嵌入式圖像采集系統(tǒng)的JPEG算法改進(jìn)

引言

目前，嵌入式系統(tǒng)已逐漸成為后PC時(shí)代的主導(dǎo)，但當(dāng)?shù)投说?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/嵌入式">嵌入式系統(tǒng)無法滿足信息化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的更高要求時(shí)，32位嵌入式系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。圖像采集系統(tǒng)正從模擬采集向數(shù)字采集發(fā)展，其中數(shù)字圖像采集系統(tǒng)中的嵌入式圖像采集系統(tǒng)由于其優(yōu)越的性能越來越受到人們的關(guān)注。對于家庭視頻監(jiān)控這樣的應(yīng)用，并不需要很多的功能，只要簡單的視頻傳輸和存儲就夠了，體積也要盡可能的小。正是基于這種考慮，筆者設(shè)計(jì)了一款基于以太網(wǎng)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有視頻圖像采集、壓縮、解壓、傳輸和存儲等功能。在整個(gè)系統(tǒng)中，由于圖像數(shù)據(jù)需在互聯(lián)網(wǎng)上傳輸，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量的大小對系統(tǒng)性能的影響是非常大的，因此采用了改進(jìn)的 JPEG算法使得在保證圖像質(zhì)量的情況下，盡可能的提高壓縮比，以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的功能。并且由于使用嵌入式系統(tǒng)，使該系統(tǒng)體積小巧，功能簡化，而且使用免費(fèi)的開源的操作系統(tǒng)ARM-Linux，使系統(tǒng)的成本大為降低。

圖像采集系統(tǒng)的構(gòu)成

圖像采集系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成，分別為圖像采集、圖像壓縮、圖像傳輸和圖像顯示。圖像采集部分由數(shù)字?jǐn)z像頭、USB通道和嵌入式處理器構(gòu)成，其中數(shù)字?jǐn)z像頭用來完成圖像數(shù)據(jù)的采集，USB通道將數(shù)據(jù)傳送至處理器進(jìn)行處理；圖像壓縮部分主要是由軟件完成，將攝像頭采集的BMP格式的圖像數(shù)據(jù)通過改進(jìn)的 JPEG算法壓縮為JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)；圖像傳輸部分則完成由圖像數(shù)據(jù)由本地向遠(yuǎn)程的傳輸；圖像顯示部分則可以將采集到的圖像數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程的瀏覽器上顯示出來，供用戶瀏覽，保存，編輯等等。該系統(tǒng)如圖1所示。

圖像采集系統(tǒng)中的壓縮算法的改進(jìn)

在系統(tǒng)中采用了ARM920T核的S3C2410嵌入式處理器。為了盡可能的降低成本，對采集的圖像采用了軟件壓縮的方法，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)在保證圖像質(zhì)量的情況下盡可能的提高壓縮比，對原有的JPEG算法進(jìn)行了改進(jìn)。基本的JPEG算法是由以下步驟完成：①通過離散余弦變換(DCT)消除數(shù)據(jù)冗余；②使用量化系數(shù)矩陣對離散余弦變換系數(shù)進(jìn)行量化；③對量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼，使其熵最小，熵編碼通常采用huffman可變字長編碼。

在JPEG圖像壓縮的技術(shù)中，DCT占據(jù)重要的位置，因此對它的改進(jìn)對于整個(gè)算法來說，有著非常重要的意義。在JPEG算法中通常是先將圖像分成一個(gè)個(gè)8×8的圖像子塊，對每一個(gè)圖像子塊進(jìn)行離散余弦變換，所使用的二維離散余弦變換公式如下：

其逆變換如下：

其中：

在離散余弦變換中，由于要將壓縮的圖像分成8×8的子塊，對于圖像壓縮會(huì)帶來塊效應(yīng)，即對相鄰的圖像子塊進(jìn)行獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)帶來的失真，從而使塊與塊之間的邊界不連續(xù)；并且相鄰塊之間的冗余數(shù)據(jù)也是不容忽視的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果能設(shè)法使變換后的圖像子塊的能量下降速度加快，就可以減少塊效應(yīng)并可能使細(xì)節(jié)部分清晰。正是基于這一點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以通過收斂性良好的Chebychev多項(xiàng)式來擬合離散余弦變換，使得變換后的圖像子塊的能量下降速度加快，從而提高圖像數(shù)據(jù)的壓縮比，同時(shí)還能夠改善圖像的塊效應(yīng)。這樣，在離散余弦變換中如何應(yīng)用Chebychev多項(xiàng)式來計(jì)算就成為問題的關(guān)鍵。