（系统分析与集成专业论文）基于嵌入式无线web服务器的远程监控系统.pdf

摘要 随着图像压缩技术、网络传输技术和电子技术的飞速发展，嵌入式数字图像 监控系统已经成为当今监控领域的一个新的开发热点。在特定的工业环境中，由 于地理环境偏远等问题，必须采用无线远程的方法进行监控，本系统采用3 2 位 a r m 处理器与d s p 视频压缩模块相结合，并考虑到实际的g p r s 与视频传输的速 度匹配问题，采用j p e g 编码方式，成功的解决了这个技术问题。本文论述了基 于g p r s 的嵌入式图像监控系统的原理和实现。 该系统主要由监控中心和监控终端组成，监控中心和监控终端通过 i n t e r n e t 和g p r s 网络联系起来，实现通信。监控中心在p c 机上建立具有图形 界面的监控程序，实现图像监控功能。 监控终端采用a d s p b f 5 3 1 为压缩编码芯片，和外围芯片接口后构成嵌入式 计算机硬件平台，为了便于开发和支持网络功能，系统选用嵌入式操作系统 w i n c e 4 2 ，组成通用的嵌入式计算机平台，监控终端通过g p r s 模块接入移动网 络，再通过移动的网关接入i n t e r n e t 。 关键字：嵌入式；远程监控；图像处理；g p r s a b s t r a c t w i t ht h er a p i de v o l u t i o no fi m a g ec o m p r e s s i o n ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n d e l e c t r o n t e c h n i q u e ，e m b e d d e di m g a em o n i t e r i n gs y s t e m h a sb e c o m ean e w d e v e l o p i n gh o t s p o t a l s oi ns o m es p e c i f i ci n d u s t r i a le n v i r o n m e n t ，b yr e a s o no f t h e l o c a t i o no ro t h e rs i t u a t i o n s ，t h ew i r e l e s sr e m o t es u r v e i l l a n c ei sr e q u i r e d t h i s s y s t e mc o m b i n e st h e3 2 - b i ta r mp r o c e s s o ra n dd s pv i d e oc o m p r e s s i n gm o d u l e ， c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a lg p r sa n dv i d e ot r a n s f e rs p e e d ，t h es y s t e m1 1 5 e st h ej p e g c o d i n g ，s u c c e s s f u l l y r e s o l v e dt h i st e c h n i c a l p r o b l e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h e p r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dp i c t u r em o n i t e r i n gs y s t e mb a s e do n g p r sa r ed i s c u s s e d t h es y s t e mc o n s i s t so f t h em o n i t o r i n gc e n t e ra n dt h em o n i t o r i n gt e r m i n a l ，a n d t l l e ya r ec o n n e c t e dt h r o t l g ht h ei n t e m e ta n dg p r sn e t w o r k t h em o n i t o r i n gc e n t e r s e t su pt h ec o n t r o lp r o c e d u r ew i t hp i c t u r ei n t e r f a c eo i lt h ep ca n dh a st h ef u c n c t i o n o f m o n i t o r i n go fi m a g e t h em o n i t o r i n gt e m i n a li se m b e d d e ds y s t e mt h a tc o n s i s t so f a d s p - b f 5 3 1a n d o t h e ri n t e r f a c e t h ee m b e d d e ds y s t e ma d o p t se m b e d d e dw i n c e 4 2a st h eo p e r a t i o n s y s t e m s ot h a tt h e d e v e l o p m e n to fs o f t w a r ei s m o r ec o n v e r n i n e t a m di ti s c o n n e c t e dt ot h ei n t e r n e tt h r o u g hag p r sm o d e m k e y w o r d s ：e m b e d d e d ；r e m o t em o n i t o r i n g ；i m a g i n gp r o c e s s i n g ；g p r s 第一章绪论 1 1 网络监控系统的介绍 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生 活方式都发生了重大的变化，作为生活生产中非常重要的一项技术即监控技术的 重要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统的演变，是一个从集中监控向网 络监控的发展历史。早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状态 进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监控系统是以监测控制计 算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成 的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。在现代 企业的生产和管理中，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行 实时检测、监督管理和自动控制。由于工业生产过程控制要求的环境适应性、高 实时性和高可靠性等特点，自动控制与检测技术一直沿着自己的道路发展，测控 领域所使用的通信技术都自成体系，许多通信协议不开放，而且大多数系统都是 面向单台，或单一类型的设备。 随着生产力的进步，各自独立的监测系统已不能适应工业化的需求，于是便 产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。 但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅 局限于同一地点，所以具有一定的地域局限性。i n t e r n e t 能实现资源的共享， 从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统 的发展提供了有利的条件。远程监控是本地计算机通过网络系统如 i n t e r n e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控 及设备的诊断维护等功能。我们通常把能够实现远程监控的通信媒体、计算机软 件、硬件系统称为远程监控系统。在现场设备分布广泛或数据不易采集的场合， 要能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，是远程监控技术在工业生产 上的需求。远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是 将数据采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没 有多大的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控 系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布 于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，从分立单元阶段进入了集成单元阶 段，然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网 ( i n t r a n e t ) 。由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集 成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。 1 2 远程监控系统发展现状及分析 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据 采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大 的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相 同；另一种是现场监控与远程监控并存。一+ 般是采用现场总线技术将分布于各个 设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶 段，然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网 ( i n t r a n e t ) 。由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集 成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。 远程控制所实现的功能如下： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和 必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产 人员提供监控系统是以网络作为通信平台的监控系统，以h t t p 技术为基础，具 有简单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。利 用网络通信技术供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况； 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和 输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历 史数据加以存储； 管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工作情况进行分析、故障 诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警； 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控 制输出，直接作用于生产过程。 基于b s 和c s 的远s o c k e t 技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实 现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控数据显示及报警等模块，其优点 是充分利用了现有的局域网资源和广域嘲资源，以最高的性能价格比，以信息的 实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的 管理。例如：监控系统将设备运行情况提供给服务器，并由服务器发送到各个节 点客户机，工作人员在客户端( 一般为远端) 便可了解整个系统的工作状态及运行 情况。简单地讲，对企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据的采集、传输 和处理以及进行实时控制的问题。正是它的这些优点使得它得以飞速发展。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理 中，专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高 设备的可用率，最终降低生产成本，提高效益。 借助于远程监控可以将企业内部的信息网o n t r a n e t ) 与控制网连接起来，实现 对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合， 从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源 库。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控 数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临 现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参 数，使受过专业训练的人员。虚拟。地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰 富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减 少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的【3 】。 目前，越来越多的企业呈现跨地域式的发展趋势，利用网络技术实现远程监 控，对企业降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及增 强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。 1 3 课题的研究背景以及主要工作 网络监控系统是日常生产生活中的重要辅助设备，应用十分广泛，当前网络 监控系统正在逐步由模拟化迈向数字化。随着视频压缩技术和网络技术的发展， 开发新一代的基于计算机网络和多媒体压缩算法的网络视频以及现场数据的监 控系统己成为整个行业技术发展的主要方向之一。在一些特定的环境下由于地 理位置等其他原因，无法实现有线的网络监控，如高速公路监控。而针对远离市 区的工业环境，要求通过无线网络实现视频以及工业现场数据的采集监控，本系 统将运行嵌入式操作系统的3 2 位微a r m 处理器与d s p 视频压缩模块相结合，构 成一个基于视频的远程采集压缩系统的w e b 服务器，而网络连接部分采用g p r s 方式，硬件上实现了总体系统探索性的设计和开发，软件上实现了简单的图像传 输，但由于时间有限没有最终实现产品化，有待后续工作的继续进展。 第二章视频压缩及编解码技术 科学实验表明，人类从外界获取的知识之中，有7 0 以上都是通过视觉感知 获取的。然而，数字图像中包含的数据量巨大，如考虑中等分辨率( 6 4 0 x 4 8 0 ) 下，全屏幕显示，真彩色( 2 4 位) ，全动作( f u l lm o t i o n ，2 5 - 3 0 帧秒) 的图像序 列，播放一秒钟的视频画面数据量为：6 4 0 4 8 0 3 3 0 = 2 7 ，6 4 8 ，0 0 0 字节，相 当于存储一千多万个汉字所占用的空间。如此庞大的数据量，给图像的传输、存 储以及读出造成了难以克服的困难。图像和视频的压缩技术是利用图像和视频中 大量的冗余信息，用尽可能少的信息表示原始信息，已达到减少数据量的目的， 这对于图像和视频等具有巨大数据置的媒体信息来说，具有重大的理论和实际意 义。 数字图像压缩编码技术的研究，已经历半个世纪，在理论和工程上都取得了 很多成果。进入2 0 世纪9 0 年代，在国际标准化组织( i s o ) 和国际电信联盟( i t u ) 等国际组织的协调下，对视频和图像编码的成果进行了收集整理综合和加工，制 定了几个通用的压缩编码标准。包括适用与二值图像的j b i g ，用于连续灰度和 彩色静止图像的j p e g ，用于6 4 k 视频传输的h 2 6 1 ，面向1 5 m 数字视频和音频 传输及存储的m p e g 一1 ，面向高品质数字视频和音频传输及存储的m p e g 一2 ，以及适 于低码率视频编码的h 2 6 3 。这些标准的算法主要由四类技术混合构成：运动补 偿、正交变换、量化和编码，代表了2 0 世纪9 0 年代中期的视频和图像编码的水 平。下面对一些主流的图像编码标准做一介绍，主要针对本论文涉及的j p e g 编 码”。 2 1 各种视频压缩编解码的介绍 2 1 1m p e g 1 压缩编码标准 m p e g 一1 制定于1 9 9 2 年，为工业级标准而设计，它可针对s i f 标准分辨率( 对 丁二n t s c 制为3 5 2 x 2 4 0 ；对于p a l 制为3 5 2 x 2 8 8 ) 的图像进行压缩，传输速率为 1 5 m b i t s s e c ，每秒播放3 0 帧，具有c d ( 指激光唱盘) 音质，质量级别基本与v h s 相当。m p e g 的编码速率最高可达4 5 m b i t s s e c ，但随着速率的提高，其解码 后的图象质量有所降低。m p e g - 1 也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对 称数字用户线路( a d s l ) ，视频点播( v o o ) ，以及教育网络等。同时，i d p e g - - 1 也可 被用做记录媒体或是在i n t e r n e t 上传输音频“1 。 i d p e g l 曾经是v c d 的主要压缩标准，是目前实时视频压缩的主流，可适用于 不同带宽的设备，如c d - r o m 、v i d e o c d 、c d - i 。与i d - j p e g 技术相比较，在实时 压缩、每帧数据量、处理速度上均有显著的提高。m p e g l 可以满足多达1 6 路以 上2 5 帧秒的压缩速度，在5 0 0 k b i t s 的压缩码流和3 5 2 像素2 8 8 行的清晰度 下，每帧大小仅为2 k 。若从v c d 到超级v c d 到d v d 的不同格式来看，m p e g l 的 3 5 2 2 8 8 格式，m p e g 2 可有5 7 6 3 5 2 、7 0 4 5 7 6 等，用于c d r o b l 上存储同步 和彩色运动标视频信号，旨在达到v c r ( 模拟式磁带录放机v i d e oc a s s e t t e r e c o r d e r ；v c r ) 质量，其视频压缩率为2 6 ：1 。m p e g l 可使图像在空间轴上最多 压缩1 3 8 ，在时间轴上对相对变化较小的数据最多压缩1 5 。m p e g l 压缩后的数 据传输率为1 5 m b p s ，压缩后的源输入格式s i f ( s o u r c ei n p u tf o r m a t ) ，分辨 率为3 5 2 像素2 8 8 行( p a l 制) ，亮度信号的分辨率为3 6 0 2 4 0 ，色度信号的 分辨率为1 8 0 1 2 0 ，每秒3 0 帧。m p e g l 对色差分量采用4 ：1 ：1 的一次采样率。 m p e g l 、m p e g 2 是传送一张张不同动作的局部画面。在实现方式上，m p e g l 可以借 助于现有的解码芯片来完成，而不像m - j p e g 那样过多依赖于主机的c p u 。与软 件压缩相比，硬件压缩可以节省计算机资源，降低系统成本。 但也存在着诸多不足。一是压缩比还不够大，在多路监控情况下，录像所要 求的磁盘空间过大。尤其当d v r 主机超过8 路时，为了保存一个月的存储量，通 常需要1 0 个8 0 g 硬盘，或更多，硬盘投资大，而由此引起的硬盘故障和维护更 是叫人头疼。二是图像清晰度还不够高。由于l i p e g l 最大清晰度仅为3 5 2x2 8 8 ， 考虑到容量、模拟数字量化损失等其它因素，回放清晰度不高，这也是市场反应 的主要问题。三是对传输图像的带宽有一定的要求，不适合网络传输，尤其是在 常用的低带宽网络上无法实现远程多路视频传送。四是b l p e g l 的帧数固定为每秒 2 5 帧，不能丢帧录像，使用灵活性较差。从目前广泛采用的压缩芯片来看，也 缺乏有效的调控手段，例如关键帧设定、取样区域设定等等，造成在保安监控领 6 域应用不适合，造价也高。 总体看来m - j p e g 与m p e g l 由于技术成熟，是目前o v r 市场的主流技术，但 两者的致命弱点就是硬盘耗费量大，且不能同时满足保安与实时录像场合的需 要。 2 1 2m p e g - 2 压缩编码标准 m p e g 一2 制定于1 9 9 4 年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传 输率。m p e g 一2 所能提供的传输率在3 - l o m b i t s s e c 问，其在n t s c 制式下的分辨 率可达7 2 0 x 4 8 6 ，m p e g - 2 也可提供并能够提供广播级的视像和c d 级的音质。 m p e g - 2 的音频编码可提供左右中及两个环绕声道，以及一个加重低音声道，和多 达7 个伴音声道( d v d 可有8 种语言配音的原凶) 。由于m p e g 一2 在设计时的巧妙 处理，使得大多数m p e g - 2 解码器也可播放m p e g - i 格式的数据，如v c d 。 同时，由于m p e g - 2 的出色性能表现，已能适用于h d t v ，使得原打算为h d t v 设计的m p e g 一3 ，还没出世就被抛弃了。( m p e g - 3 要求传输速率在 2 0 m b i t s s e c 一4 0 m b i t s s e c 问，但这将使画面有轻度扭曲) 。而现在网络上大行 其道的数字音乐格式m p 3 并不是m p e g 3 ，而是m p e g l 的第三层( m p e g ll a y e r 3 ) 。 除了作为o v d 的指定标准外，m p e g 一2 还可用于为广播，有线电视网，电缆网络 以及卫星直播( d i r e c tb r o a d c a s ts a t e l l i t e ) 提供广播级的数字视频。 m p e g 一2 的另一特点是，其可提供一个较广的范围改变压缩比，以适应不同 画面质量，存储容量，以及带宽的要求。 对于最终用户来说，由于现存电视机分辨率限制，m p e g 一2 所带来的高清晰 度画面质量( 如d v d 画面) 在电视上效果并不明显，到是其音频特性( 如加重低音， 多伴音声道等) 更引人注目。 m p e g 2 是o v d 的压缩标准，对每秒3 0 帧的7 2 0 5 7 6 分辨率的视频信号进行 压缩，适用于计算机显示质量的图像，压缩后的数据率为6 b l b p s ，它将视频节目 中的视频、音频、数据内容等组成部分复合成单一的比特流，以便在网上传送或 者在存储设备中存放的压缩。在d v r 产品中只有少量采用m p e g 2 压缩标准“1 。 2 1 3m p e g 4 压缩编码标准 与前两者不同，m p e g 4 于1 9 9 8 年1 1 月公布，原预计1 9 9 9 年1 月投入使用 的国际标准m p e g 4 不仅是针对一定比特率下的视频、音频编码，更加注重多媒体 系统的交互性和灵活性。m p e g 专家组的专家们正在为m p e 6 - 4 的制定努力工作。 m p e g 一4 标准主要应用于视像电话( v i d e op h o n e ) ，视像电子邮件( v i d e oe m a i l ) 和电子新闻( e l e c t r o n i c n e w s ) 等，其传输速率要求较低，在4 8 0 0 6 4 0 0 0 b i t s s e c 之间，分辨率为1 7 6 x 1 4 4 。m p e 6 - 4 利用很窄的带宽，通过帧重建技术，压缩和传 输数据，以求以最少的数据获得最佳的图象质量“1 。 与i l p e g - 1 和肿e g 一2 相比，m p e g - 4 的特点是其更适于交互a v 服务以及远程 监控。m p e g - 4 是第一个使你由被动变为主动( 不再只是观看，允许你加入其中， 即有交互性) 的动态图象标准；它的另一个特点是其综合性；从根源上说，m p e g 一4 试图将自然物体与人造物体相溶合( 视觉效果意义卜i 的) 。m p e g - 4 的设计目标还 有更广的适应性和可扩展性。m p e g 4 试图达到两个目标： 一、低比特率下的多媒体通信； 二、 是多工业的多媒体通信的综合。据此目标，m p e g 4 引入a v 对象 ( a u d i o v i s u a lo b j e c t s ) ，使得更多的交互操作成为可能。 m p e g - 4 是为在围际互联网络上或移动通信设备( 例如移动电话) 上实时传 输音视频讯号而制定的最新m p e g 标准，m p e g 4 采用o b j e c tb a s e d 方式解压缩， 压缩比指标远远优于以上几种，压缩倍数为4 5 0 倍( 静态图像可达8 0 0 倍) ，分辨 率输入可从3 2 0 2 4 0 到1 2 8 0 1 0 2 4 ，这是同质量的m p e g l 和m j e p g 的十倍多。 m p e g 4 使用图层( 1 a y e r ) 方式，能够智能化选择影像的不同之处，是可根据 图像内容，将其中的对象( 人物、物体、背景) 分离出来分别进行压缩，使图文 件容量大幅缩减，而加速音视频的传输，这不仅仅大大提高了压缩比，也使图 像探测的功能和准确性更充分的体现出来。 在网络传输中可以设定m p e g 4 的码流速率，清晰度也可在一定的范围内作相 应的变化，这样便于用户根据自己对录像时间、传输路数和清晰度的不同要求进 行不同的设置，大大提高了系统使用时的适应性和灵活性。也可采用动态帧测技 术，动态时快录，静态时慢录，从而减少平均数据量，节省存储空问。而且当在 传输有误码或丢包现象时，m p e g 4 受到的影响很小，并且能迅速恢复。 m p e g 4 的应用前景将是非常广阔的。它的出现将对以下各方面产生较大的 推动作用：数字电视、动态图象、万维网o v w ) 、实时多媒体监控、低比特率下 的移动多媒体通信、于内容存储和检索多媒体系统、i n t e r n e t i n t r a n e t 上的视 频流与可视游戏、基于面部表情模拟的虚拟会议、d v o 上的交互多媒体应用、基 于计算机网络的可视化合作实验室场景应用、演播电视等。 当然，除了m p e g4 外，还有更先进的下一个版本m p e g7 ，准确来说，i 哪a e g 一7 并不是一种压缩编码方法，而是一个多媒体内容描述接口。继m p e g 4 之后，要解 决的矛盾就是对日渐庞大的图像、声音信息的管理和迅速搜索。船e g7 就是针 对这个矛盾的解决方案。m p e g 7 力求能够快速且有效地搜索出用户所需的不同类 型的多媒体材料。预计这个方案于2 0 0 1 年初最终完成并公布。按照以往m p e g - 4 的经验，m p e g - 7 起码要再过两年才能进入实际应用阶1 6 1 。 2 1 4j p e g 压缩编码标准 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 ) 的英文缩写，是国 际标准化组织( i s o ) 和c c i t t 联合制定的静态图像的压缩编码标准。和相同图象 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 缩比最高的。我们给出具体的数据来对比一下。例图采用w i n d o w s 9 5 目录下的 c l o u d s b m p ，原图大小为6 4 0 * 4 8 0 ，2 5 6 色。用工具s e a ( v e r s i o n l 3 ) 将其分别 转成2 4 位色b m p 、2 4 位色j p e g 、g i f ( 只能转成2 5 6 色) 压缩格式、2 4 位色t i f f 压缩格式、2 4 位色t g a 压缩格式。得到的文件大小( 以字节为单位) 分别为： 9 2 1 ，6 5 4 ，1 7 ，7 0 7 ，1 7 7 ，1 5 2 ，9 2 3 ，0 4 4 ，7 6 8 ，1 3 6 。可见j p e g 比其它几种压缩比 要高得多，而图象质量都差不多( j p e g 处理的颜色只有真彩和灰度图) 。 正是由于j p e g 的高压缩比，使得它广泛地应用于多媒体和网络程序中，例 如h t m l 语法中选用的图像格式之一就是j p e g ( 另一种是g i f ) 。这是显然的，因 为网络的带宽非常宝贵，选用一种高压缩比的文件格式是十分必要的“1 。 j p e g 有几种模式，其中最常用的是基于d c t 变换的顺序型模式，又称为基 线系统( b a s e li n e ) ，以下将针对这种格式进行讨论。 1 ) 离散余弦变换 我们先介绍一下离散余弦变换。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 ) 堪 是国际标准化组织( i s o ) 制定的图像和视频压缩标准 j p e g , m p e g 1 。m p e g - 2 ，m p e g - 4 和国际电信联盟( 1 t u ) 制定的视频压缩标准 h 2 6 1 ，h 2 6 3 ，h 3 6 4 所采用的核心算法。它对原始图像中基本的8 8 的块的象素 进行2 维的d c t 变换，消除其中的相关性，把能量集中在尽可能少的系数上， 并且8 8 的d c t 算法简单，有效，易于软硬件实现。实现8 8 的d c t 最通用 的算法是由行和列各8 个点的d c t 变换组成，其具体定义如下： q = 口( 研) 展功善8 荟8 置，c o s ( ! 蔓三篱塑) c o s ( 苎坚等习c z m 对于l m ，7 n ，其中a ( o ) = 卢( o ) = j 善和口( ”) = 觑) = j 丢。 这里，旦，表示8 8 原始块的第i 行第j 列的像素，c ，表示8 8 的块d c t 变换后的系数。逆离散余弦变换( i d c t ) 可以恢复原始的8 8 块的像素。 2 ) 哈夫曼编码 哈夫曼( h u f f m a n ) 编码是种常用的压缩编码方法，是h u f f m a n 于1 9 5 2 年为压缩 文本文件建立的。它的基本原理是频繁使用的数据用较短的代码代替，较少使用 的数据用较长的代码代替，每个数据的代码各不相同。这些代码都是二进制码， 而且码的长度是可变的“1 。 下面给出具体的h u f f m a n 编码算法。 ( 1 )首先统计出每个符号出现的频率，上例s 0 到s 7 的出现频率分别为4 1 4 ， 3 1 4 ，2 1 4 ，1 1 4 ，1 1 4 ，1 1 4 ，1 1 4 ，1 1 4 。 ( 2 )从左到右把上述频率按从小到大的顺序排列。 ( 3 )每一次选出最小的两个值，作为二叉树的两个叶子节点，将和作为它们 的根节点，这两个叶子节点不荐参与比较，新的根节点参与比较。 ( 4 )重复( 3 ) ，直到最后得到和为1 的根节点。 ( 5 )将形成的二叉树的左节点标0 ，右节点标1 。把从最上面的根节点到最 下面的叶子节点途中遇到的0 ，1 序列串起来，就得到了各个符号的编码。 i o 上面的例子用h u f f m a n 编码的过程如图2 1 所示，其中圆圈中的数i 宁是新节点产 生的顺序。可见，我们上面给出的编码就是这么得到的。 1 1 4 s 3 0 0 0 0 s 4 0 0 0 l s 5s 6 s 7 0 0 1 00 0 1 11 0 0 s 2s 1 l o l 1 1 s o 0 1 图2 1h u f f m a n 编码的示意图 产生h u f f m a n 编码需要对原始数据扫描两遍。第一遍扫描要精确地统计出原 始数据中，每个值出现的频率，第二遍是建立h u f f m a n 树并进行编码。由于需要 建立二叉树并遍历二叉树生成编码，因此数据压缩和还原速度都较慢，但简单有 效，因而得到广泛的应用。 3 ) j p e g 的压缩原理 j p e g 有几种模式，其中最常用的是基于d c t 变换的顺序型模式，又称为基 线系统( b a s e l i n e ) ，以下将针对这种格式进行讨论。 其编码器流程： 图2 2j p e g 编码器流程 解码器基本上为上述过程的逆过程： 图2 3j p e g 解码器流程 8 8 的图像经过d c t 变换后，其低频分量都集中在左上角，高频分量分布 在右下角( d c t 变换实际上是空间域的低通滤波器) 。由于该低频分量包含了图像 的主要信息( 如亮度) ，而高频与之相比，就不那么重要了，所以可以忽略高频分 量，从而达到压缩的目的。如何将高频分量去掉，这就要用到量化，它是产生信 息损失的根源。j p e g 使用的颜色是y u v 格式，y 分量代表了亮度信息，u v 分 量代表了色差信息。相比而言，y 分量更重要一些。可以对y 采用细量化，对 u v 采用粗量化，而进一步提高压缩比。 4 ) j p e g 的文件格式 j p e g 文件大体上可以分成以下两个部分：标记码( t a g ) 加压缩数据。先介绍 标记码部分。标记码部分给出了j p e g 图象的所有信息( 有点类似于b m p 中的头信 息，但要复杂的多) ，如图象的宽、高、h u f f m a n 表、量化表等等。标记码有很 多，但绝大多数的j p e g 文件只包含几种“”。 第三章数字图像在g p r s 中传输 3 1g p r s 网络 3 1 1g p r s 网络概述 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，它突 破了g s m 网的只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现 有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大， 但得到的用户数据速率却相当可观。 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 ) 是一种以全球手机系统( g s m ) 为基础 的数据传输技术，可说是g s m 的延续。g p r s 和以往连续在频道倡输的方式不同， 是以封包( p a c k e t ) 式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计 算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。 g p r s 的另一个特点，就是其传输速率可提升至5 6 甚至1 1 4 k b p s 。而且，因 为不冉需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容 易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一。个视讯 网络上( v r n ) 的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。 将在2 0 0 0 年初开启的通用分组无线业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i o s e n r i c e ) ，作为迈向第三代个人移动通信系统的重要里程碑，将使移动通信与数 据网络合二为一，使1 p 业务得以引入广阔的移动市场，g p r s 是基本分组无线业 务，采用分组交换的方式，数据速率最高可达1 6 4 k b i t s ，它可以给g s m 用户提 供移动环境下的高速数据业务，还可以提供收发e 眦i l 、i n t e g e r 浏览等功鲥”1 。 3 1 2g p r s 的功能和业务 g p r s 是一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入业 务。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。g p r s 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些同定的信道资源。如果把空中接 口上的t d m a 帧中的8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达1 6 4 k b i t s 。g s m 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被g p r s 数据业务 占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为g p r s 专用信道1 1 2 1 。 要实现g p r s 网络，需要在传统的g s m 网络中引入新的网络接口和通信协议。 目前g p r s 网络引入g s n ( g p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 节点。移动台则必须是g p r s 移动台或g p r s g s m 双模移动台。 3 1 3 g p r s 的网络结构 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的。在现有的g s m 网络中需要增加 一些节点，如g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ，网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( s e r v i n gg s n ，服务g p r s 支持节点) 。 g p r s 网络参考模型如图：所示。g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点。g s n 具有移动路由管理功能，它可以连接各种类型的数据网络，并可以连到g p r s 寄 存器。g s n 可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换。g s n 可 以是一种类似于路由器的独立设备，也可以与g s m 中的m s c 集成在一起。 g s n 有两种类型：一种为s g s n ( s e r v i n gg s n ，服务g s n ) ，另一种为g g s n ( g a t e w a yg s n ，网关g s n ) 。s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并 且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起网关作 用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 、p s p d n 和l a n 等。有的文献中， 把g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中的g p r s 分组数据包进行协议转 换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的t c p i p 或x 2 5 网络。 信令与数据接口 信令接口 3 1 4g p r s 协议模型 图3 1g p r s 网络结构 g s n ：g p r s 支持节点 g g s n ：网关g s n s g s n ：服务g s n 移动台( m s ) 和s g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图3 2 所示。u m 接口是 g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下面上依次为物理层、m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u b n e t w o r kd e p e n d a n tc o n v e r g e n c e ) 层和网络层。 u m 接口的物理层为射频接口部分，而物理链路层则负责提供空中接口的各 种逻辑信道。g s m 空中接口的载频带宽为2 0 0k h z ，一个载频分为8 个物理信道。 如果8 个物理信道都分配为传送g p r s 数据，则原始数据速率可达2 0 0k b p s 。考 虑前向纠错码开销，则最终数据速率可达1 6 4k b p s 左右。 m a c 为媒质接入控制层。m a c 的主要作用是定义和分配空中接口的g p r s 逻辑 信道，使得这些信道能被不同的移动台共享。g p r s 的逻辑信道共有3 类，分别 1 6 是公共控制信道、分组业务信道和g p r s 广播信道。公共控制信道用来传送数据 通信的控制信令，具体又分为寻呼和应答等信道。分组业务信道用来传送分组数 据。广播信道则是用来给移动台发送网络信息。 l l c 层为逻辑链路控制层。它是一种基于高速数据链路规程h i ) l e 的无线链 路协议。l l c 层负责在高层s n d c 层的s n d c 数据单元上形成l l c 地址、帧字段， 从而生成完整的l l c 帧。另外，l l c 可以实现一点对多点的寻址和数据帧的重发 控制。b s s 中的l l r 层是逻辑链路传递层。这一层负责转送m s 和s g s n 之间的l l c 帧。l l r 层对于s n d c 数据单元来说是透明的，即不负责处理s n d c 数据。 s n d c 被称为子网依赖结合层。它的主要作用是完成传送数据的分组、打包， 确定t c p i p 地址和加密方式。在s n d c 层，移动台和s g s n 之问传送的数据被分 割为一个或多个s n d c 数据包单元。s n d c 数据包单元生成后被放置到l l c 帧内。 l 】c ) 9 络层的协议目前主要是p h a s e1 阶段提供的t c p i p 和x 2 5 协议，这些协议 对于传统的g s m 网络设备( 如b s s 和n s s 等设备) 是透明的。 图3 2g p r s 协议模型 3 1 5g p r s 的路由管理 g p r s 的路由管理是指g p r s 网络如何进行寻址和建立数据传送路由。g p r s 的路由管理表现在以下三个方面：移动台发送数据的路由建立移动台接收数据的 路由建立以及移动台处于漫游时数据路由的建立。 对于第一种情况，如图3 3 中的路径1 所示，当移动台产生了一个p d u ( 分 组数据单元) ，这个p d u 经过s n d c 层处理，称为s n d c 数据单元。然后经过l l c 层处理为l l c 帧，通过空中接口送到g s m 网络中移动台所处的s g s n 。s g s n 把数 据送到g g s n 。g g s n 把收到的消息进行解装处理，转换为可在公用数据网中传送 的格式( 如p s p d n 的p d u ) ，最终送给公用数据网的用户。为了提高传输效率并 保证数据传输的安全，可以对空中接口上的数据做压缩和加密处理。 在第一二种情况中，一个公用数据网用户传送数据到移动台，如图3 3 中的路 径2 所示。首先通过数据网的标准协议建立数据网和g g s n 之间的路由。数据网 用户发出的数据单元( 如p s p d n 中的p d u ) ，通过建立好的路由把数据单元p d u 送给g g s n 。而g g s n 再把p d u 送给移动台所在的s g s n ，g s n 把p d u 封装成s n d c 数据单元，再经l l c 层处理为l l c 帧单元，最终经空中接口送给移动台。 第三种情况是一个数据网用户传送数据给一个正在漫游的移动用户。如图 3 3 路由3 所示。其数据必须经过归属地的g g s n ，然后送到移动用户a 。 图3 3g p r s 的路由管理 3 1 6 空中按口的信道构成 g p r s 空中接口的信道构成如下： p d t c h ( p a c k e td a t at r a f f i cc h a n n e l ，分组数据业务信道) 。这种信道用 来传送空中接口的g p r s 分组数据。 p p c h ( p a c k e tp a g i n g c h a n n e l ，分组寻呼信道) ，用来寻呼g