圖像通信系統(tǒng)設計與仿真—課程設計論文

1、 科f 課 程 設 計報 告report on curriculum design 題 目： 圖像通信系統(tǒng)設計與仿真 學科部、系： 信息學科部電子系 目錄目錄i摘要ii第一章 圖像通信系統(tǒng)的概述11.1 圖像通信通信課程設計的任務與要求11.1.1 設計任務11.1.2 設計要求11.2 圖像通信通信課程設計流程1第二章 圖像的編碼與解碼22.1 哈弗曼編碼的原理2 2.2 哈弗曼解碼的原理2第三章 數(shù)字信號的調制與解調33.1 數(shù)字信號的調制33.1.1 調制的概念及分類33.1.2 調制的原理33.2 數(shù)字信號的解調43.2.1 解調的概念43.2.2 解調的原理4第四章 圖形用戶界面的設

2、計與制作6 4.1 圖形用戶界面gui的概述6 4.2 圖形用戶界面（gui）的設計與制作6第五章 總結7參考文獻8附錄1 圖像通信在在matlab中算法實現(xiàn)9摘要圖像通信是以圖像通信的基本原理、基本技術理論為基礎發(fā)展的新技術，具體內容包括圖像與數(shù)字圖像通信、圖像分析與正交變換、圖像壓縮編碼、靜止圖像編碼、活動圖像編碼、圖像通信中的信道編碼與傳輸技術。本課程設計主要研究圖像通信系統(tǒng)的設計和仿真，在matlab中對圖像進行讀取、壓縮和哈弗曼編碼，將數(shù)字化后的圖像進行數(shù)字調制，已調后的信號可以傳輸和交換，到達接收端，經(jīng)解調和解碼還原成圖像，從而完成了圖像信號傳送和接收。利用圖形用戶界面(gui)，

3、通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地對本次課程設計的圖像通信進行操作，觀察。本文通過對圖像進行哈弗曼編碼，對比ask,fsk,psk三種調制方式進行傳輸，利用相干解調方式，然后再進行哈弗曼解碼，在圖形用戶界面上實現(xiàn)圖像通信操作仿真。關鍵詞：圖像通信系統(tǒng)，傳輸接收，壓縮，哈弗曼編碼解碼，調制，相干解調，圖形用戶界面 第一章 圖像通信系統(tǒng)的概述1.1 圖像通信通信課程設計的任務與要求1.1.1 設計任務1) 學習并掌握圖像通信的基本原理，學會利用仿真的手段對于實用通信系統(tǒng)的基本理論，基本算法進行實際驗證；2) 學習通信系統(tǒng)仿真軟件matlab的基本使用方法，解決實際系統(tǒng)出現(xiàn)的問題；3) 通過matl

4、ab進行仿真，并制作圖形用戶界面(gui)加深對圖像通信系統(tǒng)理論的理解；1.1.2 設計要求1) 編碼：讀入一幅圖像，對圖像進行哈弗曼編碼；2) 調制：采用振幅鍵控(ask），相移鍵控（psk），頻移鍵控（fsk）三種方式對編碼后產生的數(shù)字信號進行調制；3) 解調：采用相干解調方式；4) 解碼：哈弗曼解碼輸出原圖像；1.2 圖像通信通信課程設計流程 根據(jù)系統(tǒng)設計的任務要求，確定該系統(tǒng)的設計流程方框圖，如圖1.1所示。 圖1.1 圖像的設計流程方框圖 第二章 圖像的編碼與解碼2.1 哈弗曼編碼的原理哈弗曼編碼過程分為兩步驟：第一，消減信源符號數(shù)量；第二，對每一個信源符號賦值?；诠蚵幋a圖像壓

5、縮的基本原理是在對數(shù)據(jù)進行編碼時可以對那些經(jīng)常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)指定較少的位數(shù)表示,而那些不常出現(xiàn)的數(shù)據(jù)指定較多的位數(shù)表示,每個數(shù)據(jù)的代碼各不相同,這是一種典型的無損編碼方式。這些代碼都是二進制碼,且碼字長度是不均勻的、平均碼率可以接近信息源熵值的一種編碼。 哈夫曼編碼是一種常用的壓縮編碼算法,采用變長碼編碼,屬于無損壓縮算法的一種。 由于進行的是無損壓縮,所以要掃描圖像的所有像素點,壓縮過程分為四步:1 掃描統(tǒng)計像素出現(xiàn)的概率并按大小排列；2 建立最優(yōu)二叉樹;3 哈夫曼編碼;4 保存編碼。 2.2 哈弗曼解碼的原理哈夫曼解碼過程是文件編碼過程的逆過程，由于哈夫曼編碼可即時解碼，因此只要得到一個碼字,

6、則通過查找哈夫曼編碼表得到相應的字符，映射過程是編碼時映射的逆過程。因此，每從壓縮文件中讀出一個碼字，就從通過查找哈夫曼編碼表用字符替換相應的碼字，當壓縮文件中所有的碼字被字符替換掉，也就宣告解壓過程完成了。 第三章 數(shù)字信號的調制與解調 3.1 數(shù)字信號的調制3.1.1 調制的概念及分類用基帶信號對載波（通常為余弦或正弦）波形的某些參數(shù)（如幅度、相位和頻率）進行控制，使這些參數(shù)隨基帶信號的變化而變化。因此，數(shù)字信號的調制可分為振幅鍵控(ask），相移鍵控（psk），頻移鍵控（fsk）。3.1.2 調制的原理1) m進制振幅鍵控(mask）基本原理m進制數(shù)字振幅調制信號的載波幅度有m種取值，在

7、每個符號時間間隔ts內發(fā)送m個幅度中的一種幅度的載波。表達式：a. g(t)為基帶信號波形b. ts為符號時間間隔c. an為幅度值2) m制頻移鍵控（mfsk）基本原理表達式： 式中 為載波角頻率，共有m種取值。通?？蛇x載波頻率fn/2ts，n為正整數(shù),此時m種發(fā)送信號相互正交。3) m進制相移鍵控（mpsk）基本原理表達式 ： 式中a. g(t)-信號包絡波形，通常為矩形波，幅度為1b. ts-碼元時間寬度c. c-載波角頻率d. -第n個碼元對應的相位，共有m種取值3.2 數(shù)字信號的解調3.2.1 解調的概念解調也叫檢波，其作用就是從接收到的已調波中無失真地恢復出調制信號。調幅信號的解調

8、技術可大致分為兩類：相關解調和非相關解調。 1) 相干解調（又稱同步檢波）：需要在接收端知道發(fā)射載波的頻率和相位（恢復相干載波以用于與接收的已調信號相乘）。其中乘機檢波器也叫鑒相器，是將輸入的帶通信號變?yōu)榛鶐盘柕南伦冾l電路。2) 非相干解調（又稱包絡檢波）：即不需要知道有關的信息，它的輸出信號與輸入信號實際包絡成正比。3.2.2 解調的原理1. ask信號的解調 2ask相干解調方框圖如圖所示2. fsk信號的解調2fsk相干解調方框圖如圖所示3. psk信號的解調2psk相干解調方框圖如圖所示第四章 圖形用戶界面的設計與制作 圖形用戶界面或圖形用戶接口(graphical user int

9、erface，gui)是指采用圖形方式顯示的計算機操作環(huán)境用戶接口。與早期計算機使用的命令行界面相比，圖形界面對于用戶來說更為簡便易用。gui的廣泛應用是當今計算機發(fā)展的重大成就之一，它極大地方便了非專業(yè)用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可用用通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地進行操作。而嵌入式gui具有下面幾個方面的基本要求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。 4.1 圖形用戶界面gui的概述圖形用戶界面gui是一種包含多種對象的圖形窗口，并為gui開發(fā)提供一個方便高效的集成開發(fā)環(huán)境guide。guide主要是一個界面設計工具集，matlab

10、將所有gui支持的控件都集成在這個環(huán)境中。guide將設計好的gui保存在一個fig文件中，同時生成m文件框架。fig文件：該文件包括gui圖形窗口及其所有fig文件包含序列化的圖形窗口對象；m文件：該文件包括gui設計、控制函數(shù)以及定義為子函數(shù)的用戶控件回調函數(shù)。guide可以根據(jù)gui設計過程直接自動生成m文件框架，優(yōu)點如下：a. m文件已經(jīng)包含一些必要的代碼；b. 管理圖形對象句柄并執(zhí)行回調函數(shù)子程序；c. 提供管理全局數(shù)據(jù)的途徑；d. 支持自動插入回調函數(shù)原型。4.2 圖形用戶界面（gui）的設計與制作1) gui創(chuàng)建包括界面設計和控件編程兩部分，主要步驟如下：a. 通過設置guide

11、應用程序的選項來運行guide；b. 使用界面設計編輯器進行界面設計；c. 編寫控件行為響應控制（即回調函數(shù)）代碼。2) 圖像通信系統(tǒng)的的圖形用戶界面gui 第五章 總 結 圖像通信系統(tǒng)為目前廣泛使用的技術，以圖像通信理論為基礎，反映了當代圖像通信發(fā)展的新技術。對基本原理和技術的分析同時涉及模擬圖像通信和數(shù)字圖像通信，并以數(shù)字圖像的分析為主。具體內容包括圖像與數(shù)字圖像通信、圖像分析與正交變換、圖像壓縮編碼、靜止圖像編碼、活動圖像編碼、圖像通信中的信道編碼與傳輸技術、圖像編碼方法的新進展和數(shù)字圖像通信系統(tǒng)。本次圖像通信系統(tǒng)設計與仿真是對圖像通信系統(tǒng)在matlab中的簡單應用。通過在matlab中

12、對圖像進行讀取、壓縮和哈弗曼編碼，將數(shù)字化后的圖像進行數(shù)字調制，已調后的信號可以傳輸和交換，到達接收端，經(jīng)解調和解碼還原成圖像，從而完成了圖像信號傳送和接收。利用圖形用戶界面(gui)，通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地對本次課程設計的圖像通信進行操作，觀察。本文通過對圖像進行哈弗曼編碼，對比ask,fsk,psk三種調制方式進行傳輸，利用相干解調方式，然后再進行哈弗曼解碼，在圖形用戶界面上實現(xiàn)圖像通信操作仿真。讓我們深入了解圖像通信系統(tǒng)及其技術應用。參考文獻1 婁莉圖像通信原理與技術m. 北京：清華大學出版社，20102 章毓晉. 圖像處理和分析教程m. 北京：人民郵電出版社，2009 3

13、夏良正. 數(shù)字圖像處理（第2版）.南京：東南大學出版社，2005 4 姚敏. 數(shù)字圖像處理.北京：機械工業(yè)出版社，2005 5 李朝暉. 數(shù)字圖像處理及應用（含1cd）.北京：機械工業(yè)出版社，2005 6 何東健，耿楠，張義寬. 數(shù)字圖像處理.西安：西安電子科技大學出版社，2004 7 賈永紅. 數(shù)字圖像處理.武漢：武漢大學出版社，2004 附錄1 圖像通信在在matlab中算法實現(xiàn)1、 哈弗曼編碼在matlab中的算法1. function ratio,rowsb,colsb,dictionary,huffcode_i=huffencode(i)2. k = imread(cameraman

14、.tif);3. i = imresize(k,20,20);4. maxi = max(max(i); %求圖像灰度級最大值5. h = zeros(1,maxi+1); %直方圖矩陣初始化6. rows,cols = size(i);7. rowsb=tentotwo(rows); %調用十進制轉換成二進制的程序8. colsb=tentotwo(cols);9. for i = 1:rows10. for j = 1:cols11. h(i(i,j)+1) =h(i(i,j)+1)+1;12. end13. end14. h = h/(rows*cols);15. index, hn =

15、 sortdezero(h); %調用sortdezero函數(shù) 16. indexcell = num2cell(index); %huffman樹的下標變成元包數(shù)組17. lenindex= length(index);18. codeword = cell(1,maxi+1) ; %定義元包數(shù)組存放碼字19. for i =1:lenindex-120. index1 = indexcell1; 21. index2 = indexcell2; for j =1:length(index1)22. codeword(index1(j) = 0,codewordindex1(j) ;23.

16、end24. for j =1:length(index2)25. codeword(index2(j) = 1,codewordindex2(j) ;26. end 27. indexcell = index1,index2,indexcell3:end;28. hn = sum(hn(1:2),hn(3:end);29. index, hn = sorth(hn);30. indexcell = indexcell(index);31. end32. lavg = 0;33. for i = 1:length(h)34. lavg = lavg+ h(i)* length( codewor

17、di);35. end36. ratio=8/lavg; %計算壓縮比37. ii =i(:);38. huffcode_i = ; % 存儲圖像的huffman編碼39. for i = 1:length(ii)40. huffcode_i = huffcode_i,codewordii(i)+1;41. end42. huffcode_i = logical(huffcode_i);43. dictionary=zeros(1,uint16(maxi+1)*16);%字典的傳送44. a=;45. for i=1:double(maxi+1)46. num=length(codewordi

18、);47. y=num;48. if num=049. for k=1:450. b=mod(y,2);51. dictionary(16*(i-1)+(5-k)=b;52. y=floor(y/2);53. end54. a=codewordi;55. for j=1:num56. dictionary(16*(i-1)+4+j)=a(j);57. end58. end59. end哈弗曼編碼在matlab中的算法如下：1. function di = huffdecode(rowsb,colsb,dictionary, huffcode_i) 2. rows=0; %圖像列數(shù)3. for

19、i=1:length(rowsb)4. if rowsb(i)=05. rows=rows+2(length(rowsb)-i);6. end7. end8. cols=0; %圖像行數(shù)9. for i=1:length(colsb)10. if colsb(i)=011. cols=cols+2(length(colsb)-i);12. end13. end 14. codeword = cell(1,256); % 字典解碼接收,字典解碼存放碼字15. for i=1:25616. num=dictionary(16*(i-1)+1)*8+dictionary(16*(i-1)+2)*4+

20、dictionary(16*(i-1)+3)*2+dictionary(16*(i-1)+4);17. if num=018. codeword(i)=dictionary(16*(i-1)+5):(16*(i-1)+4+num);19. end20. if length(dictionary(16*i+1):end)=num33. if huffcode_i(k:k+num-1)=codewordi34. d(q)=i-1; %解碼35. k=k+num;36. break;37. end38. end39. end40. end41. end42. di = reshape(d,rows,

21、cols);2、 調制在matlab中的算法如下：1. function eth et bn = digtalmod(fs,fc,an,m,rb,df,modtype)2. tr=fs/rb;3. if m=24. bn = bin2decxie(an,m);5. else 6. bn=an;7. end8. n0=length(bn);9. t=n0/rb;%n個碼元的傳輸時間10. t=0:1/fs:t-1/fs;11. for i=1:length(bn)12. s(i-1)*tr+1:i*tr)=bn(i);13. end14. switch modtype15. case ask11

22、6. et = s.*cos(2*pi*fc*t); %ask17. case fsk218. et = cos(2*pi*(fc+s*df).*t);%fsk19. case psk320. et = cos(2*pi*fc*t+s*2*pi/m); 21. end22. eth=hilbert(et);解調在matlab中的算法如下：1. function bn0 = digitaldemod(eth,fs,fc,rb,m,modtype)2. t=length(eth)/fs;3. t=0:1/fs:t-1/fs;4. tr=fs/rb;5. eth=hilbert(eth);6. switch modtype7. case ask18. des = abs(eth);9. case fsk210. phi=unwrap(angle(eth);11. des=diff(phi);12. case psk313. eth=eth.*exp(-j*2*pi*fc*t