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篇1

關鍵詞：數(shù)字圖像；圖像壓縮；壓縮技術；任意形狀可視對象編碼

Abstract:Digitalimagecompressiontechnologyisofspecialintrestforthefasttransmissionandreal-timeprocesssingofdigitalimageinformationontheinternet.Thepaperintroducesseveralkindsofthemostimportantimagecompressionalgorithmsatpresent:JPEG,JPEG2000,fractalimagecompressionandwavelettransformationimagecompression,andsummarizestheiradvantageanddisadvantageanddevelopmentprospect.Thenitintroducessimplythepresentdevelopmentofcodingalgorithmsaboutarbitraryshapevideoobject,andindicatesthealgorithmshaveahighcompressionrate.

Keyword:Digitalimage;Imagecompression;Compresstechnique;Arbitraryshapevisibleobjectcode

一、引言

隨著多媒體技術和通訊技術的不斷發(fā)展，多媒體娛樂、信息高速公路等不斷對信息數(shù)據(jù)的存儲和傳輸提出了更高的要求，也給現(xiàn)有的有限帶寬以嚴峻的考驗，特別是具有龐大數(shù)據(jù)量的數(shù)字圖像通信，更難以傳輸和存儲，極大地制約了圖像通信的發(fā)展，因此圖像壓縮技術受到了越來越多的關注。圖像壓縮的目的就是把原來較大的圖像用盡量少的字節(jié)表示和傳輸，并且要求復原圖像有較好的質量。利用圖像壓縮，可以減輕圖像存儲和傳輸?shù)呢摀?，使圖像在網(wǎng)絡上實現(xiàn)快速傳輸和實時處理。

圖像壓縮編碼技術可以追溯到1948年提出的電視信號數(shù)字化，到今天已經(jīng)有50多年的歷史了[1]。在此期間出現(xiàn)了很多種圖像壓縮編碼方法，特別是到了80年代后期以后，由于小波變換理論，分形理論，人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論，視覺仿真理論的建立，圖像壓縮技術得到了前所未有的發(fā)展，其中分形圖像壓縮和小波圖像壓縮是當前研究的熱點。本文對當前最為廣泛使用的圖像壓縮算法進行綜述，討論了它們的優(yōu)缺點以及發(fā)展前景。

二、JPEG壓縮

負責開發(fā)靜止圖像壓縮標準的“聯(lián)合圖片專家組”（JointPhotographicExpertGroup,簡稱JPEG），于1989年1月形成了基于自適應DCT的JPEG技術規(guī)范的第一個草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918國際標準草案，并在一年后成為國際標準，簡稱JPEG標準。

1．JPEG壓縮原理及特點

JPEG算法中首先對圖像進行分塊處理，一般分成互不重疊的大小的塊，再對每一塊進行二維離散余弦變換（DCT）。變換后的系數(shù)基本不相關，且系數(shù)矩陣的能量集中在低頻區(qū)，根據(jù)量化表進行量化，量化的結果保留了低頻部分的系數(shù)，去掉了高頻部分的系數(shù)。量化后的系數(shù)按zigzag掃描重新組織，然后進行哈夫曼編碼。JPEG的特點如下：

優(yōu)點：（1）形成了國際標準；（2）具有中端和高端比特率上的良好圖像質量。

缺點：（1）由于對圖像進行分塊，在高壓縮比時產(chǎn)生嚴重的方塊效應；（2）系數(shù)進行量化，是有損壓縮；（3）壓縮比不高，小于50[2]。

JPEG壓縮圖像出現(xiàn)方塊效應的原因是：一般情況下圖像信號是高度非平穩(wěn)的，很難用Gauss過程來刻畫，并且圖像中的一些突變結構例如邊緣信息遠比圖像平穩(wěn)性重要，用余弦基作圖像信號的非線性逼近其結果不是最優(yōu)的[3]。

2．JPEG壓縮的研究狀況及其前景[2]

針對JPEG在高壓縮比情況下，產(chǎn)生方塊效應，解壓圖像較差，近年來提出了不少改進方法，最有效的是下面的兩種方法：

（1）DCT零樹編碼

DCT零樹編碼把DCT塊中的系數(shù)組成log2N個子帶，然后用零樹編碼方案進行編碼。在相同壓縮比的情況下，其PSNR的值比EZW高。但在高壓縮比的情況下，方塊效應仍是DCT零樹編碼的致命弱點。

（2）層式DCT零樹編碼

此算法對圖像作的DCT變換，將低頻塊集中起來，做反DCT變換；對新得到的圖像做相同變換，如此下去，直到滿足要求為止。然后對層式DCT變換及零樹排列過的系數(shù)進行零樹編碼。

JPEG壓縮的一個最大問題就是在高壓縮比時產(chǎn)生嚴重的方塊效應，因此在今后的研究中，應重點解決DCT變換產(chǎn)生的方塊效應，同時考慮與人眼視覺特性相結合進行壓縮。

三、JEPG2000壓縮

JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29標準化小組負責制定的全新靜止圖像壓縮標準。一個最大改進是它采用小波變換代替了余弦變換。2000年3月的東京會議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式—JPEG2000圖像壓縮標準的編碼算法。

1．JPEG2000壓縮原理及特點

JPEG2000編解碼系統(tǒng)的編碼器和解碼器的框圖如圖1所示[4]。

編碼過程主要分為以下幾個過程：預處理、核心處理和位流組織。預處理部分包括對圖像分片、直流電平（DC）位移和分量變換。核心處理部分由離散小波變換、量化和熵編碼組成。位流組織部分則包括區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。

JPEG2000格式的圖像壓縮比，可在現(xiàn)在的JPEG基礎上再提高10%~30%，而且壓縮后的圖像顯得更加細膩平滑。對于目前的JPEG標準，在同一個壓縮碼流中不能同時提供有損和無損壓縮，而在JPEG2000系統(tǒng)中，通過選擇參數(shù)，能夠對圖像進行有損和無損壓縮?，F(xiàn)在網(wǎng)絡上的JPEG圖像下載時是按“塊”傳輸?shù)?，而JPEG2000格式的圖像支持漸進傳輸，這使用戶不必接收整個圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術，可隨機獲取某些感興趣的圖像區(qū)域（ROI）的壓縮碼流，對壓縮的圖像數(shù)據(jù)進行傳輸、濾波等操作[4]。

圖1JPEG2000壓縮編碼與解壓縮的總體流程

2．JPEG2000壓縮的前景

JPEG2000標準適用于各種圖像的壓縮編碼。其應用領域將包括Internet、傳真、打印、遙感、移動通信、醫(yī)療、數(shù)字圖書館和電子商務等[5]。JPEG2000圖像壓縮標準將成為21世紀的主流靜態(tài)圖像壓縮標準。

四、小波變換圖像壓縮

1．小波變換圖像壓縮原理

小波變換用于圖像編碼的基本思想就是把圖像根據(jù)Mallat塔式快速小波變換算法進行多分辨率分解。其具體過程為：首先對圖像進行多級小波分解，然后對每層的小波系數(shù)進行量化，再對量化后的系數(shù)進行編碼。小波圖像壓縮是當前圖像壓縮的熱點之一，已經(jīng)形成了基于小波變換的國際壓縮標準，如MPEG-4標準，及如上所述的JPEG2000標準[2]。

2．小波變換圖像壓縮的發(fā)展現(xiàn)狀及前景

目前3個最高等級的小波圖像編碼分別是嵌入式小波零樹圖像編碼（EZW），分層樹中分配樣本圖像編碼（SPIHT）和可擴展圖像壓縮編碼（EBCOT）。

（1）EZW編碼器[6]

1993年，Shapiro引入了小波“零樹”的概念，通過定義POS、NEG、IZ和ZTR四種符號進行空間小波樹遞歸編碼，有效地剔除了對高頻系數(shù)的編碼，極大地提高了小波系數(shù)的編碼效率。此算法采用漸進式量化和嵌入式編碼模式，算法復雜度低。EZW算法打破了信息處理領域長期篤信的準則：高效的壓縮編碼器必須通過高復雜度的算法才能獲得，因此EZW編碼器在數(shù)據(jù)壓縮史上具有里程碑意義。

（2）EBCOT編碼器[8]

優(yōu)化截斷點的嵌入塊編碼方法（EBCOT）首先將小波分解的每個子帶分成一個個相對獨立的碼塊，然后使用優(yōu)化的分層截斷算法對這些碼塊進行編碼，產(chǎn)生壓縮碼流，結果圖像的壓縮碼流不僅具有SNR可擴展而且具有分辨率可擴展，還可以支持圖像的隨機存儲。比較而言，EBCOT算法的復雜度較EZW和SPIHT有所提高，其壓縮性能比SPIHT略有提高。

小波圖像壓縮被認為是當前最有發(fā)展前途的圖像壓縮算法之一。小波圖像壓縮的研究集中在對小波系數(shù)的編碼問題上。在以后的工作中，應充分考慮人眼視覺特性，進一步提高壓縮比，改善圖像質量。并且考慮將小波變換與其他壓縮方法相結合。例如與分形圖像壓縮相結合是當前的一個研究熱點[2]。

（3）SPIHT編碼器[7]

由Said和Pearlman提出的分層小波樹集合分割算法（SPIHT）則利用空間樹分層分割方法，有效地減小了比特面上編碼符號集的規(guī)模。同EZW相比，SPIHT算法構造了兩種不同類型的空間零樹，更好地利用了小波系數(shù)的幅值衰減規(guī)律。同EZW編碼器一樣，SPIHT編碼器的算法復雜度低，產(chǎn)生的也是嵌入式比特流，但編碼器的性能較EZW有很大的提高。

五、分形圖像壓縮

1988年，Barnsley通過實驗證明分形圖像壓縮可以得到比經(jīng)典圖像編碼技術高幾個數(shù)量級的壓縮比。1990年，Barnsley的學生A.E.Jacquin提出局部迭代函數(shù)系統(tǒng)理論后，使分形用于圖像壓縮在計算機上自動實現(xiàn)成為可能。

1．分形圖像壓縮的原理

分形壓縮主要利用自相似的特點，通過迭代函數(shù)系統(tǒng)（IteratedFunctionSystem,IFS）實現(xiàn)。其理論基礎是迭代函數(shù)系統(tǒng)定理和拼貼定理。

分形圖像壓縮把原始圖像分割成若干個子圖像，然后每一個子圖像對應一個迭代函數(shù)，子圖像以迭代函數(shù)存儲，迭代函數(shù)越簡單，壓縮比也就越大。同樣解碼時只要調出每一個子圖像對應的迭代函數(shù)反復迭代，就可以恢復出原來的子圖像，從而得到原始圖像[9]。

2．幾種主要分形圖像編碼技術[9]

隨著分形圖像壓縮技術的發(fā)展，越來越多的算法被提出，基于分形的不同特征，可以分成以下幾種主要的分形圖像編碼方法。

（1）尺碼編碼方法

尺碼編碼方法是基于分形幾何中利用小尺度度量不規(guī)則曲線長度的方法，類似于傳統(tǒng)的亞取樣和內插方法，其主要不同之處在于尺度編碼方法中引入了分形的思想，尺度隨著圖像各個組成部分復雜性的不同而改變。

（2）迭代函數(shù)系統(tǒng)方法

迭代函數(shù)系統(tǒng)方法是目前研究最多、應用最廣泛的一種分形壓縮技術，它是一種人機交互的拼貼技術，它基于自然界圖像中普遍存在的整體和局部自相關的特點，尋找這種自相關映射關系的表達式，即仿射變換，并通過存儲比原圖像數(shù)據(jù)量小的仿射系數(shù)，來達到壓縮的目的。如果尋得的仿射變換簡單而有效，那么迭代函數(shù)系統(tǒng)就可以達到極高的壓縮比。

（3）A-E-Jacquin的分形方案

A-E-Jacquin的分形方案是一種全自動的基于塊的分形圖像壓縮方案，它也是一個尋找映射關系的過程，但尋找的對象域是將圖像分割成塊之后的局部與局部的關系。在此方案中還有一部分冗余度可以去除，而且其解碼圖像中存在著明顯的方塊效應。

3．分形圖像壓縮的前景[2]

雖然分形圖像壓縮在圖像壓縮領域還不占主導地位，但是分形圖像壓縮既考慮局部與局部，又考慮局部與整體的相關性，適合于自相似或自仿射的圖像壓縮，而自然界中存在大量的自相似或自仿射的幾何形狀，因此它的適用范圍很廣。

六、其它壓縮算法

除了以上幾種常用的圖像壓縮方法以外，還有：NNT（數(shù)論變換）壓縮、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的壓縮方法、Hibert掃描圖像壓縮方法、自適應多相子帶壓縮方法等，在此不作贅述。下面簡單介紹近年來任意形狀紋理編碼的幾種算法[10]~[13]。

（1）形狀自適應DCT（SA-DCT）算法

SA-DCT把一個任意形狀可視對象分成的圖像塊，對每塊進行DCT變換，它實現(xiàn)了一個類似于形狀自適應GilgeDCT[10][11]變換的有效變換，但它比GilgeDCT變換的復雜度要低?？墒?，SA-DCT也有缺點，它把像素推到與矩形邊框的一個側邊相平齊，因此一些空域相關性可能丟失，這樣再進行列DCT變換，就有較大的失真了[11][14][15]。

（2）形狀自適應離散小波變換（SA-DWT）

Li等人提出了一種新穎的任意形狀對象編碼，SA-DWT編碼[18]~[22]。這項技術包括SA-DWT和零樹熵編碼的擴展（ZTE），以及嵌入式小波編碼（EZW）。SA-DWT的特點是：經(jīng)過SA-DWT之后的系數(shù)個數(shù)，同原任意形狀可視對象的像素個數(shù)相同；小波變換的空域相關性、區(qū)域屬性以及子帶之間的自相似性，在SA-DWT中都能很好表現(xiàn)出來；對于矩形區(qū)域，SA-DWT與傳統(tǒng)的小波變換一樣。SA-DWT編碼技術的實現(xiàn)已經(jīng)被新的多媒體編碼標準MPEG-4的對于任意形狀靜態(tài)紋理的編碼所采用。

在今后的工作中，可以充分地利用人類視覺系統(tǒng)對圖像邊緣部分較敏感的特性，嘗試將圖像中感興趣的對象分割出來，對其邊緣部分、內部紋理部分和對象之外的背景部分按不同的壓縮比進行壓縮，這樣可以使壓縮圖像達到更大的壓縮比，更加便于傳輸。

（3）Egger方法

Egger等人[16][17]提出了一個應用于任意形狀對象的小波變換方案。在此方案中，首先將可視對象的行像素推到與邊界框的右邊界相平齊的位置，然后對每行的有用像素進行小波變換，接下來再進行另一方向的小波變換。此方案，充分利用了小波變換的局域特性。然而這一方案也有它的問題，例如可能引起重要的高頻部分同邊界部分合并，不能保證分布系數(shù)彼此之間有正確的相同相位，以及可能引起第二個方向小波分解的不連續(xù)等。

七、總結

圖像壓縮技術研究了幾十年，取得了很大的成績，但還有許多不足，值得我們進一步研究。小波圖像壓縮和分形圖像壓縮是當前研究的熱點，但二者也有各自的缺點，在今后工作中，應與人眼視覺特性相結合?？傊?，圖像壓縮是一個非常有發(fā)展前途的研究領域，這一領域的突破對于我們的信息生活和通信事業(yè)的發(fā)展具有深遠的影響。

參考文獻：

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篇2

關鍵詞：數(shù)字水印；魯棒性；分形壓縮；IFS

中圖分類號：TP309 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2012)36-8763-02

數(shù)字水印技術是數(shù)字產(chǎn)品版權保護的重要手段。通過將版權信息有效合理地嵌入到數(shù)字產(chǎn)品中，在版權認證時又能夠及時將其提取出來，從而有力地保證了數(shù)字產(chǎn)品的版權。分形壓縮[1]著眼于圖像的自相似性（或局部自相似性），以IFS(迭代函數(shù)系統(tǒng))和拼貼定理為基礎，對原始圖像進行分形編碼，從而大大減少了表示圖像的信息量。該文將數(shù)字水印技術與分形壓縮技術緊密結合，使得水印的魯棒性得到了很好的提高。

1 數(shù)字水印技術

對于一個靜態(tài)圖像，對其原始信號的頻域空間（通過將原始信號進行頻域變換），運用某種算法加入一個水印信號，或在一個寬信道上傳送一個窄帶信號[2] ，都可以看成是數(shù)字水印技術的應用體現(xiàn)。

如果用X表示數(shù)字產(chǎn)品的集合、W表示水印信號的集合、K 表示水印密鑰、G表示水印信號生產(chǎn)算法、E表示水印信號加入算法、D表示水印信號檢測算法，整個水印處理系統(tǒng)可用一個六元體（X，W，K，G，E，D）來描述。各個部分之間的關系可以理解成：G 利用K和X生成W，E再將W加入到X中，待到需要時，用D從已加入水印信號的X中提取出W，進而對數(shù)字產(chǎn)品的版權進行認證。

2 分形壓縮技術

分形壓縮技術主要是通過分形圖像的自相似性（即圖像的局部與整體具有某種相似性），進而對原始圖像進行壓縮編碼與解碼的過程。通?？煞譃閳D像分割、分割碼本、等距變換、編碼、參數(shù)量化、解碼六個子過程（如下）：

3 分形壓縮在數(shù)字水印中的應用

由于分形壓縮可將一幅圖像大幅壓縮，比如一個256*256像素的灰度圖像，需要65536B去存儲，而經(jīng)過分形壓縮，僅需3954B存儲空間即可。在數(shù)字圖像中嵌入水印信號的時候，通過將原始水印信號分形壓縮后，再將水印信號的分形碼嵌入數(shù)字圖像中，而非像原來那樣嵌入水印原始信號，就可將水印信息成倍地嵌入。換句話說，原來數(shù)字圖像中只有一個水印信號，而現(xiàn)在卻有多個水印信號備份，即使有局部水印信號被篡改了，也可以通過其他備份信息來加以還原，因此水印的魯棒性大大提高。

參考文獻：

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篇3

關鍵詞：線性調頻信號，產(chǎn)生方法，壓縮方法

 

線性調頻信號具有非線性相位譜，能夠獲得較大的時寬帶寬積;與其它脈壓信號相比，很容易用數(shù)字技術產(chǎn)生，且技術上比較成熟;所用的匹配濾波器對回波信號的多卜勒頻移不敏感，因而可以用一個匹配濾波器處理具有不同多卜勒頻移的回波信號。這將大大簡化信號處理系統(tǒng)，因此它在工程中得到了廣泛的應用。采用這種信號的雷達可以同時獲得遠的作用距離和高的距離分辨率。

一、線性調頻信號的產(chǎn)生方法

隨著數(shù)字技術的發(fā)展，以前由模擬方法完成的許多功能逐漸被數(shù)字方法所取代，復雜的雷達信號的產(chǎn)生也基本完成了由模擬技術到數(shù)字技術的質的轉變。因為與模擬方法相比，數(shù)字方法具有靈活性好、可靠性高、失真補償方便，及易于實現(xiàn)相參等明顯優(yōu)越性，現(xiàn)己成為產(chǎn)生高性能線性調頻信號的主要方法。數(shù)字方法產(chǎn)生線性調頻信號的方法主要包括兩種，波形存儲直讀法和直接數(shù)字合成法（DDS）。

波形存儲直讀法是一種經(jīng)典的基帶信號產(chǎn)生方法。它是預先根據(jù)采用頻率、基帶帶寬、時寬等信號參數(shù)，通過線性調頻信號的數(shù)學表達式分別計算出兩路正交信號的采樣值，按照順序預先寫入高速內存中。通過對采用時鐘進行計數(shù)而順序產(chǎn)生高速內存譯碼地址，依次從高速內存中讀出預先寫入的兩路正交信號的采樣值。I、Q兩路分別經(jīng)過數(shù)模變換、低通濾波產(chǎn)生兩路正交線性調頻基帶信號。這種方法具有原理簡單、成本低廉、對器件依賴小等優(yōu)點，并具有較好的幅相預失真補償能力，但是存在電路結構比較復雜、需要高速控制電路配合，也增加了軟件的復雜度。經(jīng)正交調制和倍頻器，對基帶信號進行帶寬擴展和頻譜搬移，輸出所需帶寬和頻段的線性調頻信號。直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis，簡稱DDS）方法。用這種方法產(chǎn)生的線性調頻信號的技術日益受到重視并廣泛應用，它是根據(jù)線性調頻信號的頻率線性變化、相位平方變化的特點而設計的。直接數(shù)字合成法采用兩級相位累加結構來得到線性調頻信號的二次變化的相位，然后根據(jù)相位值查存儲在ROM里的正弦、余弦表，將查得的值經(jīng)D/A轉化得到相應的I、Q兩路基帶線性調頻信號。這種方法通過數(shù)控電路能對DDS輸出波形、頻率、幅度、相位實現(xiàn)精確控制，可在調頻帶寬內對雷達系統(tǒng)的幅度和相位進行校正，產(chǎn)生近乎理想的線形調頻信號。只要改變某些電路的參數(shù)設置，就可以改變線性調頻信號的時寬和帶寬。但由于DDS的全數(shù)字的全數(shù)字結構，雜散電平高是其自身固有的缺陷。

二、線性調頻脈沖信號壓縮的實現(xiàn)方法

線性調頻脈沖信號的壓縮通常有兩種方式：模擬壓縮和數(shù)字壓縮。目前模擬式脈沖壓縮器件有：具有大帶寬、小時寬的聲表面波（SAW）器件；中等時寬和中等帶寬的體聲波反射陣列壓縮器等。隨著高速、大規(guī)模集成電路器件的發(fā)展，對于大時寬大帶寬信號的脈沖壓縮通常采用數(shù)字方式壓縮。

數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)較之模擬方法具有一系列優(yōu)點：數(shù)字法可獲得高穩(wěn)定度、高質量的線性調頻信號，脈沖壓縮器件在實現(xiàn)匹配濾波的同時，可以方便地實現(xiàn)旁瓣抑制加權處理，既可有效地縮小脈沖壓縮系統(tǒng)的設備量，又具有高穩(wěn)定性和可維護性，并提高了系統(tǒng)的可編程能力。科技論文，壓縮方法。因此，數(shù)字處理方法獲得了廣泛的重視和應用。

1、線性調頻脈沖信號的時域數(shù)字壓縮實現(xiàn)

線性調頻信號的時域數(shù)字脈沖壓縮處理，通常在視頻進行，并采用I、Q兩路正交雙通道處理方案，以避免回波信號隨機相位的影響，可減少約3dB的系統(tǒng)處理損失。中頻回波信號經(jīng)正交相位檢波，還原成基帶視頻信號，再經(jīng)A/D變換形成數(shù)字信號，進行數(shù)字脈沖壓縮處理。I、Q雙路數(shù)字壓縮按復相關運算（即匹配濾波）進行，雙路相關運算輸出經(jīng)求模處理、D/A變換，輸出模擬脈沖壓縮信號；I、Q雙路相關輸出的數(shù)字信號還可送后級信號處理。

2、線性調頻脈沖信號的頻域數(shù)字壓縮實現(xiàn)

由于高速A/D變換器、大規(guī)模集成電路技術以及快速傅立葉變換技術的應用，使寬帶信號的實時處理成為可能?？萍颊撐模瑝嚎s方法。采用DSP及FPGA的頻域數(shù)字脈沖壓縮處理的優(yōu)點是處理速度高、工作穩(wěn)定、重復性好，并且具有較大的靈活性。

3、線性調頻脈沖壓縮方案

根據(jù)線性調頻信號的特點及其脈沖壓縮原理，數(shù)字脈沖壓縮系統(tǒng)首先要將回波信號經(jīng)A/D采樣變成數(shù)字信號，再進行脈沖壓縮。時域數(shù)字脈沖壓縮實際上是將回波數(shù)據(jù)與匹配濾波器進行復卷積，而頻域數(shù)字脈沖壓縮則是通過對回波數(shù)據(jù)進行FFT后，與匹配濾波器的系數(shù)進行復數(shù)乘法運算，然后再經(jīng)過IFFT得到壓縮脈沖的數(shù)字數(shù)據(jù)。對于N點長度的信號，在時域實現(xiàn)數(shù)字脈壓，需要進行L2次復數(shù)乘法運算，而頻域卷積法僅需2L1og2L次復數(shù)乘法運算，大大減小了運算工作量。另外，考慮到抑制旁瓣加權函數(shù)，若在時域實現(xiàn)數(shù)字脈壓，不僅要增加存儲器，而且運算量將增加一倍，在頻域實現(xiàn)抑制旁瓣加權函數(shù)，不需增加存儲器和運算量。

三、線性調頻脈沖信號的加權處理

線性調頻信號通過匹配濾波器后，輸出脈沖的包絡近似Sinc(x)形狀。其中最大的第一對旁瓣為主瓣電平的一13.2dB，其他旁瓣電平隨其離主瓣的間隔x按1/X的規(guī)律衰減，旁瓣零點間隔是1/B。在多目標環(huán)境中，這些旁瓣會埋沒附近較小目標的主信號，引起目標丟失。為了提高分辨多目標的能力，必須采用旁瓣抑制的措施，簡稱加權技術。科技論文，壓縮方法。加權可以在發(fā)射端、接收端或收、發(fā)兩端上進行，分別稱為單向加權或雙向加權。科技論文，壓縮方法。其方式可以是頻率域幅度或相位加權，也可以是時間域幅度或相位加權?？萍颊撐?，壓縮方法。此外，加權可在射頻、中頻或視頻級中進行?？萍颊撐?，壓縮方法。為了使發(fā)射機工作在最佳功率狀態(tài)，一般不在發(fā)射端進行加權。目前應用最廣的是在接受端中頻級采用頻率域幅度加權。

引入加權網(wǎng)絡實質上是對信號進行失配處理，所以它不僅使旁瓣得到抑制，同時使輸出信號包絡主瓣降低、變寬。換句話說，旁瓣抑制是以信噪比損失及距離分辨力變差為代價的。如何選擇加權函數(shù)這涉及到最佳準則的確定。考慮到信號的波形和頻譜的關系與天線激勵和遠場的關系具有本質上的共性，人們應用天線設計中的旁瓣抑制原理，曾提出海明加權、余弦平方、余弦四次方加權等幾種最佳加權函數(shù)。但是這些理想的加權函數(shù)都較難實現(xiàn)。因此，只能在旁瓣抑制、主瓣加寬、信噪比損失、旁瓣衰減速度以及技術實現(xiàn)難易等幾個方面進行折衷的考慮選取合適的加權函數(shù)。

結語：隨著數(shù)字技術和大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展，數(shù)字脈沖壓縮(也稱脈壓)技術以其性能穩(wěn)定、抗干擾能力強、控制方式靈活以及硬件系統(tǒng)更小型化等優(yōu)點，逐步取代早期的模擬脈壓技術，成為現(xiàn)代脈壓系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。特別是近年來高性能通用數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，為雷達脈沖壓縮處理的數(shù)字化實現(xiàn)提供了一種工程實現(xiàn)途徑。數(shù)字脈壓系統(tǒng)的實現(xiàn)可以滿足體積小、功耗低和成本低等條件，其相關問題的研究成為國內外廣大學者研究的熱點問題之一。

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關鍵詞：MVR 蒸發(fā) 增壓

1.中藥蒸發(fā)濃縮技術的現(xiàn)狀

近二十年來，我國中藥生產(chǎn)企業(yè)提取液的濃縮主要采用雙效、三效蒸發(fā)器，這兩種蒸發(fā)器為我國中藥產(chǎn)業(yè)改革原始的提取液蒸發(fā)濃縮方式，步入現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的軌道，做出了很大貢獻，在中藥濃縮中得到廣泛的應用和發(fā)展。然而，這二種蒸發(fā)器應用到中藥生產(chǎn)，普遍存在由于蒸發(fā)過程中大量熱量的排出，造成能源消耗較大，熱量利用率不高。而隨著技術的進步發(fā)展，近十年來逐漸發(fā)明了采用帶熱泵的雙效蒸發(fā)器，實現(xiàn)了低溫加熱，低溫蒸發(fā)，采用凝結水串級自蒸發(fā)結構，不僅可以回收凝結水的熱量，而且各效間由于液封的存在，杜絕了各效間漏氣，與傳統(tǒng)雙效蒸發(fā)器比：節(jié)約蒸汽36%以上，節(jié)水30%以上。而后隨著蒸發(fā)濃縮技術的發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了超濾和反滲透膜濃縮，大大降低了能源消耗，但由于超濾膜、反滲透膜等膜由于受中藥的腐蝕、中藥雜質較多等影響，造成膜壽命的降低，從而使?jié)饪s成本上升，另外，由于對膜的影響，也是適用的范圍有所局限。

2.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術的介紹

MVR（mechanicalVaporREcomression）蒸汽濃縮法是指利用渦輪發(fā)動機的增壓原理、經(jīng)特殊流體設計而組成的蒸汽機械增壓式蒸餾濃縮系統(tǒng)的簡稱。這種工藝系統(tǒng)，將使密閉容器內經(jīng)加熱生成的二次水蒸汽，在通過蒸汽壓縮機時被再壓縮增壓至107攝氏度的高壓氣體。這種增壓蒸汽即可作為再生熱源而循環(huán)應用于原水的繼續(xù)連續(xù)蒸發(fā)，又在循環(huán)傳熱的過程中使增壓蒸汽本身也得以迅速冷卻或冷凝，直至成為潔凈純水，同時可以在這種結凈冷凝水排放的過程中利用其殘熱對流入的原水實施熱交換。

2.1.MVR低溫降膜蒸發(fā)設備的組成：

2.1.1.預熱器：很多情況待蒸發(fā)的原藥液在進入蒸發(fā)換熱器之前的溫度較低，為了充分利用系統(tǒng)內的熱能，經(jīng)常采用列管式或板式換熱器對原藥液進行預加熱，使其溫度升高。

2.1.2.蒸汽壓縮機：它是MVR系統(tǒng)的核心和關鍵部件，它通過對二次蒸汽進行壓縮，提高系統(tǒng)內二次蒸汽的熱焓，為系統(tǒng)連續(xù)提供熱量。根據(jù)原藥液的流量和沸點升高值等特性，可以選擇羅茨或離心壓縮機進行蒸汽的壓縮，但由于中藥具有成分的不確定性和較強的腐蝕性，因此壓縮機的材質應采用耐腐蝕、不脫落、不對中藥產(chǎn)生污染的材料，一般選用優(yōu)質的不銹鋼材質。

2.1.3.汽液分離器：它是蒸汽和濃縮液體進行分離的裝置。對于有結晶的原液，可以將分離器和結晶器設計成一體，再加裝強制循環(huán)泵，完成汽液分離，濃縮和結晶的功能。

2.1.4.蒸汽換熱器：預熱后的原藥液通過進料泵將其載入蒸汽換熱器與由蒸汽壓縮機產(chǎn)生的蒸汽進行換熱，使其迅速汽化蒸發(fā)。根據(jù)原液的特性（粘度，是否有結晶和結垢等）選擇換熱器的形式和面積。

2.1.5.控制中心：采用工控機和PLC構成MVR系列的實時監(jiān)控中心。通過軟件編程，實時采集各種傳感器的狀態(tài)信號，從而自動控制馬達的轉速、閥門關閉和調節(jié)、液體的流速和流量、溫度和壓力的控制和調節(jié)等，使系統(tǒng)工作達到動態(tài)平衡的狀態(tài)。同時該設備還具有自動報警、自動記錄參數(shù)和提供報表的各種功能。

2.2.MVR低溫降膜蒸發(fā)設備的節(jié)能原理：

MVR低溫降膜蒸發(fā)設備同原來的雙效、三效不同的是，原來的三效、雙效采用的二次蒸汽直接加熱藥液使其在降壓狀態(tài)下蒸發(fā)，二次蒸汽熱晗較低，熱量較低，致使蒸發(fā)量較少。而MVR低溫降膜蒸發(fā)設備主要采用電能轉換為機械能時二次蒸汽壓縮產(chǎn)生熱能，熱能被循環(huán)利用，熱能在系統(tǒng)內幾乎無損失，將蒸餾水和濃縮液的輸出熱能與原液進行交換，使其熱能得到高效利用。MVR節(jié)能蒸發(fā)器，其原理是利用高能效蒸汽壓縮機壓縮蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽，把電能轉換成熱能，提高二次蒸汽的焓值，被提高熱能的二次蒸汽打入蒸發(fā)室進行加熱，以達到循環(huán)利用二次蒸汽已有的熱能，從而可以不需要外部新鮮蒸汽，依靠蒸發(fā)器自循環(huán)來實現(xiàn)蒸發(fā)濃縮的目的。通過PLC、單片機、組態(tài)等形式來控制系統(tǒng)溫度、壓力馬達轉速，保持系統(tǒng)蒸發(fā)平衡。

2.3.MVR低溫降膜蒸發(fā)設備的特點：

2.3.1.MVR低溫降膜蒸發(fā)設備在濃縮過程中，由于采用物料輸送泵進行料液的輸送，提高了料液在管內的流速，使料液在物料管道內的停留時間只有數(shù)秒鐘乃至數(shù)十秒鐘。這樣短的時間內， 而且管內存液量小， 故特別適用于熱敏性料液的濃縮， 例如牛奶、橘子汁、醫(yī)藥的青霉素和鏈霉素、以及農(nóng)藥的春雷霉素和赤霉素等等， 可避免或減少物料的熱分解。

2.3.2.MVR低溫降膜蒸發(fā)設備結構簡單主要有蒸發(fā)器、加熱器和壓縮機， 維修方便，可在減壓、常壓和加壓下操作運行。

2.3.3.由于受料液流動方式的影響，該設備針對料液的濃縮比不能太高，如濃縮比過高， 則因料液少， 管壁濕潤差， 會造成固體溶質粘附在壁上的“ 干管”現(xiàn)象， 不僅增加熱阻， 而且容易堵塞加熱管，造成藥液的損壞。

2.3.4.只適用于蒸發(fā)中等粘度的料液，不適于有晶體析出的物料，不適于易結垢物料。

3.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術的應用及效果分析

隨著人類社會的發(fā)展，隨著科學技術的進步發(fā)展，人類對環(huán)境的影響越來越嚴重，溫室效應，能源對科學技術的發(fā)展越來越重要和不可缺少。為進步節(jié)約能源，減少排放，我公司于2011年引進了MVR蒸汽濃縮設備，首先應用到了中藥提取液的濃縮過程中，得到了較好的應用收到了良好的效果。

3.1.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術與常規(guī)蒸發(fā)器比較

3.1.1.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術每蒸發(fā)一噸水消耗20-70度電（視液體成分而定），而常規(guī)蒸發(fā)器消耗1.25-0.3噸鮮蒸汽，兩者消耗都隨溶液沸點、減水沸點的差值而增加，對同一種溶液，MVR低溫降膜蒸發(fā)技術能源消耗量和生產(chǎn)成本顯著低于常規(guī)蒸發(fā)器，是一種高新節(jié)能蒸發(fā)技術。

3.1.2.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術不需要循環(huán)冷卻水，沒有冷卻水消耗。不需要建設高污染的燃煤小鍋爐或高成本的燃油鍋爐。蒸發(fā)器比常規(guī)蒸發(fā)器更節(jié)水、更節(jié)能環(huán)保。

3.1.3.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術應用范圍廣，所有常規(guī)蒸發(fā)器應用的領域都適用于該蒸發(fā)器，機械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)器蒸發(fā)溫差小，更適用于熱敏性溶液。溶液在蒸發(fā)器內流程短、停留時間短，因而溶質不宜變質。

3.1.4.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術采用全自動電腦控制，并且可以在低負荷下穩(wěn)定運行。

3.1.5.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術屬于國家科委頒布的高新技術范圍，按高新技術認定分類該高新技術屬于高效節(jié)能技術和環(huán)境保護技術，符合國家節(jié)能減排和環(huán)保高新技術推廣范圍。

3.2.MVR低溫降膜蒸發(fā)設備具有以下特點

3.2.1.節(jié)能：該設備采用電能轉換為熱能，充分利用了二次蒸汽的熱能，降低了能源消耗，同時產(chǎn)生的凝結水在充分和原藥液進行熱交換（預熱），使其熱能得到高效充分的利用，沒有廢熱蒸汽排放，節(jié)能效果十分顯著，相當于10效蒸發(fā)器的效果，另外產(chǎn)生的凝結水可再次利用，提高了能源的利用率。

3.2.2.設備環(huán)保：該設備在使用過程中可以不需要生蒸汽、不要鍋爐、不需要燒煤、不需要冷卻水，只要有電，就可以用機械壓縮式蒸發(fā)器。從而降少了CO2，SO2的排放，減少了粉塵和固體廢渣的排放，減少污染，改善我們的居住環(huán)境。

3.2.3.低運行成本：由于節(jié)能效果顯著，使整個蒸發(fā)器的運行成本也大大降低，運行成本是傳統(tǒng)蒸發(fā)器的三分之一到二分之一。

3.2.4.自動化程度高：MVR蒸發(fā)器配置設計的自動控制系統(tǒng)，技術先進，質量可靠。整個蒸發(fā)器實現(xiàn)在從原液加注、預熱、蒸發(fā)、清洗、保養(yǎng)等步驟的自動化控制。避免了人為失誤，降低了人力成本，提高了產(chǎn)品質量。

3.2.5.占地面積小：MVR蒸發(fā)器由于采用了壓縮機來循環(huán)使用二次蒸汽，提高了能效，因此比傳統(tǒng)蒸發(fā)器緊湊。

針對MVR技術的特點，熱敏性強、濃縮比不高的液體均可以采用該技術。該技術最大的特點就是節(jié)約能源，經(jīng)實際應用和對比，該技術相比以往的三效蒸發(fā)技術可節(jié)能達到57%，噸產(chǎn)品綜合耗能成本為73.5元。

4.MVR低溫降膜蒸發(fā)技術的推廣和應用前景展望

由于MVR低溫降膜蒸發(fā)設備具有較高的節(jié)能效果，使其受到各個企業(yè)的青睞，但目前由于蒸汽壓縮技術國內技術還不夠成熟，致使目前該設備的投資成本較高，一次性投資較大，因此目前只有經(jīng)濟實力較強的大公司才有能力得到應用。因此若使該技術能夠得到更加廣泛的應用，必須首先提高國產(chǎn)蒸汽壓縮技術，降低一次投資成本。

另外，MVR低溫降膜蒸發(fā)設備在實際的使用中，會降低中藥濃縮成本50%以上，對于具有中等生產(chǎn)能力的中藥生產(chǎn)企業(yè)，估計有一年的時間即可收回投資。

對于目前中國生產(chǎn)現(xiàn)狀，與世界先進國家相比我們的技術水平還不好，設備技術處于高耗能階段，面對中國目前能源狀況，能源逐漸緊缺，能源消耗成本越來越高，MVR蒸汽壓縮設備隨著技術的進步完善和蒸汽壓縮技術的國產(chǎn)化，我認為在未來的幾年將迎來飛速發(fā)展，在中藥濃縮領域將會得到更加廣泛的應用和技術提高。

參考文獻：

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【關鍵詞】 標準化輸出 無損壓縮 LZW算法 FPGA

在地球信息勘探中，聲波測井[1，2]以其含有豐富的地層信息量備受重視。但是，隨著聲波測井采集速率和精度的提高，數(shù)據(jù)量越來越大，嚴重影響采集數(shù)據(jù)的實時傳輸至井口數(shù)據(jù)中心。為了便于實時傳輸，需要對聲波測井數(shù)據(jù)進行必要的壓縮編碼。數(shù)據(jù)壓縮技術[3-5]是信息處理的重要技術之一，通常分為無損壓縮和有損壓縮。有損壓縮是指對原始信源數(shù)據(jù)信息進行重構，據(jù)此解壓縮（還原）后的數(shù)據(jù)信息是原始數(shù)據(jù)的一種近似表達，但不影響受信端對原始信息的理解與判斷，其優(yōu)點是壓縮比較大，主要應用于有限失真要求的場合。無損壓縮是指對原始信源數(shù)據(jù)信息壓縮編碼后，解壓縮還原的數(shù)據(jù)與原來的數(shù)據(jù)完全相同，其不足是壓縮比不大，主要應用于對原始信息要求不失真的場合。

目前，無損壓縮有軟件和硬件[4，6]2種實現(xiàn)方式，其中，硬件壓縮方式以其快速的處理能力在實時數(shù)據(jù)處理場合是軟件壓縮方式無法替代的，從而獲得重視。為了獲得較大的壓縮比，無損壓縮需要根據(jù)信源的統(tǒng)計特性進行相應的壓縮方法。而聲波測井數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征隨地域不同而有很大差異，因此很難構造一個具有普適性的基于聲波測井統(tǒng)計特征的最佳無損壓縮硬件實現(xiàn)方案，需要尋求一種與信源統(tǒng)計特征無關的壓縮算法，并且便于硬件實現(xiàn)。而LZW（Lenpel-Ziv&Welch）[7]壓縮算法就是一種無需信源統(tǒng)計特征的壓縮算法它是一種壓縮性能和解碼速度綜合指標相當好的一種壓縮算法。

而用具有高性能數(shù)字處理能力的FPGA器件實現(xiàn)無損壓縮具有較大的優(yōu)勢[8，9]，根據(jù)聲波測井數(shù)據(jù)和數(shù)傳的特點，本文將設計了一種基于LZW用FPGA實現(xiàn)聲波測井數(shù)據(jù)的硬件壓縮方案。本文將重點設計LZW輸出模塊及其工作時序，并對其進行VerilogHDL設計與時序仿真驗證。

1 LZW的標準化9/8輸出模塊的設計

LZW[2]是一種基于字典的無損壓縮算法，根據(jù)聲波測井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的特點，本文設計LZW的FPGA的系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要劃分為數(shù)據(jù)輸入緩沖模塊、壓縮模塊（包括算法模塊、字典存儲表）、數(shù)據(jù)輸出模塊（包括輸出緩存、輸出標準化轉換9/8）和控制器模塊。

其中，數(shù)據(jù)輸入模塊主要由一個FIFO（FirstinFirstOut）構成，以完成對不同采集速率和采樣精度的聲波測井數(shù)據(jù)的緩存，并將聲波采集數(shù)據(jù)轉換為適合壓縮模塊處理的8bit數(shù)據(jù)；壓縮模塊是核心，主要是壓縮算法子模塊和字典存儲子模塊，字典的每個詞條存放三部分內容：前綴碼、當前碼、當前詞條編碼值。存儲器容量設計為1K，則其地址寬度為10位。前綴碼為9位，當前碼為8位，當前詞條編碼值為9位（即壓縮后輸出的數(shù)據(jù)），則字典存儲器總的數(shù)據(jù)寬度為26位。為了防止字典滿時重建清空字典，當詞條數(shù)達到510時，字典就清空，為此設計兩個相同的字典存儲器，使兩個字典存儲器交替工作，以空間換取速度。

輸出模塊主要是將壓縮輸出的9bit碼流轉換成適合測井儀器遙傳系統(tǒng)的8bit數(shù)據(jù)位寬格式。可分為6個子模塊：寄存器選擇存儲模塊、數(shù)據(jù)鎖存模塊、9bit移位寄存模塊、8bit移位寄存模塊、移位允許控制模塊、輸出緩沖模塊。其硬件框圖如圖2所示，其核心是利用9bit和8bit的兩個移位寄存器來達到位數(shù)轉換目的。為了避免壓縮模塊輸出數(shù)據(jù)丟失，用兩個9bit的存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，先將壓縮模塊輸出的9bit有效數(shù)據(jù)并入寄存器RI9，再鎖存到鎖存器RL9，然后其鎖存到9bit的移位寄存器RG9里面準備移位。在移位允許（O9_VALID為高）下，高速移位脈沖上升沿有效，每移位一次，計數(shù)器O_COUNT就加1。由于數(shù)據(jù)輸入是9bit，而輸出是8bit，就需要將9bit的數(shù)據(jù)移位到8bit的移位寄存器里面湊足8bit，然后將這8bit數(shù)據(jù)輸出之后再移位剩余的數(shù)據(jù)位。輸出模塊的時序圖設計如圖5所示。

從圖5中可知，9bit移位寄存器里面的數(shù)據(jù)每鎖存一次要分兩次移位，而第一次的移位次數(shù)受O_COUNT的控制：當O_COUNT=0時，計數(shù)到14停止第一次移位，當O_COUNT=1，計數(shù)倒13停止第一次移位……當O_COUNT=7時，計數(shù)到7就停止移位，此時RG9里面恰好還剩下8bit數(shù)據(jù)，可以將這8bit數(shù)據(jù)移位輸出然后將O_COUNT清零，重新開始控制。而每次只有在RG9移出一位到RG8的輸入線上才能使RG8移位允許信號有效，否則RG8移位之后數(shù)據(jù)還是無效的。而每次RG8里面有效數(shù)據(jù)湊足8bit就輸出，而每輸出一次O_COUNT+1。

2 9/8標準化輸出的仿真與驗證

在QUARTUSII平臺上用EP2C5Q208C8N對輸出模塊的9bit移位寄存器移位子模塊進行了時序仿真，該子模塊的主要功能是實現(xiàn)9bit移位寄存器RG9里面的數(shù)據(jù)的移位以及移位位數(shù)的統(tǒng)計。其時序仿真結果如圖4所示。

從圖4可知：移位允許信號O9_VALID有效時，在高速移位脈沖O_CLK9作用下，串行右移一位，每右移一位，移出的數(shù)據(jù)就放在8bit移位寄存器RG8的輸入線上，并且每移出一位，其計數(shù)器O_CNT9就加1。在本設計中，利用計數(shù)器的置數(shù)功能，當局部清0信號O_CLR=1即產(chǎn)生清0作用時，而O_CNT9則置數(shù)為6。由此表明該子模塊的設計達到了預定的設計目標。

通過時延分析，該子模塊的最差的最高工作頻率為227.09MHZ（3.744ns）。該速度可以滿足聲波測井數(shù)據(jù)處理的要求。

3 結語

本文所設計的基于FPGA的聲波測井數(shù)據(jù)的LZW實時無損壓縮系統(tǒng)的標準化9/8輸出子模塊經(jīng)過QUARTUSII的時序仿真和驗證，表明該軟件設計有較強的可移植，可以滿足該應用需求，用2個移位寄存器實現(xiàn)不同碼流位數(shù)轉換的方法可以擴展至其他不同位數(shù)轉換設計。

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[7]Phillips Dwayne， LZW data compression， Computer Application Journal Circuit Cellar Inc. 1992 （27）：36-48.

篇6

    一般來說，數(shù)據(jù)壓縮有兩種方法。一種方法是利用信號的統(tǒng)計性質，完全不丟失信息的高效率編碼法，稱為平均信息量編碼或熵編碼。第二種方法是利用接收信號的人的感覺特性，省略不必要的信息，壓縮信息量，這種方法稱為感覺編碼。

    因為熵編碼可通過解碼完全再現(xiàn)編碼前的數(shù)據(jù)，故應用范圍廣泛 ,例如可用于磁盤壓縮、文件壓縮等，在保存信息方面，完全不用擔心劣化。不過遺憾的是，僅依靠熵編碼不能將音頻信號進行大幅度的數(shù)據(jù)壓縮。這是因為在音頻信號中會有白噪聲信號，這種完全隨機的信號，根據(jù)信息論是決不能用熵編碼進行壓縮的。因此在音頻壓縮中，必須同時采用感知編碼 。

    感知編碼是利用人耳聽覺的心理聲學特性（頻譜掩蔽特性和時間掩蔽特性）、人耳對信號幅度、頻率、時間的有限分辨能力，凡是人耳感覺不到的成分不編碼，不傳送，即凡是對人耳辨別聲音信號的強度、音調、方位有貢獻的部分（稱為不相關部分或無關部分）都不編碼和傳送。對感覺到的部分進行編碼時，允許有較大的量化失真、并使其處于聽閾以下，人耳仍然感覺不到。簡單的說感知編碼是建立在人類聽覺系統(tǒng)的心理聲學原理為基礎，只記錄那些能被人的聽覺所感知的聲音信號，從而達到減少數(shù)據(jù)量而又不降低音質的目的。

    目前音頻壓縮編碼已成為標準的是 MPEG-1 （ ISO/IEC11172-3 ）、 MPEG-2 （ ISO/IEC13818-3 ）和美國大聯(lián)盟的 AC-3 。他們都是感知編碼。

    一、為什么壓縮

    了解數(shù)字音頻首先要提到 脈沖編碼調制 PCM （ Pulse Code Modulation ），它 是概念上最簡單、理論上最完善的編碼系統(tǒng)，是最早研制成功、使用最為廣泛的編碼系統(tǒng)，但也是數(shù)據(jù)量最大的編碼系統(tǒng)。 PCM 指模擬音頻信號只經(jīng)過采樣、量化、編碼，模數(shù)轉換成 PCM 信號，得到標準的數(shù)字音頻碼流，而未經(jīng)過任何編碼和壓縮處理。

    根據(jù)奈奎斯特采樣定律，通常其采樣頻率至少應當是信號中的最高頻率分量的兩倍。對于高質量的音頻信號，其頻率范圍是從 20Hz ～ 20kHz 。所以其采樣頻率必須在 40kHz 以上。在 CD 中采用了 44.1kHz 的采樣頻率。普通 CD 線性 PCM 的取樣頻率為 44.1kHz ，量化精度為 16bit ，動態(tài)范圍為 98db 。（在對模擬信號采樣以后，還必須對其幅度上加以分層。在 CD 中，其分層以后的幅度信號用 16 bit 的二進制信號來表示，也就是把模擬的音頻信號在幅度上分為 65536 （ 2 16 ）層。這樣，它的動態(tài)范圍就可以達到 96 分貝（ 6 分貝 / 比特）。）

    PCM 的編碼原理比較直觀和簡單，它的原理框圖如圖所示。

    在這個編碼框圖中，它的輸入是模擬聲音信號，它的輸出是 PCM 樣本。圖中的“防失真濾波器”是一個低通濾波器，用來濾除聲音頻帶以外的信號；“波形編碼器”可暫時理解為“采樣器”，“量化器”可理解為“量化階大小 (step-size) ”生成器或者稱為“量化間隔”生成器。

    那么這種未經(jīng)壓縮的 PCM 信號的數(shù)據(jù)量具體有多大呢？以 CD 音質的信號為例，它的單通道的采樣率是 44.1k Hz ，每個樣值是 16bit 的量化，而立體聲 CD 音質信號，有兩個通道，它每秒的碼流是 44.1K × 16 × 2 ≈ 1.4Mbit/s 。（數(shù)字信號傳輸率 = 取樣頻率 × 量化比特 × 通道數(shù)）一張 CD 唱片的容量約為 680MB ，可以容納約 1 小時的雙聲道 PCM 數(shù)字音頻節(jié)目，由于這種編碼方式所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量太大，存儲和傳輸都既不方便也不經(jīng)濟，有時甚至是行不通的。對于電視廣播來說，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，每套節(jié)目所需的頻寬就越大，在頻帶資源日趨緊張的今天，過寬的頻帶是不能允許的，同時對于有形載體（激光碟、磁帶等），每種載體的記錄密度都是有限的（受當時技術發(fā)展程度的制約），增大數(shù)據(jù)量就意味著縮短節(jié)目長度。因此需要開發(fā)一種新的編碼方式，它應該使用較少的數(shù)據(jù)量，而又不會導致音質的主觀聽感有明顯的下降。

    二、 感知編碼原理

    1 、理論基礎——聞域和臨界頻段

    音頻壓縮理論是建立在心理聲學模型基礎上，從研究人耳的聽感系統(tǒng)開始的。

    人耳實際上可看成一個多頻段的聽感分析器，在接收端的最后，它對瞬間的頻譜功率進行了重新分配，這就為音頻的數(shù)據(jù)壓縮提供了依據(jù)。

    眾所周知，聲源振動的能量通過聲波傳入人耳，使耳膜發(fā)生振動，人們就產(chǎn)生了聲音的感覺。但是人耳能聽到的振動頻率約在 20 Hz 到 20KHz 之間，低于 20 Hz 或高于 20K Hz 的振動，不能引起人類聽覺器官的感覺。心理聲學模型中一個基本的概念就是聽覺系統(tǒng)中存在一個聽覺閾值電平，低于這個電平的聲音信號就聽不到，因此就可以把這部分信號去掉。聽覺閾值的大小隨聲音頻率的改變而改變，各個人的聽覺閾值也不同。大多數(shù)人的聽覺系統(tǒng)對 2kHz ～ 5kHz 之間的聲音最敏感。一個人是否能聽到聲音取決于聲音的頻率，以及聲音的幅度是否高于這種頻率下的聽覺閾值。 這就是說在聽覺閾值以外的電平可以去掉，相當于壓縮了數(shù)據(jù)。另外， 聽覺閾值電平是自適應的，即聽覺閾值電平會隨聽到的不同頻率的聲音而發(fā)生變化。也許你有這樣的體驗，在一安靜房間里的普通談話可以聽得很清楚，但在播放搖滾樂的環(huán)境下同樣的普通談話就聽不清楚了。聲音壓縮算法也同樣可以確立這種特性的模型來取消更多的冗余數(shù)據(jù)。

    2 、 掩蔽 效應

    心理聲學模型中的另一個概念是聽覺掩飾特性—— 掩蔽效應，即 一種頻率的聲音阻礙聽覺系統(tǒng)感受另一種頻率的聲音的現(xiàn)象稱為掩蔽效應。前者稱為掩蔽聲音 (masking tone) ，后者稱為被掩蔽聲音 (masked tone) 。

    掩蔽效應探討的基礎是 感知編碼中的一個重要的概念——臨界頻段，即人耳對不同頻率段聲音信號的反應靈敏程度有所差別。 人耳中包含了約 3 萬個毛細胞，它們能夠檢測到基膜的振動，通過生理脈沖將音頻信息傳到大腦，但這些細胞在不同頻率的敏感程度不同，在低頻區(qū)域對幾赫茲的差異都能分辨出來，而在高頻區(qū)域，必須要有幾百赫茲的差別才能分辨。所以，一般毛細胞會對其周圍的強刺激作出反應，這就是臨界頻段。實驗結果表明，在低頻區(qū)域臨界頻段比在高頻區(qū)域臨界頻段窄，在低頻段臨界頻段很窄，頻段寬度只有 100 Hz 到 200 Hz ，在高于 5000 Hz 以后的臨界頻段的寬度有 1000 Hz 至幾萬 Hz 的頻段寬度。 3/4 臨界頻段低于 5Khz ，人耳可以接收到的低頻信息高于高頻信息。

    掩蔽可分成頻域掩蔽和時域掩蔽。

    所謂頻域掩蔽是指掩蔽聲與被掩蔽聲同時作用時發(fā)生掩蔽效應，即較強的聲音信號可以掩蔽臨近頻段中 同時發(fā)聲的 較弱的信號。 這種特性稱為頻域掩蔽，也稱同時掩蔽 (simultaneous masking) 。 這時，掩蔽聲在掩蔽效應發(fā)生期間一直起作用，是一種較強的掩蔽效應。換言之，如果在某一頻段中出現(xiàn)了一個較強的信號，那么該頻段中所有低于某一門檻值的信號都將被強信號掩蔽掉，成為人耳不可聞的信號。掩蔽特性與掩蔽音的強弱，掩蔽音的中心頻率，掩蔽音與被掩蔽音的頻率相對位置等有關。通常，頻域中的一個強音會掩蔽與之同時發(fā)聲的附近的弱音，弱音離強音越近，一般越容易被掩蔽；反之，離強音較遠的弱音不容易被掩蔽。濾除這一弱信號將不會對音質產(chǎn)生不良影響，而且能減少編碼后的數(shù)據(jù)量，所以可以把它們作為噪聲信號來對待。

    除了同時發(fā)出的聲音之間有掩蔽現(xiàn)象之外，在時間上相鄰的聲音之間也有掩蔽現(xiàn)象，并且稱為時域掩蔽。 所謂時域掩蔽是指掩蔽效應發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時出現(xiàn)時，又稱異時掩蔽。 時域掩蔽又分為超前掩蔽 (pre-masking) 和滯后掩蔽 ( post-masking) ， 若掩蔽聲音出現(xiàn)之前的一段時間內發(fā)生掩蔽效應，則稱為導前掩蔽；否則稱為滯后掩蔽。 產(chǎn)生時域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費一定的時間。一般來說，超前掩蔽很短，只有大約 5 ～ 20 ms ，而滯后掩蔽可以持續(xù) 50 ～ 200 ms 。 異時掩蔽也隨著時間的推移很快會衰減，是一種弱掩蔽效應。

    如上圖左圖所示，當有黑線所示的某頻率信號存在時，靠近它的本來可以聽見的噪聲 B就變得聽不見了，這種現(xiàn)象叫做頻率掩蔽效應。而如右圖所示，當某時刻有黑線所示的信號存在時，位于其后面的比它小一些的本來可聽見的噪聲E也變得聽不見了，這種現(xiàn)象稱為時間掩蔽效應。這些兩種效應合成的結果，就形成了實際的可聞閾。如下圖所示：

    三、感知編碼器

    1 、感知編碼器的特點

    感知編碼器首先分析輸入信號的頻率和振幅，然后將其與人的聽覺感知模型進行比較。編碼器用這個模型去除音頻信號的不相干部分及統(tǒng)計冗余部分。盡管這個方法是有損的，但人耳卻感覺不到編碼信號質量的下降。感知編碼器可以將一個聲道的比特速率從 768kb/s 降至 128kb/s ，將字長從 16 比特 / 取樣減少至平均 2.67 比特 / 取樣，數(shù)據(jù)量減少了約 83% 。

    感知編碼器的有效性部分源自采用了自適應的量化方法。在 PCM 中，所有的信號都分為相同的字長，感知編碼器則是根據(jù)可聽度來分配所使用的字長。重要的聲音就分配多一些位數(shù)來確?？陕牭耐暾裕鴮τ谳p言細語的編碼位數(shù)就會少一些，不可聽的聲音就根本不進行編碼，從而降低了比特速率。編碼器的壓縮率是輸入的比特數(shù)與輸出的比特數(shù)之比。一般常見的壓縮率是 4 ： 1 ， 6 ： 1 或 12 ： 1 。

    一般感知編碼采用兩種比特分配方案。一種是前向自適應分配方案，所有的分配都在編碼器中進行，這個編碼信息也包含在比特流中。前向自適應編碼的一個突出優(yōu)點是在編碼器中采用了心理聲學模型，它只是利用編碼數(shù)據(jù)完全地重建信號。當改進了編碼器中心理聲學模型時，可利用現(xiàn)有的編碼器來重建信號。這種方法的一個缺點是需要占用一些比特位來傳遞分配信息。在后向自適應分配方案中，比特分配信息可以直接從編碼的音頻信號中推導出來，不需要編碼器中詳細的分配信息，分配信息也不占用比特位。然而在解碼器中的比特分配信息是根據(jù)有限的信息推導出來的，精度必然會降低。另外解碼器相應也比較復雜，而且不能輕易地改變心理聲學模型。

    感知編碼有一定的抗噪性。在 PCM 中誤差引入了寬帶噪聲，而對于許多感知編碼器，根據(jù)預編碼信號的典型帶寬，噪聲被限定在窄帶內，因而限制了其強度。誤差僅僅引入了一個低電平的噪聲。感知編碼系統(tǒng)還對目標噪聲進行校正，例如對于極弱的聲音、比較強的聲音給予更多的保護。象任何編碼系統(tǒng)一樣，感知編碼系統(tǒng)也是綜合存儲量、傳輸速率等因素來考慮的合適的誤差校正方案。

    由于感知編碼器根據(jù)人耳的靈敏度來編碼，它也可以輸出放音系統(tǒng)所要求的響度。實況播送的音樂不通過放大器和揚聲器而直接進入耳朵但是錄制的音樂必須通過放音系統(tǒng)。由于感知編碼器去除了不可聽的信號成分，從邏輯上講，加強了放音系統(tǒng)傳送可聽音樂的能力。簡言之，感知編碼器很適合對需要經(jīng)過音頻系統(tǒng)的音頻信號編碼。

    2 、壓縮的實現(xiàn)——子帶壓縮技術

    子帶壓縮技術是以子帶編碼理論為基礎的一種編碼方法。

    子帶編碼理論的基本思想是將信號分解為若干子頻帶內的分量之和，然后對各子帶分量根據(jù)其不同的分布特性采取不同的壓縮策略以降低碼率。

    子帶編碼是將一個短周期內的連續(xù)時間取樣信號送入濾波器中，濾波器組將信號分為多個（最多 32 個）限帶信號，以近似人耳的臨界頻段響應。對于這些子帶，利用 FFT 將信號變換到頻域分析其能量，利用心理聲學模型來分析這些數(shù)值，給出這組數(shù)據(jù)的合成掩蔽曲線。編碼器通過分析每個子帶的能量來判斷該子帶是否包含可聽信息。計算每個子帶的平均功率，用來計算當前子帶及鄰接子帶的掩蔽級，最后根據(jù)最小聞域推導出各個子帶最后的掩蔽級。每個子帶的峰值功率與掩蔽級的比率由所作的運算來決定，并根據(jù)信號振幅高于可聽曲線的程度來分配量化所需的比特數(shù)。

    由于在子帶壓縮技術中主要應用了心理聲學中的聲音掩蔽模型，因而在對信號進行壓縮時引入了大量的量化噪聲。 當重建信號時，每個子帶的量化噪聲被限制在該子帶內，由于每個子帶的信號會對噪聲進行掩蔽，所以子帶內的量化噪聲是可以容忍的。 因為根據(jù)人耳的聽覺掩蔽曲線，在解碼后，這些噪聲被有用的聲音信號掩蔽掉了，人耳無法察覺；同時由于子帶分析的運用，各頻帶內的噪聲將被限制在頻帶內，不會對其它頻帶的信號產(chǎn)生影響。因而在編碼時各子帶的量化階數(shù)不同，采用了動態(tài)比特分配技術，這也正是此類技術壓縮效率高的主要原因。在一定的碼率條件下，此類技術可以達到“完全透明”的聲音質量（ EBU 音質標準）。  

    3、子帶編碼的典型應用—— MPEG-1 音頻壓縮

    在音頻壓縮標準化方面取得巨大成功的是 MPEG-1 數(shù)字音頻壓縮方案。

    在 MPEG-1 壓縮中，按復雜程度規(guī)定了三種模式即 MPEG Audio Layer-1 、 Layer-2 和 Layer-3 。目前廣泛使用的 VCD 的音頻壓縮方案為 MPEG Audio Layer-1 ，它的典型的碼流為每通道 192Kbit/S 。 Layer-2 即稱掩蔽模式通用子帶集成編碼與多路復用，典型的碼流為每通道 128 Kbit/S ，廣泛應用于數(shù)字音頻廣播、數(shù)字演播室等數(shù)字音頻專業(yè)的制作、交流、存儲和傳送。我們最熟悉的是 Layer-3 ，也就是常說的 MP3 ，是綜合于層Ⅱ的優(yōu)點提出的混合壓縮技術， MP3 的壓縮比率更大，可以達到 1 ∶ 10 ～ 1 ∶ 12 的比例，而 MP1 和 MP2 分別只有 1 ∶ 4 和 1 ∶ 6 ～ 1 ∶ 8 的壓縮比例。這也就決定了 MP3 格式的文件尺寸更加適合存儲空間小的隨身聽使用。但 MP3 的復雜度相對較高，編碼不利于實時，典型碼流為 64 Kbit/S ，在低碼率下有高品質的音質，所以成為網(wǎng)上音源的寵兒。

MPEG-1 的壓縮技術方案是子帶壓縮，子帶分割的實現(xiàn)是通過時頻映射，采用多相正交分解濾波器組將數(shù)字化的寬帶音頻信號分成 32 個子帶；同時，信號通過 FFT 運算，對信號進行頻譜分析；子帶信號與頻譜同步計算，得出對各子帶的掩蔽特性，由于掩蔽特性的存在，減少了對量化比特率的要求，不同子帶分配不同的量化比特數(shù)，但對于各子帶而言，是線性量化。另上 CRC 校驗碼，得到標準的 MPEG 碼流。在解碼端，只要解幀，子帶樣值解碼，最后進行頻——時映射還原，最后輸出標準 PCM 碼流。其原理方框圖如圖 1 所示：

    整個編碼工作過程大致是：

    1. 進行時域到頻域的映射。利用 FFT 將時域數(shù)據(jù)轉換到頻域，這樣可以計算精確的掩蔽域值。

    2. 確定最大聲壓級。在每個子帶內根據(jù)比例因子和頻譜數(shù)據(jù)進行計算。

    3. 確定安靜域值。安靜域值也稱絕對域值，它形成了最低掩蔽邊界。

    4. 識別音調和非音調成分。由于信號中的音調和非音調成分的掩蔽域值不同，首先要識別音調和非音調成分，然后分別來進行處理。

    5. 計算掩蔽域值。每個子帶噪聲的掩蔽域值由信號的掩蔽曲線決定。當子帶相對于臨界頻段比較寬時，選擇最小域值；當其比較窄時，將覆蓋子帶的域值進行平均。

    6. 計算全局掩蔽域值。全局掩蔽域值通過對相應的各子帶掩蔽域值和安靜域值求和得到。

    7. 確定最小掩蔽域值。基于全局掩蔽域值來確定每個子帶的最小掩蔽域值。

    8. 計算信號掩蔽率（ SMR ）。最大信號電平和最小掩蔽域值之間的差異決定了每個子帶的 SMR 值，這個值將用于比特分配。

篇7

[關鍵詞] 網(wǎng)絡電視 AVS MPEG-4 H.264

Mainstream network television video codec standard comparative study

Abstract: With the development of society, people are gradually rallying point on a network television. Internet TV is an interactive television network, referred to as IPIV. It focuses on the Internet and communications, and multimedia technology, a broadband cable networks, a variety of new network is a kind of interactive technology, is a combination of technology and television networks, not only meet people's demands for cultural and entertainment , but also to meet the broadband cable networks as a medium into the home. Codec standard is the core of the network television standards, codes directly affect the decoding, decoding will have an impact on the STB. The success of industry standards need to determine the support. Although the mainstream network TV video codec standard are many, but the main criteria used in AVS, MPEG-4, H.264 three. Based on the AVS, MPEG-4, H.264 three standard technology, namely to understand the concept, characteristics, and then the AVS and MPEG-4, H.264 comparison between the last of the three comparison and analysis.

Keywords: Network TV; AVS; MPEG-4; H.264

網(wǎng)絡電視利用的是高效的視頻壓縮技術，在網(wǎng)絡電視視頻所傳輸?shù)膶拵н_到786kbit/s，它的收視率就會與DVD的水平相近。視頻編解碼技術的形成加快了網(wǎng)絡電視的發(fā)展，它能夠支持獨自對內容的編碼與解碼。利用多種編碼的工具，進一步對編碼圖像處理，在同樣的比特率中取得高質量的圖像。并可以支持較高分辨率的活動圖像。可以運用到交互式的準點播與點播視頻中或者是數(shù)字廣播電視中，還可以配置寬帶通信網(wǎng)。

一、AVS、MPEG-4、H.264的概念

1、AVS

AVS是我國創(chuàng)新技術與部分公開技術的自主標準，也是第二代的信源編碼標準。視頻初始的數(shù)據(jù)與信源編碼的壓縮問題是信源編碼技術最迫切需要解決的問題，所以也被稱之為數(shù)字音視頻編解碼技術。它是數(shù)字信息在傳輸與存儲，以及播放等過程中的前提，是視頻產(chǎn)業(yè)的標準。其中AVS標準有五個主要的技術標準，系統(tǒng)和視頻，以及音頻和數(shù)字版權的管理，還有一個支撐的標準是一致性測標準。

AVS視頻編碼技術的重要技術有：量化和熵編碼技術、幀內預測和特殊性的幀間預測、環(huán)路濾波器和和8×8的整數(shù)變換等。

2、H.264

H.264主要是由1TU-T與ISO/IEC的視頻和活動圖像編碼的專家組加上視頻組一起開發(fā)的視頻編碼標準。H.264視頻編碼標準有基本和主體，以及擴展三個子集。專門為視頻會議所設計的是基本的子集，它能夠提供差錯隱消技術，即使是在容易出錯的網(wǎng)絡上，也可以得到很好的視頻效果。它還可以支持低延時的編解碼，而主體與擴展子集適合在電視的應用中。H.264與傳統(tǒng)的標準相同，是一種DPCMJ/II變換編碼中的混合編碼，滿足不同速率和解析度、傳輸?shù)男枨蟆?/p>

3、MPEG-4

MPEG-4是交互式多媒體通信的標準，而是一種面向對象的壓縮。它主要是利用對象編碼，融合了數(shù)字電視與互聯(lián)網(wǎng)，以及交互圖形學等技術。它將視頻與音頻結合考慮，不同的編碼在不同的主體中使用，然后在解碼處并成新的組合。因為MPEG-4對傳輸速率的要求很低，所以只能使用較窄的寬帶，用來顯示在少量數(shù)據(jù)中取得最好的圖像。在相同的情況下，編碼的易難度與圖像質量是MPEG-2的1.5到3倍。對不同對象進行編碼后，再對其解碼，并組成所需的視頻與音頻。MPEG-4使用了第一代的視頻編碼技術，其中有運動補償和變換編碼、熵編碼和運動估計，以及量化。并且提出了新的重要技術包括視頻編碼分等級性和視頻對象提取的技術，以及VOP視頻編碼技術等。

二、AVS與H.264、MPEG-4間的比較

1、AVS與H.264間的比較

通過實驗對其AVS與H.264間性能進行比較。實驗中，采用RM5.0a與JM6.1e作為兩者的編碼器，其序列有：720p與1080i。AVS視頻編解碼標準與H.264成增益的趨勢，其性能基本上是一樣的，因為AVS視頻標準只支持自適應的編碼，所以在性能的差距上平均有0.5dB。如下圖所示：

2、AVS與MPEG-4間的比較

MPEG-4時所制定的第四代標準，與之前的標準相比，差別在于對對象編碼的思想不同。MPEG-4進行編碼的時候，是將圖像分一部分在時間與空間中進行編碼，通過傳輸后進行解碼，然后組成所需的圖像。對不同的圖像對象采取不同的編碼，促進不同數(shù)據(jù)間的結合。提出了新的重要技術包括視頻編碼分等級性和視頻對象提取的技術，以及VOP視頻編碼技術等。它根據(jù)自身的優(yōu)點：低碼高質量，被廣泛應用。MPEG-4標準擁有AVS標準，與以往的MPEG-2相比，MPEG-4與AVS編碼率是MPEG-2的1.4與2到3倍。

三、AVS、MPEG-4、H.264特點間的差異

1、AVS的特點

AVS標準的主要特點是它擁有高的編解碼效率和較低的專利收費、較快的速度和較低的寬帶占有率，以及容易實現(xiàn)的難度程度。

2、MPEG-4的特點

MPEG-4在使用了第一代的視頻編碼技術運動補償和變換編碼、熵編碼和運動估計，以及量化外。還開發(fā)了新的重要技術：視頻編碼分等級性和視頻對象提取的技術，以及VOP視頻編碼技術等。MPEG-4標準主要的特點有三種，第一種是它具有高效的傳輸及存儲的功能。第二種是它在內容上提供了多媒體的數(shù)據(jù)訪問工具，并且還支持在視覺內容中的交互。第三種是它的壓縮率很高，主要用的是ObjectBased進行的解壓縮，使壓縮比的性能指標增加，其壓縮的被數(shù)達到450，分辨率由320×240的輸入可達到1280×1024的輸入。

3、H.264的特點

H.264標準的最大特點是它的數(shù)據(jù)壓縮的比率非常高，在相同的圖像質量下，H.264標準的壓縮比可以達到MPEG-4標準的1.5到2倍之多。H.264標準中的壓縮技術使用戶數(shù)據(jù)下載的時間與流量間的收費得到了節(jié)省。同時在高壓縮比的時候，它還具有很高質量的流暢圖像。它與MPEG-4相比較，其最大的特點有四種，第一種是它將視頻中的幀分離開來，組成像素塊，使視頻幀間的編碼處理能夠達到塊的級別。第二種是它使用的方式是空間冗余，其主要是對原有的視頻幀塊進行預測和轉換，以及優(yōu)化與變長編碼。第三種是視頻連續(xù)幀間的不同塊，將實施臨時存放的方式，存放后只需要對其改變的部分編碼，此算法的完成是通過運動的預測和補償滿足的。在一些特殊的塊中，塊的運動向量則由對已經(jīng)編碼的幀進行搜索，預測其主塊。第四種是利用多出的空間冗余技術將視頻幀所遺留的塊編碼。

四、比較與分析

AVS、MPEG-4、H.264間擁有各自不同的優(yōu)缺點。AVS編碼率是MPEG-2的2到3倍，H.264編碼的效率與AVS效率一樣，所以在取得高效率編碼的時候，AVS標準算法的難易程度要比H.264標準的低，其解碼的難易程度只相當與H.264的70%，所以導致硬件與軟件所實現(xiàn)的成本都要低于H.264。因為MPEG-4標準算法的難易程度要低，所以其編碼的效率也要低。H.264標準的壓縮比可以達到MPEG-4標準的1.5到2倍之多，因此在相同的圖像中，H.264的傳輸碼流要比MPEG-4平均節(jié)省39%。

總而言之，網(wǎng)絡電視視頻編解碼主流標準之間具有各自不同的優(yōu)缺點，在應用的時候，對視頻編解碼主流標準的選擇還要結合實際的因素，根據(jù)各自不同的需要進行選擇。在網(wǎng)絡電視的產(chǎn)業(yè)情況中，H.264標準占據(jù)了市場的主要位置，它的技術與適應性得到了運營商和提供商們的支持。而AVS標準的技術也是較為先進的，它低廉特點也對運營商們產(chǎn)生吸引力。因此，日后網(wǎng)絡電視的發(fā)展逐漸推動了網(wǎng)絡電視視頻編解碼主流標準技術的發(fā)展。

參 考 文 獻

[1]王利娟;孫亞軍;王璞;胡青松;;基于MPEG4壓縮的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計及應用[A];第十三屆全國煤礦自動化學術年會、中國煤炭學會自動化專業(yè)委員會學術會議論文集[C];2003年

篇8

由於在現(xiàn)今資訊流通普遍的社會中，影像的需求量越來越大，影像的數(shù)位化是必然的趨勢。然而在數(shù)位化過的影像所占的資料量又相當龐大，在傳輸與處理上皆有所不便。將資料壓縮是最好的方法。如今有一新的模式，在壓縮率及還原度皆有不錯的表現(xiàn)，為其尚未有一標準的格式，故在應用上尚未普及。但在不久的未來，其潛力不可限量。而影像之於印刷有密不可分的關系。故以此篇文章介紹小波（WAVELET）轉換的歷史淵源。小波轉換的基礎原理?，F(xiàn)今的發(fā)展對印刷業(yè)界的沖擊。影像壓縮的未來的發(fā)展。

壹、前言

由於科技日新月異，印刷已由傳統(tǒng)印刷走向數(shù)位印刷。在數(shù)位化的過程中，影像的資料一直有檔案過大的問題，占用記憶體過多，使資料在傳輸上、處理上都相當?shù)馁M時，現(xiàn)今個人擁有True Color的視訊卡、24-bit的全彩印表機與掃描器已不再是天方夜譚了，而使用者對影像圖形的要求，不僅要色彩繁多、真實自然，更要搭配多媒體或動畫。但是相對的高畫質視覺享受，所要付出的代價是大量的儲存空間，使用者往往只能眼睜睜地看著體積龐大的圖檔占掉硬碟、磁帶和光碟片的空間；美麗的圖檔在親朋好友之間互通有無，是天經(jīng)地義的事，但是用網(wǎng)路傳個640X480 True Color圖形得花3分多鐘，常使人哈欠連連，大家不禁心生疑慮，難道圖檔不能壓縮得更小些嗎？如此報業(yè)在傳版時也可更快速。所以一種好的壓縮格式是不可或缺的，可以使影像所占的記憶體更小、更容易處理。但是目前市場上所用的壓縮模式，在壓縮的比率上并不理想，失去壓縮的意義。不然就是壓縮比例過大而造成影像失真，即使數(shù)學家與資訊理論學者日以繼夜，卯盡全力地為lossless編碼法找出更快速、更精彩的演算法，都無可避免一個尷尬的事實：壓縮率還是不夠好。再說用來印刷的話就造成影像模糊不清，或是影像出現(xiàn)鋸齒狀的現(xiàn)象。皆會造成印刷輸出的問題。影像壓縮技術是否真的窮途末路？請相信人類解決難題的潛力是無限的。既然舊有編碼法不夠管用，山不轉路轉，科學家便將注意力移轉到WAVELET轉換法，結果不但發(fā)現(xiàn)了滿意的解答，還開拓出一條光明的坦途。小波分析是近幾年來才發(fā)展出來的數(shù)學理論。小波分析，無論是作為數(shù)學理論的連續(xù)小波變換，還是作為分析工具和方法的離散小波變換，仍有許多可被研究的地方，它是近幾年來在工具及方法上的重大突破。小波分析是傅利葉（Fourier）分析的重要發(fā)展，他保留了傅氏理論的優(yōu)點，又能克服其不足之處?？蛇_到完全不失真，壓縮的比率也令人可以接受。由於其數(shù)學理論早在1960年代中葉就有人提出了，而到現(xiàn)在才有人將其應用於實際上，其理論仍有相當大的發(fā)展空間，而其實際運用也屬剛起步，其後續(xù)發(fā)展可說是不可限量。故研究的動機便由此而生。

貳、 WAVELET的歷史起源

WAVELET源起於Joseph Fourier的熱力學公式。傅利葉方程式在十九世紀初期由Joseph Fourier (1768-1830)所提出，為現(xiàn)代信號分析奠定了基礎。在十九到二十世紀的基礎數(shù)學研究領域也占了極重要的地位。Fourier提出了任一方程式，甚至是畫出不連續(xù)圖形的方程式，都可以有一單純的分析式來表示。小波分析是近幾年來才發(fā)展出來的數(shù)學理論為傅利葉方程式的延伸。

小波分析方法的提出可追溯到1910年Haar提出的小波規(guī)范正交基。其後1984年，法國地球物理學J. Morlet在分析地震波的局部性質時，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的傅利葉轉換，難以達到其要求，因此引進小波概念於信號分析中，對信號進行分解。隨後理論物理學家A.Grossman對Morlet的這種信號根據(jù)一個確定函數(shù)的伸縮，平移系 { a -1/2 Ψ[(x-b)/a] ；a，b?R ，a≠0}展開的可行性進行了研究，為小波分析的形成開了先河。

1986年，Y. Meyer建構出具有一定衰減性的光滑函數(shù)Ψj，k(x)，其二進制伸縮與平移系 {Ψj，k(x)=√2jΨ(2jx-k)；j，k?Z}構成L2（R）的規(guī)范正交基。1987年，Mallat巧妙的將多分辨分析的思想引入到小波分析中，建構了小波函數(shù)的構造及信號按小波轉換的分解及重構。1988年Daubechies建構了具有正交性（Orthonormal）及緊支集（Compactly Supported）；及只有在一有限區(qū)域中是非零的小波，如此，小波分析的系統(tǒng)理論得到了初步建立。

三、 WAVELET影像壓縮簡介及基礎理論介紹

一、 WAVELET的壓縮概念

WAVELET架在三個主要的基礎理論之上，分別是階層式邊碼(pyramid coding)、濾波器組理論(filter bank theory)、以及次旁帶編碼(subband coding)，可以說wavelet transform統(tǒng)合了此三項技術。小波轉換能將各種交織在一起的不同頻率組成的信號，分解成不相同頻率的信號，因此能有效的應用於編碼、解碼、檢測邊緣、壓縮數(shù)據(jù)，及將非線性問題線性化。良好的分析局部的時間區(qū)域與頻率區(qū)域的信號，彌補傅利葉轉換中的缺失，也因此小波轉換被譽為數(shù)學顯微鏡。

WAVELET并不會保留所有的原始資料，而是選擇性的保留了必要的部份，以便經(jīng)由數(shù)學公式推算出其原始資料，可能不是非常完整，但是可以非常接近原始資料。至於影像中什度要保留，什麼要舍棄，端看能量的大小儲存（跟波長與頻率有關）。以較少的資料代替原來的資料，達到壓縮資料的目的，這種經(jīng)由取舍資料而達到壓縮目地的作法，是近代數(shù)位影像編碼技術的一項突破。即是WAVELET的概念引入編碼技術中。

WAVELET轉換在數(shù)位影像轉換技術上算是新秀，然而在太空科技早已行之有年，像探測衛(wèi)星和哈柏望遠鏡傳輸影像回地球，和醫(yī)學上的光纖影像，早就開始用WAVELET的原理壓縮/還原影像資料，而且有壓縮率極佳與原影重現(xiàn)的效果。

以往lossless的編碼法只著重壓縮演算法的表現(xiàn)，將數(shù)位化的影像資料一絲不漏的送去壓縮，所以還原回來的資料和原始資料分毫無差，但是此種壓縮法的壓縮率不佳。 將數(shù)位化的影像資料轉換成利於編碼的資料型態(tài)，控制解碼後影像的品質，選擇適當?shù)木幋a法，而且還在擷取圖形資料時，先幫資料「減肥。如此才是WAVELET編碼法主要的觀念。

二、 影像壓縮過程

原始圖形資料 色彩模式轉換 DCT轉換 量化器 編碼器 編碼結束

三、 編碼的基本要素有三點

（一） 一種壓縮/還原的轉換可表現(xiàn)在影像上的。

（二） 其轉換的系數(shù)是可以量化的。

（三） 其量化的系數(shù)是可以用函數(shù)編碼的。

四、 現(xiàn)有WAVELET影像壓縮工具主要的部份

（一） Wavelet Transform（WAVELET轉換）：將圖形均衡的分割成任何大小，最少壓縮二分之一。

（二） Filters（濾鏡）：這部份包含Wavelet Transform，和一些著名的壓縮方法。

（三） Quantizers（量化器）：包含兩種格式的量化，一種是平均量化，一種是內插量化，對編碼的架構有一定的影響。

（四） Entropy Coding（熵編碼器）：有兩種格式，一種是使其減少，一種為內插。

（五） Arithmetic Coder（數(shù)學公式）：這是建立在Alistair Moffat s linear time coding histogram的基礎上。

（六） Bit Allocation（資料分布）：這個過程是用整除法有效率的分配任何一種量化。

肆、 WAVELET影像壓縮未來的發(fā)展趨勢

一、 在其結構上加強完備性。

二、 修改程式，使其可以處理不同模式比率的影像。

三、 支援更多的色彩?？梢蕴幚鞷GB的色彩，像是YIQ、HUV的色彩定義都可以分別的處理。

四、 加強運算的能力，使其可支援更多的影像格式。

五、 使用WAVELET轉換藉由消除高頻率資料增加速率。

六、 增加多種的WAVELET。如：離散、零元樹等。

七、 修改其數(shù)學編碼器，使資料能在數(shù)學公式和電腦的位元之間轉換。

八、 增加8X8格的DCT模式，使其能做JPEG的壓縮。

九、 增加8X8格的DCT模式，使其能重疊。

十、 增加trellis coding。

十一、 增加零元樹。

現(xiàn)今已有由中研院委托國內學術單位研究，也有不少的研究所的碩士。國外更是如火如荼的展開研究。相信實際應用於實務上的日子指日可待。

伍、 影像壓縮研究的方向

1. 輸入裝置如何捕捉真實的影像而將其數(shù)位化。

2. 如何將數(shù)位化的影像資料轉換成利於編碼的資料型態(tài)。

3. 如何控制解碼影像的品質。

4. 如何選擇適當?shù)木幋a法。

5. 人的視覺系統(tǒng)對影像的反應機制。

小波分析，無論是作為數(shù)學理論的連續(xù)小波變換，還是作為分析工具和方法的離散小波變換，仍有許多可被研究的地方，它是近幾年來在工具及方法上的重大突破。小波分析是傅利葉（Fourier）分析的重要發(fā)展，他保留了傅氏理論的優(yōu)點，又能克服其不足之處。

陸、 在印刷輸出的應用

WAVELET影像壓縮格式尚未成熟的情況下，作為印刷輸出還嫌太早。但是後續(xù)發(fā)展?jié)摿o窮，尤其在網(wǎng)路出版方面，其利用價值更高，WAVELET的出現(xiàn)就猶如當時的JPEG出現(xiàn)，在影像的領域中掀起一股旋風，但是WAVELET卻有JPEG沒有的優(yōu)點，JPEG乃是失真壓縮，且解碼後復原程度有限，能在網(wǎng)路應用，乃是由於電腦的解析度并不需要太高，就可辨識其圖形。而印刷所需的解析度卻需一定的程度。WAVELET雖然也是失真壓縮，但是解碼後卻可以還原資料到幾乎完整還原，如此的壓縮才有存在的價值。

有一點必須要提出的就是，并不是只要資料還原就可以用在印刷上，還需要有解讀其檔案的RIP，才能用於數(shù)位印刷上。等到WAVELET的應用成熟，再發(fā)展其適用的RIP，又是一段時間以後的事了。

在網(wǎng)路出版上已經(jīng)有瀏覽器可以外掛讀取WAVELET檔案的軟體了，不過還是測試版，可是以後會在網(wǎng)路上大量使用，應該是未來的趨勢。對於網(wǎng)路出版應該是一陣不小的沖擊。

圖像壓縮的好處是在於資料傳輸快速，減少網(wǎng)路的使用費用，增加企業(yè)的利潤，由於傳版的時間減少，也使印刷品在當?shù)赜∷⒌目赡苄栽龈?，減少運費，減少開支，提高時效性，創(chuàng)造新的商機。

柒、 結論

WAVELET的理論并不是相當完備，但是據(jù)現(xiàn)有的研究報告顯現(xiàn)，到普及應用的階段，還有一段距離。但小波分析在信號處理、影像處理、量子物理及非線性科學領域上，均有其應用價值。國內已有正式論文研究此一壓縮模式。但有許多名詞尚未有正式的翻譯，各自有各自的翻譯，故研究起來倍感辛苦。但相信不久即會有正式的定名出現(xiàn)。這也顯示國內的研究速度，遠落在外國的後面，國外已成立不少相關的網(wǎng)站，國內僅有少數(shù)的相關論文。如此一來國內要使這種壓縮模式普及還有的等。正式使用於印刷業(yè)更是要相當時間。不過對於網(wǎng)路出版仍是有相當大的契機，國內仍是可以朝這一方面發(fā)展的。站在一個使用其成果的角度，印刷業(yè)界也許并不需要去了解其高深的數(shù)理理論。但是在運用上，為了要使用方便，和預估其發(fā)展趨勢，影像壓縮的基本概念卻不能沒有。本篇文章單純的介紹其中的一種影像壓縮模式，目的在為了使後進者有一參考的依據(jù)，也許在不久的將來此一模式會成為主流，到時才不會手足無措。

參考文獻

1.Geoff Davis，1997，Wavelet Image Compression Construction Kit，。

2.張維谷.小宇宙工作室，初版1994，影像檔寶典.WINDOWS實作（上）， 峰資訊股份有限公司。

3.張維谷.小宇宙工作室，初版1994，影像檔寶典.WINDOWS實作（下）， 峰資訊股份有限公司。

4.施威銘研究室，1994，PC影像處理技術（二）圖檔壓縮續(xù)篇，旗標出版有限公司。

5.盧永成，民八十七年，使用小波轉換及其在影像與視訊編碼之應用，私立中原大學電機工程學系碩士學位論文。

6.江俊明，民八十六年，小波分析簡介，私立淡江大學物理學系碩士論文。

7.曾泓瑜、陳曜州，民八十三年，最新數(shù)位訊號處理技術（語音、影像處理實務），全欣資訊圖書。

附錄：

嵌入式零元樹小波轉換、 階層式嵌入式零元樹小 波轉換、階層式影像傳送 及漸進式影像傳送

目前網(wǎng)路最常用的靜態(tài)影像壓縮模式為JPEG格式或是GIF格式等。但是利用這些格式編碼完成的影像，其資料量是不變的，其接受端必須完整地接受所有的資料量後才可以顯示出編碼端所傳送的完整影像。這個現(xiàn)象最常發(fā)生在利用網(wǎng)路連結WWW網(wǎng)站時，我們常常都是先接收到文字後，其網(wǎng)頁上的圖形才，慢慢的一小部份一小部份顯示出來，有時網(wǎng)路嚴重塞車，圖形只顯示一點點後就要再等非常久的時間才再有一點點顯示出來，甚至可能斷線了，使得使用者完全不知道在接收什麼圖案的圖形，無形中造成網(wǎng)路資源的浪費。此缺點之改善，可以使用嵌入式零元樹小波轉換(EZW)來完成。

階層式影像傳送系統(tǒng)的主要功能為允許不同規(guī)格之顯示裝置或解碼器可以從同一編碼器中獲得符合其要求之訊號，如此不需要對於不同的解碼器設計不同的編碼器配合利用之，進而增加了其應用的 范圍，及減低了所架設系統(tǒng)的復雜度，也可以節(jié)省更多的設備費用。利用Shapiro所提出的嵌入式零元樹小波轉換(EZW)技術來設計階層式影像傳送系統(tǒng)時，其編碼的效果不是很好。主要的原因是，利用(EZW)技術所設計的編碼器是根據(jù)影像的全解析度來加以編碼的，這使得擁有不同解析度與碼率要求的解碼器，無法同時分享由編碼器所送出來的位元流。雖然可以利用同時播放(Simulcast)技術來加以克服之，但是該技術對於同一影像以不同解析度獨立編碼時，將使得共同的低通次頻帶(Lowpass Subband)被重復的編碼與傳送，而產(chǎn)生了相當高的累贅(Redundancy)。

基於上述情況，有人將嵌入式零元樹小波轉換(EZW)技術加以修改之，完成了一個新式的階層式影像傳送系統(tǒng)。該技術為階層式嵌入的零元樹小波轉換(Layered Embedded Zerotree Wavelet，簡稱 LEZW技術。這個技術使我們所設計出來的階層式影像傳送系統(tǒng)，可以在編碼傳送前預先指定圖層數(shù)目、每層影像的解析度與碼率。

LEZW技術是將EZW技術中的連續(xù)近似量化(SAQ)加以延伸應用之，而EZW傳統(tǒng)的做法是將SAQ應用於全部的小波轉換系數(shù)上。然而在LEZW技術中，從基層(Base Layer)開始SAQ一次僅用於一個 圖層(Layer)的編碼，直到最高階析度的圖層為止。當編碼的那一圖層碼率利用完時，即表示該圖層編碼完畢可以再往下一圖層編碼之。為了改善LEZW的效率，在較低圖層的SAQ結果應用於較高圖層的SAQ過程中，基於這種編碼的程序，LEZW演算法則可以在每一圖層平均碼率的限制下，重建出不同解析度的影像。因此，LEZW非常適合用於設計階層式影像傳送系統(tǒng)。

LEZW技術也可以應用於漸進式傳送，對於一個漸進式影像傳送系統(tǒng)而言，控制其解析度將可以改善重建影像的視覺品質。而常用的漸進式傳送方法有使用向量量化器或零元樹資料結構編碼演算法則。但是向量量化器需要較大的記憶體及對與傳送中的錯誤敏威，而利用EZW技術所設計的漸進式影像傳送系統(tǒng)，可以改善這些缺點，所以享有較好的效能。但是它也有缺點就是，應用於漸進式傳送時是根據(jù)全解析度來做編碼及傳送，因此在低碼率的限制之下時，若用全解析度來顯示影像將使得影像模糊不清。所以在低碼率傳送時的影像以較低的解析度來顯示時，則可以使影像的清晰度有所改善。

篇9

Abstract: The paper introduces the classification of automobile air-conditioning compressor,the structure,feature and working principle of scroll type compressor and describes the prospects of automobile air-conditioning compressor.

關鍵詞:汽車空調;渦旋式壓縮機;動渦盤;靜渦盤

Key words: automobile air-conditioning;scroll type compressor;orbiting scroll;static scroll

中圖分類號:U463 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)24-0221-01

0引言

汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè),而空調是汽車現(xiàn)代化標志之一,現(xiàn)在基本所有的轎車上都裝備有汽車空調。

作為汽車空調核心部件的壓縮機,在技術和質量上也取得了長足的進步,壓縮機的設計正朝著減少重量和體積、降低噪音和增加振動穩(wěn)定性的方向發(fā)展。目前壓縮機仍以斜板式、旋葉式和漩渦式壓縮機為主,自20世紀以來,渦旋壓縮機以其機構緊湊、高效節(jié)能、微振低噪以及工作可靠性等特點,在汽車空調中的應用也越來越引起人們的關注。本論文將對汽車用渦旋式空調壓縮機技術及其發(fā)展進行闡述。

1概述

壓縮機是汽車空調制冷系統(tǒng)的心臟,其作用是維持制冷劑在制冷系統(tǒng)中的循環(huán),吸入來自蒸發(fā)器的低溫、低壓制冷劑蒸氣,壓縮制冷劑蒸氣使其壓力和溫度升高,并將制冷劑蒸氣送往冷凝器。

用于汽車制冷系統(tǒng)的壓縮機按運動型式可分以下幾種:

1.1 往復活塞式壓縮機。

①曲軸連桿式;②徑向活塞式;③軸向活塞式:翹板式、斜板式。

1.2 旋轉式壓縮機。

①旋葉式:圓形汽缸、橢圓形汽缸;②轉子式:滾動活塞式、三角轉子式;③螺桿式壓縮機;④渦旋式壓縮機。

而車用空調要求體積小、重量輕,并且要能在比較惡劣的工況下工作,隨著汽車技術的發(fā)展,汽車空調對這些技術要求越來越高,而與傳統(tǒng)的往復式和斜盤式空調壓縮機相比,渦旋壓縮機因其性能上滿足上述特點而在汽車空調的應用上具有明顯的優(yōu)勢,得到了越來越多的應用。

2渦旋式壓縮機發(fā)展優(yōu)越性

渦旋式壓縮機由一個固定的漸開線渦旋盤和一個呈偏心回旋平動的漸開線運動渦旋盤組成可壓縮容積的壓縮機。渦旋式壓縮機的壓縮腔形狀及其變化,既不同于往復式壓縮機,又不同于旋轉式壓縮機,故把它稱作新一代容積式壓縮機。綜合起來,渦旋壓縮機有以下優(yōu)點:

2.1 效率高,多個壓縮腔同時工作,相鄰壓縮腔之間的氣體壓差小,氣體泄漏量少,效率高達90%-98%。

2.2 渦旋式壓縮機體積小、重量輕,噪聲小,整機振動小。

2.3 低溫性能好,高效節(jié)能(高容積效率):在中、低溫應用時,比傳統(tǒng)的活塞機在容積效率上高30%以上。

2.4 沒有吸、排氣閥,渦旋壓縮機運轉可靠,且特別適應于變轉速運轉和變速技術。

2.5 由于渦旋空壓機本身無易損件、機組性能優(yōu)良,因此保養(yǎng)費用極低。

3渦旋壓縮機的整體結構及工作原理

3.1 渦旋壓縮機的整體結構。

汽車空調渦旋壓縮機的主要構件有動渦盤、靜渦盤、防自轉機構、曲軸和支架等,其中,動渦盤放置于靜渦盤和支架之間,可以沿軸向移動。

工作時,動渦盤在氣體力的作用下,會存在繞其中心自轉的趨勢。這種趨勢會破壞了渦旋壓縮機的正常工作,因此存在防自轉裝置。防自轉機構設置在動渦盤與支架之間,常見的結構型式有十字聯(lián)軸器、球軸承、圓柱銷、小曲柄軸等。

3.2 渦旋壓縮機的工作原理。

動靜渦旋盤的最常用型線是圓的漸開線及其修正曲線。下面以圓的漸開線渦旋型線為例來說明渦旋壓縮機的工作原理。

把渦旋型線參數(shù)、相位差、基圓中心相距r相同的動渦盤與靜渦盤組裝后,可以形成數(shù)對封閉的月牙形容積腔。當偏心軸推動動渦盤中心繞靜渦盤中心作圓周軌道運動時,這些封閉的容積腔相應地擴大或縮小,由此實現(xiàn)氣體的吸入、壓縮和排氣的目的。低壓氣體從靜渦盤上開設的吸氣孔口或動靜渦旋盤的周邊縫隙進入吸氣腔,經(jīng)壓縮后由靜渦盤中心處的排氣孔口排出。

動、靜渦旋盤的型線為3圈,便形成了3對容積腔,分別用1、2、3表示,并依次稱為中心壓縮腔(即第一壓縮腔,又稱排氣腔)、第二和第三壓縮腔。用θ表示動渦盤中心繞靜渦盤中心的轉動角,陰影部分表示第2壓縮腔對應于曲柄轉角θ時的軸向投影面積。

當θ=0°時,第三壓縮腔剛好封閉,壓縮機的吸氣過程結束,這時第三壓縮腔中充入的氣體所占據(jù)的容積即為吸氣容積,相當于往復式壓縮機的行程容積。隨著主軸轉角的增大,月牙形面積逐漸減小,當θ=360°時,第三壓縮腔完成對氣體的壓縮過程,這時的壓縮腔容積就是第二壓縮腔的最大封閉容積。中心壓縮腔和第二壓縮腔中的氣體容積變化規(guī)律與第三壓縮腔中的相同。

需要指出的是,第三壓縮腔在壓縮氣體的時候,壓縮機的吸氣過程也在進行。渦旋式壓縮機壓縮氣體的過程是在連續(xù)進行的,主軸每轉一周即可完成一次吸氣。

4渦旋式壓縮機發(fā)展存在的問題

4.1 其運動機件表面多是呈曲面形狀,這些曲面的加工精度,特別是渦旋體的形位公差有很高要求,渦旋體側壁面的垂直度,應控制在微米級,有的還需要專門的加工方法、加工技術和加工設備,因此制造成本較高。

4.2 其運動機件之間或運動機件與固定機件之間,常以保持一定的運動間隙來達到密封,氣體通過間隙勢必引起泄漏,因此密封起來比較困難。

4.3 動渦盤上承受的軸向氣體作用力,隨主軸轉角發(fā)生變化,很難恰如其分以平衡,此軸向氣體力往往帶來摩擦功率消耗。

4.4 從生產(chǎn)和市場來看,我國目前真正擁有渦旋壓縮技術并能大批生產(chǎn)的公司并不多。國外,美國、日本和法國的幾家公司都擁有自己的產(chǎn)品專利,壟斷了具有優(yōu)越性能的渦旋壓縮專利產(chǎn)品。但是,國外產(chǎn)品價格昂貴,不適應中國國情。

篇10

關鍵詞：空間索引； 批量加載； 多核； 并行加載算法

中圖分類號：TN91934文獻標識碼：A文章編號：1004373X(2011)22009005

Research on Parallel Bulkloading Algorithm for Spatial Index

LIU Wenhong, XIONG Wei, WU Ye, CHEN Hongsheng

(College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract： Spatial index is a key technology for improving the inquiry performance of spatial database. As the spatial data has the characteristics of massive amount of data in the database space, irregular space target, complex structure and relationship, the inserting cost of the traditional R tree loading algorithm is very high to dynamically maintain the spatial index structure. Based on indepth analysis of spatial index bulkloading algorithm, the Hilbert Rtree index parallel bulkloading algorithm based on multicore hardware architecture was realized by the aid of OpenMP parallel programming model. Experimental data shows that, compared with the classic serial algorithm, the parallel efficiency of this algorithm is close to 50%. The results of inquiry experiment certify that the parallel bulkloading algorithm maintains the good query performance of the serial algorithm.

Keywords： spatial index; bulkloading; multiprocessor; parallel loading algorithm

收稿日期：20110631

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61070035，60902036，40801160）；高等學校博士學科點專項科研基金（20104307110017）；國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）課題資助（2011AA120306）0引言

隨著國家空間基礎設施建設的迅猛發(fā)展和各種地學相關信息的爆炸性增長，利用空間數(shù)據(jù)庫來存儲和管理海量空間數(shù)據(jù)大勢所趨［1］?？臻g索引作為空間數(shù)據(jù)庫的關鍵技術，是估計空間實體表達形式多樣，數(shù)據(jù)量龐大，空間操作計算復雜等特點，按一定順序排列的一種數(shù)據(jù)結構，主要用于提高系統(tǒng)對空間數(shù)據(jù)獲取的效率。

R樹是B樹在k維空間上的自然擴展［2］，傳統(tǒng)R樹的構建是從空樹開始，利用傳統(tǒng)的插入算法逐個插入記錄，直至生成整個R樹，稱為OBO（One by one）方法。由于要動態(tài)地維護空間索引結構，該方法的插入代價非常高，特別對于海量空間數(shù)據(jù)而言，索引的創(chuàng)建過程將耗時巨大。因此，面向海量空間數(shù)據(jù)處理的應用需求，需要尋求高效的R樹靜態(tài)批量操作技術，在維持和提高查詢性能的前提下，盡可能提高R樹的靜態(tài)加載速度［3］。

本文綜述了空間索引批量加載算法，并結合相關研究對這些算法進行了分析與評述，基于Kamel和Faloutsos提出的Hilbert R 樹壓縮算法，對該算法的并行性進行分析，最終實現(xiàn)基于多核硬件架構的Hilbert R 樹并行算法。通過實驗，將設計的索引并行批量加載算法與傳統(tǒng)的串行算法做性能比較，并提出修改意見和今后的研究方向。

1相關研究

1.1基于R樹的靜態(tài)批量加載技術

R樹批量加載技術又稱壓縮技術。在數(shù)據(jù)為已知且相對靜態(tài)的情況下，對已知數(shù)據(jù)進行有效的預處理，提高數(shù)據(jù)加載速度，建立結構優(yōu)化的R樹，改善空間存儲利用率，從而獲得優(yōu)良的檢索性能，是壓縮技術的初衷。采用靜態(tài)加載技術的R樹稱為靜態(tài)R樹。

第一個基于R樹的壓縮算法由Rousopoulos等提出，用以建立能夠達到100％空間利用率的壓縮R樹。其基本思想是根據(jù)空間對象最小邊界矩形的一個角點的x坐標或y坐標對空間對象進行排序，然后用這些有序的空間對象逐個壓滿樹的葉結點，自下而上，一次一層，遞歸生成最終的壓縮R樹。由算法可知，在壓縮R樹的每一層中，除了最后一個結點可能不滿外，其他所有結點都是滿的，因此，可以獲得幾乎100％的空間利用率。但是，該算法僅在點數(shù)據(jù)的點查詢方面優(yōu)于線性分裂或平方分裂的R樹和R*樹，而對于域查詢和空間擴展數(shù)據(jù)（如矩形等）性能較差。

Kamel和Faloutsos提出了一種基于分形曲線構建靜態(tài)R樹的壓縮算法，利用分形Hilbert曲線對已知空間數(shù)據(jù)對象進行更好的一維排序［4］，以獲得優(yōu)良的壓縮效果。他們設計了不同的變體進行了大量的實驗，最終“2DC”（利用空間對象MBR中心點的Hilbert碼進行排序）變體性能最優(yōu)［5］。該變體在查詢性能上不僅優(yōu)于Rousopoulos等的packed R樹，而且優(yōu)于當時R樹的所有動態(tài)版本，如R+樹、R*樹等，且特別適合現(xiàn)實的、不規(guī)則分布的數(shù)據(jù)。

與基于排序的批量加載方法不同，Bercken等提出的批量加載方法是一種基于緩沖的技術，也可以認為是基于種子樹方法的推廣，它并不局限于R樹，而是適用于所有基于樹的空間索引結構［6］。該方法借鑒了buffer樹的思想，通過Lazy buffer技術，利用一個有效的臨時數(shù)據(jù)結構，一次一層地建立整個索引結構，避免了數(shù)據(jù)排序預處理過程。

Bercken等通過性能分析得出該算法的R樹插入代價達到了外排序的下界，但是并沒有進行具體的實驗證明和性能比較。

最后根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計算time_total的并行加速比和并行效率，分析該并行算法的優(yōu)化效能。

定義 1： 并行加速比=串行執(zhí)行時間÷并行執(zhí)行時間；

定義 2： 并行效率=加速比÷處理器個數(shù)。

統(tǒng)計Step 2的時間開銷，如圖3所示。

圖3Step 2索引構建初始化時間統(tǒng)計Step 3的時間開銷，如圖4所示。

圖4Step 3排序時間統(tǒng)計Step 4的時間開銷，如圖5所示。

圖5Step 4構建R樹時間統(tǒng)計索引生成總的時間開銷，如圖6所示。

圖6索引構建總時間從圖4~圖6中可以看出，對Hilbert R樹算法中的Step 2初始化、Step 3排序、Step 4構樹部分所做的并行優(yōu)化從時間上看都有不同程度的提高，隨著實驗數(shù)據(jù)的增大，發(fā)現(xiàn)在開啟4或8個線程時效果最好。通過對串行算法和并行算法的實驗對比，在分別計算在開啟不同線程數(shù)情況下的并行加速比和并行效率，進一步分析該并行優(yōu)化算法的加速效率，如圖7和圖8所示。

圖7總時間的并行加速比圖8總時間的并行效率通過上述試驗結果分析可知，本文設計的并行算法在多核硬件環(huán)境下對索引構建的效率有了較大提升，在調用線程數(shù)為4時并行效果最明顯，并行加速比達到1.9左右，并行效率在0.48附近。由此得出結論，采用OpenMP對Hilbert packed R樹算法進行并行優(yōu)化效果明顯，可以較大地提高索引的批量加載效率。

3.3索引性能測試

為了驗證Hilbert packed R樹算法經(jīng)過并行優(yōu)化后能否維持原經(jīng)典串行算法構建索引的優(yōu)良性能，對2種算法構建的索引分別進行查詢測試。由于點查詢可以看作是域查詢的特殊情況，因此本文采用域查詢方式進行實驗。

以第1幅圖（包含2 092 079個對象）作為實驗對象，設定選擇率分別為1%，2%，3%，4%，5%，統(tǒng)計磁盤I/O數(shù)和查詢時間，結果如圖9，圖10所示。

圖9磁盤I/O對比圖10查詢時間對比

通過上述的試驗結果分析可知，Hilbert R樹并行算法和串行算法生成的索引查詢性能基本一致，驗證了Hilbert R樹算法的并行化設計并沒有降低索引的優(yōu)良性能。

4結語

在空間索引的創(chuàng)建過程中，許多專家學者正在致力于提高索引批量加載效率的研究，提出了很多經(jīng)典算法或是在前人的基礎上進行了改進。本文結合當今高速發(fā)展的多核CPU技術，在深入學習Hilbert R樹經(jīng)典算法的基礎上，通過調用OpenMP接口實現(xiàn)基于多核的并行化設計，在保證索引性能的前提下使得并行加速比達到1.9，并行效率在0.48左右。相關的研究內容和研究方法有待進一步的探討，仍需要經(jīng)過更加詳細的測試，以期在空間數(shù)據(jù)處理領域得到實際應用。

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(上接第89頁)

4結語

基于J2EE且以MVC模式設計出來的教學管理信息系統(tǒng)層次清晰、功能強大、易于管理，在教學管理過程中發(fā)揮著巨大的作用，必將得到廣泛的應用。

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