（电子科学与技术专业论文）基于internet的嵌入式远程监控系统的研究与实现.pdf

硕 ：学位论文 a b s t r a c t t h e21s tc e n t u r yi sai n f o r m a t i o nc e n t u r y , t h ev i d e oi n f o r m a t i o ni sv e r yp o p u l a r f o ri t sd i r e c t v i e w i n g ，c o n v e n i e n ta n dr i c hi n f o r m a t i o nc o n t e n t w i t ht h ed e v e l o p i n g o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，n a t i o n a ls e c u r i t ya n dd a i l yl i f e t h ev i d e om o n i t o r i n g t e c h n o l o g yf u s e sm a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r , m u l t i m e d i 巩c o m m u n i c a t i o n s ， n e t w o r ka n ds oo n ，w h i c hb e c o m e so n eo ft h eh o ts p o t so fp e o p l e ss t u d i e sa n dh a st h e b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dt h er e s e a r c hv a l u e t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e s i g nad i g i t a lr e m o t ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e m ，w h i c hh a v es t a b l ep e r f o r m a n c ea n ds t r o n gp r o c e s sa b i l i t ya n dc o m b i n et h e e m b e d d e dt e c h n o l o g yw i t ht h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ew e bs e r v e r p r o g r a mr u n su n d e r t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mp l a t f o r ma n da c t sa st h es e r v e rr o l e mt h es y s t e m i tr u n sb ym e a n so fb a c k s t a g ea n dw a i t sf o r t h ec l i e n t s sr e q u e s t ，t h u s r e a l i z em o n i t o ri nl a no ri n t e r n e t t h es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t sw h i c ha r et h ev i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a l sa n d t l l ev i d e os u r v e i l l a n c en e t w o r k t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fv i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a l u s e st h em i c r o p r o c e s s o ra r m 7 t d m i ，p r o d u c e db ys a m s u n gc o m p a n yi ns o u t h k o r e a , w h o s em a i nf r e q u e n c yi su pt o6 6 m h z t h es o f t w a r ep l a t f o r mu s e st h ef r e e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ev i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a li sr e s p o n s i b l ef o r c o l l e c t i n gv i d e oi m a g e s i nt h et h e s i s ，t h ev i d e oi m a g e si sc a p t u r e dt h r o u g ht h e i m p l e m e n t a t i o no fu s bc a m e r a ，w h i c hi s b a s e do nv i d e 0 4 l i n u xp r o g r a m m i n g i n t e r f a c eu n d e rt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h en e c e s s a r y t r e a t m e n tf o rt h ee n o r m o u sa m o u n to fv i d e oi m a g ed a t a t h es y s t e mu s e st h ej p e g a l g o r i t h mc o m p r e s s e st oc o m p r e s st h ei m a g ed a t a f i n a l l y , t h ec o m p r e s s e d d a t a s t r e a mi ss e n tt ov i d e os u r v e i l l a n c en e t w o r kp l a t f o r mf o rn e t w o r kt r a n s m i s s i o n i nt h e n e t w o r kp l a t f o r m ，t h es y s t e mb u i l d sad e d i c a t e dw e bs e r v e r , w h i c hb a s e so nt c p i p n e t w o r kp r o t o c o lt oa c h i e v et h en e t w o r kt r a n s m i s s i o no fv i d e od a t a t h es y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di nt h ec a s et h a tt h es c r e e ni m a g eu s e da se v i d e n c e ， s u c ha su n m 卸【l i l e dw a r e h o u s e ，h o m ea l a r mm o n i t o r i n g , t r a f f i cm o n i t o r i n ga n do t h e r f i e l d s i ns u c ha p p l i c a t i o n s ，t h es y s t e md o e sn o tr e q u i r et h e a c h i e v e m e n to f c o n t i n u o u sv i d e os u r v e i l l a n c e ，b u to n l yo nas i n g l es p e c i f i cp i c t u r e ( f r a m e ) a n dt h e n e e df o rt h e s ei m a g e st ov i d e oe d i t i n g ，t h eu s eo fe v i d e n c ei no r d e rt of a c i l i t a t e s e c u r i t y t h ew h o l es y s t e mi sb a s e do nm o d u l ec o n s t r u c t e r e a c hm o d u l eh a sr e l a t i v e i i i 幕于i n t e m e t 的嵌入工远程豁拎系统的研究j 实现 i n d e p e n d e n c e ，w h i c he n h a n c e st h es y s t e m sr o b u s t n e s sa n df l e x i b i l i t y w h e no n e m o d u l en e e d st oc h a n g e ，t h eo t h e r sd o n tn e e dg r e a tc h a n g ew h i c hi sag r e a t a d v a n t a g et ou p g r a d et h es y s t e m a n dt h es y s t e mu s e st h ee m b e d d e ds o l u t i o nw h i c h l e a d st ot h el o wc o s ta n di se a s yt ou s ea n ds p r e a d k e y w o r d s ：r e m o t es u r v e i l l a n c e ；e m b e d d e dl i n u x ；v i d e 0 4 l i n u x ；j p e g ； i v 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j j , j j i l 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。 储龆汤釉 醐：7 年哆肌日 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 、不保密囤o ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：踢霄峰 导师签名： 日期：冲年哆月p 日 日期：妒7 年j 月f f 日 硕上学位论文 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 视频图像是对客观事物形象、生动的描述，是直观而具体的信息表达形式， 是人类最重要的信息载体。特别是在今天的信息社会，随着网络、通信和微电子 技术的快速发展和人民物质生活水平的提高，视频监控以其直观、方便和内容丰 富等特点，日益受到人们的青睐。 而传统的基于单片机的远程监控系统虽然能够满足对简单的设备进行控制， 然而随着受控系统和应用环境的复杂化和大型化，基于单片机的监控系统就显得 有些“力不从心。随着半导体技术及嵌入式芯片技术的发展，嵌入式系统被广 泛应用到网络、家庭安防、国防军事以及自动化控制等多个领域。嵌入式系统是 指以p c 应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格需求的专用计算机系统【l 】。通过嵌入式系统将监控 系统中的现场设备( 如c m o s 摄像头) 接入i n t e r n e t 就是嵌入式i n t e m e t 。对很多嵌 入式系统而言，它们需要拥有更多的功能如网络功能，而随着功能的增多和结构 的复杂则必须要求有嵌入式操作系统的支持。目前嵌入式操作系统有一些成熟产 品，如v x w o r k s ，w i n c e 和 x c l i n u x 等，它们都具有较好的实时性、可靠性、提供 网络功能支持等特点。 本文设计的远程视频监控系统主要应用于以图像画面作为证据的场合，如无 人值守的仓库、机房、变电所、家庭监控报警，交通监测等领域。它拥有网络功 能，突破了传统监控系统的地域限制，极大地扩展了远程监控系统的应用范围。 此系统的网络部分构建了专门的w e b 服务器，采用基于t c p i p 的网络协议实现视 频采集数据的传输。之后，把视频数据进行压缩，最后把压缩的视频图像传输到 远程客户端，这样就提高了数据的传输速度，减少出错率，增加了远程图像监控 系统的使用价值。但是，现有的商业嵌入式操作系统存在的问题是价格普遍偏高， 而免费的l i n u x 操作系统是一个比较好的选择。l i n u x 是一个以内核为基础、以u n i x 为指导思想的多任务多进程操作系统，它对许多c p u 和硬件平台都是可移植的， 且性能稳定、功能强大、易于开发。l i n u x 操作系统最大的优点在于开放源代码， 可以剪裁内核，任何人都能修改并在g n u 通用公共许可证( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行。这样，开发人员就可以根据各种硬件平台定制操作系统。l i n u x 可以支持 多种处理器芯片，而且对硬件配置的要求很低。另外，l i n u x 系统本身携带完整的 网络通信协议簇，为实现嵌入式i n t e r n e t 提供了技术基础。 本文采用三星高性能3 2 位嵌入式a r m 处理器$ 3 c 4 4 8 0 、开源的i _ t c l i n u x 嵌入式 系统，结合j p e g 压缩编码和t c p i p 协议研究设计了完整的图像采集、处理、传输 基于i n t e r n e t 的嵌入式远程监控系统的研究与实现 一体的视频图像监控系统。采用此种方案的系统具有体积小、成本低、稳定性高、 支持实时多任务操作系统和小型化的要求，可以面对日益复杂的图像应用。在诸 如智能交通、移动机器人、智能产品检测、医学仪器、i p 电话、便携式流媒体设 备等各种图像应用领域中得到越来越广泛的应用。研究如何将嵌入式平台、视频 图像处理和网络结合起来，对于快速开发图像处理方法具有重要的指导意义。另 外，由于本系统采用j p e g 压缩编码，它是采用帧内压缩方式，图像清晰、稳定， 适于视频编辑，可以灵活设置视频清晰度和压缩帧数，其压缩后的格式可以读取 单一画面，因此可以任意裁剪，特别适用于安防取证的用途。 1 2 1 视频监控系统的三个发展阶段 视频监控系统的功能是要求能够对现场进行视频监控。从摄像机、电视机等 出现后，最初的视频监控系统也随之出现。随着计算机技术、数字视频技术以及 网络化技术的发展，视频监控系统也在不断发展。从第一代基于模拟摄像机的模 拟监控系统，到第二代基于计算机的数字监控系统，再到第三代基于嵌入式的网 络数字监控系统，视频监控系统已经经历了三个发展阶段【2 】： ( 1 ) 基于模拟摄像机的本地视频监控系统 最初的视频监控系统一般是由摄像机、传输电缆、监视器、视频矩阵切换器 等组成。在这一代视频监控系统中，由摄像机获得现场的视频，通过电缆进行传 输，然后在监视器中对现场进行监控。 模拟视频监控系统的主要缺点有【3 j ： 受到线路的限制，不能长距离的布线。同轴电缆的视频信号传输距离只有一千 米，而双绞线更短。这决定了只能在较小的范围内应用。 扩展能力差，很难添加新的监控节点到原有的体系中。 模拟信号容易受到干扰，监控图像质量不好。 信息存储一般采用录像带等设备，容量有限且成本较高，只能进行顺序检索， 不利于查找信息。 ( 2 ) 基于计算机的数字监控系统 由于计算机技术和数字视频压缩技术的发展，数字视频压缩和计算机开始应 用于视频监控。在这一代视频监控系统中，将各个摄像机获得的视频信号首先利 用专用的压缩设备进行视频压缩，然后通过内部网络联到一个p c 机或工业计算机 上，在这台作为核心的计算机上运行视频解压，提供视频监控服务【4 j 。 在这种视频监控系统中，可以充分发挥计算机的强大性能，在此基础上产生 了各种智能化应用。这种模式实际上是原来的模拟视频监控系统的延伸，它的优 点在于可以利用旧有的线路设备进行改造，利用原有的摄像机获取图像信息。由 计算机作为服务器代替了控制中心，在一定程度上解决了上一代监控系统的缺陷。 它主要有以下优点： 硕七学位论文 数字视频传输的可靠性高，经过压缩的视频传输更加快速，还可以通过各种方 式与联网的其他计算机共享。 经过压缩的数字视频可以存储在计算机磁盘上，存储容量大，故障率低，读 取方便，易于检索。 拥有w i n d o w s 这种良好的用户界面，易于操作和管理。 但是这种应用方案的缺点也是很明显的，缺点主要有【5 】： 由于图象压缩与解压缩采用的是专用的视频卡，这使得视频前端( 如c c d 等视 频信号的采集、压缩、通讯) 过于复杂，稳定性、可靠性不高，而且成本较高。 兼容性差，使用专用的视频压缩卡，因此系统只支持一种编解码格式。 ( 3 ) 基于嵌入式技术的视频监控系统 近年来，视频监控系统被越来越多的应用到各个领域，如智能小区、银行的 安全监控，医院病房的监护摄像机，道路信息的监控，工厂车间的现场视频监控， 以及应用于远程网络实验中观看实验设备、观看操作、查看实验结果等等。它们 对于视频监控系统的要求也越来越高，如要求系统可靠性高、操作简单、可以接 入网络等。在此种情况下，数字化、低成本的视频监控系统的开发与设计正受到 越来越多的重视。 传统的监控方式因为布线繁琐，监控距离受到限制等原因，不能满足要求。 由于嵌入式技术和网络化技术的飞速发展，使得由嵌入式系统和i n t e m e t 的结合产 生的嵌入式网络视频监控系统应运而生。网络技术的快速发展，为基于i n t e r n e t 的 视频监控系统展示出了良好的应用前景。其基于网络的特性可以使得监控更为灵 活，通过联网可以使得摄像机具备了强大的功能，成为许多场合的监控手段。 1 2 2 国内外对基于视频监控系统的研究现状 目前，国内外对基于嵌入式和网络技术的视频监控系统的研究正方兴未艾。 研究领域一般集中于嵌入式视频监控系统的设计、嵌入式操作系统的研究以及视 频图像的网络传输等几个方面。 在嵌入式操作系统方面，一般集中于嵌入式操作系统在视频监控系统中的应 用研究，例如：有对g c l i n u x 在建立嵌入式视频监控系统中的应用的研究；关于嵌 入式l i n u x 在远程数据采集及w e b j 艮务器中的应用研究；在嵌入式l i n u x 下对视频采 集设备驱动程序的研究1 6 j 等。 在嵌入式视频监控系统方面一般主要集中在以下几个方面：第一，对于视频 监控系统的设计与研究，例如：有d e s u r m o n tx a v i e r 设计并实现的一种实时优化的 小型网络摄像机，系统由图像传感器、嵌入式处理器、图像处理电子卡、网络接 口组成，通过压缩优化算法和背景差分算法可以使摄像机实现实时的图像压缩、 传输，并能跟踪目标。该系统的主要特点是实时性的提高【7 l ；第二，基于嵌入式的 w e b 服务器的设计，实现了基于视频服务器的视频网络监控【引，可以实现远程多路 基于i n t e m e t 的嵌入式远程监控系统的研究与实现 视频监控信号的w e b 服务器等。 在对视频图像网络传输的研究中，有h e n gb i r a na 等提出的种利用多重描述 符编码的编程方法，以用来减少在网络传输中造成的丢失数据包，使端到端的网 络视频图像传输更为优化1 9 j ；p 2 p 技术在视频网络传输中的应用，在提高网络资源 利用率、- 消除服务器瓶颈方面起到了显著的作用 t o l ；在i p 组播方式下的网络视频 传输方案，可以大大的节约网络带宽，提高视频的播放效率【1 1 儿1 2 】；采用流媒体的 格式传送视频图像数据，可以更好的实现视频的传输及播放【l3 】等。 1 3 本文主要研究内容 本文在基于a r m 7 芯片的嵌入式j _ t c l i n u x 系统平台上，利用v i d e 0 4 l i n u x 内核 应用编程接口函数，实现视频图像的采集，并采用j p e g 方式压缩采集的图像，网 络传输部分采用基于t c p i p 协议，并构建专有的视频服务器用于图像的采集和传 输，用户在客户端使用浏览器即可观看由监控现场传回的图片。 本文主要的研究内容主要体现在三个方面： ( 1 ) 建立了基于a r m 7 t d m i 芯片的嵌入式硬件开发平台与a r m l i n u x 操作 系统的软件开发平台。 ( 2 ) 在嵌入式l i n u x 平台下通过u s b 摄像头，采用 t c l i n u x 下的v 4 l 编程接口 采集视频图像，并将采集的视频图像数据用j p e g 压缩方法压缩传输。同时采用基 于l a c l i n u x 下f r a m e b u f f e r 技术在本地显示图像。 ( 3 ) 构建嵌入式w e b 服务器，响应客户端的请求，并采用基于t c p i p 协议实 现图像压缩数据的传输。 本论文的结构安排如下： 第一章，绪论。主要阐述本课题的背景、意义、国内外嵌入式远程监控系统 的研究现状及论文完成的主要工作和章节安排。 第二章，远程监控系统技术基础。在基于i n t e r n e t 的嵌入式远程监控系统中有 许多关键的技术，本章则较详细的阐述、分析t j p e g 压缩编码方法和t c p i p 协议。 前者实现对视频图像的压缩，后者则实现了视频图像的网络传输。 第三章，系统方案设计。系统方案从总体上分为硬件平台和系统应用软件结 构。本章首先给出了系统的总体设计方案和流程。构建了以嵌入式微处理器 $ 3 c 4 4 8 0 开发板为核心的硬件平台并概述了以嵌入式操作系统i _ t c l i n u x 为核心的应 用软件开发流程图。最后，对本章进行了小结。 第四章，视频图像采集、压缩的研究与软件设计。本章首先从总体上给出了 本系统软件实现的框架及其基本思想。接着，详细的阐述了i _ t c l i n u x 下用于视频采 集的编程接口v 4 l 并使用它实现了视频图像的采集。之后，使用j p e g 压缩方法实 现 4 硕十学位论文 了视频数据的压缩。最后阐述怎样使用g c l i n u x 下的f r a m e b u f f e r 技术显示采集的图 像。 第五章，通信功能的研究与软件设计。本章首先使用t c p i p 协议实现了视频 数据的网络传输。接着构建嵌入式w e b j 艮务器，实现客户端浏览器与服务器的交 互。 ， 最后，对本文的研究工作进行了总结与展望。 基于i n t e m e t 的嵌入式远程监控系统的研究与实现 第二章远程监控系统技术基础 图像经摄像头采集后首先需要经过压缩处理，然后通过网络传输到客户端浏 览器。本文采用j p e g 压缩方法来实现视频数据的压缩处理，数据的网络传输则采 用t c p i p 协议。下面来详细阐述它们的原理、方法。 2 1j p e g 图像压缩 j p e g 是联合图像专家组( j o i n tp i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 拘英文缩写，是国际标准 化组织( i s o ) 和c c i t t 联合制定的图像压缩编码标准14 1 。j p e g 压缩分四个步骤实 现：颜色模式转换及采样；前向d c t 变换；量化；编码。 j p e g 压缩编码、解码流程大致如图2 1 所示。 基于d c t 变换的编码器 图2 1j p e g 压缩编码 2 1 1 颜色模式转换及采样 r g b 色彩系统是我们最常用的表示颜色的方式。而j p e g 采用的是y c b c r 色 彩系统。想要用j p e g 基本压缩法处理全彩色图像，得先把r g b 颜色模式图像数 据，转换为y c b c r 颜色模式的数据。y 代表亮度，c b 和c r 则代表色度、饱和度。 通过下列计算公式可完成数据转换。 y = 0 2 9 9 0 r + 0 58 7 0 g + 0 1 14 0 b c b = 0 16 8 7 r 0 3 313 g + 0 5 0 0 0 b + l2 8 c r = 0 5 0 0 0 r 0 4 1 8 7 g o 0 8 1 3 b + 1 2 8 人类的眼晴对低频的数据比对高频的数据具有更高的敏感度，对亮度的改变 也比对色彩的改变要敏感得多，也就是说y 成份的数据是比较重要的，c b 和c r 成份的数据相对不重要。故可以只取部分数据来处理以增加压缩的比例。j p e g 通 常有两种采样方式：y u v 4 11 和y u v 4 2 2 ，它们所代表的意义是y 、c b 和c r 三个 成份的数据取样比例。 2 1 2d c t 变换 d c t 变换的全称是离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) ，是指将一组光 强数据转换成频率数据，以便得知强度变化的情形。j p e g 里，要对数据压缩，先 6 硕十学位论文 要做一次前向d c t ( f o r w a r dc o s i n et r a n s f o r mf d c t ) 变换，一次只对一个块 ( b l o c k ) 进行变换。将原始图像数据视为空间的函数f ( x ，y ) ，x 为像素所处的 行，) ，为像素所处的列，甜和，对应频域空间的行和列，前向d c t 变换的公式如 式( 2 1 ) ，d c t 反变换的公式如式( 2 2 ) 。 f ( “，v ) 百1c ( “) c ( v ) 萎 1 丢7 厂( x ，少) c 。s ! 兰兰 竽c 。s 学】 ( 2 1 ) t x ；ov ：o l ul u m=麓壹cc(v)脚，v)cos(2x+r1)uzu=0v = 0 c o s 号竽】 ( 2 2 ) t工u工u 在式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 中当l ，v = 0 时，c ( “) ，c ( o = 1 2 ，其它情况下c ) ， c ( v ) = 1 ，d c t 变换的原理，和离散傅立叶变换差不多，它是将空间域的信号变换到 频域，f d c t 相当于谐波分析，此处频域共有6 4 个不同的空间频率( 对应不同的和) ， 这种频率体现出光强变化的快慢，f d c t 得到的数据就是对应频域中各个频率的幅 值。在频域中，能量( 或者说幅值) 主要集中在低频( 对应较小的和) ，对应高 频的幅值大部分为零或接近零，这显然非常有利于数据的压缩。f ( 0 ，0 ) 称为直流 系数( d cc o e f f i c i e n t ) ，从公式可以看出它相当于原始图像数据某种意义上的平均 值，一般数值较大；其余的称为交流系数( a cc o e f f i c i e n t ) 。f d c t 原理上是可逆的， 原始图像数据的损失是由于公式中有余弦函数，计算时的精度引起的，但这往往 可以忽略。 这里还要注意两个问题： ( 1 ) f d c t 是对每8 x 8 个点为一个单位处理的。所以如果原始图片的宽度 ( w i d t h ) 或高度( h e i g h t ) 不是8 的整倍数，都需要先补成8 的倍数。例如某幅图像为 6 9 8 6 9 5 ( 高度宽度) ，高度，宽度均不是8 的整数倍，这在对图像压缩时，图像 的右边应再加一列，图像的底部应再j j 【1 6 行，这样图像变为7 0 4 6 9 6 ，对于多加的 行和列的像素值取为o 即可。 ( 2 ) f d c t 变换前，先要将原始图像数据零均值化，如果原始图像的精度为 p ，则应将数值从【o ，2 p 1 变换到 一2 p - 1 1 ，2 p - l _ 1 】，显然将原始数据减去2 p 一即可。 压缩时，将原始图像数据分成8 * 8 数据单元矩阵。j p e g 将整个亮度矩阵与色 度c b 矩阵，饱和度c r 矩阵，视为一个基本单元称作m c u 。每个m c u 所包含的 矩阵数量不得超过1 0 个。 2 1 3 量化 图像数据转换为频率系数后，还得接受一项量化程序，才能进入编码阶段。 量化阶段需要两个8 * 8 矩阵数据，一个是专门处理亮度的频率系数，另一个则是 针对色度的频率系数，将频率系数除以量化矩阵的值，取得与商数最近的整数， 即完成量化。当频率系数经过量化后，将频率系数由浮点数转变为整数，这才便 于执行最后的编码。不过，经过量化阶段后，所有数据只保留整数近似值，也就 7 基于i n t e r n e t 的嵌入式远程i 般控系统的研究与实现 再度损失了一些数据内容。 j p e g 标准中推荐的量化表如表2 1 。一共有6 4 个元素，按照从上到下，从左 到右的顺序与f d c t 变换后的幅值对应，每一元素记为q ( u ，v ) ，“和1 ，对应行和列。 量化公式为式( 2 3 ) ，解码时反量化公式为式( 2 4 ) 。 严v ) = i n t e g e rr o u n d ( 粼) ( 2 3 ) f g ( “，v ) = f a ( 甜，v ) q ( u ，) ( 2 4 ) f q ( ”，v ) 代表量化后的幅值，f q ( 甜，v ) 代表还原( 反量化) 后的幅值，f ( u ，) 即 为经过d c t 量化后的频率函数。 表2 1 亮度( 左) 与色度量化 由于量化的缘故，产生了信息损失。量化表中对应于u 和v 较小的元素数值较 小，意味着对低频幅值的量化信息损失较小，相对的材和v 较大时，数值也就较大 了，意味着对高频幅值的量化信息损失较大。但事实上人眼对高空间频率远没有 低频敏感，所以处理后的视觉损失很小。 量化表是控制j p e g 压缩比的关键 15 , 1 6 , 1 7 】，当量化表中某个元素取值较大时， 压缩比就高，但图像失真就大。 2 1 4 编码 图像经过变换、量化后，在一定程度上减小了空间域和频域上的冗余度，但 是这些数据在统计意义上还存在一定的相关性，为此采用熵编码来消除数据问的 统计相关。熵编码分为两个步骤，其一为中间熵编码，其二是可变长度熵编码。 根据d c 和a c 系数的不同特征，需要采用不同的方法对其进行中间熵编码，将系 数转换为中间符号序列后，再对这些符号进行可变长度熵编码，j p e g 中使用的可 变长度熵编码是h u f f m a n 编码。 哈夫曼编码要分成3 步来完成： ( 1 ) 按之字型的顺序( z i g - z a gs e q u e n c e ) 调整量化后的系数【1 8 】； 8 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 7 9 9 9 9 9 9 9 4 9 9 9 9 9 9 9 4 6 9 9 9 9 9 9 2 6 9 9 9 9 9 9 8 6 6 9 9 9 9 9 l 一2 5 9 9 9 9 9 7 一l 6 6 9 9 9 9 l 一2 2 6 9 9 9 9 ，一5 6 2 7 2 o 9 6 5 5 6 7 9 l 9 一 一 3 3 o 3 一o 9 o 0 l 2 0 5 6 6 8 1 l 1 1 一 一 9 4 o 0 8 7 7 0 o 2 o 4 5 5 8 l 1 l l 一 一 3 2 4 6 o 1 8 1 o l 2 2 4 5 6 8 1 一 一拇 抖 弱 矾 盯 一 m h m 毖 ” 鲐 他 够 一 l 一2 3 7 2 5 4 2 l l l l 2 3 6 9 一 一屹 h 捧 m 的 佗 硕十学位论文 ( 2 ) 将按之字型顺序排列的系数转化为中间符号( i n t e r m e d i a t es y m b 0 1 ) 序 列1 1 9 】； ( 3 ) 将中间符号进行变长码字编码( v a r i a b l e l e n g t h sc o d ec o d i n g ) 也就是 哈夫曼编码。 第一步，经过f d c t 和量化两个环节后，较高空间频率( 对应较大的和) 的 系数很小，大部分为零，因此，按之字型的顺序调整系数的用意就是使为零的高 空间频率系数能够连在一起，以利于游程编码( r u n - l e n g t hc o d i n g ) 。根据这一点， 应使u 和v 较小的系数排列在前面，之字形顺序如图2 2 ，图中a c i j 表示坐标为 ( i , j ) 的交流系数。 图2 2 之字形顺序图 第二步，在这一步里，d c 系数和a c 系数是分开来处理的。由于d c 系数 是一块( b l o c k ) 图像中像素值的平均值，相邻块之间的d c 系数又很大的相关性， 或者说往往相差不大，所以对相邻块的d c 系数差值( d cd i f f e r e n c e ) 进行编码。 d c 系数有两个特点：一是数值较大，二是相邻8 x 8 像素块的d c 系数值变化不 大。根据这两个特点，j p e g 算法使用了差分脉冲调制编码( d p c m ) 技术，对相邻 图像块之间量化d c 系数的差值d e l t a 进行编码，即对式( 2 5 ) 中的d e l t a 进行编 码。即： d e l t a = d c ( o ，o ) 女一d c ( o ，o ) ( 2 5 ) 量化a c 系数的特点是1 6 4 矢量中包含有许多连续的”0 ”系数，因此使用简 单直观的游程长度编码r l c ( r u nl e n g t hc o d i n g ) 对它们进行编码可以达到一定的 压缩目的。游程编码的原理很简单：将一行中颜色值相同的相邻像素用一个计数 值和该颜色来代替，之后再对该颜色和计数值分别进行编码。 例如：码字为： 5 5 5 5 5 5 7 7 7 7 7 3 3 3 2 2 2 2 1 1111 1l 。 行程编码为：( 5 ，6 ) ( 7 ，5 ) ( 3 ，3 )( 2 ，4 ) ( 1 ，7 ) 可见，行程编码的位数远远少于原始字符串的位数。 最后，对上一步产生的中间符号序列进行哈夫曼编码最终输出数据流。 9 基于i n t e r n e t 的嵌入式远程i 旌摔系统的研究与实现 2 2t c p i p 协议 t c p i p 协议，包含了一系列构成互联网基础的网络协议。这些协议最早发源 于美国国防部的a r p a 网项目。t c p i p 字面上代表了两个协议：传输控制协议t c p ( t r a n s m is s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和网际协议i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 。 2 2 1t c p 伊与o s i 七层网络模型 t c p i p 协议与o s i 七层网络模型有着天然的联系，它是从i s o 七层模型发展而 来的。o s i 七层网络模型是由国际标准化组织( i s o ) 定义的一个开放系统互连模型 ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ，它具有一个七层结构模型【2 0 】【2 1 1 。 从下往上依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示和应用层。 如图2 3 所示： 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 图2 3o s i 七层网络模型 在这七层模型中，每一层各司其职，下一层都通过两层之间的接口( i n t e r f a c e ) 为上一层提供服务。在通信中，如果要从本系统向另一个系统传送信息，则应先 从本系统的应用层开始，由上往下一层一层地加上控制信息直到物理层，再通过 传输媒介传输到另个系统的物理层。然后在该系统中由下往上，一层一层地去 取控制信息，直到应用层，这样就完成了两系统间的通信。 其中，o s i 中的“开放”是指只要遵循o s i 标准，一个系统就可以与位于世界上 任何地方、同样遵循同一标准的其他任何系统进行通信。在o s i 标准的制定过程中， 采用的方法是将整个庞大而复杂的问题划分为若干个容易处理的小问题，这就是 分层的体系结构方法。在o s i 标准中，采用的是3 级抽象： ( 1 ) 体系结构( a r c h i t e c t u r e ) ； ( 2 ) 服务定义( s e r v i c ed e f i n i t i o n ) ； ( 3 ) 协议规范( p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o n s ) 。 o s i 参考模型定义了开放系统的层次结构、层次之间的相互关系及各层所包括 的可能的服务。它是作为一个框架来协调和组织各层协议的制定，也是对网络内 部结构最精炼的概括与描述。 o s i 的服务定义详细地说明了各层所提供的服务。某一层的服务就是该层及其 1 0 硕上学位论文 以下各层的一种能力，它通过接口提供给更高一层。各层所提供的服务与这些服 务是怎样实现的无关。同时，各种服务定义还定义了层与层之间的接口与各层使 用的原语，但不涉及接口是怎样实现的。 o s i 参考标准中的各种协议精确地定义了应当发送什么样的控制信息，以及应 当用什么样的过程来解析这个控制信息。协议的规程说明具有最严格的约束。参 考模型并没有提供一个可以实现的方法，它只是描述了一些概念，用来协调进程 间通信标准的制定。在o s i 的范围内，只有各种协议是可以实现的，而各种产品只 有和o s i 的协议相一致时才能互联。也就是说，o s i 参考模型并不是一个标准，而 是一个在制定标准时所使用的概念性的框架。而t c p i p 贝j j 实现了o s i 参考模型框架 的标准，即具体实现了i s o 模型的层次结构。 t c p i p 协议是当今世界上最流行的开放系统协议集，也采用分层结构，但并 不与参考模型的层次一一对应【2 1 1 。在如何使用分层模型来描述t c p i p 的问题上争 论很多，但共同的观点是t c p i p 的层次数比o s i 参考模型的7 层要少图2 4 给出 t c p i p 参考模型与o s i 参考模型的层次对应关系。 osi参考模型tcpflp参考模型 应用层 表示层应用层 会话层 传输层传输层 网络层 网络层 数据链路层 物理层 物理层 图2 4t c p i p 与o s i 参考模型的层次对应关系 2 2 2t c p i p 协议结构 t c p i p 参考模型从功能上完全实现了o s i 七层模型，是o s i 模型的具体实现形 式。从图2 4 ( 右) 可知，t c p i p 协议参考模型从上往下可以分为4 个层次： 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ； 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ； 网络层( i n t e r n e tl a y e r ) ； 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 。 其中，t c p i p 参考模型的应用层与o s i 参考模型的应用层相对应，t c p i p 参 考模型的传输层与o s i 参考模型的传输层相对应，t c p i p 参考模型的网络层与o s i 参考模型的网络相对应，t c p i p 参考模型的物理层与o s i 参考模型的数据链路层 和物理层相对应。在t c p i p 参考模型中，对o s i 参考模型的表示层、会话层没有 基于i n t e r n e t 的嵌入式远程j 监控系统的研究与实现 对应的协议。 ( 1 ) 物理层 在t c p i p 参考模型中，物理层是参考模型的最低层，它负责通过网络发送和接 收i p 数据报。t c p i p 参考模型允许主机连入网络时使用多种现成的与流行的协议， 例如局域网协议或其他一些协议。 在t c p i p 的物理层中包括各种物理网协议，例如局域网的e t h e r n e t 、局域网 的t o k e nr i n g 、分组交换网的x 2 5 等。这体现了t c p i p 协议的兼容性与适应性， 它也为t c p i p 的成功奠定了基础。 ( 2 ) 网络层 在t c p i p 参考模型中，网络层是参考模型的第二层，它相当于o s i 参考模型 网络层的无连接网络服务。网络层负责将源主机的报文分组发送到目的主机，源 主机与目的主机可以在一个网上，也可以在不同的网上。互联网络层的主要功能 包括以下几点： 处理来自传输层的分组发送请求。在收到分组发送请求之后，将分组装入 i p 数据报，填充报头，选择发送路径，然后将数据报发送到相应的网络输出线。 处理接收的数据报。在接收到其他主