集成JPEG图像压缩技术的工业相机

集成JPEG图像压缩技术的优势

直接在相机中进行图像压缩具有诸多优势，如简化系统设计、使用灵活、性价比高。

低带宽：高质量和高压缩率确保图像以高分辨率、高帧率和低带宽传输。例如，要通过GigE接口以300 fps的帧率传输全高清彩色图像，大约100 MB/s的带宽就足够了。
系统设计灵活：相比USB接口相机，由于支持更高的帧率，适用的电缆长度长达100 m，灵活性更高。因此，还可以使用GigE交换机，通过精确时间协议（PTP）实现多相机同步，或通过光纤使用万兆网接口上行链路，从而实现长达10 km的超长距离传输。
降低CPU负载：色彩计算、转换为YCbCr和图像压缩不再占用电脑的CPU负载，因此大大降低了对主存储器容量和存储介质带宽的要求。存储空间要求的降低还意味着拍摄时间大大延长。

JPEG图像压缩技术的功能原理

1992年，联合图像专家组（JPEG）发布了ISO/IEC 10918标准。该标准由7个部分组成，特别规定了各类图像的实际压缩率以及JFIF（JPEG文件交换格式）的保存格式。JFIF是使用最广泛的图像格式之一。

根据该标准，图像是按照几个步骤进行压缩的。彩色图像会首先被从RGB色彩空间转换为YCbCr色彩模型，该模型由亮度分量Y（亮度）和两个色度分量Cb（蓝黄色度）和Cr（红绿色度）组成。然后需要通过低通滤波和欠采样技术减少色度分量。这样做的事实依据是，人眼对颜色的分辨力明显低于亮度差异分辨力。

从左至右：原始图像（RGB色彩空间）和它被分割成Y亮度分量、Cb色度分量和Cr色度分量的图像。

转换后，将每个分量（Y、Cb和Cr）分成8×8的数据块，并完成离散余弦变换（DCT）。随后，通过数据量化实现数据压缩。完成图像压缩的最后一步是，按照对应频率对系数进行重新排序，并进行熵编码。为了提高性能，这两个过程可以同时进行。

JPEG压缩通常是有损压缩，因为图像质量会降低。对于黑白图像，按照5:1压缩后，肉眼看不出质量损失；按照10:1压缩后，图像质量对许多应用来说是够用的。然而，更高的压缩率压缩则会导致图像中出现明显的伪影，如块状和阶梯状边缘。对于RGB彩色图像，12:1或35:1的压缩率可获得视觉无损图像或高质量图像。

在LXT相机中实现图像压缩

LXT相机配备新一代CMOS传感器，具有高分辨率和高帧率。未压缩图像可以通过高速万兆网接口直接传输到电脑上。JPEG图像压缩可作为Camera Explorer（相机浏览器）或SDK（软件开发包）中的一项功能被激活。要激活该功能，首先必须选择适合应用的像素格式（Mono8或YCbCr422_8）。然后，只需按下选用参数图像压缩模式（Image Compression Mode）=JPEG的按钮，便可激活集成的JPEG图像压缩功能。

JPEG图像压缩率可以通过参数图像压缩质量（Image Compression Quality）在30-100%的范围内进行灵活设置，从而单独调节图像质量，满足具体应用要求。

此外，LXT相机还支持黑白或8位彩色图像的压缩。LXT彩色相机首先对图像进行高质量的色彩计算（部分在5×5条件下）并将其转换为YCbCr422_8格式，然后借助全面的传感器功能按顺序进行JPEG图像压缩。在此过程中，因压缩造成的额外时间延迟可以忽略不计，相机按照JPEG有效负载类型对应的GigE Vision 2.0标准压缩图像。最后，相机生成包含所有数据头的JPEG数据流，可以直接保存到JPEG文件中。时间戳和JPEG数据流中的感兴趣区域位置也可以传输到元数据中。但是，相机不支持图像预览或原始图像和JPEG图像的并行传输。

应用举例

JPEG图像压缩技术适用于所有需要长时间采集序列图像的应用，特别适合传输或存储介质带宽有限或电脑无法进行图像压缩的情况，例如在多台相机的应用中。压缩后，图像质量在一定程度上低于原始图像，因此不建议在计量领域的应用中使用该相机。

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软件支持

VLXT.JP相机可选配各种软件，方便集成和使用。

OEM客户：如果需要将相机集成到OEM应用中，可以选配堡盟GAPI SDK。因为该软件开发包提供展示配置、图像采集和保存为.jpg文件过程的示例。它还拥有FFmpeg等程序库，有助于通过多幅图像创建视频。
最终用户：如果是最终用户使用相机，则可为其选配堡盟Camera Explorer。在这个使用方便的图形化应用程序中，可以对相机进行参数设置，并采集和显示图像。该应用程序还提供诸多附加功能，如在主存储器中或直接在硬盘上储存高速拍摄的图像、通过I/O事件触发管理环形存储器以及生成视频。借助LXT.JP相机，传输的压缩数据流还可以直接解码，从而实现可视化或保存为.jpg文件。因此，堡盟Camera Explorer支持长时间拍摄，便于直接在USB硬盘上高速采集序列图像。
用于视频录制的第三方软件：NorPix提供用于数字视频录制的软件和解决方案。借助StreamPix或TroublePix软件包，可以用一台或多台相机高速采集序列图像。在这方面，典型的应用领域是工业环境中机器和系统的故障分析。例如，堡盟VLXT-06M.I.JP相机适用于生产设施的监控。由于相机拥有高达1500 fps的帧率和高达800×600的像素，空间和时间分辨率都非常高。而且相机还集成了JPEG图像压缩技术，可以实现长达189小时的超长时间拍摄。
用于动作分析的第三方软件：CONTEMPLAS公司提供的动作分析软件TEMPLO适用于健康和体育领域的动作和姿势分析。这个由硬件和软件组成的系统解决方案面向专业的最终用户，已在全球发行和使用。例如，堡盟VLXT-31C.I.JP 300万像素彩色相机在全高清（Full HD）模式下帧率高达300 fps，结合TEMPLO软件后，可用于竞技体育的动作分析，如游泳和手球。
用于体育领域视频分析的第三方软件：Kinovea可以通过各种工具实现物体追踪或对速度和角度进行测量。这是一个免费的开源解决方案，常常被用于大学运动会和业余体育赛事中。该软件中可以直接集成堡盟VLXT.JP相机，从而确保更高的性能和出色的坚固性，简化过程同步。