JPEG壓縮在機(jī)場(chǎng)跑道膠痕檢測(cè)中的應(yīng)用

劉曉琳，黃 興，岳子皓，何乃超，李雪濤

（中國(guó)民航大學(xué) 航空自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)航空運(yùn)輸市場(chǎng)不斷發(fā)展。機(jī)場(chǎng)航班次數(shù)的增多所帶來(lái)的飛機(jī)頻繁起降使得機(jī)場(chǎng)跑道附著的膠質(zhì)層日益增厚，導(dǎo)致摩擦因數(shù)不斷降低，從而影響飛機(jī)的起降安全。現(xiàn)有的膠痕檢測(cè)系統(tǒng)是將攝像頭所采集到的膠痕圖像數(shù)據(jù)傳送給識(shí)別裝置，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)跑道膠痕的自動(dòng)識(shí)別，不再依賴人眼檢測(cè)膠痕。但這種直接傳輸原始圖像數(shù)據(jù)的方法需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大、耗時(shí)久，大大降低了系統(tǒng)的工作效率。為了解決該問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的膠痕檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，采用JPEG圖像壓縮編碼技術(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸量，并利用Wifi傳輸技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)進(jìn)行機(jī)場(chǎng)跑道膠痕圖像的傳輸和識(shí)別。通過(guò)仿真試驗(yàn)及實(shí)物測(cè)試驗(yàn)證JPEG壓縮編碼技術(shù)在系統(tǒng)中的可行性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為硬件平臺(tái)和以VS2012為軟件開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)跑道膠痕的自動(dòng)識(shí)別。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 System components

整個(gè)系統(tǒng)包括圖像數(shù)據(jù)壓縮、圖像數(shù)據(jù)傳輸和圖像數(shù)據(jù)識(shí)別3個(gè)子系統(tǒng)。在系統(tǒng)工作時(shí)，首先，PC機(jī)通過(guò)WiFi傳輸模塊向STM32單片機(jī)發(fā)送采集膠痕圖像的指令。然后，在圖像數(shù)據(jù)壓縮子系統(tǒng)中，OV7670攝像頭采集到膠痕圖像后，STM32對(duì)膠痕圖像進(jìn)行JPEG壓縮編碼處理，并同時(shí)完成膠痕圖像在TFTLCD液晶屏上的顯示。接著，在圖像數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)中，WiFi傳輸模塊通過(guò)RS232總線獲取壓縮后的膠痕圖像數(shù)據(jù)，并同時(shí)將圖像數(shù)據(jù)傳送至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。最后，在圖像數(shù)據(jù)識(shí)別子系統(tǒng)中，PC機(jī)連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，獲取壓縮后的膠痕圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)在VS2012環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)，對(duì)膠痕等級(jí)進(jìn)行評(píng)定，并將評(píng)定結(jié)果傳送至報(bào)警模塊。

2 基于DCT的JPEG圖像壓縮編碼

JPEG壓縮編碼是基于離散余弦變換DCT（discrete cosine transfotm）實(shí)現(xiàn)的，具有變換前后信號(hào)熵及能量不變、求解精度高、抗噪聲能力好、壓縮比大、恢復(fù)效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]。由于DCT變換是針對(duì)于YCbCr圖像數(shù)據(jù)的，故首先將OV7670攝像頭采集到的大小為320×240的RGB565圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到Y(jié)CbCr色彩空間。然后，將YCbCr數(shù)據(jù)分為一個(gè)個(gè)8×8的數(shù)據(jù)單元矩陣。接著，對(duì)每個(gè)8×8數(shù)據(jù)單元矩陣進(jìn)行DCT變換、量化和編碼，實(shí)現(xiàn)膠痕圖像壓縮[2]，得到壓縮后JPG格式的膠痕圖像。壓縮流程如圖2所示。

圖2 膠痕圖像的壓縮流程Fig.2 Rubber marks image compression process

2.1 DCT變換

完成跑道膠痕圖像數(shù)據(jù)的像素空間轉(zhuǎn)換和分塊后，為了使像素?cái)?shù)據(jù)能夠被DCT變換接收，要對(duì)所有的像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行DC電平偏移，即把所有的像素值減去128，使圖像的數(shù)字信息值保持在-128～127之間。然后，將每個(gè)數(shù)據(jù)單元的數(shù)值代入二維離散余弦變換公式中進(jìn)行DCT變換，得到8×8的DCT頻率系數(shù)矩陣。二維離散余弦變換公式為

式中：x和y為圖像數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)某個(gè)數(shù)值的坐標(biāo)位置； f（x，y）為圖像數(shù)據(jù)矩陣內(nèi)坐標(biāo)為（x，y）的像素值；u和v為DCT變換后矩陣內(nèi)某個(gè)DCT系數(shù)的坐標(biāo)位置；F（u，v）為 DCT 變換后矩陣內(nèi)坐標(biāo)為（u，v）的DCT系數(shù)值。

完成DCT變換以后，每個(gè)8×8的數(shù)據(jù)單元對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成為8×8的DCT頻率系數(shù)矩陣。這些系數(shù)包含了圖像的頻率信息，左上角為低頻分量，右下角為高頻分量。每個(gè)頻率系數(shù)矩陣中的第一個(gè)數(shù)據(jù)為DCT頻率系數(shù)的DC系數(shù)（直流分量），剩下的63個(gè)數(shù)據(jù)為AC系數(shù)（交流分量）。對(duì)某一8×8矩陣進(jìn)行DCT變換后，能夠得到變換前矩陣和變換后的DCT頻率系數(shù)矩陣如圖3所示。

圖3 DCT變換前后對(duì)比Fig.3 Before and after comparison of DCT

由圖3分析可知，DCT變換后左上角的低頻分量明顯大于右下角的高頻分量，表明了圖像的信息都集中在了低頻分量處。

2.2 量化

獲得膠痕圖像的DCT頻率系數(shù)矩陣后，要對(duì)每個(gè)DCT系數(shù)矩陣進(jìn)行量化。所謂量化，就是讓每個(gè)頻率系數(shù)矩陣對(duì)應(yīng)除以一個(gè)量化表，并將結(jié)果四舍五入取整。因?yàn)榻?jīng)DCT變換后圖像的信息主要集中在左上角的低頻分量處[3]，故在對(duì)圖像進(jìn)行壓縮重構(gòu)時(shí)，適當(dāng)?shù)暮雎愿哳l分量，能夠在保證圖像質(zhì)量的情況下減少數(shù)據(jù)量。量化的目的就是在保留圖像低頻分量的同時(shí)，讓更多的高頻分量變?yōu)?，提高圖像的壓縮比。由于人眼對(duì)低頻分量敏感，而對(duì)高頻分量不敏感[4]，故在量化表中左上角的值要小于右下角，其中的每個(gè)量化值是通過(guò)大量的心理視覺實(shí)驗(yàn)得出的最佳量化值。用于亮度的量化表如圖4（a）所示。對(duì)圖3（b）所示的DCT變換后的矩陣進(jìn)行量化得到量化后矩陣如圖4（b）所示。

圖4 亮度量化表及量化后矩陣Fig.4 Luma quantization table and quantized matrix

由圖4分析可知，量化后的矩陣只有左上角的一小部分不為0，右下角高頻分量處全部為0，能夠通過(guò)編碼大量地減少數(shù)據(jù)的傳輸量。

2.3 編碼

完成了DCT頻率系數(shù)的量化后，要對(duì)每個(gè)頻率系數(shù)矩陣進(jìn)行編碼。在編碼前，首先要對(duì)每個(gè)頻率系數(shù)矩陣進(jìn)行Z形掃描重新排序。Z形掃描的順序如圖5所示。

Z 型掃描后，8×8 的頻率系數(shù)矩陣變?yōu)?×64的一維數(shù)列。第1個(gè)數(shù)為原來(lái)的DC系數(shù)，后63個(gè)數(shù)為AC系數(shù)。

對(duì)DC系數(shù)進(jìn)行編碼時(shí)，首先，對(duì)其進(jìn)行差分脈沖編碼調(diào)制[5]DPCM（differential pulse code modulation），即將每個(gè)數(shù)據(jù)單元的DC系數(shù)與前一個(gè)數(shù)據(jù)單元的DC系數(shù)做差值，對(duì)差值進(jìn)行編碼。然后，在表1中找到差值對(duì)應(yīng)的霍夫曼碼，將霍夫曼碼值與差值相連完成DC系數(shù)的編碼。

圖5 Z形掃描的順序圖Fig.5 Z-scan sequence diagram

表1 DC差值的霍夫曼編碼表Tab.1 Z-scan sequence diagram

對(duì)AC系數(shù)進(jìn)行編碼時(shí)，首先，對(duì)AC系數(shù)進(jìn)行游程編碼 RLE （run-length encoding）， 獲得形如RRRR/SSSS（RRRR為一個(gè)非零的AC系數(shù)前，連續(xù)零值的個(gè)數(shù)，SSSS為這個(gè)非零AC系數(shù)的二進(jìn)制比特?cái)?shù)）的中介形式。然后，在表2中找到中介形式對(duì)應(yīng)的霍夫曼碼值，并將該霍夫曼碼值與AC系數(shù)相連完成AC系數(shù)的熵編碼。

表2 中介形式與霍夫曼編碼值對(duì)照表Tab.2 Intermediary form and Huffman encoding value table

在AC系數(shù)編碼過(guò)程中，由于RRRR為4位二進(jìn)制數(shù)的形式，所以在一個(gè)中介形式中最多能夠表示15個(gè)0，當(dāng)連續(xù)為0的AC系數(shù)個(gè)數(shù)超過(guò)了15時(shí)，用15/0表示16個(gè)連續(xù)的0，用0/0表示其后的所有AC系數(shù)都是0。對(duì)AC系數(shù)編碼完成后即完成了膠痕圖像的JPEG壓縮編碼，獲得JPG格式的膠痕圖像。

3 仿真試驗(yàn)與實(shí)物測(cè)試

為了驗(yàn)證DCT變換后圖像信息集中在低頻分量處，在Matlab中進(jìn)行DCT仿真試驗(yàn)。為了驗(yàn)證JPEG壓縮編碼技術(shù)在膠痕檢測(cè)系統(tǒng)中的可行性，在實(shí)物系統(tǒng)中實(shí)物測(cè)試。

3.1 DCT仿真試驗(yàn)

DCT變換前后的圖像為灰度圖，每個(gè)點(diǎn)的灰度值能夠用0～255來(lái)表示，當(dāng)變換前后像素點(diǎn)的差值在15以內(nèi)時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)像素沒有變化。在Matlab 2012a環(huán)境下對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行DCT變換，并對(duì)保留不同DCT系數(shù)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行逆DCT變換，還原圖像數(shù)據(jù)。用還原后未發(fā)生變化的像素點(diǎn)總數(shù)除以圖像的總像素點(diǎn)數(shù)，得到的百分比作為二者的相似度。對(duì)大量圖像進(jìn)行以上仿真測(cè)試，得到保留不同DCT系數(shù)時(shí)變換前后的圖像相似度變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 保留不同DCT系數(shù)時(shí)變換前后的圖像相似度變化趨勢(shì)Fig.6 Similarity before and after image transformation trends while retaining different DCT coefficients

由圖6分析可知，當(dāng)只保留1個(gè)DCT系數(shù)時(shí)，還原后圖像與原始圖像的相似度最低的也在65%以上；當(dāng)DCT系數(shù)保留至21個(gè)時(shí)，相似度已經(jīng)基本上達(dá)到90%以上；當(dāng)DCT系數(shù)保留系數(shù)至32個(gè)時(shí)大部分的相似度都已達(dá)到97%以上。驗(yàn)證了圖像進(jìn)行DCT變換后，圖像信息主要集中在低頻分量處的結(jié)論。

3.2 實(shí)物測(cè)試

在以STM32為控制核心的壓縮子系統(tǒng)中完成膠痕圖像的壓縮，并將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)RS232總線傳送至Wifi傳輸模塊。Wifi傳輸模塊作為中繼，將壓縮后的膠痕圖像數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)，在PC機(jī)上完成膠痕圖像的識(shí)別。通過(guò)圖像數(shù)據(jù)的獲取及保存，獲得如圖7所示的發(fā)送前未壓縮的圖像，及PC機(jī)接收到壓縮數(shù)據(jù)后還原的圖像。

膠痕圖像在壓縮前的大小約為450 K，壓縮后的大小約為50 K；在傳輸距離為30 m時(shí)，未壓縮的膠痕圖像傳輸時(shí)間約為20 s，壓縮的膠痕圖像傳輸時(shí)間約為7 s；對(duì)未壓縮與壓縮后的膠痕圖像進(jìn)行識(shí)別，得到如圖8所示的結(jié)果。

圖7 JPEG壓縮編碼驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 JPEG compression coding validation results

圖8 識(shí)別結(jié)果對(duì)比Fig.8 Recognition results contrast

由實(shí)物平臺(tái)上的驗(yàn)證結(jié)果分析可知，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG壓縮編碼后，獲得的圖像與原始圖像包含的信息量基本一致，而且有效提高了圖像傳輸速率。驗(yàn)證了JPEG壓縮編碼技術(shù)在本系統(tǒng)中的可行性和有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高機(jī)場(chǎng)跑道系統(tǒng)的工作效率，保證飛機(jī)起降的安全性，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套以STM32單片機(jī)為硬件平臺(tái)和以VS2012為軟件開發(fā)環(huán)境的機(jī)場(chǎng)跑道膠痕圖像檢測(cè)系統(tǒng)。采用基于DCT的JPEG圖像壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的壓縮，在減少數(shù)據(jù)傳輸量的同時(shí)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘浚岣吡讼到y(tǒng)工作效率。仿真試驗(yàn)和實(shí)物測(cè)試結(jié)果表明，JPEG壓縮編碼技術(shù)在此系統(tǒng)中的應(yīng)用能夠有效提高膠痕圖像傳輸速率。

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