劉曉琳，黃 興，岳子皓，何乃超，李雪濤

（中國民航大學 航空自動化學院，天津 300300）

隨著國民經濟的快速發(fā)展，我國航空運輸市場不斷發(fā)展。機場航班次數(shù)的增多所帶來的飛機頻繁起降使得機場跑道附著的膠質層日益增厚，導致摩擦因數(shù)不斷降低，從而影響飛機的起降安全?，F(xiàn)有的膠痕檢測系統(tǒng)是將攝像頭所采集到的膠痕圖像數(shù)據(jù)傳送給識別裝置，實現(xiàn)機場跑道膠痕的自動識別，不再依賴人眼檢測膠痕。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、耗時久，大大降低了系統(tǒng)的工作效率。為了解決該問題，對現(xiàn)有的膠痕檢測系統(tǒng)進行改進，采用JPEG圖像壓縮編碼技術，降低數(shù)據(jù)傳輸量，并利用Wifi傳輸技術和神經網絡識別技術進行機場跑道膠痕圖像的傳輸和識別。通過仿真試驗及實物測試驗證JPEG壓縮編碼技術在系統(tǒng)中的可行性。

1 系統(tǒng)構成及工作原理

該系統(tǒng)以STM32單片機為硬件平臺和以VS2012為軟件開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)飛機跑道膠痕的自動識別。系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構成Fig.1 System components

整個系統(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)識別3個子系統(tǒng)。在系統(tǒng)工作時，首先，PC機通過WiFi傳輸模塊向STM32單片機發(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對膠痕圖像進行JPEG壓縮編碼處理，并同時完成膠痕圖像在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RS232總線獲取壓縮后的膠痕圖像數(shù)據(jù)，并同時將圖像數(shù)據(jù)傳送至無線網絡。最后，在圖像數(shù)據(jù)識別子系統(tǒng)中，PC機連接無線網絡，獲取壓縮后的膠痕圖像數(shù)據(jù)，通過在VS2012環(huán)境下實現(xiàn)的神經網絡識別技術，對膠痕等級進行評定，并將評定結果傳送至報警模塊。

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）實現(xiàn)的，具有變換前后信號熵及能量不變、求解精度高、抗噪聲能力好、壓縮比大、恢復效果好等優(yōu)點[1]。由于DCT變換是針對于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)轉換到YCbCr色彩空間。然后，將YCbCr數(shù)據(jù)分為一個個8×8的數(shù)據(jù)單元矩陣。接著，對每個8×8數(shù)據(jù)單元矩陣進行DCT變換、量化和編碼，實現(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)的像素空間轉換和分塊后，為了使像素數(shù)據(jù)能夠被DCT變換接收，要對所有的像素數(shù)據(jù)進行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，將每個數(shù)據(jù)單元的數(shù)值代入二維離散余弦變換公式中進行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)矩陣內某個數(shù)值的坐標位置； f（x，y）為圖像數(shù)據(jù)矩陣內坐標為（x，y）的像素值；u和v為DCT變換后矩陣內某個DCT系數(shù)的坐標位置；F（u，v）為 DCT 變換后矩陣內坐標為（u，v）的DCT系數(shù)值。

完成DCT變換以后，每個8×8的數(shù)據(jù)單元對應轉換成為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。每個頻率系數(shù)矩陣中的第一個數(shù)據(jù)為DCT頻率系數(shù)的DC系數(shù)（直流分量），剩下的63個數(shù)據(jù)為AC系數(shù)（交流分量）。對某一8×8矩陣進行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，要對每個DCT系數(shù)矩陣進行量化。所謂量化，就是讓每個頻率系數(shù)矩陣對應除以一個量化表，并將結果四舍五入取整。因為經DCT變換后圖像的信息主要集中在左上角的低頻分量處[3]，故在對圖像進行壓縮重構時，適當?shù)暮雎愿哳l分量，能夠在保證圖像質量的情況下減少數(shù)據(jù)量。量化的目的就是在保留圖像低頻分量的同時，讓更多的高頻分量變?yōu)?，提高圖像的壓縮比。由于人眼對低頻分量敏感，而對高頻分量不敏感[4]，故在量化表中左上角的值要小于右下角，其中的每個量化值是通過大量的心理視覺實驗得出的最佳量化值。用于亮度的量化表如圖4（a）所示。對圖3（b）所示的DCT變換后的矩陣進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，要對每個頻率系數(shù)矩陣進行編碼。在編碼前，首先要對每個頻率系數(shù)矩陣進行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個數(shù)為原來的DC系數(shù)，后63個數(shù)為AC系數(shù)。

對DC系數(shù)進行編碼時，首先，對其進行差分脈沖編碼調制[5]DPCM（differential pulse code modulation），即將每個數(shù)據(jù)單元的DC系數(shù)與前一個數(shù)據(jù)單元的DC系數(shù)做差值，對差值進行編碼。然后，在表1中找到差值對應的霍夫曼碼，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AC系數(shù)進行編碼時，首先，對AC系數(shù)進行游程編碼 RLE （run-length encoding）， 獲得形如RRRR/SSSS（RRRR為一個非零的AC系數(shù)前，連續(xù)零值的個數(shù)，SSSS為這個非零AC系數(shù)的二進制比特數(shù)）的中介形式。然后，在表2中找到中介形式對應的霍夫曼碼值，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照表Tab.2 Intermediary form and Huffman encoding value table

在AC系數(shù)編碼過程中，由于RRRR為4位二進制數(shù)的形式，所以在一個中介形式中最多能夠表示15個0，當連續(xù)為0的AC系數(shù)個數(shù)超過了15時，用15/0表示16個連續(xù)的0，用0/0表示其后的所有AC系數(shù)都是0。對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 仿真試驗與實物測試

為了驗證DCT變換后圖像信息集中在低頻分量處，在Matlab中進行DCT仿真試驗。為了驗證JPEG壓縮編碼技術在膠痕檢測系統(tǒng)中的可行性，在實物系統(tǒng)中實物測試。

3.1 DCT仿真試驗

DCT變換前后的圖像為灰度圖，每個點的灰度值能夠用0～255來表示，當變換前后像素點的差值在15以內時，認為該點像素沒有變化。在Matlab 2012a環(huán)境下對圖像數(shù)據(jù)進行DCT變換，并對保留不同DCT系數(shù)的圖像數(shù)據(jù)進行逆DCT變換，還原圖像數(shù)據(jù)。用還原后未發(fā)生變化的像素點總數(shù)除以圖像的總像素點數(shù)，得到的百分比作為二者的相似度。對大量圖像進行以上仿真測試，得到保留不同DCT系數(shù)時變換前后的圖像相似度變化趨勢如圖6所示。

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

由圖6分析可知，當只保留1個DCT系數(shù)時，還原后圖像與原始圖像的相似度最低的也在65%以上；當DCT系數(shù)保留至21個時，相似度已經基本上達到90%以上；當DCT系數(shù)保留系數(shù)至32個時大部分的相似度都已達到97%以上。驗證了圖像進行DCT變換后，圖像信息主要集中在低頻分量處的結論。

3.2 實物測試

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，在PC機上完成膠痕圖像的識別。通過圖像數(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，未壓縮的膠痕圖像傳輸時間約為20 s，壓縮的膠痕圖像傳輸時間約為7 s；對未壓縮與壓縮后的膠痕圖像進行識別，得到如圖8所示的結果。

圖7 JPEG壓縮編碼驗證結果Fig.7 JPEG compression coding validation results

圖8 識別結果對比Fig.8 Recognition results contrast

由實物平臺上的驗證結果分析可知，對圖像數(shù)據(jù)進行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。驗證了JPEG壓縮編碼技術在本系統(tǒng)中的可行性和有效性。

4 結語

為了提高機場跑道系統(tǒng)的工作效率，保證飛機起降的安全性，設計開發(fā)了一套以STM32單片機為硬件平臺和以VS2012為軟件開發(fā)環(huán)境的機場跑道膠痕圖像檢測系統(tǒng)。采用基于DCT的JPEG圖像壓縮編碼技術進行圖像數(shù)據(jù)的壓縮，在減少數(shù)據(jù)傳輸量的同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⒘?，提高了系統(tǒng)工作效率。仿真試驗和實物測試結果表明，JPEG壓縮編碼技術在此系統(tǒng)中的應用能夠有效提高膠痕圖像傳輸速率。

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