硕士论文-基于小波变换图像压缩的汽车视频黑匣子的研制与开发.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 基于小波变换图像压缩的汽车视频黑匣子的研制与开发 姓名：吕斌 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用 指导教师：陈雷霆 20040308 屯子科技大学研究生毕业论文 摘要 汽车黑匣子( 即汽车行驶状态记录仪) 是用于监测、记录汽车在行驶中各种状 态和数据的智能装置，为分析、判断汽车驾驶状态和处理交通事故提供可靠准确 的科学依据。本文中所介绍的汽车视频黑匣子系统是依据一公司所拥有的项专 利研制开发。汽车视频黑匣子在传统汽车黑匣子的基础上增加了图像、语音等功 能。系统能够同时循环记录两路图像数据，并能对重要的图像数据进行保存，能 在本系统上回放记录的图像。 小波分析是近1 0 多年来迅速发展起来的新兴学科，它同时具有理论深刻和 应用十分广泛的双重意义，是F o u r i e r 分析划时代的发展结果。 小波变换图像编码技术是种新兴的图像处理技术，具有与人的视觉特性相 结合的潜力，从而可在同样的码率下，获得主观质量更好的重建图像，或者在同 样的主观评价条件下，得到更高的图像压缩率。小波变换是对整幅图像进行处理， 因此能够从根本上消除D C T 图像处理的方块效应。在我们所设计系统中的核心 部分：图像的压缩、解压缩是采用基于小波变换的A D V 6 1l 芯片实现。 在本文中论述了利用小波变换实现图像压缩、解压缩的原理。完成了基于小 波变换芯片A D V 6 1 1 的汽车视频黑匣子的硬件设计。将系统模块化，完成各模块 的软件设计，给出流程图和设计要点。 关键词：汽车视频黑匣子；小波变换：图像压缩：A D V 6 1 I ；D S P ：自适 应量化 皇三至! 垫查兰翌窒竺兰些丝苎 A b s t r a c t T h eb l a c kb o xo fv e h i c l e ( V e h i c l et r a v e l i n g d a t a r e c o r d e r ) i S a 疗 i n t e l l i g e n td e v i c ew h i c h u s e df o rm o n i t o r i n g ，w r i t i n gd o w n t h es t a t ea n d d a t ai nv e h i c l et r a v e l i n g ，I to f f e r sr e l i a b l ea n da c c u r a t es c i e n t i f i cb a s i si n o r d e rt O a n a l y z ea n dj u d g et h e v e h i c l e Ss t e e r i n gs t a t ei nd e a l i n gw i t h t r a f f i ca c c i d e n t T h ev e h i c l ev i d e ob l a c kb o xs y s t e mt h a to r i g i n a l l y i n t r o d u c e si nt h ea r t i c l ei sd e v e l o p e db yap a t e n tw h i c ho n ec o m p a n y h a s I th a si n c r e a s e dt h ef u n c t i o n s ，s u c ha si m a g e ，p r o n u n c i a t i o n ，e t c ，o n t h eb a s i so ft r a d i t i o n a lv e h i c l eb l a c kb o x T h es y s t e mc a nc i r c u l a t e t o w r i t ed o w nt w oc h a n n e l i m a g e d a t aa tt h es a m et i m e ，p r e s e r v et h e i m p o r t a n td a t a ，p l a y b a c k t h ei m a g ed a t a p r e s e r v e d i nt h es y s t e m W a v e l e ta n a l y s i si sa ne m e r g i n gs t u d i e sd e v e l o p i n gq u i c k l yd u r i n g r e c e n t l yt e ny e a r s I th a sd e e pt h e o r i e sa n db e e nu s e db r o a d l y I ti s t h e e p o c h m a k i n g r e s u l to f d e v e l o p i n go f F o u r i e r a n a l y s i s W a v e l e tt r a n s f o r m a t i o ni san e wD I P ( D i g i t a l I m a g eP r o c e s s i n g ) t e c h n i q u e ，w h i c h h a s p o t e n t i a l i t y c o m b i n e dw i t h p e o p l e S v i s i o n c h a r a c t e r i s t i c I tc a nr e c o n s t r u c ti m a g ew i t hb e t t e r s u b j e c t i v eq u a l i t y u n d e rt h es a m ed a t ar a t e s ，o rg e th i g h e rc o m p r e s s e dr a t eu n d e rt h es g x n e s u b j e c t i v ea p p r a i s a lc o n d i t i o n W a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nd e a l sw i t h t h e w h o l e i m a g e ，S O i tc a n c o m p l e t e l y r e m o v et h eb l o c ka r t i f a c t T h e c o m p r e s s i o na n dd e c o m p r e s s i o no fi m a g ei sr e a l i z e db yA D V 6 11 c h i p b a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nt h a ti st h e k e yp a r ti nt h es y s t e mt h a tw e d e s i g n T h ea r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h e t h e o r yo fw a v e l e tc o m p r e s s i o na n d d e c o m p r e s s i o n T h ed e s i g n o ft h eh a r d w a r e s y s t e m b a s e do n c h i p A D V 611h a sb e e nf i n i s h e da n dd i s c u s s e d W ed i v i d e dt h e s y s t e mi n t o s e v e r a Im o d u l e s T h es o f t w a r eo ft h em o d u l e sh a sb e e nf i n i s h e d ，t h e p r o g r a mf l o w sa n dk e yp o i n t sa r eg i v e n K e y w o r d ：v e h i c l ev i d e ob l a c kb o x ；w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n ；i m a g e c o m p r e s s i o n ；A D V 6 1 1 ；D S P ；S e l f - a d j u s t i n gq u a n t i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导j J i T J t R 导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：叫 一 日期：渺年 多月，日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：丕迥导师签名：Z 身塑。 日期：妒毕年；月日 电子科技大学研究生毕业论文 1 1 汽车黑匣子 第一章绪论 汽车黑匣子( 即汽车行驶状态记录仪) 是用于监测、记录汽车在行驶中各 种状态和数据的智能装置，为分析、判断汽车驾驶状态和处理交通事故提供可靠 准确的科学依据。2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国开发出数字式汽车事故记录仪 用以监督驾驶员的超速驾驶行为。由于汽车黑匣子能真实记录事故过程中驾驶员 的操作和汽车运行情况，因而它既可作为事故分析依据，同时也是考核驾驶员违 规操作的重要监督手段。由于这种”监督”、”见证”的功能大大提高了驾驶员的安 全责任感，从而大幅度降低了事故率，产生了显著的社会效益和经济效益。据德 国T T S 、比利时W E S T B E LG L U M 公司使用汽车黑匣子前后事故率统计情况表明， 事故率比没装前降低3 4 一5 3 。欧洲共同体已经立法，规定商用车安装“黑匣 子”。这一作法很快在美国、日本等许多国家引起效仿。目前国外汽车生产厂家 如：通用、福特等已开始为出厂的汽车安装黑匣子，规模大，技术先进。 目前我国汽车数量超过2 0 0 0 万辆。2 0 0 2 年，我国汽车产量达到3 1 5 万辆， 同比增畏3 5 。我国汽车产业将保持超高速增畏。随着我国汽车拥有数量地不 断增加，交通的现代化方面为社会创造了大量财富，另一方面也带来了严重的 灾难。据统计，近2 0 年来，我国由于交通事故造成的死亡人数已达1 0 8 万人。 每年由汽车引发的交通事故造成巨大的损失，目前我国道路交通事故发生率高居 世界第一。国家为减少人民生命和财产的损失，采取各种措施加强交通监，其中 仿效国外先进经验，推广安装行车记录仪是重要的项措施。在2 0 0 1 1 0 2 4 公安部、交通部、国家安全生产监管管理局“关于加强公路客运交通安全管理的 通知”中要求长途客运车辆应当逐步安装、使用符合国家有关标准的行车记录仪。 许多省市根据此精神，规定各类公交营运车辆必须安装汽车行驶状态记录仪。例 如：湖南省交管局和运管局联合做出决定，凡未安装车辆行驶记录仪的跨省大型 长途客运车辆、高速公路客运车辆及危险货物运输车辆一律不准参加20 03 年 春运或者营运，从20 04 年1 月1 日起，凡未安装车辆行驶记录仪的客运车辆 一律不准参加营运性旅客运输。 预计不久我国将立法，规定营运车辆安装行车记录仪。伴随着我国巨大的、 超高速增畏的汽车市场，汽车行驶状态记录仪也将出现一个巨大的市场，市场年 均增长率将伴随我国汽车汽车产业保持超高速增畏。 随着微电子技术和计算机技术的发展，汽车记录仪的功能已远远超过单纯 事故记录的黑匣子功能，从发展看，它势必将与汽车其它电子系统( 如G P S 定位、 G I S 、故障诊断等) 相结合，向着大容量、模块化( 管理专业化) 、系统化、数据 电子科技大学研究生毕业论文 无线传输和数据集成处理的方向发展。最终使它成为确保现代道路交通运输安全 和高效物流动态营运管理的不可或缺的重要工具。 1 1 1 汽车黑匣子的分类 由于各研制生产厂家的出发点不同，因而产品的类型不同，产品结构形式也 不尽相同。目前市场上的记录仪已形成了一个种类繁多、性能不一的产品格局。 汽车行驶记录仪根据其功能不同可以分为单一型、事故型、管理型、综合管理型 和3 G 型。 1 单一型，这种主要记录车辆行驶过程中的某一项参数。速度监控器或者电子 限速器，主要记录行车过程中的速度参数，并对记录下来的数据进行相应的 管理。比如，加拿大的车辆速度监控器，对出现超速情况首先进行报警提示， 三次报警后，如还在超速，就会自动控制刹车。其特点是：简单明了，价位 低。这是记录仪的雏形。 2 事故型，这种以记录事故发生时的车辆状态为主的，记录模式是以飞行黑匣 子为参照蓝本。主要特征是记录停车前短时间内的数据，一般为一分钟到几 小时之间，并不是连续全程记录模式。汽车黑匣子就因此命名的。除了可以 记录行车过程中的速度变化情况和发出超速报警信号外，还可记录行车过程 中车辆运行的方向变化和驾驶人员的操作行为，以便在出现事故时，能够在 一段时间内的信息来分析判断事故的原因和责任方。 3 管理型是在事故型的基础上，结合数字式记录仪记录的数据可以进行二次开 发利用的特点，根据营运车辆管理的需要开发的新一代数字式汽车行驶记录 仪，也叫机动车综合记录仪。也可以说是事故型的升级型。主要特征是事故 型+ 简单的计算机管理系统。其功能除了具备事故型记录仪的主要事故分析功 能外，还增加了简单的计算机管理系统，用于运营单位的司机、车辆、车队 以及实现运营单位的运营数据的自动化和网络化基本管理。目前国内外市场 上出现的记录仪大部分是属于这一类的产品。 4 综合管理型是在吸取了事故管理型和综合管理型经验教训的基础上，从软件、 硬件和系统功能上进行了优化设计，以综合管理为主要目地而开发的新一代 汽车行驶汜录仪。主要特征是多通道数据采集处理，全程连续记录，大容量 存储卡和强大的综合管理软件系统，实现资源共享。此类型记录仪利用多通 道数据采集处理平台、G P S 卫星定位仪、大容量数据存储卡、日趋成熟的地 理信息系统和后台综合管理平台软件等强有力的现代化技术手段，重点针对 营运和特种车辆的综合化管理目标，来完成车辆综合化管理进程。可通过在 微机软件介面上重放的全程连续记录曲线和各开关传感器的连续状态，对车 电子科技大学研究生毕业论文 辆的营运、安全、质量等综合指标进行强有力的全程监控，并根据需求打印 统计图表。适用于中大型企业十几台车乃至上千台车的综合管理需求。但是 这种汽车行驶记录仪属于事后分析型。也就是说它需在事后才能下载数据， 再根据数据或图形进行分析处理，属于静态分析方式，为此人们又在其基础 上开发了新一代产品，可以称之为3 G 型汽车行驶记录仪。 5 3 G 型汽车行驶记录仪综合全球定位系统( G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m ，简 称G P S ) 技术、地理信息系统( G e o g r a p h i CI n f o r m a t i o nS y s t e m ，简称G I S ) 技术和各种无线通信网络技术于一体。这些通信网络包括G S M ( G l o b a lS y s t e m f o rM o b i l eC o m m u n i c a t i o n s ) 移动通信公共网G P R S ( G e n e r a lP a c k e tR a d i o S e r v ic e ) 分组交换通讯系统技术、C D M A 码分多址( C o d eD i v i s i o nM u l t i p l e A c c e s s ) 技术等。目前市场上所见到的产品多属G P S + G I S + G S M ，当然他们也可 以结合管理信息系统( M a n a g e m e n tI n f o r m a t i o nS y s t e m ，简称M I S ) 、计算 机网络( I N T E R N E T ) 和呼叫中心( C A L LC E N T E R ) 来实现车辆的实时监控、调度、 管理和信息发布等。我们把这一类记录仪产品都称为3 G 型汽车行驶记录仪 ( 以下简称3 G 型记录仪) ，把应用这一类记录仪的系统称为3 G 型系统。可 见整个3 G 型系统分为控制中心和车载部分。控制中心设有电子地理信息系 统、G S M 或G P R S 移动通信系统、以及计算机网络和呼叫中心。车载部分有记 录仪、G P S 卫星定位天线、G P S 卫星定位接收机、G S M 移动通信接收天线、G S M 移动通信接收机、L C D 显示操作屏及传声头等。3 G 型记录仪可以与M I S 系统 相互结合实现高效的图形化界面管理，也可以结合网络技术实现W E B 发布， 通过分析其记录的数据，可以对车辆实施交通管理和事故分析等，可以利用 各种无线通讯网络实时传送数据，来扩展实现车辆实时监控和调度的综合信 息管理服务系统，并具有防劫防盗功能，更可以应用在特种行业如( 11 9 、 1 1 0 、1 2 0 救护车等) 和长途客车、公共汽车车辆交通管理中。同时车辆也可 以向控制中心发送信息，以便及时了解车辆及路面状况。可见，随着现代通 讯技术的迅速发展，信息费用的降低，和人们物质文化生活水平的提高，对 交通行业信息化需求的日益提高，这种记录仪必将成为发展的趋势。 1 1 2 汽车视频黑匣子 在前面介绍的几种汽车黑匣子中基本上都没有对行车环境图像进行记录，它 们对记录数据地分析都需在微机上通过编写的软件进行分析。 论文中所介绍的汽车视频黑匣子系统是依据四川德阳一公司所拥有的一项 专利研制开发。汽车视频黑匣子在传统汽车黑匣子的基础上增加了图像、声音等 功能a 系统通过显示屏为驾驶员提供路况和车周情况，方便行车、倒车、停车。 电子科技大学研究生毕业论文 系统能够同时循环记录两路图像数据，并能对重要的图像数据进行保存，能在本 系统上回放记录的图像、声音，同时显示当时的行车参数。系统能够记录汽车发 生事故前后一段时间内的图像和其它重要数据，帮助有关部门迅速准确地分析事 故发生原因。系统所记录的事故发生时的图像、声音配合系统的其他记录在事故 处理时比传统黑匣子的记录更有说服力和可信度。该系统特别适应于现在提倡的 对轻微交通事故的现场快速处理。 目前，在日本刚研制出一种类似的汽车黑匣子，当急刹车或急转弯使汽车达 到一定的加速度以上时，便判断为“事故”，事故发生前后5 5 秒和后5 秒间的 各种数据自动记录入磁盘中。另有一个如后视镜大小的相机，自动记录事故发生 前1 0 秒和后5 秒间从驾驶席上能看到的场面。 1 2 视频图像压缩概论 人类通过接受信息感知外部世界，据统计其中约有6 0 7 5 的信息是通过 视觉系统获取的。进入信息时代，人们越来越多地借助数字技术和计算机技术来 获取和利用图像信息。数字视频图像信息具有数据海量特性，与当前计算机硬件 的存储资源和网络带宽之间存在巨大的差距，这使图像信息的储存和传输成为人 们有效获取和利用这些信息的个瓶颈问题，数字视频图像的压缩编码技术也就 成为信息时代的重要技术。 如果要达到7 2 0X5 7 6 的分辨率，一个C D - - R O M 仅能存储三十多秒未经过压 缩的视频节目。这样巨大的数据量，无疑给存储器的存储容量、通信信道的传输 率、网络带宽以及计算机的速度都增加了极大的压力，单纯用扩大存储器容量、 增加信道带宽的办法是不太现实又低效率的，数字视频图像压缩编码技术是解决 这一瓶颈问题极为有效的手段。 1 2 1 视频图像压缩基础 研究视频图像数据可以发现其中存在大量的冗余，减少图像的冗余度就可以 极大地减少图像地数据量，视频图像数据的冗余主要存在以下几个方面： 1 间冗余度一副图像记录的同一景物表面上各数字采样点的颜色间往往存在 着空间连贯性，通过改变物体表面颜色的像素存储方式来利用空间连贯性， 达到减少数据量的目的。 2 时I 副冗余度序列图像为于一时间轴区间内的一组连续画面，其中的相邻帧 往往包含相同的背景和移动物体，只不过移动物体所在的空间位置略有不同， 所以前后帧的数据间存在极大的相关性。 4 电子科技大学研究生毕业论文 除此之外，还存在着信息熵冗余、视觉冗余、结构冗余、知识冗余、纹理统 计冗余等。 图像本身存在冗余度，序列图像在时域上有着更大的冗余度，这就使视频图 像的压缩成为可能。经典的图像骊俏埋佑1 伏琚建b F l a n n o r l1 _ 思w ，搜卅兀六县叫 分为信息保持型和信息率失真型编码。 以s h a n n o n 的编码理论为指导的经典的编码方法，充分利用图像空间域的相 关性进行压缩编码，主要是正交变换编码和预测编码两种方法，常见的有：D P C M 编码、K L T 和D C T 变换编码、亚取样内插方法、矢量量化、塔型编码、小波变换 等。统计编码利用图像数据的分布特性，对干出现频率高的符号用较少的位数未 表示，而出现频率低的符号用较多的位数来表示，其效率取决于数据的概率分布， 概率越集中则压缩比越高，常见有H u f f m a n 编码、算术编码、游程编码。以上方 法结合的混合编码有更高的压缩效率，但还不能满足现实应用的需要。K u n t 提 出的第二代图像编码在理论上没有突破信息理论原有的框架，但他使人们认识到 充分利用视觉特性的重要性。结构编码也称为第二代编码，首先将图像中的边界、 轮廓、纹理等结构特征求出来，然后保存这些参数，解码时根据结构和参数信息 进行合成，从而恢复原图像。近年来，还发展了一些新型的编码方法，如：模型 基编码、形状编码、分形编码、神经网络图像压缩、小波图像压缩等多种方法。 1 2 2 视频图像压缩技术 经典的编码方法以S h a n n o n 的信息理论为基础，利用图像信号的统计相关 性，消除冗余度，常用的有预测法、变换法、混合编码方法、矢量量化。通过对 编码过程的研究，可以建立压缩编码分三阶段处理的模型。第一阶段为信号变换 过程，几乎无信息丢失，只把信号从一个域变换到另一个域，使它更加适应第二 阶段的处理。第二阶段为量化处理过程，此过程有信息丢失，是整个压缩编码的 关键。第三阶段产生压缩的数据流，也没有信号丢失。 1 D P C M ：采用组历史值对当前值进行预测，只传输误差信号的方法。而自适 应P C M 则针对图像的不同特性采用不同的预测系数，使误差更小。由于压缩 效率不高，且对误差敏感，消除空间相关性没有D C T 优越，在帧内编码中较 少使用。在帧间编码中，由于算法简单则被各国际标准采用。 2 变换编码：利用图像的空间统计相关性将图像空间信号变换到系数空间上处 理，来达到压缩数据量。D C T 由于其性能接近K L T 且具有快速算法而得到广 泛使用。在几个国际标准都得到采纳。D C T 的近几年的研究成果：( 1 ) 确定 了D C T 像素块的最佳尺寸为8 X 8 像素；( 2 ) 制定了对D C T 逆变换( I D C T ) 算 法精度的要求：( 3 ) 提出了对电视电话、会议电视和常规电视的D C T 变换域 电子科技大学研究生毕业论文 “视觉域值矩阵的参考数据；( 4 ) 为了消除“块效应”而采用简单的数字 滤波器。对D C T 的变换系数采用不同的比特分配，及根据图像的不同特性采 用不同的分配表的自适应方法，可以得到更好的压缩数据效率。 3 混合编码是针对不同的系统，综合各种编码方法和技术的特点，相互取长补 段，以获得更高的压缩比和更好的图像质量的一种方法。其中，采用帧内变 换编码，帧间预测编码，在结合运动补偿技术的压缩方案，其性能优良，成 为H 2 6 * 、M P E G - * 标准的核心。 4 矢量量化编码作为经典方法受到全面的研究。但由于其编码复杂和码书通用 性差，从而妨碍它的应用，在图像编码的国际标准中落选。 1 2 3 新一代视频压缩技术 新一代视频压缩技术包括：小波图像压缩编码、分行编码、基于神经网络的 图像编码、模型基编码等。 1 小波图像压缩编码 小波分析是自1 9 8 5 年以来由Y M e y e r 、S M a l l a t 及I D a u b e c h i e s 等的奠基 工作而迅速发展起来的一门新兴学科，它是F o u r i e r 分析划时代的发展结果。由 干小波分析在时域和频域上的完美结合，非常适合处理非平稳信号，使它在图像 压缩编码领域也发挥出独特的作用。基于小波分析的压缩方法很多，比较成功的 有小波最好基方法、小波域纹理模型方法、小波变换零树压缩、小波变换矢量量 化压缩等，小波压缩的特点是压缩比高、压缩速度快、压缩后能保持信号和图像 的特征不变，且在传输过程中可以抗干扰。传统的子带编码等也可以归属于小波 编码的范畴。 任一能量有限函数都能表示为小波级数，并产生基于R i e s z 基的一个多分辨 率分析，信号正交分解为两个一半样数的子信号，一个是高频分量、另一个是低 频分量。先对图像信号在水平方向作小波分解，再作垂直方向的小波分解，就得 到4 个二维小波分解的子图像；对最低频子图像可以再作一次二维小波分解，这 个过程还可一直进行下去。 一个图像作小波分解后，可得到一系列不同分辨率的子图像，不同分辨率的 子图像对应不同的频率，高频于图像上大部分点的数值都接近于零，越是高频这 种现象越明显，约有9 0 的小波系数绝对值非常小、集中在零点附近，因而在高 频部分大多数点就可以分配较少的比特来达到压缩的目的。随着分解层数的增 加，小波系数的范围越来越大，说明较低层的小波系数具有了重要的地位。 晟低层的子图小波系数的范围宽、值和方差都比其它子图大，它的小波系数 具有最重要的地位，需对它进行无失真编码，如D P C M 后的H u f f m a n 编码。不同 电子科技大学研究生毕业论文 层不同子图可以根据自身特点对小波系数进行给定压缩比的矢量量化编码，反过 来在恢复图像时，先进行无失真解码，再根据码书还原各层小波系数，最后用小 波重构算法恢复原图像。 由于小波变换具有图像压缩率高、失真不明显，可以多分辨率分层编解码显 示，传输信道干扰影响小等一系列独特优点，近年来有关小波图像压缩的研究在 不断发展中，特别是针对视频图像压缩的三维小波变换技术得到了进一步的研 究。小波变换的应用前景十分看好 波视频编解码芯片A D V 6 0 1 A D V 6 1 1 向实用。 2 分形编码 应用领域不断扩大，A D 公司推出了硬件小 结合小波和M P E G 混合算法的硬件系统也走 分形的历史很长，但是直到七十年代末，M a n d e l b r o t 创立分形几何学，分 形在描述自然现象获得很大成功，并且分形产生的计算机图案之绚丽、之逼真令 人惊叹，分形才得以重新认识并很快得到发展。分形的最大特点是自相似性，即 所描述的景物没有特征尺度，无论从任何一个部分来看都与整体白相似。用分形 来描述自然景物是一个合适的模型，分维作为一个重要特征可以用来分割图像和 图像识别。近年来，由于小波技术的发展，小波变换和分形编码相结合的算法显 示出良好的压缩性能，成为新的研究热点。 3 基于神经网络的图像编码 神经网络具有可模拟或部分模拟人的视觉系统的特性，并且可以进行大规模 的I 处理，它是算法实现的一个很好的手段，因而在图像编码领域得到了很多的 研究。在D P C M 中，利用神经网络设计非线性的预测器，可以得到更好的预测 增益和高的压缩比。人们探索了神经网络在图像编码中的各种压缩方案，虽然其 性能有所提高，但没有突破性的进展。如在变换编码中，网络能对某类或某些类 信源得到最佳映射，但图像内容的高度复杂性与随机性限制了它的通用性。这不 仅因为神经网络理论本身的研究还不成熟，网络初始权值，学习率参数，学习规 则的变化，网络结构的建立都还建立在一定的经验基础上；而且，大多数学习算 法中，使用的只是均方误差或P 阶矩误差失真准则，没有引入人类视觉系统的特 性，从理论讲，神经网络也可以模拟人眼的信息处理过程，包括在网络结构和学 习规则上。神经网络的图像压缩编码技术需要更迸一步的研究。 4 模型基编码 模型基编码首先由瑞典的F o r c h h e i m e r 等于1 9 8 3 年提出来。它是一种综合图 像分析和计算机图形学的高效的编码方法。经典的图像编码方法是描述图像的二 维像素模型，而模型基编码方法考虑景物的3 D 特性来描述图像。 它按对图像有无先验知识可分为语义基图像编码和物体基图像编码。其编码 电子科技大学研究生毕业论文 方法有3 D 模型和2 D 模型，3 D 模型需要建立对象的3 D 参数；2 D 模型则是 一种通用的方法，它无需知道3 D 参数，常使用形变三角形来分割图像和基于运 动模型的仿射变换来压缩图像。2 D 模型中还包括基于区域分割及运动补偿的编 码方法。该编码方法充分利用图像中的内容和知识，可以实现非常高的压缩比。 物体基的编码方法不需要先验知识，可以处理任意图像。由于没有图像知识可以 利用，只能在低层次上利用物体知识，其编码效率无法同语义基相比。物体基编 码可以看作广义的方块编码，因为它要对物体的形状进行分割，对每个分割出的 物体用参数集即运动集、形状集、色彩集等进行描述编码。它对物体的分割先割 出最大的物体，对其参数作出估值，再分析出较小的物体，其核心技术是景物的 分层次描述、运动估值和运动分割。 模型基编码的最大优点不是在压缩编码( 一个完全自动的模型建立是困难 的) 而是用一个结构化的方式，用容易操作和编辑的编码来描述景物，如电于演 员。利用模型及分析存储的图像序列来产生新的图像序列，对图像内容的操作应 该是模型基编码的最重要的应用。在虚拟现实( V R ) 中可以发挥它的更大效能。 1 3 本文的研究内容 本学位论文中完成了一种新型的汽车黑匣子的硬件设计、软件开发。文中重 点讨论了其图像功能的实现，给出了一些在设计、实现时的关键点，并结合系统 中所使用的小波压缩芯片A D V 6 1 1 ，研究了小波变换图像压缩的原理。 论文共分5 章，第一章为绪论，介绍了汽车黑匣予、汽车视频黑匣子和图像 压缩的概论；第二章主要介绍了小波分析的基本理论，小波图像压缩的原理； 第三章介绍了基于小波变换芯片A D V 6 1 1 的汽车视频黑匣子的硬件设计，系统中 各种芯片的原理和设计要点；第四章介绍了系统的软件设计，按功能模块给出了 流程图。第五章做了一个简单的总结，分析了系统设计中的不足，给出了一些改 进的意见。 电子科技大学研究生毕业论文 第二章小波图像压缩原理 2 1 图像压缩的一般原理 图像压缩是在一定像质评价标准下对原始图像数据进行压缩，以满足存储， 传输等需要。图像可以压缩的依据是图像信号的固有的统计特性和人眼的视觉特 性。图像信号的固有的统计特性包括时间上的冗余性和空间上的冗余性。人眼的 视觉特性是指人的视觉系统对不同的空间频率有不同的敏感程度，对亮度信号和 色度信号的敏感程度也是不同的。 图像压缩的一般流程如图2 - 1 所示： b 竺J 图像变换是将时域( 空间域) 图像变换到系数域( 频率域) 上，去除空间域 相邻像素的相关性，以便量化。图像变换的方法有很多种，如：D C T ( 离散余弦 变换) 、K L 、D S T 、D F T 、D W T ( 离散小波变换) 等，它们都是正交变换。量化就是 把变换域的图像灰度按照某种关系映射成新的灰度。量化是一种有损的处理过 程。熵编码是以信息论为基础的，是无失真编码。熵编码的方法有多种，如：哈 夫曼编码、游程编码等。 图像解压缩的一般流程如图2 - 2 所示： 图2 2 图像解压缩过程 9 电子科技大学研究生毕业论文 2 2 从F o u r ie r 变换到小波变换 2 2 1F o u r i e r 变换及其缺陷 定义2 1 对于，( f ) = L 2 ( O ，2 7 r ) ，其F o u r i e r 变换定义为： 夕( ) = re - - “f ( t ) d t ( 2 2 - 1 ) 而尹洄) 的逆F o u r i e r 变换定义为： 巾) = 圭 P 倒夕( 甜) d 国 ( 2 2 2 ) 一个波形的F o u r i e r 变换的实质是：把这个波形分解成许多不同频率的正弦 波之和，如果这些正弦波加起来成为原来的波形，那么我们就确定了这个波形( 即 信号) 的F o u r i e r 变换。 如果信号不是周期函数，那么它彭J F o u r i e r 变换将是频率的一个连续函数， 即巾) 可以用全部频率的正弦波之和来表示。所以F o u r i e r 变换可以看作是时间 函数在频率域上的表示。事实上F o u r i e r 变换频率域包含的信息和原来函数所包 含的信息完全相同，不同的仅是信息的表示方法。 下面引入更一般的F o u r i e r 变换。 定义2 2 在全实轴R 上的F o u r i e r 变换定义为： 夕( m ) = 广e - ，“f ( t ) d t ( 2 2 3 ) 而尹沏) 的逆F o u r i e r 变换定义为： 厂o ) = 圭 ：P “夕( ) d 珊 ( 2 2 4 ) 上刀r ” 为了进行数字信号的处理人们引入了离散F o u r i e r 变换( D F T ) ，并创建了其 快速算法，即快速F o u r i e r 变换( F F T ) ，使其成为人们进行信号处理的基本工具。 但F o u r i e r 变换本身存在的缺陷，妨碍了它在某些场合的应用。 在信号分析中，对信号一般采用时域和频域两种基本的刻划方式。F o u r i e r 变换能够很好地刻划信号的频域特性，但几乎不能提供时域上的任何信息。为了 由F o u r i e r 变换研究一个信号的谱特性，必须获得时域中该信号的全部信息。如 果信号在某一时刻的一个小的邻域中发生了变换，那么整个谱都要受到影响。因 此，在传统的F o u r i e r 分析中面临着时域和频域局部化的基本矛盾。一些实际任 务的完成需要时频局部化的分析方法。短时F o u r i e r 变换( 包括G a b o r 变换) 就是 一类时频局部化分析方法。 l O 电子科技大学研究生毕业论文 2 2 2 短时F o u r i e l 变换( S T F T ) 及其缺陷 短时F o u r i e r 变换由G a b o r 首先系统地使用，其基本思想如下：为了达到时间 域上的局部化，F o u r i e r 变换的基本变换函数之前需要乘上一个时间上有限的时 限函数w ( 卜6 ) ，然后用它们来作分析工具，这样，e 一。“起频限作用，w O 6 ) 起 时限作用，它们合在一起就起到了时频双限制作用。其基本变换方式为： ( G 。，) ( ) = f o ( ( o e “) w ( t - b ) d t ( 2 - 2 r5 ) 随着b 的变换，w ( ，一b ) 所确定的时间窗在t 轴上移动，因此w ( t b ) 往往被称 之为窗口函数。 对于v f ( t ) r ( 1 0 ，有反演公式： f ( t ) = 寺f 胪( G b f ) ( c o ) w ( t b ) d c o d t ( 2 2 - 6 ) 当窗口函数取为G a u s s 函数时短时F o u r i e r 变换又称为G a b o r 变换。 一方面，( 皖厂) 洄) 给出了厂( f ) 在时间窗p + + b - A c o ，f + 6 + A c o 的局部信息， 另一方面，( G 。 厂) 洄) 也给出了f ( t ) 在频率窗p + 国一A b ，功+ + 出+ 西 中的局部 信息。一般称以“时间”为横坐标，“频率”为纵坐标的欧氏空间为相空间，其 中时间窗和频率窗的宽度分别代表了对时间和频率变化的分辨能力。可见S T F T 给出了相空间上时间一频率窗口矿t + b A c o ，r + + b + A o 陋+ 一国，珊+ 印+ A 0 5 中信号的局部信息。 短时F o u r i e r 变换是一种恒分辨率分析方法。它给出的时间一频率窗的宽度 为2 A m ( 时间域) ，面积4 A o 西。由测不准原理知：A o A b 1 2 ，即时频 窗的面积有下限，这意味着时频局部性是相对的，不可能得到时域和频域都无限 局部化的信息。 由于短时F o u r i e r 变换的时间分辨率是固定的，且最多提供2 A o 的时间分辨 能力，因此，它不能敏感地反映信号的变化。如果信号的变化范围在2 A c o 之内， 例如图像信号中的边缘信息，那么利用短时F o u r i e r 变换很难定位这一变化。通 过调整短R 寸F o u r i e r 变换的时间窗宽度，可以提高时间分辨率，以定位较小尺度 的变化。但是很多信号中常常包含各种尺度的变化信息，这就要求分析方法能够 根据信号本身的特点改变时频窗的大小。短时F o u r i e r 变换的时间分辨率与信号 频率无关，不适合于分析同时具有很高频率和很低频率成分的信号。 电子科技大学研究生毕业论文 2 2 3 小波变换( f f a v e I e tT r a n s f o r m ) 在一般信号中，总是包含各种不同的频率成分，对于高频部分，信号幅度变 化较快，而低频部分反之，更好的分析手段应该是在频率高时，选一个窄的时间 窗提离酬问分辨率，以分析信号的高频细节；而取一个宽的时间窗来更充分地分 析信号的低频特性。小波变换( W a v e l e tT r a n s f o r m ) 就是这样的一种方法。小 波变换在信号分析、语音合成、图像识别、计算机视觉、数据压缩、C T 成像、地 震勘探、大气与海洋波分析、分形力学以及天体力学方面都已取得了具有科学意 义和应用价值的重要成果。 下图2 3 为短时F o u r i e r 变换和小波变换时间一频率窗的直观对比： 可见小波变换克服了短时F o u r i e r 变换的缺点，它在提供良好时频局部性的基 础上，能够适配各种变化尺度，因此在图像处理、编码等领域获得了广泛的应用。 2 24 有关小波的一些基本概念 b l 6 2 b l + F b 2 + a 2 t ( a ) 短时F o t r i e r 变换的时频窗 ( b ) 小波变换的时频窗4 n ， 图2 3 小波变换与短时F o u r i e r 变换的时频窗口比较 小波是一类在有限区间内快速衰减到0 的函数，其平均值为0 。正弦波从负 无穷一直沿伸到正无穷，正弦波是平滑而且是可预测的，而小波趋于不规则、不 对称。F o u r i e r 变换是将信号分解成不同频率的正弦波，而小波变换是将信号分 解成原小波函数不同位移和膨胀的小波。从小波和正弦波的形状可以看出，变换 剧烈的信号，从不规则的小波进行分析比用平滑的正弦波更好，用小波更能描述 信号的局部特征。小波变换不仅用于一维信号数据的分析与处理，而且还可以用 于二维数据处理，如图像处理等，同时还可以用于高维数据处理。 电子科技大学研究生毕业论文 2 3 小波变换与多分辩分析 2 3 1 连续小波变换( C W T ) 连续小波变换又称为积分小波变换( I W T ) 。 定3 2 3 如果p L 2 ( R ) 满足容许性条件 C 。=