Ｉ数字技术 磊 应用研究 压缩技术在图像处理中的应用 苗永梅，林辉 （１．宝鸡职业技术学院陕西宝鸡７２１（）１３；２．渭南师范学院陕西渭南７１４０００） 摘要：数字图像信息量大、清晰度高，远远超过人眼能识别的范围，且存贮与传输过程中占用较宽的频带；利用压缩技术，降低图像相邻 像素之间的冗余度，在人眼不能识别的前提下，减少图像信息量，从而达到压缩的目的。 关键词：数字图像数字证书信息安全密码学电子货币 中图分类号：ＴＰ３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—９４１６（２０１１）０９—００５５—０２ １、引言 世界本无色，色是人类视觉『 】的一种感觉。图像与图像处理叫的 生理基础是人类视觉，没有人类视觉也就没有图像，更没有图像处 理。在图像处理领域，人类视觉和人类视觉的分辨率，在一些学 科的理论、技术和相关产业的发展中起到决定性的作用。 白光通过棱镜后被分解成多种颜色逐渐过渡的色谱，色依次为 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这就是可见光谱。其中人眼对红、绿、蓝最 为敏感，人的眼睛就像一个三色接收器的体系，大多数的颜色可以 通过红、绿、蓝三色按照不同的比例合成产生。同样绝大多数单色光 也可以分解成红绿蓝三种色光，三种基色是相互的，任何一种 基色都不能有其它两种颜色合成ｆ３】。 由于每个人的眼睛对于相同的单色的感受不同，所以，如果我 们用相同强度的三基色混合时，这时候人的主观感受是不同的。 对数字图像颜色最简单的编码方式就是用字节表示一个像素 的颜色，如果是全彩色编码，用三个字节编码一个像素，这三个字节 分别代表红色、绿色和蓝色，这就是ＲＧＢ方式编码【４】。 通过对人眼某些视觉现象的观察分析，并结合视觉生理、心理 学等方面的研究成果，人们发现了多种人类视觉系统ＨＶＳ的特性和 掩盖效应［５ （对不同亮度／亮度比的不同敏感度）。图像压缩质量的评 估主要依据人类视觉系统。 ２、数字图像的特点 图像是一种空间信息，在人类接收和传递信息中都起着重要的 作用。图形是图像的一种抽象，它反映图像的几何特征，如点、线、 面。据统计，通过视觉获取的信息占人们获取所有信息的７５％左右。 图像的另一个特点是信息量大，这不仅是因为图像反映客观事物的 原形，还因为作为空间信息的图像，在接收和传递过程中，必须将其 看作是许多点的集合。 数字图像的特点『６】是：（１）图像信息量很大，占用的频带较宽；（２） 数字图像中各个像素是不的，在图像画面上，经常有很多像素 有相同或接近的灰度，在时间和空间上存在相关性，即冗余度较大。 就电视画面而言，同一行中相邻两个像素或相邻两行间的像素，其 相关系数可达０．９以上，而相邻两帧之问的相关性比帧内相关性一 般说还要大些。因此，数字图像处理中信息压缩的潜力很大。 图像的最终感知者是人的眼睛，数字化图像的分辨率很高，远超 过人眼可察觉的范围；然而用以表示数字图像的数据量很大，在网络 传输中占有很长的带宽。由此，数据压缩概念应运而生。在保证一定 重构质量的前提下，以人眼分辨率作为对数字化信息进行量化的最 底限度，去除图像中的冗余，以尽量少的存储空间来表示图像信息。 ３、数字图像压缩 数字图像压缩 （Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）又称为计算机图 像压缩，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行 处理的过程。 ３．１压缩步骤 （１）先用照相机将外界影像的颜色和亮度信息转变为电信号 （模拟信号），记录到储存介质上。（２）对电信号进行采样和量化，将其 转换成数字信号。（３）对数字信号编码，转换成ＲＧＢ颜色空间。（４）根 据人眼睛对三基色ＲＧＢ的敏感程度不一样，设置不同空间的压缩。 （５）将压缩后的图像合并成原图。 ３．２压缩原理 数字图像的每一个Ｒ、Ｇ、Ｂ空间都是一个数字化的二维矩阵， 比如： ｆ１６７ ２０５ ２１１］ 平均数是１ ９６ ｆ一２９ ９ １ ５－／ ２０８ ２２５ ２０８ ｌ ３７ １９８ ２０５Ｊ 每一个数据与平均数的差值 ＩＬ １２ ２５９ ２９ ９ １ ｌ２｝—Ｊ － 也就是说图像的能量均值是１９６，差值矩阵是对能量值的修正。 在不影响视觉效果的前提下，可以将３＊３的矩阵９个值存贮为一个值 １９６，或者只保留差值较大的一２９、２９、一５９、１９６四个值，差值较小的 ５个数用零代替。这样要保存的数据就是１９６、一２９、２９、一５９、０共５个 数，而不是原来的９个数，减小像素占用存贮空间，从而达到压缩图 像的目的。 ４、实验结果 用Ｍａｔｌａｂ软件对图像处理结果，根据人眼的视觉特性，对Ｂ通 道感觉不是很敏感，因此选择对Ｂ通道数据进行压缩。 将Ｂ通道数据压缩后再与原来Ｒ、Ｇ通道数据融合，得到压缩后 的图像如图１： 譬 图１取不同归零值图像效果 比较可以看出，差值不大于３２，将其归零后，图像与原图视觉效 果几乎没有差别。对矩阵差值小于多少的数据设为零，要根据人眼 对图像的观察，值越大压缩比越大，但图像清晰度越差，值越小，图 像受损小，但压缩比小。 ５、结语 随着计算机的发展与普及，数字化产品应用越来越广泛。数码 相机分辨率越高，获取的图像更加清晰，但占用较大的存贮空间，这 就为图像传输带来不便。将压缩技术应用于图像处理，用Ｍａｔｌａｂ软 件实现图像压缩功能。通过实验，在不影响视觉识别的前提下，该压 缩方法达到较好的压缩效果。 参考文献 ［１］杭中文。张志浩．视频水印技术研究［Ｊ］．计算机工程与科学。２００４， ２６（９）． ……下转第５７页 璐 ＿＿１＿＿ 骖 ｊ数日 技术 应用研究 １５ ９ ｎ Ｆ毫Ｃ 一ｎ豫小Ａ Ｓ Ｃ Ｄ Ｄ Ｄ Ｄ 一０ １ ｒｒ．］门广－１ ｒ－－１研耳墟ｊ 一 广＿１ ｒ＿］ｒ＿］几Ｉ 广－１广］ｎ ｒ＿１ ｒ－］厂］广＿１广－１广＿１厂＿］厂 Ｉ ｌＩ ｌ ｌ Ｘ ０ ｛ ｌ ０ １ ０００ ０ＦＡ Ｏ０ Ｘ ＯＦＢ Ｘ ＯＦｃ ｏ０００００ ｏ０Ｏ０。０ ００Ｏ０ｏ０ 蕊勰 瑚麟Ｘ掰 蕊勰搽黼 】ｌｌ鞠 蕊瑚泓瑚 ｉ 辙）ｃｊｃ）：； 瑞掰隔 ｉ】（ｊ 脚 ０００ Ｘ Ｏ＃Ａ Ｘ ＯＦＢ Ｘ ０ＦＣ 图２ ＦＰＧＡ测控专用芯片仿真结果图 两路输入信号频率相等时，比较器才呈高阻态。此时环路处于锁定 状态，直到Ｎ发生变化，进入下一个频率锁定状态。如果频率超过 ＶＣＯ的变化范围时，锁相环路失锁，ＬＥＤ指示灯亮。当设定再次进入 那个范围时，系统又自动进入锁定状态 １。 Ｒ分频器的分频系数由ＲＡ２～ＲＡ０接高低电平决定，设置不同 的Ｒ值可实现不同频率的步进，Ｎ计数器的系数由Ｎ９～ＮＯ确定， 用二进制表示，ＩｚＬ￣ＨＮ９ ＮＯ为０１０１０１０１１０，￣ｔ［Ｎ＝３４２．同样，Ａ计数器 的系数由Ａ５一Ａ０确定，ＬＬ￣ＩＩＡ５一Ａ０为１００ｌ０ｌ时，Ａ＝３７．此时， Ｎ ｔＩ ＝ＮＰ＋Ａ＝３７９ 时，ＦＰＧＡ芯片输出１１１１１０１０Ｂ到锁相环ＭＣ１４５１５２，该二进制数值 就是振荡器基值频率；当芯片ＦＰＧＡ接收到单片机ＡＴ８９Ｃ５ｌ的升频 步进信号后，内部信号“Ｃ Ｏ Ｎ Ｔ Ｒ Ｏ Ｌ”自动加ｌ，送给锁相环 ＭＣ１４５１５２；同理，当芯片ＦＰＧＡ收到单片机ＡＴ８９Ｃ５１的降频步进信 号后，内部信号“ＣＯＮＴＲＯＬ”自动减１，送给锁相环ＭＣ１４５１５２，通过 这个过程就实现了对振荡器锁定频率的调节。由于所设计的系统频 率范围集中在高频，因此利用侧周期个数的方法来测定频率。 ５、仿真及波形 本次设计采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ８．１开发平台［４】，对 ３．３锁相环的ＭＣ１４５１５２的控制 根据以上设计要求，步进频率设定为１００ＫＨｚ，此时要求电阻分 功能模块仿真波形如图２所示。当ＡＤＤＳＵＢ＝‘０’时，ＣＴＲ＝Ｈ“０ＦＡ”，即ＣＴＲ＝Ｄ“２５０”，当 频器采用１２８分频，也就是将ＲＡ０、ＲＡ１、ＲＡ２分别设定为０、１、０。在 时，ＥＮ每来一个上升沿脉冲，ＣＴＲ自动加１，依次为 本次设计中，因为ｆｄ直接输入ｆｉｎ，步进频率为ｌ００ＫＨｚ，分频系数出 ＡＤＤＳＵＢ＝‘１’现小数的可能性不存在，因此可以将Ａ５一Ａ０直接置为０．因此，要控 Ｈ“０ＦＢ”，Ｈ“ＯＦＣ”，Ｈ“ＯＦＤ”，Ｈ“ＯＦＥ”，Ｈ“ＯＦＦ”等，即ＣＴＲ＝Ｄ “２５１”Ｄ“２５２”Ｄ“２５ ３”Ｄ“２５４”Ｄ“２５５”等，锁定频率分别为 制ＭＣ１４５１５２，只需控制ＭＣ１４５１５２的Ｎ９～Ｎ０即可。这时，还应将双 ２５ＭＨｚ、２５．１ＭＨＺ、２５．２ＭＨＺ、２５．３ＭＨｚ、２５．４ＭＨｚ、２５．５１ＭＨＺ。 模分频器的逻辑控制端ＭＣ设置为１ｔ 。 、、、、４、ＦＰＧＡ测控专用芯片的ＶＨＤＬ程序设计 根据系统的总体设计要求，ＦＰＧＡ芯片的输入信号有：ａ、ＦＩＮ一 被测量频率信号的输入端；ｂ、ＣＬＫ一基准信号２００Ｈｚ的输入端；Ｃ、 ＥＮ一的控制信号ＡＤＤＳＵＢ［１．０】端口，ＡＤＤＳＵＢ可加载￣Ｉ］ＦＰＧＡ；ｄ、 ＡＤＤＳＵＢ［１．ｏｌ一对锁相环ＭＣ１４５ｌ５２的控制输入，当ＡＤＤＳＵＢ［１．ｏｌ 为“０ｏ”状态时，发射频率被设定在２５ＭＨｚ，当ＡＤＤＳＵＢ［１．ｏ］为“０１” 状态时，降频键每按一次，发射频率就以１００ＫＨｚ的幅度增加，当其 为“ｌ０”时，降频键每按一次，发射频率以１００ＫＨｚ的幅度降低，当其 为“ｌ１”时，对ＦＰＧＡ￣控专用芯片就不起作用；ｅ、ＳＥＬ［１．０卜输出端 口选择，当ＳＥＵ１．０１分别为“００”，“０ｌ”，“ｌ０”，“ｌ１”时，此时频率计数 器输出第０ ７位、８ １５位、第１６ ２３位。ＦＰＧＡ芯片的输出信号有：ａ、 ＣＴＲ［９．．０卜锁相环ＭＣ１４５ｌ５２控制信号输出端；ｂ、ＤＡＴＡ［７．ｏ］－ ＦＰＧＡ芯片到单片机的数据输出口，它直接与单片机的ＰＯ口相连， 由ｓＥＬ［１．０】控制输出的内容。它的功能就是负责控制锁相环 ＭＣ１４５１５２和压控振荡器输出信号的频率。根据系统应实现的功能 要求，ＦＰＧＡ￣ＪＪ控专用芯片可分为两个相对的模块，一个模块 负责控制ＭＣ１４５１５２，一个模块负责实时测量压控振荡器输出信号 的频率。实时测量压控振荡器输出频率按以下原理设计：系统上电 ●●●●●●●●。●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●＿●●●●●●－＿●●●●●●● ６、结语 本系统的设计采用了ＥＤＡ设计手段，基于ＶＨＤＬ语言编程， 目标器件为ＦＰＧＡ芯片，运用ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ ８．１开发平台，完成各电路 模块的仿真，实现了电压控制ＬＣ振荡器的设计，系统具有简化设计 过程，缩短设计周期，工作稳定、可靠等优点。 参考文献 ［１］潘晨聪，刘倩如，韩耕．电压控制ＬＣ振荡器［Ｊ］．北京理工大学，２００４ （０２）：４２—４４． ［２］魏平俊，方向前等．电压控制基于锁相频率合成器的电压控制ＬＣ 振荡器［Ｊ］．电子工业专用设备，２００５（１ ２３）：５３－５６． ［３］葛海波，王海潼，郑燕．一种锁相频率合成系统的设计［Ｊ］．电讯技 术。２００８（１）４４－４６． ［４］周润景，图雅，张丽敏．基于Ｑｕａｒｔｕｓ １１的ＦＰＧＡ／ＣＰＬＤ数字系统设 计实例［Ｈ］．１．北京：电子工业出版社。２００７：１—１２． 作者简介 万留杰（１ ９ ８ ３．３一），男，硕士研究生，助教，研究方向： 电气工程及其自动化。 ●●’’。‘‘‘●●●●‘‘‘●●－●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●●＿●●●●● ……上接第５５页 ｌ０． ［２］章毓晋．图像处理（第２版）［Ｈ］．北京：清华大学出版社，２００６． ［７］Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｃ．密码学概论［Ｈ］．北京：人民邮电出版社。２０００． ［３］林福宗．多媒体技术基础［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２． 作者简介 ［４］杨义先，钮心忻．数字水印理论与技术［Ｈ］．北京：高等教育出版社， １．苗永梅（１ ９ ７ １一），女，陕西宝鸡人，硕士研究生，讲师， ２００６． 主要研究方向：计算机应用技术． ［５］何东健，耿楠，张义宽．数字图象处理［Ｍ］．西安：西安电子科技大学 ２．林辉（１ ９ ８ ２一），男，陕西西安人，硕士研究生，助工， 出版社，２００３． 主要研究方向：网络安全． ［６］何东健，杨青．实用图像处理技术［Ｈ］．西安：陕西科技出版社，１９９８，
