在没有c p u 参 与的情况下完成映射存储空间内数据的搬移。这些数据可以来自片内存储 器、片外外设或是外部器件之间。这项功能使得图像数据的搬移十分方便 快捷。 ( 3 ) 多通道串口、中断控制、定时器等：可以灵活方便地与系统其它部分实现 基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 通信和交互控制与同步。 ( 4 ) 软件方面：可以使用标准c 语言、线性汇编或纯汇编语言编写程序，并兼 顾性能与效率。 由于d s p 具有的这些特点，基于d s p 的嵌入式图像采集终端具有很高的性 价比，另外通过移植u c l i n u x 操作系统使得这个系统具有很好的控制性和可扩展 性，使其在科学研究、医疗、商业、消费类电子产品等专业领域具有广阔的发展 应用前景和巨大市场价值。 1 2 图像编码技术发展状况 近十年来，图像编码技术得到了迅速和广泛应用，并且日益成熟，目前广泛 应用的图像编码标准主要有以下几种【2 1 。 ( 1 ) h 2 6 1 标准 h 2 6 l 是c c i t t 针对可视电话、会议电视和窄带i s d n 等要求实时编码和低 延迟应用提出的一个编码标准。h 2 6 1 要求输入图像的格式满足公共中间格式 ( c i f ) 或1 4 c i f ( q c i f ) 。用亮度和色差来表示，根据图像质量和信道带宽来 选择图像大小和传输速率【3 1 。 ( 2 ) h 2 6 3 标准 1 9 9 5 年i t u t 推出h 2 6 3 标准，这个标准的标题是“低于6 4 k b i t s 的窄带 信道编码”，用 x 硕士学位论文 延时限制的应用中，如视频存储和以服务器为基础的视频流服务。 ( 5 ) j p e g 静态图像编码标准 j p e g 是由i s o 和i t u 早在1 9 9 1 年便提出的第一套面向静止图像的编码标 准，它指定了一系列实现静态图像压缩编码的方法，这些方法的选择取决于具体 应用上的要求和对性价比方面的考虑。这些方法基本上可以分为两类：基于离散 余弦变换的编码和基于空间域预测编码的方法。前者，基于离散余弦变换 ( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ，d c t ) 的方法，在中高码率( 码率大于0 2 5 比特 像素) 下对连续色调的静态灰度或者彩色图像提供了较好的压缩性能。后者，预 测编码的方法可以实现无损压缩但是压缩倍率较低。 j p e g 可分为基本j p e g 和扩展j p e g 【6 j ，即b a s e l i n es y s t e m 与e x t e n d e d s y s t e m 。b a s e l i n es y s t e m 是基于d c t 的顺序编码算法，不必假设图像模型，所 以此方法适用于对各种图像进行压缩。它只支持顺序编解码，不支持渐进编解码。 顺序解码只需要从图像上端到底端处理一次，每次一行。这种操作可以使得编解 码设备的缓冲降到最低限度，从而降低了设备的价格。 图1 1 为j p e g 基本系统的编解码步骤。 j p e g 静态压缩编码扩展系统也是基于d c t 的变换域编码，但基本系统只是 扩展系统的一个子集。扩展系统提供额外的3 种功能：算术编码，高精度输入和 渐进编码。 i 翕入图倒 l 已 7 8 8 块的d c t 土 归一化量化 上 直流分量预测 上 熵编码 r 出图像 8 8 块的d c t l 丁丁 归一化量化 i 丁丁 直流分量预测 i tr l 熵编码 j i a ) j p e g 编码过程b ) j p e g 解码过程 图1 1j p e g 基本系统编解码步骤 在各种图像压缩标准中，j p e g 图像压缩编码标准是静止图像的压缩标准， 不能用来传输活动图像，但j p e g 标准在静止图像、档案、电子照相等方面有着 基于b 1 a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 较好的应用。另外，m o t i o n j p e g 是在视频传输方面一个极好的补充方法，具有 成像质量较好、性能稳定等特点。目前在多媒体通信系统中应用较为广泛的是 h 2 6 3 标准。但h 2 6 3 标准通常采用c i f 格式( 3 5 2 2 8 8 ) ，图像质量受到一定 限制，即使提高通信通道容量、优化编解码方案，也难以大幅度提高图像质量。 在这一点上，h 2 6 3 标准不如m p e g 标准。采用m p e g 标准的图像质量较好， 但m p e g 标准在编解码过程中，存在编码延迟的问题，编码效率也受到影响， 编码时间远大于解码时间。若能有效地减少编码延时，可以在图像质量要求较高 的多媒体通信系统中得到较好的应用。h 2 6 4 a v c 【_ 7 j 作为最新推出的标准具有很 高的编码压缩效率，尤其在低码率方面比m p e g 有明显提高。但是h 2 6 4 a v c 为了提高编码压缩效率，采用很多高计算复杂度的算法，使得编解码计算量增大， 从而增大了开发难度。 对比以上主流的压缩算法，根据系统自身设计特点和要求：能够传输图像质 量较高的静态图像，系统体积小、结构简单、灵活轻巧、成本低、可扩展性强等 特点，并能够很好地保证单幅图像质量，不会出现马赛克，相关技术支持比较成 熟，应用也较为广泛，所以最终选择以静态图像压缩编码为理论基础的j p e g 压 缩编码标准为系统核心图像压缩算法。 1 3 系统方案比较 目前在市场上常用的图像采集以及相关的数字信号处理系统的实现方法一 般有以下几种： ( 1 )以通用计算机系统为主的图像压缩系统 这种系统主要是借助于p c ，再加以必要的数据输入和输出接口电路，以计 算机作为核心处理器，在软件上完成图像的编解码工作。采用这种设计方法，可 以在短期内开发出图像压缩平台，其特点是实现简单，开发成本低，开发周期短。 由于p c 机为多进程同时操作，操作系统、文件系统、图形界面和各种应用程序 需要并行处理，因此其图像处理的效率一般比较低，而且体积和功耗也比较大。 但是在设计一些实时性要求不高、对系统体积没有限制的系统时，不失为一种很 好的设计方案。 ( 2 ) 采用专用图像压缩处理芯片 目前很多公司针对国际图像压缩标准开发了专用的图像处理芯片。如美国 i n m o s 公司推出的i m s a l 0 0 芯片，可以完成f i r 、卷积等运算并且可以在2 m s 内完成1 0 2 4 点复数f f t 运算。其他的如m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 2 0 0 ，z o r o n 公 司的z r 3 4 8 8 1 ，以及针对h 2 6 3 、m p e g 、j p e g 等标准的芯片也都属于专用型的 d s p 芯片。在这些芯片中，其软件算法已经在芯片内部用硬件实现，使用者只 需要给出输入数据，经过简单的组合即可在输出端得到结果。这一般用于对速度 4 基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 1 5 本论文内容和安排 本文共分五章。第一章( 即本章) 首先介绍了课题的研究背景和意义，图像编 码技术的发展状况，系统方案比较以及论文内容和安排；第二章主要对系统采用 的j p e g 静态压缩编码相关理论进行了分析和介绍；第三章和第四章分别针对系 统硬件和软件设计这两部分进行了详细地设计；第五章则是对系统测试的实现过 程进行介绍，最后在结论中对全文进行了总结并对系统提出了一些改进的思路和 意见。 6 硕士学位论文 第2 章j p e g 压缩编码原理 2 1 数字压缩技术概述 随着信息技术特别是多媒体技术应用的不断发展，数字信息在媒介中所占 有的比重不断增大，如何对信息进行快速采集、存储、传输、显示，是当前面临 的一个迫切问题，解决这问题的关键技术就是数据压缩编码技术【6 ，9 】。 压缩编码技术分为无失真压缩和有失真压缩两种。 无失真压缩( l o s s l e s sc o m m p r e s s i o n ) 即压缩后再还原出来的数据同没有压 缩的原始数据一样，不存在任何误差。常用的压缩方法h u f f m a n 编码，算术编 码等；常见的压缩软件有l h a r c ，a r j ，p k z i p ，c o m p r e s s 等。无失真压缩技术由 于在原理上采用概率统计编码，因而对一般在内容上重复较多的文件压缩倍数比 较大，而对没有重复或重复较小的文件压缩倍率就较低。平均压缩比一般在两倍 左右，目前在无失真压缩中效果较好的当属算术编码。 有失真压缩( l o s s yc o m m p r e s s i o n ) 即压缩后再还原出来的数据同没有压缩 原始数据间存在一定的误差。由于允许有一定误差，因而这类技术往往可以取得 较大的压缩比。常用的算法有预测编码，矢量量化技术等。 在所有的实际信息中，存在两种类型的信号分量：即异常的、不可预见的 信号分量和可以预见的信号分量。异常分量称为熵，它是信号中的真正信息。其 余部分称为冗余，因为它不是必须的信息。冗余可以是空间性的，如在图像的大 片区域中，邻近像素几乎具有相同的数值。冗余也可以是时间性的，例如连续图 像之间的相似部分。在所有的压缩系统编码器中都将熵与冗余分离，只有熵被编 码和传输，而在解码中再从编码器发送信号中计算出冗余。 在传递信息时，为了减少所需数据量，可以采用两种不同的基本技术。第 一种是提高编码效率的无损压缩。对于给定的信息，可以采用许多编码方式。在 最简单的视音频数据中，也包含有一定量的冗余度。许多编码技术可以减少或除 去这种冗余度。例如游程编码和可变字长编码系统( 例如哈夫曼编码) 。如果应 用适当，上述编码技术完全是可逆的，这就是说，解压缩后的数据与编码系统的 输入数据是相同的。这种类型的压缩称为无损压缩。但是无损压缩不能提供视音 频应用所需要的数据压缩比。如果除去信息中的冗余度并不能满足所需要的数据 压缩量，就必须要丢弃某些信息，也就是另一种技术有损压缩；有损压缩就是通 过去除不相关的信息或相关性较低的信息来实现所需要的压缩量。不存在对任意 数据流均适用的通用有损压缩技术。因为对相关性的评价只能就应用内容本身才 7 硕士学位论文 图像可以进行无级缩放。分形压缩的快速解码及分辨率无关的两大优点是其立足 的根本。目前专做分形压缩产品的美国i t e r a t e d 公司已有分形压缩的软硬件面向 市场。如果能够克服压缩速度慢的缺陷，分形压缩将会更具潜力。 3 小波变换【9 】：小波变换是继离散余弦变换之后的一种最具潜力的变换编码 技术。由于它具有傅立叶变化所没有的时频特性及多分辨率分析，以及它的快速 算法( m a l l a t 算法并不逊色于快速傅立叶变换) ，因而小波变换一经出现，立即 引起信号处理领域里研究工作者的关注，成为当前最为热门的研究方向。小波变 换对图像的压缩类似于离散余弦变换，即都是对图像进行变换，由时域变换到频 域，然后再量化、编码、最后输出。不同之处在于小波变换是对整幅图像进行变 换，而不是先对图像进行小区分割。另外在量化技术上也是采用不同的方法。离 散余弦变换是采用与一种人类视觉相匹配的矢量量化表，而小波变换则没有这样 的量化表，它主要依据变换后各级分辨率之间的自相似性的特点，采用逐级逼近 技术实现减少数据存储的目的。 一 目前，基于离散余弦变换的各类压缩技术标准仍在制定之中，技术十分成熟 的j p e g 等国际标准仍是目前市场上压缩技术的主流。而分形压缩技术由于它具 有快速解压缩及与分辨率无关的特点，在多媒体播放、浏览、分类、查找等领域 中具有尤其重要的作用。小波变换作为一种崭新的压缩技术，由于在软件压缩方 面的快速及大压缩比等特点，可能在不远的将来成为新一代压缩技术标准。 2 3j p e g 静态图像压缩编码 j p e g 是一种对彩色或灰阶之类连续色调图形作压缩和解压缩的标准。这个 标准是由i s o i e cj t c l s c 2 9w g l o 所制定的【1 0 1 。j p e g 可应用在如研讨会图片、 影像数据库、桌上出版系统、多媒体及医疗等许多需要对静态图像进行压缩编码 的场合。该压缩标准适用于彩色、单色以及多灰度连续色调的静态图像的压缩和 编码，和相同图像质量的其它常用文件格式( 如g i f 、t i f f 、p c x ) 相比，j p e g 是目前静态图像中压缩率比较高的一种文件格式。j p e g 的基本概念是将静态图 像的一部分区域从空间域转换为频率域。一般而言图像高频部份的量会比低频部 分的量要小很多，而由于人眼对空间高频部份较不敏感，因此高频部分就可以通 过较大量化处理后产生较为粗略的图像来表示，由于较粗略的图像需要较少的 位，于是可以大幅度地减少要储存或通讯的信息量，而缩减后的图像信息也仍然 可以被人们的视觉感官所接受。 j p e g 是一种适用范围非常广泛，通用性较强的技术，它把算法的功能分为 四种运行方式，用户只要从中选择需要的功能即可。这四种运行方式是： 1 基本d c t 顺序：由8 8 像素组成的像块，按照从左至右、从上到下对图 像进行扫描和编码，顺序运行需要的缓冲条件最小，因而实现费用最低。 9 基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 2 基于d c t 的扩展：编码处理的顺序及基本构成是与基本d c t 顺序相同 的，但有多次处理扫描。对图像按照由粗到细进行编码，图像重现时由 粗糙到清晰。适用于传输时间长、低速率的通讯频道上的人机交互场合。 3 无失真：不使用d c t 变换，使用二维差分脉冲编码调制技术，对接近像 素间的差别进行编码，可处理较大范围的输入像素精度，可以保证重建 图像与原始图像完全相同，没有失真。 4 分层：以多种分辨率对图像进行编码，按照不同的要求，可以获得不同 分辨率的图像。 j p e g 定义了两种基本算法：一种是基于d c t 的有损压缩算法，包括基本 系统( 顺序方式) 和扩展系统( 递增模式、分层编码) ；另一种是基于d p c m 预测编码方法的无损压缩算法，又称s p a t i a l 方式。d c t 型算法可以实现较高的 压缩，但较为复杂；d p c m 型算法可实现低到中等程度的压缩。选择使用哪种过 程取决于从特定的应用要求和性价比方面上的考虑。在j p e g 标准( i s o 1 0 9 18 ) 中包括三个部分：编码器、译码器和交换格式。编码器是将输入图像信源变成图 像压缩数据：译码器是将图像压缩数据还原重建图像；交换格式是图像数据压缩 后组成的一定比特流格式，格式中包括编码过程中所采用的码表等。 在这四种运行模式中，最常见的是基本系统，即基本d c t 顺序型方式。以 下针对这种基本d c t 顺序型方式的d c t 变换进行讨论和研究，图2 1 是j p e g 压缩编码基本流程【1 1 1 。 图2 1j p e g 压缩编码流程 2 3 1 分块及预处理 j p e g 可以压缩连续色返般灰度图像或彩色图像。对于灰度图像，每个像素 可以是8 - b i t 或1 2 b i t 的灰度值。基本模式( b a s e l i n e ) 只要求处理8 b i t 图像( 某些 医学图像是要求1 2 - b i t ) 。对于彩色图像，原则上可以将每个色彩分量看作一幅 灰度图像，再进行压缩。不过由于人眼对于亮度变化要比色彩变化更敏感，因此 通常把r g b 彩色信号变换为亮度和色差信号，并对色差信号进行采样，这样可以 提高压缩率。 具体来讲，自然界中的颜色大都可以用r 、g 、b 这三种颜色值之和来确定， l o 硕士学位论文 某一种颜色和这三种颜色之间的关系可以描述为：颜色= r ( 红色的百分比) + g ( 绿色的百分比) + b ( 蓝色的百分比) ，大多数图像的应用都是以像素的r g b 分量表示，在计算机视频技术中，应用最多的是r g b 彩色空间表示，因为计算机 彩色显示器的输入需要r g b 三个彩色分量，不管数据采用什么形式的彩色空间表 示，最后一定要转换为r g b 彩色空间表示。j p e g 标准中规定信源可以为彩色也 可以为黑白，如果是彩色图像，一般由亮度分量y 和色度分量c r 和c b 构成，因为 研究表明，人的视网膜含有对红、绿、蓝颜色敏感程度不同的三种锥体细胞。人 类视觉系统对光的亮度具有比较强的分辨能力，对色度的分辨率大概是对亮度分 辨率的四分之一，因此利用人的视觉系统对颜色的感知，将r g b 信号转换成亮度 和色差信号后进行编码。 c c i r ( 现i t u r ) 建议规定的y c r c b 彩色空间到r g b 彩色空间的转换关系经 公式( 2 1 ) 处理后，可以将r g b 模式中的r 、g 、b 阵列转化为y c b c r 模式中的y 、 c b 、c r 阵列，再由相应的y 、c b 、c r 阵列组合构成一个最小编码单元。j p e g 编 码后续处理是以最小编码单元方式进行的。 j r = 0 2 9 9 r + o 5 8 7 g + o 1 4 4 b c ；= - o 1 6 8 7 r 一0 3 3 1 3 x g + o 5 b + 1 2 8 ( 2 1 ) c j = o 5 r o 4 1 8 7 g o 0 8 1 3 8 + 1 2 8 j p e g 压缩编码首先将输入图像按从左到右，从上到下的顺序分成8 8 大小的 块。编码器本质上是对一连串8 8 大小的灰度图像进行编码。对于彩色图像，还 涉及到各色彩分量之间的交织( i n t e r l e a v i n g ) 和采样处理。如果原图像的宽度或 高度不是8 的整数倍，需要对原图扩大一圈，让宽度和高度都达到8 的倍数，然后 进行压缩。当然，在生成的j p e g 文件中要记录原始图像的大小，并把解压缩的 图像剪裁到原大小。图像的填补和分块伴随离散余弦变换一同进行。 2 3 2 变换编码 j p e g 是一种基于变换的图像压缩算法，它采用了离散余弦变换( d c t ) 。“变 换 的基本思想是，找到一组基，让图像在这组基下能量集中( 少量系数值较大， 其余系数接近o ) 。为了达到分离能量的目的，“变换 一般应是正交的。变换必 须是可逆的，否则无法解码，因此变换本身不能压缩信息。不过通过随后的“量 化将影响不大的系数略去，即可达到压缩的目的。适合图像压缩的变换有很多 种，例如k a r h u n e n l o 邑v e 变换( k l t ) 、离散傅立叶变换( d f t ) 、离散余弦变换 ( d c t ) 、w a l s h h a d a m a f d 变换( w h t ) 等等。 在数据压缩方面最佳的变换是k a r h u n e n l o e v e 变换，但实际应用中一般不用 它的原因有两点：1 k l t 得到的基与输入数据相关，意味着除了需要把系数传 给解码器，还需要把基传给解码器，而且每个分块的基一般是不相同的，这样使 得压缩效果大打折扣。2 k l t 需要计算协方差矩阵的特征向量，计算量相当大。 基于b 1 a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 而d f t 、w h t 、d c t 的基是固定的，与输入无关。在与输入无关的各种变换中， 非正弦变换( 如w h t ) 最容易实现，正弦变换( 如d f t 和d c t ) 的信息压缩能力 更接近最佳的k l t 方法。d f t 是酉空间的正交变换( 系数是复数) ，d c t 是欧式 空间的正交变换( 系数是实数) ，因此d f t 的系数比d c t 多一倍。不过实数的d f t 的系数是共轭对称的，实际所需的存储空间与d c t 是一样的。d c t 优于d f t 的一 个原因是，由于d f t 的边缘振铃现象( g i b b s 现象) ，相邻图像分块之间的边界变 得可见。d c t 减少了这种效应，一是它的固有周期比d f t 长一倍，二是它的边界 不问断。 因此为了兼顾压缩效果和计算复杂度，j p e g 采用8 8 的2 dd c t 变换作为其 核心，该变换的定义如公式( 2 2 ) 所示： 脚，= 扣脚瘗争c o s 学c o s 譬竽、 其中当u ，v = 0 时c ( u ) ，c ( v ) = l 2 ，当u ，v 不等于0 时，c ( u ) ，c ( v ) = l 。在计 算d c t 之前，要把输入图像的像素值减去1 2 8 ，让它的取值范围从【o ，2 5 5 】移到 【1 2 8 ，1 2 7 】。 每个8 8 的分块经过d c t 运算得到6 4 个系数。其中f ( 0 ，o ) 称为直流系数 ( d c ) ，其余6 3 个系数称为交流系数( a c ) 。在典型的连续色调图像中，相邻像 素之间的差别往往不大。这意味着空间频率的幅值集中在低频部分。对典型的 8 8 图像分块而言，大多数空间频率幅值是o 或接近o ，在编码时可以忽略。d c t 本身并不降低图像的质量，但有时候会因为整数运算的舍入误差导致重构的图像 与原始图像略微有所差别。 如果直接采用前面的公式( 2 2 ) 计算，每个d c t 系数f ( u ，v ) 需要6 4 次乘 法，计算全部6 4 个d c t 系数需要6 4 6 4 = 4 0 9 6 次乘法。计算d c t 是整个j p e g 压缩 过程中最耗时的一步，故一般采用快速算法，其基本思路是把2 dd c t 分解为1 d d c t ，再利用余弦函数的对称性来减少计算量。 2 3 3 量化 量化( q u a n t i z a t i o n ) 是对经过2 dd c t 变换后的频率系数进行量化以增加零 系数的数目，是对d c t 系数进行压缩的关键一步，同时也是j p e g 压缩过程中会 大幅损失信息的一步。量化是通过降低d c t 系数精度，去掉那些相对在图像信息 中不是特别重要的a c 系数来达到减小图像数据量的目的，从而最终实现了图像 信息的压缩，所以说量化过程是图像质量下降的最重要原因。 6 4 个d c t 系数会用8 8 的量化表进行均匀量化，量化表中的每个元素是1 到 2 5 5 之间的整数，表示对应的d c t 系数的量化步长。量化的作用在于降低d c t 系 数的精度，从而达到更好的压缩率。量化是多对一映射，因此是有损的，它是基 于变换的编码器中导致信息损失的主要步骤，也是用户唯一能参与控制压缩质量 1 2 硕士学位论文 的步骤。 量化的过程是将每个d c t 系数除以对应的量化步长，并四舍五入为整数，如 公式( 2 3 ) ，量化表理论上应该根据输入图像确定，目标是在基本不影响图像 的视觉效果的前提下，尽量提高压缩率。量化步长越大，压缩率越大，图像质量 f ( ，v ) ：，d 蒯型 ( 2 3 ) q ( 材，1 ，) 越低。j p e g 标准的正文中并没有规定或推荐使用哪个量化表，不过在a n n e xk 【6 】 中有一份量化表，它适用于大多数中等质量的图片，但对于超高质量和超低质量 的图片，这份量化表并不是最好的选择。通常亮度分量和色差分量各有一张量化 表，而且对于色差分量将忽略更多的高频成分。实际上，j p e g 压缩编码一般都 采用这一份量化表，因此压缩后的数据中无须包含量化表。 量化后得到的仍是8 8 的6 4 个q ( u ，v ) 系数数组，量化并没有改变系数的性 质，同样q ( o ，0 ) 为d c 系数，其他6 3 个系数q ( u ，v ) 为a c 系数。下一步就是 对量化后的系数进行熵编码】。 2 3 4 差值预测编码和z i g z a g 扫描 量化后，要进行熵编码( 无损压缩) 。对于d c 系数和a c 系数的编码，由 于两者的统计性质上有很大的不同，所以要分别进行。8 8 矩阵块的左上角第一 个元素是直流d c 系数，即图像子块的平均值。由于相邻8 8 块之间的d c 系数 之间的相关性很强，j p e g 对d c 系数采用了差值脉冲编码( d p c m ) ，即对相邻 块之间的d c 系数的差值( d i f f d c i d c i 1 ) 进行编码。例如，两个相邻d c 系 数分别为1 0 0 l 和1 0 0 2 ，直接传输分别需要1 0 b i t 和1 0 b i t ，采用d p c m 后传输仅 需1 0 b i t 和1 b i t ，从而达到压缩的效果。 8 8 矩阵块的其它1 6 3 个元素是交流( a c ) 系数，经压缩后多为o 分量，考 虑进行零值行程( r u nl e n g t h ) 的哈夫曼编码。为了保证低频分量先出现，高频 分量后出现，以增加行程中连续“0 ”的个数，这6 3 个元素采用了z i g - z a g 的排 列方法，从q ( o ，o ) 开始，指向q ( o ，1 ) ，再指向q ( 1 ，o ) ，这样使a c 系数中 的“0 ”集中，可以有效地压缩数据。 2 3 5 熵编码 为了 技术，对图像质量 没有影 响。jpeg建议使用的熵编码有两种方法：自适应二进制算术编码和哈夫曼编码 。算术编码与哈夫曼编码相比，压缩比率稍微高一些，但是相应地处理要复杂， 现在一般的设备中都不支持算术编码方式，因此这里采用的是哈夫曼编码。熵编码 基于b l a c k f i nd s p 的嵌入式图像采集终端的设计与研究 这些符号赋以变长码字【1 2 1 。 1 熵编码的中间格式表示： 对交流系数a c 的中间格式，就是上面所说的a c 系数行程编码的码字，用 两个符号( 每个符号一个字节) 表示： 码位7654321o 第一个字节：( 7654 ) 表示两个非零值之间连续零的个数r u n l e n g t h ；( 32l0 ) 表示下一个非零值所占的比特数s i z e 。 码位 765432l0 第二个字节： ( 7654321o ) 表示下一个非零系数的实际值。 等同于：符号1 就是第一个字节( r u n l e n g t h 零值行程，s i z e 尺寸) ：符号2 就是 第二个字节( 幅度值下一个非零的实际值) ： 设r u n l e n g t h 的值为n ，s i z e 的值为s ，则符号1 可以写成( n ，s ) ，例如( 5 ，6 ) 表示非零两个系数之间有5 个o ，下一个非零系数需要用6 比特表示。 符号1 ：行程和尺寸，即上面的( r u n l e n g t h ，s i z e ) 。( 0 ，0 ) 和( 1 5 ，o ) 是 两个比较特殊的情况。( o ，0 ) 表示块结束标志( e o b ，e n do f b l o c k ) ，(