嵌入式圖像處理系統中JPEG技術分析

康婷婷

【摘要】隨著電子信息技術的發展，嵌入式系統在各行業都應用廣泛起來。嵌入式圖像處理系統作為嵌入式系統應用的一部分，在我們生活、工作中也越來越重要 。本文詳細描述了Linux下圖像采集模塊中串口攝像頭使用的JPEG技術的相關原理。

【關鍵詞】JPEG;圖片壓縮;嵌入式;串口攝像頭

1.引言

當搭建起嵌入式系統的軟件平臺，建立操作系統、文件系統，開發對應的應用程序，即可建立相應系統模塊。攝像頭的應用程序在操作系統平臺上，要完成的是采集圖像數據信息，并把采集到的數據進行打包。圖像采集即向串口設備輸入指令，進而讀出數據，獲得圖像。但是嵌入式系統資源有限，有時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[1]來將原始數據壓縮后再存貯或傳輸，從而使嵌入系統的資源得到更好的利用。串口攝像頭輸出的文件數據是標準的16進制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色彩空間中高頻數據信息不敏感的特性，將圖像壓縮損失部分定位到了視覺不易察覺的位置，從而簡化了需處理的數據信息。本文對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備具有采集圖像、控制拍攝、紅外補光、數據壓縮、數據傳輸等功能?？梢院蜆藴实腞S232接口進行通信，數據傳輸協議可以使攝像頭與電腦及各種嵌入式設備進行連接。

本文選用JPEG串口相機LS-Y201，通過簡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，每傳遞一個數據包，在得到確認命令之后，再傳遞下一個包，直到圖像傳輸完成。數據傳輸相關指令與攝像頭建立了同步連接，可設置圖像的大小，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據中FF D8為圖片開始標識，FF D9為圖片結束標識，中間部分為標準JPEG文件數據。JPEG文件數據由頭文件和圖像數據兩大部分組成，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JPEG 原理進行詳細分析。

3.JPEG 原理詳細分析

3.1 色彩空間

人類視覺特性，通常會將RGB 空間表變換到其他色彩空間中。計算機顯示器的色彩空間是YCrCb。

YCrCb與RGB空間之間的轉換公式：

（1）

色彩空間是圖像采樣中的問題，不在數據壓縮部分。

圖2 JPEG文件數據壓縮流程

3.2 離散余弦變換（DCT）

DCT變換是將采集數據信息從色彩空間域轉換到頻率域，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，而變換后矩陣右下角高頻系數系數趨于0[2].DCT變換將信息能量集中，減少了表示圖像的數據量，壓縮了數據冗余，進而減少了運算時間。

DCT變換的公式為：

（2）

f（i，j）經DCT變換之后，F（0，0） 是直流系數，其他為交流系數。

3.3 量化

量化的算法描述是把頻域上各個元素，除以對應該元素的相應常數，得到的結果再四舍五入取最接近的整數。

量化實質是對DCT系數的一種優化，利用人眼對高頻信息不敏感的特點來簡化數據。量化在保證一定圖像質量前提下，丟棄了圖像中對視覺效果影響不大的數據信息。量化的多對一映射，使得DCT編碼信息損失。量化是JPEG算法過程中主要的有損運算，是圖像質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8*8數據塊[3]沿著空間頻率大小增加的方向進行重新排列，使許多的零可以被串接在一起。

3.5 直流系數（DC）用差分脈沖編碼調制（（DPCM）編碼

DPCM是一種預測編碼，直流系數即每個8*8塊圖進行DCT運算后的第（0，0）個元素。JPEG從0開始對DC編碼，定義DC（0）=0，當前圖塊DC值減去前一個圖塊DC值等到差值，運用DPCM技術進行編碼。

3.6 交流系數（AC）用行程長度編碼（RLE）編碼

因AC系數中有多個0值，且多數0是連續的，運用RLE進行編碼。即JPEG將連續0的個數放置在第一字節高四位，將非0數的位數放置在第一字節后四位，將AC系數的數值放置在后面的第二字節。行程編碼是連續且精確的編碼，一位錯誤符號將影響整個編碼序列，且無法還原回原始的數據。

3.7 熵編碼

JPEG技術運用的熵編碼是Huffman編碼，這是一種變長編碼，將出現概率高的符號分配較少碼字，出現概率低的符號則分配較長的碼字。Huffman編碼表有亮度信號的DC，AC表，色度信號的DC，AC表共四張表。這四張表可以事先進行定義。

編碼的最后一步是將標記代碼和編碼數據組成一幀幀數據，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據。檢測到SOI標記開始讀取數據，可通過熵解碼對AC、DC系數的量化表進行還原，通過標記碼中加權函數對DCT系數進行還原，做相應反離散余弦變換，將圖像從頻域轉換到空間域，即可得到RGB色彩圖像。

5.結束語

JPEG算法的解析對JPEG圖片優化分析有重要作用，能有效提高圖片壓縮比，能有效的提高圖片質量，改變圖片大小，更便于傳遞，也對系統后續圖像處理打下了堅實基礎。

參考文獻

[1]高國芳.數字圖像壓縮處理技術[J].重慶科技學院學報：自然科學版，2006，8（2）：93-95.

[2]朱秀昌，劉峰，胡棟.數字圖像處理與圖像通信[M].北京：北京郵電大學出版社，2002.

[3]張旭東，盧國棟，馮健.圖像編碼基礎和小波壓縮技術——原理、算法和標準[M].清華大學出版社，2004：56-88.