（计算机应用技术专业论文）基于gprs的无线图像监控系统的设计.pdf

中文摘要 基于g p r s 的无线图像监控系统的设计 摘要 一直以来，图像监控系统的应用都非常广泛。近年来，随着无线技术的迅 速发展，以及其应用的日益成熟，无线图像监控系统已经引起了研究部门和相 关厂家的广泛关注。 本文设计了一种嵌入式的无线数字图像监控系统。整个系统由监控现场的 嵌入式装置、传输网络、后台监控中心以及可选的i p 地址服务器组成。嵌入式 装置主要负责图像的采集、压缩及传输；监控中心负责图像信号的集中显示和 综合管理；i p 地址服务器由厂家提供并维护，用来保存嵌入式装置接入网络后 获得的i p 地址。这种实现方法，具有很好的灵活性，可以不限制监控中心接入 网络的方式。 对于图像监控系统来说，压缩编码方法和信息传输网络的选择直接关系到 图像再现的质量。在本系统中，考虑到无线网络的应用现状以及人们对图像画 面质量的主观要求，选择j p e g 2 0 0 0 标准对图像进行压缩编码，选择g p r s 网络 作为信息传输的通道。 在全文的整体结构上，以无线图像监控系统的组成为主线，对所采用的压 缩编码方法j p e g 2 0 0 0 标准和信息传输网络g p r s 都进行了详细的分析，接着给 出了整个系统的设计方案，在文章的最后部分对系统的整体设计进行了总结并 对其应用前景进行了展望。 关键宇： 图像监控j p e g 2 0 0 0 g p r s 嵌入式 a b s t r a c t w i r e l e s si m a g es u p e r v i s o r y s y s t e mb a s e d o i lg p r s a b s t r a c t i m a g es n p e r v i s o r ys y s t e m sa r eu s e do na l lk i n d so fs i t u a t i o n sf o ra l la l o n g r e c e n t l y w i t ht h ew i r e l e s st e c h n o l o g y d e v e l o p i n gr e p a i d l ya n dt h ea p p l i c a t i o n c o m i n gw e l l - r o u n d e d , t h ew i r e l e s si m a g es u p e r v i s o r ys y s t e m sh a v ec a w l g h tt h e r e s e a r c h i n gd e p a r t m e n ta n dm a n u f a c t u r e r sa t t a n t i o n aw i r e l e s sd i g i t a li m a g es u p e r v i s o r ys y s t e mi si n t r o d u c e d t h i ss y s t e mi s c o m p o s e do fs o m ee m b e d d e de q u i p m e n t s ，t r a n s m i tn e t w o r k ，s u p e r v i s o r yc e n t e ra n d o p t i o n a la d d r e s ss e r v e r t h ee m b e d d e de q u i p m e n ti sr e s p o n s i b l ef o rt h ei m a g e c o l l e c t i o n ，c o m p r e s s i o na n dt r a n s l a t i o n t h es u p e r v i s o r y c e n t e rp e r f o r m sm a s s d i s p l a ya n do v e r a l li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t t h ea d d r e s ss e r v e ri sp r o v i d e da n d m a i n t e n a n c e db yt h em a n u f a c t u r e r , i ti st os a v et h ei pa d d r e s s e st h a tt h ee m b e d e d e q u i p m e n t sa c q u i r ef r o mt h en e t w o r k t h i sm e t h o di sv e r yf l e x i b l e ；t h ew a yt h a t s u p e r v i s o r yc e n t e r sc o n n e c tt on e t w o r ki su n c o n t r o l l e d f o rt h ei m a g es u p e r v i s o r y s y s t e m ，c o m p r e s s i n gm e t h o da n dt h et r a n s m i t n e t w o r ki sv e r yi m p o r t m e n t , t h e ya r ec o n t a c tw i t ht h ei m a g eq u a l i t y i nt h i ss y s t e m ， c o n s i d e r i n gt h ew i r e l e s sn e t w o r k sa p p l i c a t i o ns t a t u sa n dt h er e q u e s tf o rt h ei m a g e ， w ec h o i c ej p e g 2 0 0 0s t a n d a r da st h ec o m p r e s s i n gm e t h o da n dg p r sn e t w o r ka st h e t r a n s m rc h u n n e l s y s t e mf r a m ei st h ec l u eo ft h i sp a r p e r t h i sp a r p e rp u t st h ee m p h a s e so nt h e m a t h o do fi m a g ec o m p r e s s i n g _ _ j p e g 2 0 0 0s t a n d a r da n dg p r sn e t w o r k 1 r f s u c c e s s i o n , a u t h o re x o a t i a t e so nt h ed e s i g np r o j e c to fa l lt h es y s t e m a tl a s t ，g i v et h e s u m m a r i z i n ga b o u tt h es y s t e ma n di n d i c a t eab r i g h t n e s sf u t u r e k e yw o r d s ： i m a g es u p e r v i s o r ys y s t e m j p e g 2 0 0 0g p r se m b e d e d s y s t e i i 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名驾枷 咿j 7 年捐f 矿日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年 月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下 l 内都5 牟( 最长5 年，篱渗毒年) ；秘e , l o 冬，( 交长1 0 每。，蕊多荦i 0 枣 瓤密蠢渺餐( 最长；2 0 。每，砥疹予2 0 侉) ：， 采笔篓惑毖鬈曰惑 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含 任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉 及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：夕耄州 x 年r 其f 1 e 1 引言 视觉是人类最重要的感觉器官，图像信息是人们由客观世界获得信息的主 要来源，占人们依靠五官由外界获得的信息总量的6 0 以上。不仅如此，在很多 场合，由于客观条件的限制，人们不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， 已经逐渐成为现代生活中必不可少的一部分。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 制等相关屯子设备和传输介质组成的个有机整体。 随着信息化时代的到来，计算机网络技术，图像处理技术与通信技术飞速 发展，极大的推动了监控技术的不断发展与更新。监控产品也正经历着从模拟 化向数字化、网络化的革命。特别是近几年来，随着无线网络技术的发展及g p r s 的广泛应用，无线监控成为了监控系统中一个新的研究热点。无线网络技术基 本上具备了传统有线技术的所有功能，并且摆脱了有线嘲络大量布线所造成的 投资、施工、维护等方面的麻烦。 具体来看，无线网络技术具有如下优势： ( 1 ) 无线延伸。有线网络难以延伸的区域，可由无线网络覆盖。 ( 2 ) 较好的抗干扰能力。无线网络可以通过采用调整自身无线信号发射强 度、频率，以及跳频等技术来增强抗干扰性能。 ( 3 ) 具备了一定的安全性。无线网络技术通过身份认证以及数字加密等技 术来保证其安全性。 ( 4 ) 移动性好。在机场、码头、大型会场等移动性突出的场所，无线网络 具有明显的优势。 正是基于这样的背景，我们实验室和天津数联新创公司合作丌发一种通过 g p r s 网络进行信息传输的嵌入式数字化无线图像监控系统。由我们负责系统的 整体设计以及部分软件的编写工作。 在设计中，充分考虑了系统的灵活性以及扩展性。整个系统由前台嵌入式 装置、传输网络、后台的监控中心和i p 地址服务器组成。只所以采用 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 网络进行信息传输，它除了具有上述无线网 引言 络的基本特点外，还可以与在i n t e r n e t 上应用最广泛的i p 协议和x 2 5 协议实现 无缝连接，且传输速率最高可达11 7 2 k b p s 。考虑到画面的质量以及传输带宽， 在图像的编解码部分采用j p e g 2 0 0 0 标准。j p e g 2 0 0 0 与传统j p e g 最大的不 同，在于它放弃了j p e g 所采用的以离散余弦变换为主的区块编码方式，而采 用以小波变换为主的多解析编码方式。这种方法具有很高的压缩比，在低比特 的情况下，也能具有较理想的画面质量，不会产生方块效应。 在内容的安排上，本文先对系统设计中用到的相关知识进行了介绍，最后 为系统的整体设计与分析部分。第一章为概述部分，主要介绍了图像监控的基 本知识及本文所设计的监控系统的整体结构；第二章为对图像压缩理论的研究， 重点介绍了j p e g 2 0 0 0 标准，对其编码过程给出了详细的说明。接下来的一章为 对信恩传输媒介的研究，主要是对系统设计中采用的g p r s 网络的基本知识介 绍。第四部分为系统的整体设计部分，对设计中的关键部分都进行了较详细的 描述，并给出了在局域网中的模拟结果。最后为对整个系统的总结和展望。 2 一笙! 兰塑垄 第一章概述 第一节图像基本知识 图像是人类最容易接收的信息媒体。中国有句古语：“百闻不如一见”， 这说明图像所含有的信息量及其丰富。一幅图像可以形象、生动、直观地表现 出大量的信息，具有文字和声音所不可比拟的优点。为了能对复杂多变的图像 信息进行有效的处理，我们要先了解一下有关图像的基本知识。 在对数字图像进行处理时，我们需要使用图像的属性来描述它，包括分辨 率、图像( 像素) 深度、图像大小等信息，下面对这些概念作一下简要介绍。 分辨率 分辨率可分为显示分辨率和图像分辨率两种。显示分辨率是指显示屏上能 够显示出的像素数目。屏幕能够显示的像素越多，说明设备的分辨率越高，显 示的图像质量也就越高。例如显示分辨率为6 4 0 * 4 8 0 的显示屏，就含有3 0 7 2 0 0 个显像点。图像分辨率是指组成一幅图像的像素密度的度量方法。对于同样大 小的图像，组成该图的图像像素数目越多，则说明图像的分辨率越高，看起来 就越逼真。在用扫描仪扫描图像时，通常要指定图像的分辨率，用每英寸多少 点( d i p ，d o tp e ri n c h ) 来表示。 图像的深度 图像深度是指图像中可能出现的不同颜色的最大数目，取决于数字化时每 个像素所占的位数，也就是用几位二进制数表示一个像素。若图像的深度为8 ， 则可表示2 5 6 种不同的颜色。自然界中的图像一般至少要有2 5 6 种颜色。若图 像的深度为2 4 ，可包含2 “= 1 6 7 7 2 2 1 6 种不同的颜色，称为真彩色图像。 图像大小 图像大小通常是指图像文件的大小，即要存储整幅图像所要占用的字节数。 没有经过压缩处理的图像，要占用很大的存储空间。对于图像文件的大小可按 下面的公式计算： 文件字节数= 图像分辨率木图像深度8 ( b y t e s ) 3 第1 章概述 其中图像的分辨率= 高( 垂直方向的像素数) $ 宽( 水平方向的像素数) 。 图像分类 般而言，对图像的分类可以从以下几个方面进行考虑： ( 1 ) 根据图像色调的不同，把图像分为单色图像和彩色图像。我们只考虑 二维数字图像，则单色图像从数学的角度来说就是一个二维数组，称为单分量。 而彩色图像包含多个彩色分量，每个分量都是一个二维数组。对于彩色图像来 说可以用不同的颜色空间来表示，现阶段常用的有：r g b 彩色空间，其原理是 根据色度学中的三基色理论，即自然界中的各种颜色光都可以由红( r ) 、绿( g ) 、 蓝( 1 3 ) 3 种颜色按不同的比例相配而成，因此可以由r g b 构成一个矢量空间， 通过它们不同数值的混合来得到不同的颜色；在印刷品中常用c m y k ( 青色 一c y a n 、品红一m a g e n t a 、黄色一y e l l o w 、黑色- b l a c k ) 彩色空间，即用这四种颜色 的不同混合值来表示各种颜色；每一种颜色都可以产生一种亮度分量信号和两 种色度分量信号，因此我们也可以用亮度和色度分量形成彩色空间，为了适应 不同的显示设备，采用不同的表示方法，在彩色电视中常用的为y u v 表示法， 在计算机的显示器中用y c r c b 表示法；在多媒体计算机中还采用色调一饱和度 强度( h u e s a t u r a t i o n i n t e n s i t y ，h s i ) 颜色模型。各彩色空间可以相互转换。由 于y c r c b 表示法各分量的相关性较小，所以在计算机处理图像的过程中，通常 是把r g b 转换成y c 妃b 后再进行处理。 ( 2 ) 根据每个分量像素的幅度层次不同，把图像分为连续色调图像和二值 图像。当图像的分量只有两种幅度等级时，称为二值图像；当为两种以上幅度 时，称为连续色调图像。 ( 3 ) 根据图像内容，即景物随时间变化性质的不同，将图像分为静态图像 和活动图像。静态图像只需要幅图像就可以代表所考虑的时间段内的景物， 而活动图像是由一系列按时间顺序排列的静态图像序列组成的。由此相对应的 图像编码可分为静止图像编码和视频编码。静止图像编码就是以一幅图像为单 位独立地进行编码，视频编码要考虑相邻图像之间的相关性。当然，静止图像 编码也可以用于视频压缩，但由于没有考虑帧间相关性，会使压缩效率大大降 低。 4 第1 章概述 第二节图像监控系统的发展阶段及特点 在政治、经济、军事、文化设施的安全防范中，图像监控技术一直起着举 足轻重的作用，随着电子技术的迅猛发展和硬件成本的快速下降，图像监控技 术已经渗透到一般的工作环境和生活环境中，市场需求量与日俱增。图像监控 系统的技术水平，直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况。从硬件形式上 看，图像监控技术的发展大致经历了三个阶段： 一、本地模拟图像监控 从摄像机、电视机出现的那天起，原始的图像监控系统就已经诞生。它被 广泛应用于保安、生产管理等场合。本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩 阵、监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。这种监控系统主要 是以模拟设备为主的闭路电视系统，由分布在各个监控点的摄像机把采集到t 的 模拟图像信号经过同轴电缆传送到监控中心的监视器上显示。 这种系统的实时性和可靠性有保证，但监视范围有限，主要应用于小范围 内的监控，如在大楼等建筑物内的监控。监控图像一般只能在控制中心察看， 且信息管理繁琐，控制功能难以实现自动化。 二、基于p c 机的数字化图像监控 在2 0 世纪9 0 年代中期，随稽计算机处理能力的提高和图像编码技术的发 展，图像监控技术进入了数字化时代。此种系统一般采用如下结构：在远端的 监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报警设备，通过传输线路，接到由p c 机构成的监控终端上。由摄像机和p c 机中插接的视频采集卡完成图像采集、a d 转化和数据压缩。p c 机通过网卡与通信设备互联，可以将信息传送到一个或多 个j i 矗控中心。 在目前的应用市场中这一类产品占据了主流。这种监控方式具备了数字化 的全部特点，可在大范围内信息共享，管理方便：但由于系统是建立在非实时 操作系统和普通硬件之上，长时间运行的稳定性不够好，功耗高，且需要有人 值守。 三、 基于嵌入式技术的数字图像监控 从2 1 世纪初开始，随着芯片技术和嵌入式操作系统的发展成熟，基于嵌入 式体系结构的数字图像监控系统显示出了强大的生命力。这种系统以经过专门 设计的嵌入式装置作为现场的测控设备，取代了第二代的p c 机架构。软件以适 第1 章概述 量裁减的嵌入式操作系统为基础进行构建。若在嵌入式装置中内置一个w e b 服 务器，则网络上的用户就可以用b r o w s e r s e r v e r 的方式直接获取图像信息。 这种监控系统集成度高，保证了系统的精简性，提高了系统运行的可靠性。 其市场需求量正在呈明显上升趋势。 第三节图像监控系统的基本组成 图像监控系统按照所采用的显示方式不同，可分为视频监控系统和静态图 像监控系统，本文所设计的是一种静态图像监控系统。通常情况下图像监控系 统的基本组成部分可以用图1 1 所示的框图表示。 图像信号源为需要观察的对象，其范围很广泛，可以根据具体需要设定。 一般为不适合人在现场观察的信号。常具有以下特征： ( 1 ) 使用人力所需代价 太大。如在银行、超市等公共场所使用监控系统可以大大节省人力资源。( 2 ) 会对人的身体产生副作用。( 3 ) 生理条件不允许直接进入。 ( 4 ) 观察的对象 具有突发陉。 图1 1 图像监控系统基本构成 图像采集部分的主要功能是完成目标景物到图像的转换。其核心器件是图 像传感器。从整个系统来看，图像采集部分的输出信号是原始数据，因此，图 像采集设备的好坏直接影响图像信号质量和整个系统的质量。 在数字系统中，图像处理是非常重要的，前端图像处理通过对图像数据进 行编码压缩等手段，霖减少图像数据量。达到节约传输成本和提高系统实时性 的目的。在图像的接收终端要对经过传输、压缩编码的图像信号进行恢复、解 码，使图像能够在显示设备上重现。对图像的处理可根据系统的具体要求选择 专用编解码器件或采用软件的方式来实现。使用专用处理器件会加快处理速度， 6 第1 章概述 但灵活性较差；采用软件则灵活性好，系统的更新扩展较容易实现。 传输通道是监控系统中的信息通道，不仅要传输经过编码压缩的图像信号， 还要传输监控中心的控制信号。对于图像信号的传输，主要要求在图像信号经 过传输系统后，不产生明显的噪声和失真，保证在接收端能准确再现图像。 对于监控系统来说，在接收端要完成的两个主要任务是图像的显示和保存。 图像显示是整个系统的目的所在。接收端再现的图像不一定是真实图像的照搬， 可以是通过分割、重组等图像处理方法处理后的图像。为了以后查询和编辑的 需要，要对接收的图像进行保存。 系统控制部分是整个系统的“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心， 可按照使用者的要求来完成图像信号的切换、摄像头的控制等。在系统中，对 于控制信息通常都是采用面向连接的、可靠的通信协议进行传输。 第四节基于g p r s 的无线图像监控系统的整体结构 本文所设计的无线图像监控系统由现场的嵌入式装置( 前置机) 、通信网 络、后台的监控中心以及可选的i p 地址服务器组成。系统构成如图1 2 所示。 图1 2 监控系统整体结构 监控中心 后台的监控中心采用p c 机，运行在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统之下。由系统管 理员对其进行管理和维护，按照管理员的要求，与前置机通信，接收图像，将 前置机发回的图像信息进行播放或保存，以供将来进行资料的查询和图像的处 第1 章概述 理使用。 本系统通过无线g p r s ( 通用分组无线业务) 网络来进行信息传输。g p r s 是 在现有的g s m 网络的基础上发展起来的一种新的承载业务，可提供分组形式的 数据业务。它可利用g s m 网络的绝大部分基础设施，只是增加了g p r s 网关支 持模块( g g s n ) 和g p r s 服务支持功能模块( s g s n ) 。g g s n 主要用作移动 网络与其它网络的分组数据接口起到网关的作用；s g s n 主要负责g g s n 与基 站控制器( bsc ) 的接口功能，将无线信道上的数据转化成分组数据形式。 g p r s 网络提供与数据分组交换网的接口，可通过i p 协议和x 2 5 协议与其它数 据网相连；可为用户提供更快的接入时间和更高的数据速率，其现阶段最高速 率可达到1 7 1 2 k b p s ；尤其需要指出的是g p r s 系统的收费是按通信量的大小来 计算，从而使得收费更合理化。关于g p r s 网络更详细的知识将在第三章中进 行说明。 前台嵌入式装置安装在监控现场，接收后台监控中心的指令，按要求接收 摄像头传来的图像信号，对其进行编码压缩后经由g p r s 网络发送到监控中，心。 对于图像监控系统来说，压缩编码方法的选择，直接关系到整个系统的质量， 在本系统中选用j p e g 2 0 0 0 标准。将在第二章中对j p e g 2 0 0 0 标准进行详细介绍。 为了增强系统的灵活性及减少以后厂家的维护费用，在系统中增加了一个 i p 地址服务器。由于前端采用g p r s 的方式进行通讯，每次启动后都将获得一 个动态分配的i p 地址，而监控中心是一台接入i n t e m e t 的普通计算机，具有动 态的或固定的i p 地址，或者是利用g p r sm o d e m 接入g p r s 网络，获得动态的 或固定的移动子网i p 地址。根据这种情况，为了不限制监控中心接入网络的方 式，在系统中加入了一个i p 地址服务器。使用者在进行系统组建时，如果能够 提供有效的寻址方式，则可以不使用这个i p 地址服务器进行中介，这样也并不 会影响到系统功能的实现。 该服务器具有固定的i p 地址，运行在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统之下，由厂家 提供并负责维护。主要用来保存前端嵌入式装置的i p 地址。当监控点的装置启 动获得i p 地址后，主动向地址服务器发送自己的i p 地址，监控中心从服务器得 到监控点的i p 地址后，就可以向监控点发起连接，要求进行图像信息的传输。 考虑到安全性，在i p 服务器中设有身份验证以及权限限制，每个用户只能获得 其购买的嵌入式装置的i p 地址。获得i p 地址的监控中心在与嵌入式装置进行连 接时仍然要通过身份验证。 8 第2 章图像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 第二章图像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 第一节图像压缩的必要性和可能性 图像信息具有直观性强、信息量大等特点，一直是人们接收信息的主要来 源。图像的数据量极大，尽管海量存储技术、处理器的速度以及数字通信系统 的性能迅猛发展，但其对数据存储的能力和数据传输带宽的要求仍然超出了现 有技术的能力所及。从以下的几个数据中我们可以看出，为了使图像通信成为 可能并尽可能地降低通信费用，对其进行压缩是势在必行的。 ( 1 ) 一页印在8 5 ( 约1 8 0 m m * 2 5 5 m m ) 纸上的文件，若以中等分辨率3 0 0 d p j ( d o t p e ri n c h ，每英寸的点数) 的扫描仪进行采样，其数据量约为6 6 1 m b 页。一 片6 5 0 m b 的c d - r o m 可存储9 8 页。 ( 2 ) 考虑中等分辨率6 4 0 * 4 8 0 时，全屏幕显示，真彩色，每秒钟播放3 0 帧， 则播放1 秒钟视频画面的数据量为： 6 4 0 4 8 0 2 4 8 3 0 = 2 7 6 4 8 0 0 0 ( 8 ) 相当于存储一千多万个汉字所占用的空间。即使降低彩色性逼真要求。量化 为8 位灰度，每秒显示2 5 帧，数据量也达： 6 4 0 4 8 0 十2 5 = 7 6 8 0 0 0 0 ( b ) 如此庞大的数据量，给图像的传输、存储都造成了难以克服的困难。假想 一下，以我们现在家庭中常用的网络带宽，来观看一部未经压缩编码的数字电 影，那将是让人难以忍受的。因此，我们可以说，数字压缩编码技术是使数字 信号走向实用化的关键技术之一。 图像数据的压缩不仅是必要的，也是可能的。其可能性是因为图像的信源 数据有极强的相关性，即存在大量的冗余信息。一般存在以下几种冗余：编码 冗余、空间冗余、时间冗余、结构冗余、知识冗余以及人的心理视觉冗余等。 对图像数据进行压缩就是将数据中庞大的冗余信息去掉，保留相互独立的信息 分量。其目的是以尽量少的比特数表征图像，同时保持复原图像的质量，使其 9 第2 章图像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 符合预定应用场合的要求。通常把图像压缩编码简称为图像编码。目前常用压 缩方法可分为无损压缩和有损压缩两大类。无损压缩去掉了那些可以重新插入 到数据中的冗余信息，因此这种方法是可逆的，也称无失真压缩。有损压缩法 压缩了熵( 平均信息量) ，损失的信息是不能再恢复的，所以这种压缩方法是 不可逆的。 第二节图像压缩编码的发展 图像编码的发展至今已走过了半个多世纪的历程。早在2 0 世纪血六十年代， 就产生了基于s h a n n o n 信息论的经典图像编码方法，其中最基本的有h u f f m a n 编码、预测编码和变换编码等。之后，人们在探索一些新的高效的编码方法方 面不断取得进展，出现了算术编码、矢量量化、方块截断编码、亚抽样编码、 子带编码和小波变换编码等方法。 2 0 世纪9 0 年代以来，k u n t 等人提出了所谓第二代编码的概念。他们认为 传统的编码方法是基于信号波形的方法，衡量编码方法的效果主要以重建信号 与原始信号的波形一致性程度为评价标准。而新一代的编码方法则是基于对象 模型的描述方法，有代表性的包括分形编码、模型基编码、轮廓编码等。在一 定的实验条件下，这些编码方法可以获得出色的编码效率，但在实际使用中， 由于其复杂度太高而受到了限制。 与此同时，和第二代编码方法的处境相反，属于“经典”方法的小波变换 编码却越来越受到人们的重视。特别是j m s h a p i r o 提出的嵌入式零树小波变换 编码算法，向人们展示了小波方法优异的压缩性能。此后，a ，s a i d 等人又提出 了改进的分级树的集分害4 算法，同样获得了很好的效果。由此，确立了小波变 换在新的编码标准中的重要地位。 随着新技术的不断发展以及社会需求的不断增加，图像编码技术被广泛使 用。但由于没有统一的压缩算法和码流格式，在进行图像信息的交流中遇到了 很多困难。为了改变这种情况，国际标准化组织i s o 和电信联盟i t u - t 针对不 同的使用情况制定了一系列的编码压缩标准，主要标准如下所示： ( 1 ) 1 9 9 0 年为会议电视和可视电话制定的h 2 6 1 建议 ( 2 ) 1 9 9 1 年为静止图像编码制定的j p e g 建议( i s 01 0 9 1 8 ) ( 1 9 9 1 年草案， 1 9 9 4 年正式通过) 1 0 第2 章陶像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 1 9 9 1 年为二值图像编码制定的j b i g 标准( i s 0c d l l 5 4 4 ) 1 9 9 1 年为电视图像数字存储而制定的m p e g 一1 ( i s o c d t l l 7 2 ) ，传输速 率为l _ 5 m b p s ，1 9 9 3 年正式通过。 1 9 9 3 年为活动图像及其伴音压缩而制定的通用编码国际建议 m p e g 一2 ( 其中视频部分即为i t u t h 2 6 2 ，i s o i e c l 3 8 1 8 2 ，1 9 9 3 年草 案，1 9 9 4 年正式通过) 1 9 9 5 年i t u t 为甚低码率视频编码而制定的h 2 6 3 建议。 1 9 9 8 年公布的m p e g 一4 标准，主要用来支持在低比特率信道上的数字 视频、音频应用。并且更加注意了多媒体系统的交互性和灵活性。 1 9 9 7 年开始着手制定的j p e g 2 0 0 0 标准( i s 0 1 5 4 4 4 ) ，该标准是又一个 针对静止图像进行压缩编码的国际标准，其第一部分于2 0 0 0 年1 2 月 公布。 ( 9 ) 于1 9 9 8 年提出的m p e g - 7 ，在2 0 0 1 年初最终完成。该标准主要是对不 同的多媒体信息进行标准化描述，以实现快速有效的搜索。 ( 1 0 ) f 在制定中的m p e g 2 1 ，该标准将由m p e g 7 发展而来，主要是规定 数字节目的网上实时交换。 以上这些标准的制定，规范了图像压缩领域算法的选择，人们可以根据不同 的需要选择相应的压缩标准。在本文中，考虑到系统的应用环境，采用j p e g 2 0 0 0 标准对图像进行编码压缩。本章中下面的部分是对该标准的详细介绍。 第三节j p e g 2 0 0 0 标准介绍 5 p e g 2 0 0 0 以其灵活的编码方式、优越的图像压缩性能，早就引起了业内人 士的广泛关注，在各高校内，也有好多人在研究它的核心编码算法。下面的各 部分是对j p e g 2 0 0 0 标准的一个总体介绍。关于小波编码方法详细的理论基础请 参考小波分析以及数字信号处理的相关书籍。 2 3 1j p e g 2 0 0 0 标准概述 j p e g ( j o i n t p h o t o g r a p h i c e x p e r t s g r o u p ) 即联合图像专家组，是由国际标准 化组织( i s o ) 和国际电信联盟( 删t ) 联合成立的静态图像压缩标准制定的 i i 佰 第2 章图像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 委员会。它制定出了第一套国际静态图像压缩标准一j p e g 。由于j p e g 优良的品 质，使得它在短短的几年内就获得极大的成功，目前网站上百分之八十的图像 都是采用j p e g 的压缩标准。然而，随着多媒体应用领域的激增，传统j p e g 压 缩技术已无法满足人们对多媒体图像资料的要求。针对这种情况，j p e g 组织于 1 9 9 7 年3 月开始向全世界各大专院校、公司以及科研单位公开征求下一代3 p e g 格式标准的意见，不久就收到各大研究团体的2 2 份提案。选择其中最好的技术 建立验证模型，经过不断的技术测试，j p e g 2 0 0 0 标准的雏形逐渐形成。1 9 9 9 年 l 】月，j p e 0 2 0 0 0 委员会草案完成，但直到2 0 0 0 年1 2 月份，其核心编码部分 才正式公布。j p e g 2 0 0 0 正式名称为：i s o1 5 4 4 4 ，作为j p e g 标准的一个更新换 代标准，其目标是进一步改进目前压缩算法的性能，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 m e t 网上服务和保安等方面的应 用。 j p e g 2 0 0 0 主要由6 个部分组成。第一部分为编码的核心系统，主要提供了 编码过程的指导，据此我们可以将原始图像转变为压缩的图像数据：还规定了 码流语法，由此可以得到压缩图像数据的解释信息以及文件格式和解码过程。 第一部分相对而言，具有最小的复杂性，可以满足约8 0 的需要。第二至第六部 分为压缩技术和文件格式的扩展部分，用来满足一些特殊的应用。其中，第二 部分是为了提高压缩特性和为了压缩特殊的数据类型而进行的扩展；第三部分 是为了压缩连续的图像序列而进行的扩展，也称为m o t i o n j p e g 2 0 0 0 ；第四部分 是一致性测试；第五部分提供了实现标准参考的软件样本；第六部分规定了以 图形文字混合图像为对象的代码格式。在本系统中，只使用标准的第一部分， 即核心编码部分，对其余的功能扩展部分不涉及。 j p e g 2 0 0 0 提供了一种对图像的新的描述方法，可以用单一码流提供适应多 种应用的性能。允许使用不同的图像模型( 客户n 务器、实时传输、图像库驱 动等) ，对具有不同特征( 自然图像、计算机图形、医疗图像等) 的不同类型 ( 二值、彩色等) 的图像进行压缩编码，在低比特率下也能获得较好的率失真 性能和主观图像质量二其主要特点如下： 令更高的压缩比：由于在离散子波变换算法中，图像可以转换成一系列能 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。也就是说，我们在网上观看j p e g 2 0 0 0 图像时，不仅下载速度快， 1 2 第2 章图像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 而且图像质量也会更好。 夺连续色调与二值图像的处理：在j p e g 2 0 0 0 出现之前，静止图像的压缩 分剐单独采用j p e g 作为连续色调压缩，采用j b i g 作为二值图像压缩。 而j p e g 2 0 0 0 则能将两者统一起来，应用于各种图像。 夺无损压缩和有损压缩：j p e g 2 0 0 0 提供无损压缩和有损压缩两种方式。 在j p e g 2 0 0 0 中，进行嵌入操作，以无损为图像质量的上限，能够从一 个比特流提取任意质量的图像。在需要无损压缩的情况下，必须采用带 整数值系数的可逆小波变换。 夺渐进传输：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。j p e g 2 0 0 0 实现的渐进 传输功能除图像精度和分辨率外，在加上空间位置和图像分量，总共以 四维度完成，这样一来，渐进传输功能可按已解码的数据量改善所对应 维度的质量，并且只使用单一的码流。 夺感兴趣区域压缩：可以指定图片上感兴趣区域( r e g i o no f i 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。这是因为子波在空间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。 夺容错性：在向解码器传输编码器生成的比特流时，提供容错机制是必要 的，例如在无线等传输误码很高的通信信道中传输图像时，没有容错性 是让人不能接受的。j p e g 2 0 0 0 标准通过采用具有确保同步标记的分组 结构以及各代码块内的差错检测和隐藏机制等来实现高容错性。 除了这些主要特点外，j p e g 2 0 0 0 还采用开放式的结构，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。另外对于图像的安全保护以及图像交换等方面都做 了考虑。j p e g 2 0 0 0 的多种特点，使其具有广泛的应用前景，许多著名的图形图 像公司如c o r e l 、p e g a s u s 等都开始在新开发的图像工具软件中集成j p e g 2 0 0 0 压 缩技术。另外，随着支持j p e g 2 0 0 0 标准的专用芯片的问世，其计算复杂度高的 问题也就迎刃而解，势必会使其在相关领域的应用迅速扩大。 第2 章图像压缩及j p e g 2 0 0 0 标准研究 2 3 2j p e g 2 0 0 0 基本系统的组成及工作原理 j p e g 2 0 0 0 作为一种图像压缩标准，编码算法是其核一心部分。相对于j p e g 丽言，j p e 0 2 0 0 0 在技术上有了很大的飞跃。两者最大的不同，在于j p e g 2 0 0 0 放弃了j p e g 所采用的以离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m ) 为主的区 块编码方式，而采用以小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 为主的多解析编码方式。 小波变换是从傅立叶变换中发展而来的，但是在刻画时频局部化上比傅立叶变 换有优势，小波变换能够同时在时间和频率上做局域变换，从而能有效地从信 号中提取有用的信息。因此，小波交换又被誉为“数学显微镜”。关于小波变 换详细的理论知识请见参考文献 2 6 2 7 。在图像的压缩编码中采用小波变换 具有以下的一些优点： ( 1 ) 小波变换把图像分解为近似图像和细节图像之和，它们分别代表了图 像的不同结构，因此原始图像的结构信息和细节信息很容易提取。 ( 2 ) 小波变换完善的重建能力保证了信号在分解过程中没有信息丢失和 冗余，即小波变换作为一组表示信号分解的基函数是唯一的。 ( 3 ) 小波变换对图像信号进行全局分解，使量化失真随机地分布于整幅图 像之中，人眼不易觉察，因此不会出现人的视觉非常敏感的方块效应。 ( 4 ) 二维小波变换分解为图像的分析提供了方向性选择，非常适合于人的 视觉系统。 j p e g 2 0 0 0 的核心编码方法为优化截取的嵌入式块编码( e b c 0 t ，e m b e d d e d b l o c kc o d i n gw 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 c a s m s ) 算法它是 基于小波变换的嵌入式编码的方法之。所谓基于小波变换的嵌入式编码是指 将经过小波变换后盼比特流按重要性不同进行排序，提供多个满足不同目标码 率的切断点，使解码器能根据目标码率的要求在某一截断点结束解码，提供相 应质量的图像。 下面详细介绍j p e g 2 0 0 0 的核心部分一图像编解码系统。其编码器和解码 器的框图如图2 1 所示。个典型的j p e g 2 0 0 0 编码器的操作过程如图2 1 a 所 示。在编码时，首先对图像进行预处理，主要包括分块，进行d c 位移，然后根 据情况进行分量变换。接着，对每个片成分进行小波变换，得到不同分辨率的 小波子带系数。对各系数选取适当的量化步长进行量化。将量化后的小波系数， 划分为更小的数据单元，称为码块( c o d eb l o c k ) 。对每个码块的各比特面分别 1 4 兰! 雯堕堡堡塑墨! ! 皇鱼! ! ! ! 堡壅堑塞 进行三次扫描：重要性传播( s i g n i f i c a i l c ep r o p a g a t i o np a s s ) 、 f l ( r e f i n e m e n tp a s s ) 以及清除( c l e a n u pp a s s ) 。对于每次扫描输出，采用自适应算术熵编码进行基 于上下文的编码。最后将压缩的各子比特面组织成数据包的形式输出。 图2 1aj p e g 2 0 0 0 编码器 图2 1bj p e g 2 0 0 0 解码器 图2 1 b 是j p e g 2 0 0 0 标准的解码结构，相对于编码过程，解码过程相对比 较简单。其过程是根据压缩码流中存储的参数，对应于编码器的各部分，进行 逆向操作，输出重构的图像。下面分别详细介绍编码器的各个组成部分。 ( 1 ) 输入原始图像 输入图像可以包含多个分量。通常的彩色图像包含三个分量( r g b 或 y c b c r ) ，在j p e g 2 0 0 0 中为了适应多频段图像的压缩，允许一个输入的图像最 多有2 “个分量。每个分量的采样值可以是无符号数或有符号数，比特深度为l 3 8 。每个分量的分辨率、采样值符号以及比特深度可以不同。 ( 2 ) 图像预处理 对原始图像数据进行编码之前，j p e g 2 0 0 0 编码器要对图像进行预处理，即 按照标准要求对其进行分块( t i l i n