（计算机应用技术专业论文）紫外光通信图像分系统研究.pdf

独创性声明 f i i ir l ii ir l llrr lll li ii 17 7 9117 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何 其它人已发表或撰写过的材料，也不包含为获得其它教育机构的别种学位或证书 而大量使用过的材料。与我一同工作的人对本研究所做的任何贡献已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 签名： 日期：坦盟产 关于论文使用授权的说明 本人完全了解培养单位有关保留、使用学位论文的规定，即：培养单位有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；培养单位可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 签名：2 牛见证人：一 紫外光通信图像分系统研究 摘要 紫外光通信是一种新颖的通信方式，不受地形地貌的影响和阻碍，机动灵活， 可配合常规通信方式完成许多极端情况下的通信任务。紫外光通信具有良好的保 密性能和较强的抗干扰能力，可以实现非视距传输，可用于多种近距离抗干扰通 信环境，近年来受到军事强国的广泛关注。 本课题在紫外通信低功耗、低码率、高干扰基础上，结合课题组现有样机， 搭建紫外光通信图像传输系统，以较低的误码率和延迟，在紫外光信道中实现 j p e g 图像顺利传输。 前期通过广泛地调研国内外最新文献资料，对于整个紫外通信系统的架构 有了较为深刻的理解。接着，比较、分析和研究了目前已有静态图像压缩技术： j p e g 、j p e g 2 0 0 0 ；深入研究了目前无线通信系统中的先进视频传输技术： m p e g 2 、m p e g 佴、h 2 6 3 、h 2 6 3 + 、h 2 6 4 ，考虑到紫外通信低功耗、低码率、 高干扰的条件，结合目前已有样机的基础，提出适用于紫外光通信的j p e g 图像 传输系统。然后，详细地研究了j p e g 编码算法与r s 2 3 2 串口通信协议，搭建了 图像发射端的软硬件平台；使用c + + b u i l d e r ，实现了j p e g 图像的软件解码， 搭建了图像接收端的软件平台。最后，对紫外光通信图像传输系统进行了实验， j p e g 图像数据能以较低的误码率和延迟在紫外光信道中顺利传输，实现了通信 双方的可见性需求。 关键字：紫外光通信，j p e g ，r s 2 3 2 ，图像传输 紫外光通信图像分系统研究 d e s i g no fi m a g es u b s y s t e mf o ru vc o m m u n i c a t i o n z h uy a ( c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o o g y ) d i r e c t e db yl ij i y e a b s t r a c t u vc o m m u n i c a t i o ni san e wm e a l l so fc o m m u n i c a t i o n u vc o m m u n i c a t i o ni s f r e ef r o mt h ei m p a c to ft e r r a i n ，a n di ti sf l e x i b l e w o r kw i t hs o m ec o n v e n t i o n a lm e a n s o fc o m m u n i c a t i o n ，i tc a nc o m p l e t ec o m m u n i c a t i o nt a s k si nm a n ye x t r e m ec a s e s u v c o m m u n i c a t i o na l s oh a sg o o dc o n f i d e n t i a lp e r f o r m a n c ea n ds t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y , i tc a na c h i e v en o n l i n eo fs i g h tt r a n s m i s s i o n u vc o m m u n i c a t i o nc a nb eu s e d f o rav a r i e t yo fc l o s ea n t i - j a m m i n gc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s ，i tg e t sw i d e s p r e a d a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sb yt h ec o u n t r yo f g r e a tm i l i t a r yp o w e r t h i sp a p e ri sa b o u tb u i l d i n gu l t r a v i o l e ti m a g ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nt h el o wp o w e r , l o wb i tr a t e ，h i g l l i n t e r f e r e n c eu vc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t t h eu l t r a v i o l e ti m a g ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb u i l d sf r o mt h ee x i s t i n g p r o t o t y p ei nm yp r o j e c tg r o u p t h es y s t e ma c h i e v e ss m o o t ht r a n s m i s s i o no fj p e g i m a g e si nt h eu v c h a n n e lt ow i t hal o w e re r r o rr a t ea n dd e l a y s t a r t i n gw i t ha ne x t e n s i v er e s e a r c ho fd o m e s t i ca n df o r e i g n l i t e r a t u r ei n p r e p a r a t o r yw o r k ，ig o tap r o f o u n du n d e r s t a n d i n go ft h eu v c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a f t e rt h a t ，id i ds o m er e s e a r c h ，c o m p a r i s o n ，a n a l y s i so ft h ec u r r e n t i m a g e c o m p r e s s i o nt e c h n i q u e s ：j p e ga n dj p e g 2 0 0 0 ，a l s oa ni n d e p t hs t u d yo ft h ec u r r e n t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n da d v a n c e dv i d e ot r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y ： m p e g 2 ，m p e g 4 ，h 2 6 3 ，h 2 6 3 + ，h 2 6 4 c o n s i d e r i n gt h el o w p o w e r , l o wb i t - r a t e ， t l i 班一i n t e r f e r e n c ec o n d i t i o n si nu vc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h i sp a p e rp r o p o s e d aj p e gi m a g e st r a n s m i s s i o ns y s t e mf o ru vc o m m u n i c a t i o n a f t e rad e t a i l e ds t u d yo f t h ej p e ge n c o d i n ga l g o r i t h ma n dr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，ib u i l tt h e i m a g et r a n s m i t t e rh a r d w a r ep l a t f o r m s n e x t ，ib u i l tt h ei m a g er e c e i v i n ge n ds o f t w a r e p l a t f o r mu s i n gc + + b u i l d e r , t h es o f t w a r ei sr e s p o n s i b l ef o rd e c o d i n gj p e gi m a g eg o t f r o mt h et r a n s m i t t e r e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nu vc o m m u n i c a t i o ni m a g e n 紫外光通信图像分系统研究 t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，j p e gi m a g ed a t aw a st r a n s m i s s e ds u c c e s s f u l l yw i t hal o w e rb i t e r r o rr a t ea n dd e l a yi nt h eu vc h a n n e l t h es y s t e mr e a l i z e dt h en e e d so fb o t h v i s i b i l i t yi nu v c o m m u n i c a t i o n s k e y w o r d s ：u v c o m m u n i c a t i o n ，j p e g , r s 2 3 2 ，i m a g et r a n s m i s s i o n i i i 紫外光通信图像分系统研究 第一章绪论 目录 1 1 技术背景介绍l 1 1 1 紫外光的大气传输特性。l 1 1 2 紫外光通信的方式及原理2 1 1 3 紫外光通信的优点。3 1 2 研究现状与发展趋势4 1 2 1 国外研究现状4 1 2 2 国内研究情况5 1 3 课题的研究目的与意义6 1 4 论文的章节安排。7 第二章静态图像压缩标准。 2 1 图像压缩标准的发展8 2 ：! j p l 三g 9 2 2 1 简介9 2 2 2j p e g 算法的四种工作模式9 2 2 3j p e g 基本系统编码器1 0 2 2 4j p e g 压缩效果1 6 2 3j p e g 2 0 0 0 1 7 2 3 1 简介1 7 2 3 2j p e g 2 0 0 0 的基本原理1 8 2 4j p e g 与j p e g 2 0 0 0 比较2 1 第三章运动图像压缩标准 2 3 3 1 运动图像压缩标准的发展。2 3 3 2m p e g 系列标准。2 3 3 2 1m p e g 1 2 4 3 2 2m p e g 2 2 4 3 2 - 3n e g 4 2 4 3 3h 2 6 x 系列标准。2 6 3 3 1h 2 6 1 2 6 3 3 ：! h 2 6 2 2 6 3 3 ：；h 2 6 3 2 7 3 3 z lh 2 6 4 2 7 3 4h 2 6 x 与m p e g x 的比较3 7 第四章紫外光通信图像传输方案 3 9 4 1 现有无线传输技术3 9 4 2 现有图像传输系统。4 0 4 3 紫外光通信图像传输方案。4 l 紫外光通信图像分系统研究 第五章紫外光通信图像传输系统4 5 5 1 硬件平台设计4 5 5 1 1 发射端硬件平台4 5 5 1 2 接收端硬件平台4 7 5 2 软件平台设计4 9 5 2 1j p e g 文件格式分析4 9 5 2 2j p e g 图像解码分析5 1 5 2 3 发射端软件设计5 2 5 2 4 接收端软件设计。6 l 第六章系统环境试验 6 1 紫外光通信的收发样机7 5 6 2 紫外l e d 光源7 5 6 3 实际图像通信效果7 6 第七章总结与展望。7 8 7 1 研究工作总结。7 8 7 2 问题与展望7 8 硕士期间发表论文。 参考文献。 致谢 v 1 1 技术背景介绍 第一章绪论 紫外光技术自上世纪五十年代就得到了开发和应用。紫外光火灾侦测、紫外 光消毒技术、紫外光防伪技术等都被广泛应用于军事和民用领域。 近年来使用紫外光进行通信成为了紫外光技术新的研究领域，特别是在军事 通信中，紫外光因其独特的优势正越来越多地被使用。军事通信作为现代战争的 神经中枢是提高总体作战能力的重要因素，在战争中起着举足轻重的作用。战场 上可以通过各种有线、无线手段，使用固定、移动的终端设施进行军事信息的传 递。现有的通信方式，在军事应用中遇到了许多困难，如有线通信存在需要预先 埋设，易被破坏，难以维护的问题，而且不能跟随部队做快速机动的响应；无线 通信虽然具有灵活机动的特点，但是存在易被窃听、泄密和暴露发射机位置等问 题。 紫外光通信是利用紫外光在大气中的散射来进行信息传输的一种新型通信 模式。它架设简捷灵活；隐蔽性强，不易被探测和截收；满足非视距通信，这些 优点使得紫外通信适用于多种近距离抗干扰通信环境，是满足军事战场通信要求 的理想手段。 1 1 1 紫外光的大气传输特性m 紫外光是波长在l o - - 4 0 0 n m 之间的电磁波，介于可见光与x 射线之间。在 自然界中，太阳是最强烈的紫外光辐射源。紫外光随着波长的变化有不同的特征， 紫外光通过地球大气层时呈现以下特性： 1 波长小于2 0 0 n m 的紫外辐射由于强烈地被大气中的臭氧所吸收，因此只 适用于真空条件下的研究与应用，被称为真空紫外。 2 阳光中的紫外辐射在通过地球大气层时受到对流层上部臭氧层对 2 0 0 2 8 0 n m 的紫外光的强烈的吸收作用，使得太阳光中这一波段的紫外辐射在海 平面附近几乎衰减为零，该波段被称为“日盲区 。 紫外光通信图像分系统研究 该波段被称为大气的“紫外窗口”。由于紫外辐射在大气层中传播时受到强烈的 散射作用，所以在近地大气中这一波段紫外辐射是均匀分布的，这为可靠分辨和 有效跟踪近地飞行目标提供了有利条件。 相对能量，a u 2 0 0 03 0 0 04 0 0 0 波长n m 图1 - 1 太阳光在近地紫外光谱分布图 从紫外光的传输特性( 图1 1 ) 可以看出，靠近地球表面几乎没有2 0 0 - - 3 0 0 n m 的紫外光，因而日盲区的紫外光线在海平面传输时不会受到太阳光的干扰，所以 可以采用此波段的紫外光进行通信。 1 1 2 紫外光通信的方式及原理 紫外光相比其它的光波具有更短的波长，这使得紫外光具有非常强的散射效 应。紫外光通信是使用日盲波段的紫外光作为信息的载体，在自由空间大气通信 信道中，利用紫外光的散射进行信息传输的的一种新型光通信方式。 紫外光通信有两种工作模式：视距方式( 1 i n e o f - s i g h t ，l o s ) 和非视距方式 ( n o n 1 i n e o f - s i g h t ，n l o s ) 。我们主要使用紫外光的非视距通信方式。非视距通信 方式是指：紫外光在大气中传输时，受到大气中的粒子、气凝胶、灰尘等微粒碰 撞，发射的紫外光信号散射在大气中，这些散射信号都保持着原来的信息，所以 只要散射信号能到达光接收装置的视野区，接收方就可以获得发射端的信息，双 方即可进行通信，图1 2 为其工作模式示意刚2 1 。 2 绪论 斗l 绝 图1 2 非视距( n l o s ) 紫外通信示意图 1 1 3 紫外光通信的优点 常规无线电通信在隐蔽性军事行动过程中，很难做到不被敌方发现。拥有先 进电子战设备的敌人，在离行动地点相当远的地方，就能截收和监听参与此次行 动的各个人员之间的常规无线电通信内容，并据此确定他们的方位和可能的行 动。 高频无线电通信不易被探测和截收，但只能进行视距通信，不适应非视距与 多种地形环境下的通信联络。 有线通信系统( 如电话、光纤通讯) 存在需要预先埋设，易被破坏，难以维护 的问题，并且不能跟随部队做快速机动的响应。 紫外光通信是以大气散射和吸收为基础，利用日盲紫外波段的紫外光进行通 信，是常规通信的一种重要补充。与常规通信方式相比，紫外光通信具有独特的 优点：1 低窍听率：紫外光在传输过程中由于大气分子、悬浮颗粒的吸收和散 射，信号强度按照指数规律衰减，信号可以被探测到的距离限制在几千米之内， 因此是一种有限距离通信。在通信距离以外，即使使用紫外探测器也不能窃听。 2 n l o s 非视距通信：由于大气中存在大量的粒子，紫外光在传输过程中存在较 大的散射，这种散射特性使紫外光能绕过山丘、楼房等障碍物，以非视距方式传 输信号。紫外光的n l o s 克服了其它自由空间光通信系统必须工作在可视距方式 3 紫外光通信图像分系统研究 的弱点。3 抗干扰性：由于大气臭氧层对阳光中的紫外成分有极强的吸收，使 得到达地表的阳光紫外成份很少，所以近地大气可以视为无加性干扰的紫外信 道。此外，紫外光也不会受到各种自然和一般人为电磁干扰的影响。4 低位辨 率：紫外通信作为有限距离通信，从远距离处很难获得足够的紫外辐射信号；由 于大气的散射作用，即使探测到了紫外信号，也很难从这些散射信号中判断出紫 外发射机的位置。5 紫外光通信既克服了有线通信需要铺设电缆的缺点，节省 了收放电缆所需的时间，又克服了无线通信易被监听的弱点，还大大减少了通信 设备和线路的架设及拆除时间。 紫外光的非视距方式很适合障碍物多，作战环境复杂，作战隐蔽性强的场合， 因此近年来，紫外光信息传输系统的研究备受各大军事强国的青睐，是一种具有 很大发展潜力的新型通信方式。如何发展这种新型通信手段并建立紫外对抗的战 术体系，成为急待解决的重要课题。 1 2 研究现状与发展趋势 相对紫外线辐射的应用，紫外光作为通信方式的研究与发展比较缓慢。自上 世纪8 0 年代开始，以美国为代表的世界先进军事强国，在红外技术相对成熟以 后，将研究重点转向紫外光波段的军事应用方面，经过2 0 余年的发展，已取得 非常显著的成果。 1 2 1 国外研究现状嘲 国外在紫外光通信领域的研究起步较早，美国海军在1 9 3 9 年就探讨了紫外 光源在海军通信中的可能应用。近几十年来，美国对紫外光通信研究有很大的投 入，取得了很多先进成果。 19 8 5 年和19 8 6 年，美国n a v a lo c e a ns y s t e m sc e n t r e 的m g e l l e r 等人研制了 一套紫外日盲型短距离通信系统。反射光源采用两个2 5 w 的充氩气的水银放电 灯，型号为g eg 2 5 t 8 ，探测器为光电倍增管( p m t ) e m r 5 4 1 q ，附有一个日盲紫 外滤光片，这种紫外滤光片的透射波长大约在2 4 0 2 8 0 n m 之间。该通信系统可工 作在视距和非视距两种方式下，通信速率在1 9 8 5 年为1 2 0 0 b p s ，在1 9 8 6 年提高 到了2 4 0 0 b p s 。在平均臭氧浓度下，视距方式下最大通信距离达到3 k m ，非视距 4 绪论 方式下通信距离可达到l k m 。 1 9 9 0 年，在美国某战术通信会议上，j j p u s c h e l l 提出一种改进的紫外局域 网测试平台；1 9 9 4 年b c h a r l e s 等人在s p i e 杂志介绍了采用2 6 6 n m 的紫外激光 器作为光源的紫外通信系统；2 0 0 0 年，美国g t e 公司为美国海军研制并装备了 紫外通信系统，速率达到4 8 0 0 b i t s ；美军t i t a n 系统启动的“紫外局域工作站 网络( u l a n ) ”旨在利用紫外辐射的基本原理研发高速、安全的紫外光通信系统。 该系统传输距离大于1 公里，可应用于视距和非视距的紫外光通信。 美国d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) ，主要致力于研发 日盲区紫外光发光二极管( u v e d ) 。在d a r p a 支持下，2 0 0 2 年，美国南加州大 学( o s c ) 和s a n d i a 国家实验室( s n l ) 研制出波长为2 7 6 n m 的日盲型光源，输出功 率为1 3 m w ，如果用日盲型l e d 阵列来架构光源系统，其峰值功率可达几十至 几百m w 。 2 0 0 7 年，b a es y s t e m 在佛罗里达举行的m i l c o m 年会上采用8 节a a 电 池供电的紫外通信样机，该样机可实现点对点的语音通信。 另外，由于紫外光通信受大气分子的类型和浓度、天气状况、海拔高度、通 信设备收发角度等因素的影响较大，因此，紫外光大气传输特性的研究成为紫外 光通信技术研究的一个重要组成部分，对紫外光大气传输特性的建模仿真也是当 前国外研究的一个热点。 总体而言，国外在紫外光通信领域的研究起步早，资金投入多，技术发展迅 猛，研究的重点主要集中在采用低功耗、稳定可靠的发射和接收器件设计系统构 架、高效的调制技术、紫外光大气传输特性和系统建模仿真等方面，但是国外研 究工作的具体情况和技术细节都处于高度保密状态。 1 2 2 国内研究情况 我国在紫外光研究领域的工作主要集中于紫外光探测和应用，包括紫外光探 测、预警、紫外光杀菌等。对于紫外光通信的研究工作起步较晚，2 0 0 0 年左右 国内各研究机构和部分高校才开始进行紫外通信相关的研究。 北京理工大学1 9 9 9 年完成了一台短距离紫外光通信系统的实验样机，并对 试验结果进行了分析和理论探讨。光源采用低压汞灯，驱动方式为压控振荡，信 紫外光通信图像分系统研究 息加载采用脉冲调频调制，主要传输语音信号；国防科技大学对紫外光通信的调 制方法进行了研究，他们采用的光源为低压汞灯；上海光机所主要对紫外光通信 的原理和主要技术做了一些理论研究；解放军理工大学已经完成日盲紫外光高速 通信机，并申请专利，其中所用的调制方式为声光调制和d p i m 调制。 中科院空间中心通信技术室，从2 0 0 2 年开始研究紫外光通信的系统构成和 关键技术，同时进行样机试制。对紫外光通信系统的光源、发射器结构、光源驱 动和调制方法、滤光系统、探测器设计、紫外光大气传输特性的建模仿真等方面 做了比较详细的调查研究工作，在国内刊物上发表了多篇相关的文章；通信技术 室自2 0 0 4 年开始了紫外光通信项目的研究，目前通信样机已经实现了2 0 0 米距 离的语音，数据的传输。 1 3 课题的研究目的与意义 在军事现代化快速进行的今天，比较国内外的紫外通信技术发展步伐，对军 用紫外光通信系统的研究已经迫在眉睫。 当前国内外对紫外光的最新研究，重点主要集中在：低功耗、稳定可靠的发 射和接收器件设计，紫外通信系统构架、紫外光大气传输特性和系统建模仿真、 高效的调制技术等方面。 对于紫外通信技术中的图像传输的研究基本上还处于起步阶段，图像传输是 紫外光通信的前沿技术，是紫外光通信的发展趋势。在当今高技术战争时代，无 论是单兵通讯，还是基站之间传输数据，图像传输无疑是最有用，最直观的一种 了解战场信息的传输方式。本文作者所在的中科院空间中心通信技术室研制的紫 外通信样机，已经能够实现语音与数据的传输。 本课题的研究方向主要集中在紫外光通信系统中的图像传输部分。论文通过 对已有图像压缩技术和目前无线通信系统中的图像传输技术的比较、分析和研 究，结合紫外通信低功耗、低码率、高干扰的通信条件，选择出适用于紫外光通 信系统的图像压缩方式；设计紫外光通信系统的图像传输模块，搭建软件与硬件 平台，并将模块嵌入紫外通信样机。在实验和实际环境中，以较低的误码率和延 迟，在紫外光信道中传输图像信号，满足通信双方的可见性要求。本课题最终制 定的系统方案是为空间中心通信室的紫外通信样机提供图像传输支持，提供直观 6 绪论 的战场环境演示，保证战略部署的明确传达。为以后的实用化打下坚实的基础。 图1 3 为紫外光通信图像传输系统的工作框架。 i 图像采集模块 酬 数据编码 酬 信号处理模块 上上 o ， 0 8 8 图像块经过f d c t 变换后得到8 8 的频率系数数组，该数组位置系数 称为直流系数( d c ) ，其它6 3 个系数称为交流系数( a c ) 。直接应用上面的公式 进行计算其计算量较大，许多文献提出了该公式的优化计算方法，以提高运算效 率，比较常见的是将该公式分解为两个一维的f d c t 进行计算，分解后的公式为： g y ) = i 1c 萎7 毗咖。s 号竽 浯3 ) 跗加五1c 委7g ( 训) c o s 号竽 ( 2 - 4 ) 3 o c t 系数的量化 经过f d c t 变换后的频率系数是一些浮点数，需均匀量化为j p e g 可编码的整 数系数，每一个f d c t 变换后的频率系统使用一个量化器，每个量化器的步长 q ( u ，v ) 可由指定量化表给定，本文使用的量化表采用j p e g 标准推荐的两个量化 表，分别用于亮度和色差信号。 通过线性地改变量化表各元素数值可以控制图像压缩后的质量和压缩比。可 通过对量化表各元素乘一个调整因子来进行量化表元素数值调整，设所需图 像质量系数为q ，则调整因子无的计算表达式为： _ 詈q 1 ，5 。) ( 2 _ 5 ) 【2 0 0 一q 2a 5 0 ，1 0 0 】 量化表各元素的新数值为： 1 2 静态图像压缩算法 q 。( “，) = f q q 矿( u , v ) + 5 0 ( 2 6 ) 由于量化表为8 位存储，计算的新数值应限制在1 - - - 2 5 5 范围内。 量化后的d c t 系数为： 蹦刚胁删( 器 陋7 ) 量化取整造成一定的数据精度损失，与原图像数据产生差异，这是造成j p e g 图像压缩存在一定失真的主要原因。通过改变q 的数值可以控制图像压缩比，一 般而言，对中等复杂程度的彩色图像，对基本系统每8 b i t 像素压缩到0 7 5 2 b i t 时，解码恢复后的图像质量较好，可以满足大部分场合的应用。 4 霍夫曼( h u f f m a n ) 编码 j p e g 压缩最后一个步骤就是对量化后的频率系数进行编码处理，该编码的 熵编码过程采用了h u f f m a n 编码。h u f f m a n 编码是一种基于概率统计的无损压缩 技术，该算法首先统计信源出现的概率，再根据统计结果，出现概率高的符号使 用短即时码表示，出现概率低的用长即时码表示，以达到压缩数据的目的。应用 标准霍夫曼编码对图像进行编码时效率很高，但需要对原始图像扫描两遍来统计 每个像素值出现的概率和建立霍夫曼树并编码，数据压缩速度很慢。实际应用中， 为了提高处理速度，信源编码值通常根据信源查找相应的编码表得出。h u f f m a n 码表以一个1 6 字节的列表规定，它包括长度从1 到1 6 的每一种码长的码字的数 目，在列表后面紧跟着另外一个由8 b i t 符号值组成的列表( h u f f v a l ) ，该列表 每一项被赋予一个h u f f m a n 码字，应用这两个列表可以获取供信源查找h u f f m a n 编码值的码表。在基本系统中，编码器最多在每个扫描中分别使用两个d c 系数 的h u f f m a n 码表和两个a c 系数的h u f f m a n 码表( 亮度分量和色度分量使用不同 的h u f f m a n 码表) ，一般使用j p e g 推荐的4 个h u f f m a n 码表，这4 个表都来自 对大量视频图像的统计平均，如果没有特别的要求，采用这4 个码表就可以获得 满意的压缩效果。 5 d c 编码 在对量化后的系数进行熵编码之前，量化的直流系数被取出单独进行处理， 对其进行差分预测编码( d p c m ) 。d c 系数为图像数据块的样本均值，包含了图像 紫外光通信图像分系统研究 大部分的能量，数值也较大，通过差分预测编码可进一步去除数据块间平均值之 间的相关性。d p c m 以同一个分量的前一个子块的量化直流系娄3 i d c i 一。作为当前 直流分量的预测值，然后再对预测误差d i f f 进行h u f f m a n 编码。计算d i f f 的表 达式为： 唧= d g d c i ( 2 8 ) 对d i f f 的h u f f m a n 编码过程为： ( 1 ) 根据d i f f 值查幅度值分类表2 - 1 取得差值幅度类别号s s s s 和d i f f 值实 际保存的二进制码流c o d e ( d i f f ) ； 表2 - 1 幅度值分类表 s s s s d i f f c o d e ( d i f f ) 0o 11 。l o ，l 2 3 ，一2 ，2 ， 3 0 0 ，0 1 ，l o ， l l 3 7 ，一4 ，4 ，70 0 0 ，0 1 1 ，1 0 0 ，1 1 1 4 1 5 ，一8 ，8 ，1 50 0 0 0 ，o l l l ，1 0 0 0 ，1 1 1 1 53 1 ，一1 6 ，1 6 ，3 10 0 0 0 0 ，0 1 1 1 1 ，1 0 0 0 0 ，1 1 1 1 1 66 3 ，一3 2 ，3 2 ，6 3 71 2 7 ，一6 4 ，6 4 ，1 2 7 8 2 5 5 ，一1 2 8 ，1 2 8 ，2 5 5 9 5 1 1 ，一2 5 6 ，2 5 6 ，5 1 1 1 0 1 0 2 3 ，一5 1 2 ，5 1 2 ，1 0 2 3 l l 一2 0 4 7 ，一1 0 2 4 ，1 0 2 4 ，2 0 4 7 ( 2 ) 根据标准d c 系数h u f f m a n 码表计算得到的h u f f m a n 编码表查出s s s s 值的 h u f f m a n 编码值h c o d e ( s s s s ) ； ( 3 ) 将s s s s 的h u f f m a n 编码值和d i f f 的实际保存值合并得到d c 系数编码值 h c o d e ( s s s s ) c o d e ( d i f f ) ，完成d c 系数的编码。 6 a c 编码 对量化后的6 3 个a c 系数可以观察到有许多系数值为零，首先通过对a c 系 数的之字形( z i g z a g ) 扫描和0 - r l e 行程编码压缩掉这些0 系数。按照如图2 2 1 4 静态图像压缩算法 所示的扫描次序将二维的a c 系数按一维次序读出可将a c 系数转换成z i g z a g 序 列，该转换可以增加行程中连续的o 系数值个数。 。 7 。y 。少7 。 芦y罗。 罗芦 yy 乒罗。 尹芦。笋 y岁 芦芦 芦芦。 笋芦乒 笋笋。 尹乒。笋。 笋。 乒。 笋笋尹 。歹罗。罗笋笋罗笋 。罗罗笋 。笋 图2 - 2z i g - z a g 扫描次序 o - r l e 行程编码依次遍历z i g z a g 序列，当遍历到不为零的系数v a l ( a c ) 时，计算该系数前面零的个数n u m ( z e r o ) ，然后用( n u m ( z e r o ) ，v a l ( a c ) ) 进 行表示，两部分刚好占用一个b y t e ( 分别占用4 b i t ) ，对整个序列应用该方式进 行表示。如果最后一个非零的a c 系数不是序列的最后一个，则在最后应加上结 束标记e o b ，e o b 通常为( o ，0 ) 。当序列中包含1 6 个连续的零时则用( 1 5 ，o ) 进行表示，可用多个( 1 5 ，0 ) 来表示多个1 6 个连续的零。 最后再对o - r l e 行程编码后的序列以( n u m ( z e r o ) ，v a l ( a c ) ) 为单元进行 h u f f m a n 编码，编码过程如下： ( 1 ) 按序列顺序先后取出一个( n u m ( z e r o ) ，v a l ( a c ) ) 单元，对v a l ( a c ) 查幅度值分类表取得幅度类别号s s s s 和v a l ( a c ) 值实际保存的二进制码流c o d e ( w 儿( a c ) ) ： ( 2 ) 再根据标准a c 系数h u f f m a n 码表计算得到的h u f f m a n 编码表查出( n u m ( z e r o ) ，s s s s ) 的h u f f m a n 编码值h c o d e ( ( n u m ( z e r o ) ，s s s s ) ) ； ( 3 ) 组合h c o d e ( ( n u m ( z e r o ) ，s s s s ) ) 和c o d e ( v a l ( a c ) ) 得到( n u m ( z e r o ) ， v a l ( a c ) ) 单元的最后编码； ( 4 ) 重复步骤( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 对其它( n u m ( z e r o ) ，v a l ( a c ) ) 单元进行 编码完成a c 系数的编码。 7 压缩数据b i t 码流整理 紫外光通信图像分系统研究 将d c 编码和a c 编码的码流组合后便得到8 8 图像块的j p e g 压缩b i t 码 流，按照同样的步骤对每个m c u 图像块进行编码，最后对压缩数据b i t 码流以8 位为单元进行存储，同时为了区别压缩数据与标记段( 首字节为o x f f 的段) ， 当8 位二进制码流值为o x f f 时则在其后填充一个o x 0 0 字节。此外，为了得到整 数字节的熵编码字段，编码结束区域不完整字节通过填充“1 比特来实现完整 化，如果这种填充中产生o x f f 字节，则也在其后填充一个o x 0 0 字节。整理完毕 后将得到图像最终的j p e g 压缩数据。 2 2 4j p e g 压缩效果 原图像( b m p 格式) 大小取3 2 0 2 4 0 ，压缩质量q 分别取1 ，5 0 ，1 0 0 。q 越小图像失真度越高，如图2 - 3 所示。 ( 由原图像 ( c ) q = 5 0 ( b ) q = 1 q 2 1 0 0 图2 - 3 基本系统下不同q 值的压缩对比图 通常图像在经过压缩之后，输出的图像与原始图像通常都会有某种程度的不 一样。为了衡量经过处理后的图像质量，我们通常使用峰值信噪比p s n r ( p e a k 1 6 静态图像压缩算法 s i g n a lt on o i s er a t i o ) 作为量化的标准，来认定某个处理程序够不够令人满 意。 p s n r 计算公式如下： p s n r = l o x l o g ( 篆 9 ， 夏蘑一一) p ”一p ”) m s e = ! 三! f r a m e s i z e ( 2 - 1 0 ) p e a k 就是指8 b i t s 表示法的最大值2 5 5 。m s e 指m e a ns q u a r ee r r o r ( 均方 误差，各值相差的n 次方的和的平均值) ，i ”指原始影像第n 个p i x e l 值，p “指 经处理后的影像第n 个p i x e l 值。p s n r 的单位为d b 。p s n r 值越大，就代表失真 越少。 p s n r 是最普遍，最广泛使用的评鉴画质的客观量测法，不过许多实验结果 都显示，p s n r 的分数无法和人眼看到的视觉品质完全一致，有可能p s n r 较高者 看起来反而比p s n r 较低者差。这是因为人眼的视觉对于误差的敏感度并不是绝 对的，其感知结果会受到许多因素的影响而产生变化( 例如：人眼对空间频率较 低的对比差异敏感度较高，人眼对亮度对比差异的敏感度较色度高，人眼对一个 区域的感知结果会受到其周围邻近区域的影响) 。 2 3j p e g 2 0 0 0 2 3 1 简介 j p e g 2 0 0 0 编码系统核心之一是放弃了j p e g 所采用的以离散余弦变换d c t 算法 为主的区块编码方式，而改用更有利的以离散小波变换d w t 算法为主的多解析编 码方式【引。 通过d c t 算法，图像数据被压缩成8x8 的“像素信息模块”，并按照一定顺 序排列存储形成压缩文件。随着压缩级别的增加，仅有最重要的信息被保留。这 样，大多数对图像平滑、连续方面有利的细微信息就被丢弃了。 小波变换具有对信号进行多分辨率分析和反映信号局部特征的优点。通过 “变尺度”和“平移 运算，小波变换在空域和频域上为图像提供大小可变的滑 1 7 紫外光通信图像分系统研究 动窗口，对图像在不同的尺度上分析，获取图像在不同空域和频域上的局部特征。 多级小波分解后，小波系数在邻近两级之间存在位置相关，利用多分辨率表示， 对位置信息进行编码，可反映图像的部分边缘信息，在保持压缩比的基础上，使 重建的图像具有较好的主观质量。 此外，对图像信号进行多级小波分解，可得到不同空间分辨率的图像逼近， 使得压缩码流具有空间分辨率可分级的特性。这一特点允许压缩码流在不同的分 辨率解码器上解码、显示。 j p e g 2 0 0 0 的另一个核心内容为优化截取的嵌入式块编码( e m b e d d e d b l o c k c 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 ft h ee m b e d d