嵌入式圖像處理系統(tǒng)中JPEG技術(shù)分析

康婷婷

【摘要】隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在各行業(yè)都應(yīng)用廣泛起來。嵌入式圖像處理系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的一部分，在我們生活、工作中也越來越重要 。本文詳細(xì)描述了Linux下圖像采集模塊中串口攝像頭使用的JPEG技術(shù)的相關(guān)原理。

【關(guān)鍵詞】JPEG;圖片壓縮;嵌入式;串口攝像頭

1.引言

當(dāng)搭建起嵌入式系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，建立操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)，開發(fā)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序，即可建立相應(yīng)系統(tǒng)模塊。攝像頭的應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)平臺(tái)上，要完成的是采集圖像數(shù)據(jù)信息，并把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。圖像采集即向串口設(shè)備輸入指令，進(jìn)而讀出數(shù)據(jù)，獲得圖像。但是嵌入式系統(tǒng)資源有限，有時(shí)受傳輸帶寬及存貯容量的限制，常常需要使用圖像壓縮技術(shù)[1]來將原始數(shù)據(jù)壓縮后再存貯或傳輸，從而使嵌入系統(tǒng)的資源得到更好的利用。串口攝像頭輸出的文件數(shù)據(jù)是標(biāo)準(zhǔn)的16進(jìn)制JPEG文件格式。JPEG是一種基本的圖像壓縮方式，JPEG 壓縮充分利用了人類視覺對(duì)色彩空間中高頻數(shù)據(jù)信息不敏感的特性，將圖像壓縮損失部分定位到了視覺不易察覺的位置，從而簡(jiǎn)化了需處理的數(shù)據(jù)信息。本文對(duì)串口攝像頭的使用及JPEG編解碼過程做了概述。

2.串口攝像頭

串口攝像頭作為圖像采集處理設(shè)備具有采集圖像、控制拍攝、紅外補(bǔ)光、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。可以和?biāo)準(zhǔn)的RS232接口進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可以使攝像頭與電腦及各種嵌入式設(shè)備進(jìn)行連接。

本文選用JPEG串口相機(jī)LS-Y201，通過簡(jiǎn)單的串口指令控制圖像的拍攝、獲取。攝像頭得到取圖命令便開始采集圖像，圖像壓縮為JPEG格式輸出，攝像頭傳遞方式采用分包傳遞，每傳遞一個(gè)數(shù)據(jù)包，在得到確認(rèn)命令之后，再傳遞下一個(gè)包，直到圖像傳輸完成。數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)指令與攝像頭建立了同步連接，可設(shè)置圖像的大小，獲取圖像，并保存。 串口攝像頭拍攝流程圖如圖1所示。

圖1 串口攝像頭拍攝流程

串口攝像頭得到的數(shù)據(jù)中FF D8為圖片開始標(biāo)識(shí)，F(xiàn)F D9為圖片結(jié)束標(biāo)識(shí)，中間部分為標(biāo)準(zhǔn)JPEG文件數(shù)據(jù)。JPEG文件數(shù)據(jù)由頭文件和圖像數(shù)據(jù)兩大部分組成，而頭文件包含了圖像大小，采樣因子，量化表，Huffman表等重要信息。下面對(duì)JPEG 原理進(jìn)行詳細(xì)分析。

3.JPEG 原理詳細(xì)分析

3.1 色彩空間

人類視覺特性，通常會(huì)將RGB 空間表變換到其他色彩空間中。計(jì)算機(jī)顯示器的色彩空間是YCrCb。

YCrCb與RGB空間之間的轉(zhuǎn)換公式：

（1）

色彩空間是圖像采樣中的問題，不在數(shù)據(jù)壓縮部分。

圖2 JPEG文件數(shù)據(jù)壓縮流程

3.2 離散余弦變換（DCT）

DCT變換是將采集數(shù)據(jù)信息從色彩空間域轉(zhuǎn)換到頻率域，可將像素塊能量集中到位于矩陣左上角低頻域的低頻直流系數(shù)，而變換后矩陣右下角高頻系數(shù)系數(shù)趨于0[2].DCT變換將信息能量集中，減少了表示圖像的數(shù)據(jù)量，壓縮了數(shù)據(jù)冗余，進(jìn)而減少了運(yùn)算時(shí)間。

DCT變換的公式為：

（2）

f（i，j）經(jīng)DCT變換之后，F(xiàn)（0，0） 是直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。

3.3 量化

量化的算法描述是把頻域上各個(gè)元素，除以對(duì)應(yīng)該元素的相應(yīng)常數(shù)，得到的結(jié)果再四舍五入取最接近的整數(shù)。

量化實(shí)質(zhì)是對(duì)DCT系數(shù)的一種優(yōu)化，利用人眼對(duì)高頻信息不敏感的特點(diǎn)來簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)。量化在保證一定圖像質(zhì)量前提下，丟棄了圖像中對(duì)視覺效果影響不大的數(shù)據(jù)信息。量化的多對(duì)一映射，使得DCT編碼信息損失。量化是JPEG算法過程中主要的有損運(yùn)算，是圖像質(zhì)量下降最主要的原因。

3.4 “Z”字形排列掃描

量化后，為了減少儲(chǔ)存空間，可將低頻部份零值放在一起，這樣就用到了斜向掃描（Zigzag scan）。“Z”字掃描是對(duì)8*8數(shù)據(jù)塊[3]沿著空間頻率大小增加的方向進(jìn)行重新排列，使許多的零可以被串接在一起。

3.5 直流系數(shù)（DC）用差分脈沖編碼調(diào)制（（DPCM）編碼

DPCM是一種預(yù)測(cè)編碼，直流系數(shù)即每個(gè)8*8塊圖進(jìn)行DCT運(yùn)算后的第（0，0）個(gè)元素。JPEG從0開始對(duì)DC編碼，定義DC（0）=0，當(dāng)前圖塊DC值減去前一個(gè)圖塊DC值等到差值，運(yùn)用DPCM技術(shù)進(jìn)行編碼。

3.6 交流系數(shù)（AC）用行程長(zhǎng)度編碼（RLE）編碼

因AC系數(shù)中有多個(gè)0值，且多數(shù)0是連續(xù)的，運(yùn)用RLE進(jìn)行編碼。即JPEG將連續(xù)0的個(gè)數(shù)放置在第一字節(jié)高四位，將非0數(shù)的位數(shù)放置在第一字節(jié)后四位，將AC系數(shù)的數(shù)值放置在后面的第二字節(jié)。行程編碼是連續(xù)且精確的編碼，一位錯(cuò)誤符號(hào)將影響整個(gè)編碼序列，且無法還原回原始的數(shù)據(jù)。

3.7 熵編碼

JPEG技術(shù)運(yùn)用的熵編碼是Huffman編碼，這是一種變長(zhǎng)編碼，將出現(xiàn)概率高的符號(hào)分配較少碼字，出現(xiàn)概率低的符號(hào)則分配較長(zhǎng)的碼字。Huffman編碼表有亮度信號(hào)的DC，AC表，色度信號(hào)的DC，AC表共四張表。這四張表可以事先進(jìn)行定義。

編碼的最后一步是將標(biāo)記代碼和編碼數(shù)據(jù)組成一幀幀數(shù)據(jù)，這便形成JPEG碼流。

4.JPEG的解碼顯示

JPEG圖像的解碼就是圖像壓縮編碼的逆過程。JPEG解碼程序從JPEG文件中讀出各種有用的壓縮數(shù)據(jù)。檢測(cè)到SOI標(biāo)記開始讀取數(shù)據(jù)，可通過熵解碼對(duì)AC、DC系數(shù)的量化表進(jìn)行還原，通過標(biāo)記碼中加權(quán)函數(shù)對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行還原，做相應(yīng)反離散余弦變換，將圖像從頻域轉(zhuǎn)換到空間域，即可得到RGB色彩圖像。

5.結(jié)束語

JPEG算法的解析對(duì)JPEG圖片優(yōu)化分析有重要作用，能有效提高圖片壓縮比，能有效的提高圖片質(zhì)量，改變圖片大小，更便于傳遞，也對(duì)系統(tǒng)后續(xù)圖像處理打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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[3]張旭東，盧國(guó)棟，馮健.圖像編碼基礎(chǔ)和小波壓縮技術(shù)——原理、算法和標(biāo)準(zhǔn)[M].清華大學(xué)出版社，2004：56-88.