浙江大学
硕士学位论文
基于GPRS无线图像监控系统的研究和应用
姓名：季瑞松
申请学位级别：硕士
专业：控制理论与控制工程
指导教师：高锋
20040201
浙江大学硕士学位论文
ｙ５８１３２２
摘要
随着无线网络的日益普及，除了语音通讯、短信等常规业务，无线网络还能给我们带来什么样的变革？本文将以基于ＧＰＲＳ的无线图像监控系统的开发为例，介绍无线网络给我们带来的多彩生活。本文以无线图像监控系统开发的整体框架为线索，着重阐述了图像数据的压缩方法、ＧＰＲＳ无线网络通讯及图像采集终端的实现，简单介绍了系统管理终端在ＰＣ机上的实现。最后，列举了本文所开发系统的应用前景及不足之处。
关键词：ＧＰＲＳ，图像监控，压缩
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＷｉｒｅｌｅｓｓＮｅｔ，ｗｈａｔｃａｎｉｔｂｒｉｎｇｔｏＵＳｂｕｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ？ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｅａｌｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｌｏｉｔｕｒｅｏｆａｗｉｒｅｌｅｓｓｉｍａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＧＰＲＳ，ｉｔｓｈｏｗｓＵＳｔｈｅｗｏｎｄｅｒｆｕｌｌｉｆｅｔｈａｔｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｂｒｉｎｇｔｏＵＳ．Ｓｙｓｔｅｍｆｒａｍｅｉｓｔｈｅｃｌｕｅｏｆｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｔｈｅｅｍｐｈａｓｅｓｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｉｍａｇｅｄａｔａｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ，ＧＰＲＳｎｅｔａｎｄｔｈｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｏｆｉｍａｇｅｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｔｅｒｍｉｎａｌ．ＳｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｔｅｒｍｉｎａｌｏｎＰＣｉｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｕｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｂｒｉｇｈｔ，ｔｈｏｕｇｈｉｔｍｕｓｔｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｏｎ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＧＰＲＳ，ｉｍａｇｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ｄａｔａｃｏｍｐｒｅｓｓｉｎｇ
聱俸者、聊同意
勿全文公布
第一章图像监控系统概述
１．１图像监控系统的分类和基本组成
图像监控一直是人们关注的热点应用技术之一，它以直观、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。图像监控系统是根据某种特定的使用目的和应用条件，由图像采集、图像处理、图像传输、图像管理和系统控制等相关电子设备和传输介质组成的一个有机整体。视觉是人类最重要的感觉器官，图像信息是人们由客观世界获得信息的主要来源，占人们依靠五官由外界获得的信息总量的８０％。不仅如此，在很多场合，由于客观条件的限制，入不可能进入现场进行直接的观察，只能用适应性更强的电子图像设备来代替完成。因此，利用图像技术对重要对象进行监控，已经逐渐成为现代生活中必不可少的一部分。
图像监控系统的主要作用是对目标景物的实时监视和控制。其中控制设备的作用是为了更准确、清晰地获取图像信息，控制的目标是再现图像的质量，通过对控制设备的操作，调整图像采集设备，改善再现图像的质量。图像监控系统的另一个特点是可以把被监视场所的图像全部或部分地记录下来，为日后对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。特别是画面分割器和长延时录像设备、大容量存储器的出现，为实现对多画面长时间连续监视、记录提供了极大方便。总之，图像监控系统己成为安全防范技术体系中不可或缺的重要组成部分，目前己广泛应用于交通、金融、商业、医院、工矿企业、住宅小区等。图像监控系统具有如下特点：
①图像监控生动直观，信息量大，效率高；
②可对远距离景物进行控制监视，调节角度，放大、缩小画面：
③可连续监视目标景物的活动、变化；
④可将全部或全体事物记录存档；
⑤可对危险场合或人类难以到达的目标进行监控；
⑥可连续扫描或切换固定画面，在一点可同时监视多个目标景物图像。
按照图像传输信道的不同，图像监控系统分为有线图像监控系统和无线图像监控系统两种。按照显示终端离采集终端距离的远近，图像监控系统分为远程图
像监控系统和现场图像监控系统。按照显示图像的特征不同，图像监控系统分为视频图像监控系统和静态图像监控系统。一般来说，图像监控系统的组成可以用图１－１所示的框图来表示。
图１—１图像监控系统框图
一、图像信号源
图像信号源即需要观察的对象，该对象范围很广，可以是一个特定的场景，也可以是一个特定的对象。图像监控的图像信号源一般不适合人们亲眼去观察，往往具有以下特征：①会对人的身体会产生巨大的副作用。②生理条件不允许直接进入。⑧观察的对象具有突发性。④亲眼观察所需代价太大，如在公共场合使用监控设备可以大大节省人力资源。
二、图像采集
图像采集部分的核心器件是图像传感器，其主要功能是完成目标景物到图像信息的转换，其物理变换是一个光电变换过程。从整个系统看，图像采集部分的输出信号是原始数据，因此图像采集设备的好坏直接影响图像信号质量和整个系统的质量。
三、图像处理
图像处理是监控系统中的信号处理部分，分前端图像处理和终端图像处理两部分。在数字系统中，图像处理是非常重要的。前端图像处理关系到系统图像的实时眭、再现图像的质量和对系统的硬件需求。前端图像处理往往通过对图像数据进行编码和压缩等手段，以减少图像数据量，达到节约传输成本和提高系统实时性的目的。终端图像处理则是对经过传输、叠加了噪声的信号进行恢复、解码，以利于图像在显示设备上重现。
四、图像传输信道
图像传输信道是监控系统的图像信号通路。一般来说，传输部分主要是传输图像信号，但同时控制中心要对摄像仪、镜头、云台、防护罩等进行控制，因此还应包括控制信号的传输。图像传输部分的功能就是把经过图像处理部分处理过
的电信号（或数据）及时准确地传送到显示设备端，实现景物再现。对于图像信号的传输，主要要求在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声和失真，保证在再现端能准确再现图像。
五、重现图像
图像的重现，是整个系统的目的所在，如果这一步得不到结果，那么，所有的工作都是毫无意义的。重现图像不一定是真实图像的照搬，通过图像处理的手段对图像进行分割、重组，甚至是有目的地突出重点部分。
六、系统控制
系统控制部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是实现整个系统功能的指挥中心。系统控制部分的主要功能是视频信号分配、图像信号的切换、图像信号的记录、摄像仪及镜头、云台、防护罩的控制等。
１．２图像监控系统的发展与现状
图像监控一直是人们关注的应用技术热点之～，它以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多场合。在电子技术与通信技术的发展过程中，图像监控系统的技术水平，直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况，就图像监控的方式，大致可分为三个阶段：
一、本地模拟图像监视
从摄像机、电视机出现的那天起，原始的图像监视系统就己诞生。它被广泛应用于保安、生产管理等场合。本地图像监控系统主要由摄象机、视频矩阵、监视器、录象机等组成，由视频线、控制线缆等连接。
本地模拟图像监视系统一般采用模拟方式传输，采用视频电缆（少数采用光纤），传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图像一般只能在控制中心查看。
二、基于ＰＣ的多媒体监控
数字视频压缩编码技术的日益成熟，微机的普及，为基于ＰＣ的多媒体监控创造了条件。
多媒体监控系统是一般采用下面的结构：在远端监控现场，有若干个摄像机、各利ｔ检测、报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终端
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上，多媒体监控终端可以是一台Ｐｃ机，也可以是专用的工业机箱组成多媒体监控终端。除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系统利用视频压缩卡和通信接口卡，通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。
基于ＰＣ的多媒体监控系统功能较强，但稳定性不够好、功耗高、需要有人值守，同时，软件的开放性不好。
三、基于Ｗｅｂ服务器的远程视频监控
目前一般的远程图像监控系统，其图像压缩与解压缩全部采用基于Ｐｃ机的视频卡，使得视频前端（如ＣＣＤ等视频信号的采集、压缩、通讯）较为复杂，稳定性、可靠性不高，且价格高昂。而ＰＣ机也需专人管理，操作较为烦琐。随着技术的进步，现在出现了一种新型的网络化远程视频监控，即基于嵌入式Ｗｅｂ服务器技术的远程网络视频监控。
基于嵌入式Ｗｅｂ服务器技术的远程网络视频监控主要的原理是：视频服务器内置一个嵌入式Ｗｅｂ服务器，采用嵌入式实时操作系统。摄象机传送来的视频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的Ｗｅｂ服务器。网络上用户可以直接用浏览器（如ＩＥ等）观看Ｗｅｂ服务器上的摄象机图像，授权用户还可以控制摄象机云台镜头的动作或对系统配置进行操作。
１．３无线图像监控系统的总体方案和本人的工作
本文主要设计了～个静态图像监控系统，本系统借助现有的ＧＰＲＳ网络进行图像数据的无线传输。整个系统的框图如图１．２所示。系统由两部分组成，即图像采集终端和系统管理终端。我完成图像采集终端的软硬件设计。
图１－２ＧＰＲＳ图像监控方案
４
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在图１—２所示的系统方案中，根据传输信道的不同，系统管理终端部分可以有两种方案。在系统管理终端方案１中，图像采集终端图像信号经ＧＰＲＳ模块调制后，通过ＧＰＲＳ网络，然后通过无线网络运营商的网关服务器，接入Ｉｎｔｅｍｅｔ网，这样系统管理终端就可以通过网卡同Ｉｎｔｅｎｌｅｔ相连。在系统管理终端方案２中，图像采集终端的图像数据一直在ＧＰＲＳ网络中传输，系统管理终端也通过串口同另一块ＧＰＲＳ模块相连，ＧＰＲＳ模块接收到的数据从模块的串口输出。
使用ＧＰＲＳ网络作为传输图像的信道，主要基于以下原因：①无线网络组网方便。只要基站覆盖到的地方都可以。②ＧＰＲＳ的传输速率在理论上可以达到１７１．２ｋｂｐｓ。目前，ＧＰＲＳ的最大传输速率为１１５．２ｋｂｐｓ。③用户一旦登陆ＧＰＲＳ网络后，将永远在线，按照流量计费。
判断一个系统好坏的标准有很多，但最重要的有两个，即功能性和稳定性。考虑到系统的功能性和稳定性，以及整个系统的成本，开发周期等因素，采用ＴＩ公司的１６位微处理器作为图像采集终端的处理器。针对１６位微处理器的特点和ＧＰＲＳ数据传输的特点，本文将主要的篇幅放在数据压缩技术、ＧＰＲＳ网络技术以及系统实现上。
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第二章图像数据压缩技术的研究与应用２．１数据压缩技术概述
数据压缩是信息论的基本表现。信息论是数学的一个分支，４０年代后期由在贝尔实验室工作的ＣｌａｕｄｅＳｈａｎｎｏｎ首创，它涉及各种关于信息的问题，其中包括信息存储和通讯的各种方式。信息论中使用术语“熵”（ｅｎｔｒｏｐｙ）作为一条信息中多少信息得到编码的度量。熵用来确定表示一个信息实际所需的位数。
数据压缩技术可以分成两大类：有损压缩和无损压缩。
有损压缩允许一定精度的损失以换取大大增强的压缩比。有损压缩常用在图形图像和数字化语音方面，还原后的图像或语音质量普遍被大家接受。在过去，嵌入式系统中的有损压缩主要用硬件来实现。目前，由于微处理器性能的提高，有损压缩已经可以通过微处理器实现。
无损压缩保证压缩数据在解压后同原始数据保持一致。无损压缩常用在文件等的压缩上，压缩比～般很小。
２．２数据压缩算法
在数据压缩算法中，编码技术是数据压缩的基础，编码通过减少符号编码的冗余量来进行有效的压缩。常用的编码技术有Ｈｕｆｆｍａｎ编码，白适应Ｈｔｔｆｆｍａｎ编码，算术编码，ＲＬＥ编码，词典编码等。
Ｈｕｆｆｍａｎ编码思想：Ｈｕｆｆｍａｎ编码（ＨｕｆｆｍａｎＣｏｄｉｎｇ）建立整数位数的可变长度代码，较高概率的符号有较短的代码。Ｈｕｆｆｍａｎ代码有唯一的前缀属性，这意味着，虽然是可变长度，但他们都可以正确地译码。建立Ｈｕｆｆｍａｎ树时，各个符号作为由二叉树连接地一串叶结点展开，每个结点有一个权，它只是符号出现的频率或概率。
算术编码思想：Ｈｕｆｆｍａｎ代码必须是整数位数长。如果一个字符的概率是ｌ／３，根据Ｓｈａｎｎｏｎ定理，该字符的最优位数是１．６左右，Ｈｕｆｆｍａｎ编码却必须给代码指定１位或２位。算术编码解决了这个问题。算术编码绕过了用一个特定的代码
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代替一个输入符号的想法，它用一个单独的浮点输出值代替一个流的输入符号。ＲＬＥ编码思想：现实中有许多这样的图像，在一幅图像中具有许多颜色相同的图块。在这些图块中，许多行上都具有相同的颜色，或者在一行上有许多连续的象素都具有相同的颜色值。在这种情况下就不需要存储每一个象素的颜色值，而仅仅存储一个象素的颜色值，以及具有相同颜色的象素数目就可以，或者存储一个象素的颜色值，以及具有相同颜色值的行数。
词典编码思想：词典编码（ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙｅｎｃｏｄｉｎｇ）的依据是数据本身包含有重复的代码。词典编码有两类。第一类词典法（ＬＺ７７）企图查找正在压缩的字符序列是否在以前输入的数据中出现过，然后用已经出现过的字符串替代重复的部分，它的输出仅仅是指向早期出现过的字符串的“指针”。第二类算法（ＬＺ７８）企图从输入的数据中创建一个“短语词典（ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙｏｆｔｈｅｐｈｒａｓｅｓ）”。短语可以是任意字符的组合。编码数据过程中当遇到已经在词典中出现的“短语”时，编码器就输出这个词典中的短语的“索引号”，而不是短语本身。２．３静态图像的ＪＰＥＧ压缩
图像压缩往往是多种压缩技术的综合运用。ＪＰＥＧ压缩是一种有损图像压缩方法，适用于静态图像。一般来说ＪＰＥＧ压缩要经过以下几个步骤：１．色彩模型转换
该转换把原始图像从ＲＧＢ空间转换到ＹＣｒＣｂ空间，Ｙ、ｃｒ、ｃｂ分别表示亮度、红色度和蓝色度，其中Ｙ可以作为原始图像的黑白版本。进行色彩模型转换能够达到更大的压缩比。转换的算法如下
Ｙ＝０．２９９０Ｒ＋０．５８７０Ｇ＋ｏ．１１４０Ｂ
Ｃｂ＝－０．１６８７Ｒ－０．３３１３Ｇ＋０．５０００Ｂ
Ｃｒ＝０．５０００Ｒ－０．４１８７Ｇ－０．０８１３Ｂ
２．离散余弦变换（ＤＣＴ）
ＪＰＥＧ规范中ＤＣＴ（离散余弦变换）运用二维ＤＣＴ变换，公式如下：Ｆ
１：三ｃ㈤ｃ（ｖ）字字佩，）ｃｏｓ—（２ｉ＋—１）ｕｚＣ
ＯＳ—（２ｊ＋—１）ｖｚ（／ｄＦ，Ｖ）２百１ｃ（“）ｃ（Ｖ）∑ｉ善厂（ｉ，）ｃ。ｓ——ｊｉ＿一——互ｊｉ—一＝００’ｒ＝山』’●』’其中，当“，ｖ＝０时，ｃｎｄ，ｃ（ｖ）＝ｌ／√２，当“，ｖ≠０时，ｃ以∥，ｃＭ＝１，厂
为８Ｘ８的系数块。
经过ＤＣＴ变换之后，系数矩阵具有如下性质；（１）变换系数问基本不相关；（２）系数矩阵能量主要集中于低频区；（３）Ｆ（０，Ｏ）称为直流系数ＤＣ，其它部分为交流系数ＡＣ；（４）ｒ（ｏ，Ｏ）满足瑞利分布，ＡＣ满足拉普拉斯分布。
由于ＤＣＴ的运算在压缩时要多次运行，ＤＣＴ的运算速度将直接影响到压缩的速度，所以在实现时可以采用快速ＤＣＴ变换，移位代替乘除法，把浮点运算转换为整数运算，表格代替余弦函数运算等方法来提高压缩速度。
３．重排ＤＣＴ结果
由于图片上相邻两点之间的象素具有相似性，如果能把图片上相邻的点在存储时也放在相邻的位置，则可以减小ＲＬＥ编码后的代码量。因此ＪＰＥＧ要求对ＤＣＴ结果进行重新排列，具体顺序如下：
图２－１Ｚ字型扫描
４．量化
ＤＣＴ系数量化就是将ＤＣＴ系数矩阵的各个系数除以量化表中对应的量化阶距。量化时Ｙ数据和ＣｂＣ，数据各有一个８×８的量化表。标准ＪＰＥＧ压缩使用根据人眼视觉设计的量化表。图像的质量和压缩比是由量化过程决定的。为了提高画面质量，用小的量化值除，压缩比较小，反之，压缩比较大。
５．ＲＬＥ编码
前面各个步骤并没有使原始图像的代码量减小，ＲＬＥ编码才真正使开始压缩代码量。经过上面的各个步骤，交流系数ＡＣ中将出现很多连续的０，ＲＬＥ编码用０的个数的值来代替一连串的０。
６．Ｈｕｆｆｍａｎ编码
为了进一步减少冗余的位数，对ＤＣ成份进行霍夫曼编码，对亮度和色度需用不同的霍夫曼编码表。ＤＣ成份编码使用差分编码方式，每一次操作求出本数据块与前一个数据块的ＤＣ系数之间的差值，然后对这个差值进行霍夫曼编码。由于相邻的图像子块的ＤＣ系数变化比较缓慢，所以编码效率较高。
经过以上步骤就完成了ＪＰＥＧ压缩。
２．４快速ＤＣＴ算法
ＪＰＥＧ算法的快慢取决于８×８的二维ＤＣＴ的计算速度，提高ＤＣＴ的变换速度是ＪＰＥＧ压缩提高实时性的关键。
２０世纪８０年代，ＤＣＴ快速算法受到了前所未有的重视，在这期间，出现了一系列的快速算法版本。并且证明了一个一维８点ＤＣＴ变换理论上最少需要１１次乘法。
２．４．１快速ＤＣＴ思想
（１）二维ＤＣＴ转换为一维ＤＣＴ
在上面的介绍中，大家都知道８×８的二维ＤＣＴ公式为：
脚’７１∽却）荟７驴７∽ｃｏｓ堕甍堕ｃｏｓ等竽
其中，当“，ｖ＝０时，ｃＭ，ｃ（ｖ）＝ｌ／√ｊ，当“，ｖ：／：Ｏ时，ｃ㈨，ｃ俐；１，，刀Ｓｘ８嗣示裂珧。
对眠一的表达式进行如下的变形：
脚，７１∽巾，要７驴７∽ｃｏｓ譬竽ｃｏｓ骂１竽
’ｆ＿０，＝Ｏ１ＶＶ
＝丢．屈（ｖ）善７０【压∽瓠ｉ∽ｃｏｓ！半蛔骂竽，＝０＝Ｏ１“１”
对照一维８点ＤＣＴ变换公式，
Ｆ（．ｉ｝）＝ｃ，ｎ。萎７ｘ（”）ｃ。ｓ学其中，当ｋ＝０时，口＆＝１／√ｉ，当ｋ≠Ｏ时，吼＝１
（１）（２）
比较表达式（１）和（２），令ｃ＝√互，后＝ｖ或“，则，８×８点的二维ＤＣＴ变换可以通过１６次一维８点ＤＣＴ来实现。
（２）快速离散傅立叶变换（ＦＦＴ）的启示
ＤＦＴ定义为：
Ⅳ（々）：窆ｘ（ｎ）阡≯其中ｏ≤七≤Ⅳ－１
ＦＦＴ的思想就是充分利用∥≯的周期性及对称性，将ＤＦＴ逐级分解为长度较小的ＤＦＴ，以此来减小运算量。同样，ＤＣＴ的。。。ｆ望！１２堑也具有周期性和对称
２
性，也应该可以通过逐级分解的方法来实现。
２．４．２Ｌｏｅｆｆｌｅｒ快速ＤＣＴ算法
著名科学冢Ｌｏｅｆｆｉｅｒ提出的快速ＤＣＴ算法几乎达到了快速ＤＣＴ算法的极限，这里将以一维８点快速ＤＣＴ算法的推导来阐述Ｌｏｅｆｆｉｅｒ快速ＤＣＴ算法。
设《０）、ｘ（１）、工（２）、“３）、ｘ（４）、《５）、ｘ（６）、ｘ（７）为８点一维ＤＣＴ的输入，“Ｏ）、ｙ（１）、“２）、ｙ（３）、ｙ（４）、“５）、ｙ（６）、ｙ（７）为８点一维ＤＣＴ的输出。则根据一维ＤＣＴ的定义，有：
７，＝
ｙ（ｏ）＝ｃ?口。?∑ｘ（ｎ）＝√互?：≠?ｋ（ｏ）＋ｘ（１）＋ｘ（２）＋ｘ（３）＋ｘ（４）＋ｘ（５）＋ｘ（６）＋ｘ（７）】＝｛ｂ（ｏ）＋ｘ（７）】＋ｂ（３）＋ｘ（４）】＋ｂ（１）＋ｘ（６）】＋ｂ（２）＋ｘ（５）Ｂ
ｙ（４）玎即童砌）ｃ。ｓ塑半
ｎ＝０１
后
＝√ｉ．１．：兰．ｂ（ｏ）一ｘ（１）一石（２）＋ｘ（３）＋ｘ（４）一ｘ（５）一ｘ（６）＋ｘ（７）】
＝｛ｋ（ｏ）＋ｘ（７）】＋【ｘ（３）＋ｘ（４）卜ｂ（１）＋ｘ（６）卜ｂ（２）＋ｘ（５）】｝
，（２）：舢：．圭砌）ｃ。８下（２ｎ＋１）ｘ
邶）ｃｏｓ詈＋羽）ｃｏｓ等＋坤）ｃｏｓｉ５Ｆｇ＋邢）ｃ。ｓ百７７９
州４）ｃｏｓｉ９７（州５）ｃｏｓ警州６）ｃｏｓ字州７）ｃｏｓ警
＝压｛ｂ（１）＋ｘ（６）】＿Ｉｘ（２）＋耶）】｝ｃ。ｓ鼍＋压｛ｂ（ｏ）＋印）卜ｂ（３）＋水）】）ｓｉｎ鼍
ＩｏｌＤ
１０
——一一一．塑坚查兰堡主兰鱼笙苎
撕）＿ｃｍ。?娄ｍ）ｃｏｓ—（２ｎ＋广１）３ｎ－ｎ＝０ｏ
＝一压戤（１）＋ｚ（６）卜ｂ（２）＋＿：ｃ（５）Ｂｓｉｎ鲁＋压耻（ｏ）＋ｘ（７）卜ｂ（３）＋ｘ（４）】｝ｃｏｓ警ｌＯ一１６加）－ｃ％?善７ｍ）ｃｏｓ（２ｎ＋１６１）７一，ｒ
＝压脚叫７牺嗉一压㈣叫６）ｍ景
＋压蛔叫５）】．ｃｏｓ等ｘ／２－［ｘ（３）叫４舾ｓ景
：肛ｈ（５）】ｃｏｓ素６＋Ｉｘ（１）－ｘ（６）】ｓｉｎ静
【＋｛一ｋ３）一ｘ（４）】ｓｉｎ面３；ｒ／＂＋ｋｏ）一柙）】ｃ。ｓ等｝
印）］Ｓｉｌｌ鍪）ｌ１０【
叫６）】ｃｏｓ三）ＩＩＯＪ
。。。塑±！墼
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耶“堡。丝ｏ｜；肺耶¨堡。慧厄一
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｜＋｛＿ｂ（３）叫４舾詈＋ｂ（ｏ）－ｘ（７）］ｃｏｓ剥
（ａ）蝶形因子（ｂ）旋转因子（ｃ）倍乘因子
图２．２快速ＤＣＴ运算因子
Ｌｏｅ御ｅｒ定义了三种运算因子：蝶形因子，旋转因子和倍乘因子。三种因子
１２
等哮灿蚋一堕Ｍ堡拍一炳炯Ｑ＋》哮胁蛔静噜啷
帅蚋叫，ｄ■０
０－三ｐ一堡ＭｎＳ堡Ｍ
ｌ兰卜”乃“硝一．一动＠ｋＬＦ
＋一２
√＝静涤ｍ∞槲硎№协生。互埔
叠。血∞门川叫娟似卜阶№ｔ
卜一Ｋ压旦Ｍ堡坫灿一印州丝埔堑Ｍ｜；炳
婀¨坚撕昧阳邶＂啼畴＠撕，ｄ■０拓一Ｍ疗一Ｍ
瞄．璺删酬Ｄ玲ｋｋ厄压＋＋石一Ｍ拓一Ｍ啷斌纠嘲“
攻一一∞砧ｋｋ厄压＝＋１ＩｌＬ，ｑ
》嗉陋眯奶
叫一哪嘞Ｉ
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的输入输出关系如图２．２所示。
其中，蝶形因子的数量关系为：
ｆＤ（ｏ）＝』（ｏ）＋』（１）
ｌｏ（１）＝，（ｏ）一圳）
旋转因子的数量关系为：
Ｄ（ｏ）叫ｏＭ。ｃｏｓ２９／Ⅳｙｇ＋，（１）肌ｉｎ等
０（１）叫（０）＿ｓｉｎ面ｒ／Ｙｂ＂州１）．ｎ。ｓ罱
０（ｏ）＝（Ｋ．ｓｉｎ罱一Ｋ．ｃｏｓ篆Ｈ（１）＋置．ｃｏｓ罱叭ｏ）＋砸）］
Ｄ（１）一（Ｄｃ。ｓ等“．ｓｉｎ焉Ｈ（０）＋Ｋ．ｃｏｓ茜叭ｏ）＋，（１）】
倍乘因子的数量关系为
Ｏ；压Ｉ
根据上面推导的表达式，ｙ（Ｏ）、“１）、ｙ（２）、灭３）、ｙ（４），灭５）、ｙ（６）、ｙ（７）的计算过程可以用如图２—３所示的４级操作来实现。
Ⅲ０）坦１）ｊ，（２）鄙）ｊ，（４）坝５）ｊ，（６）坝７）
＼／｜＼／×｛
沁形ｌ廷ｌ√２Ｃ６ｌｌ
Ｌ————Ｊ；
群汁鬲卜买丰羚—扯一．卜Ｈ｜卜
一／＼ｌ
Ｉ—ｒ
ｌ
图２－３Ｌｏｅｆｆｉｅｒ一维８点快速ＤＣＴ算法流程
２．４．３快速ＤＣＴ算法在ＪＩ＇ＥＧ中的实现“０）ｙ（４）们）“６）ｙ（７）ｙ（３）“５）一１）
在ＪＰＥＧ规范中，要对二维８×８点阵进行ＤＣＴ运算。二维ＤＣＴ运算可以通过先对各行求一维的８点ＤＣＴ，在对各列求一维的８点ＤＣＴ来实现。
在ＪＰＥＧ中实现Ｌｏｅｆｆｉｅｒ算法还要考虑字长。对于浮点数相乘运算，定义一个倍乘因子ＣｏｎｓｔＳｃａｌｅ，ＣｏｎｓｔＳｃａｌｅ的值是２的整数次幂，在做乘法前，先将浮点数与ＣｏｎｓｔＳｃａｌｅ相乘，将其化为整数，然后再与整数输入值相乘，将乘积
缩。由于图像相邻象素具有相似性，那么相邻象素的ＲＧＢ分量也分别具有相似性。图像传感器的输出数据ＲＧＢ相邻，通过分离ＲＧＢ分量，分别进行压缩，取得了很好的压缩效果。
（ｆ）图片数据压缩结合快速ＤＣＴ变换（５）（ｇ）ＲＧＢ分量分别压缩（５）
图２－５不同压缩方法效果比较
表２—１不同的压缩方法比较（以图２－５０）为例）
压缩方法原始图像压缩后图像压缩比压缩时间压缩效
大小（ｂｙｔｅｓ）大小（ｂｙｔｅｓ）＠（ｍｓ）果评价标准ＪＰＥＧ压缩１１８ｋ２８．４ｋ４．１５：ｌ３７０最好
图像数据压缩法。１１８ｋ４０．２ｋ２．９３：ｌ１１２好
图像数据压缩法。１１８ｋ２７．３ｋ４．３２：ｌ１１３较好
图像数据压缩法。１１８ｋ２０．７ｋ５．７０：ｌ１１５较差
图像数据压缩法。１１８ｋ２７．１ｋ４．３５：１３４较好ＲＧＢ分量分别压缩。１１８ｋ２５．２ｋ４．６８：１１１３好
ＲＯＢ分量分别压缩。１１８ｋ１９，６ｋ６．０２：１１１４较好ＲＧＢ分量分别压缩。１１８ｋ１６．７ｋ７．０６：１１１３较好ＲＧＢ分量分别压缩。１１８ｋ１９．５６．０５：１３３较好
注：图像在Ｐｃ机上进行压缩效果实验。
。Ｐｃ机的配置为奔腾４，１．７Ｇ，１２８Ｍ内存。
。量化因子为３。。量化因子为５。。量化因子为７。。量化因子为５，采用快速ＤＣＴ变换
。量化因子为３。。量化冈子为５。。量化因子为７。。量化因子为５，采用快速ＤＣＴ变换图２．５给出了在不同压缩方法下的压缩效果图，图２－５（ｃ）～２—５（ｇ）标题后括号
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第三章数字图像在移动互联网上的传输
本章主要讨论无线图像监控系统的信道。首先讨论无线互联网技术的概念及其发展过程，接着介绍２．５Ｇ（ＧＰＲＳ）技术及其对数据图像传输产生的根本性变革，最后介绍实现ＧＰＲＳ网络包交换的ＰＰＰ协议。
３．１移动互联网技术概述
３．１．１发展历程
第一代移动电话网是由人工操作使移动用户和有线网用户相连接。它的终端庞大、笨重而且昂贵，服务区域也仅限于单个发射台和接收站之间的覆盖范围。由于它的可用频率很少，因而系统容量很小，并且很快出现饱和，服务质量也随用户数量的增加而迅速下降，甚至达到死锁的状态。
２０世纪６０年代随着半导体技术的发展，无线系统发展为自动接续系统，成本也开始降低，但其增加的容量与用户的需求相比仍然远远不够，公众无线电话依然是一种奢侈品，只能被一小部分人使用。
２０世纪７０年代，大规模集成电路和微处理器件的发展使实现复杂系统成为可能。由于覆盖区域受到发射功率的限制，系统开始改由一个发射台和多个中继接收站所组成，这种复杂配置扩展了系统的覆盖范围。真正的突破是蜂窝系统的建立。蜂窝概念由贝尔实验室提出，美国第一个ＡＭＰＳ（ＡｄｖａｎｃｅｄＭｏｂｉｌｅＰｈｏｎｅＳｅｒｖｉｃｅ）蜂窝系统于１９８３年在芝加哥开通。旨在覆盖整个北欧的ＮＭＴ系统，于１９８１年在瑞典投入运行，并很快在挪威、芬兰和丹麦开通。２０世纪８０年代中期，世界上出现了很多基于上述两种系统的移动通信系统。例如，从ＡＭＰＳ中派生的ＴＡＣＳ系统于１９８５年在英国投入使用。这些蜂窝系统均是以模拟语音信道传输，采用频率调制，频率在４５０ＭＨｚ或９００ＭＨｚ，一般覆盖整个国家。
自９０年代以来，移动通信在全球范围内取得了飞速发展，各种不同类型的系统提供了多种类型的服务。主要的移动通信系统有无绳电话系统、无线寻呼系统、专用的或专业的移动通信和蜂窝移动通信系统。其中，以蜂窝移动通信系统
的发展最为突出，特别是随着国际数字标准如ＧＳＭ和ＩＳ．９５的出台，蜂窝系统的发展更为迅猛。到１９９８年末，欧洲地区的蜂窝已达到了７０００万（包括模拟和数字）。目前，在整个移动通信界，第三代移动通信技术日臻成熟。在未来几年基于第三代移动通讯的产品将出现在中国市场。不仅如此，在全球范围内，对第四代移动通讯的研究也已经广泛地展开了。
３．１．２蜂窝移动通讯技术
蜂窝移动通讯技术是在移动通讯史上具有里程碑的意义。美国联邦通讯委员会（ＦＣＣ）是这样定义蜂窝移动通讯的：一个高容量的陆上移动通讯系统，分配给系统中的频谱被划分为独立的信道，这些信道按组分配给各个地理小区，这些小区覆盖了一个蜂窝地理服务区。独立的信道能够被服务区内不同的小区复用。在该定义中有三个基本参量：高容量、小区和频率复用。
①高容量是指在理论上，一个蜂窝系统可以被规划和扩展，向无限多的用户提供服务。
②小区定义为单独的服务区。每个小区分配一组独立的信道。用户可以在某一小区内使用分配给此小区的的信道进行通讯。
③频率复用使分配给某小区的独立信道又被令一小区使用，但必须保证两个小区之间的距离足够远，以避免信号干扰。并且，一个信道可以被不断地重复
使用。
／／弋＼
蜂窝系统
第一代系统第二代系统第三代系统
Ａ
ＴＤ．ＣＤＭＡ
Ｒａｄｉｏｃｏｍ２０００
ＧＳＭ／ＤＣＳ１８００
图３－１移动蜂窝系统分类
蜂窝移动通信系统可分三类：第一代模拟系统、第二代数字系统和第三代码分多址数字系统（见图３．１）。第三代系统仍然基于蜂窝技术并沿用了现有系统在