压缩技术论文范文
时间：2023-03-16 19:05:41
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篇1
关键词：数字图像；图像压缩；压缩技术；任意形状可视对象编码
Abstract:Digitalimagecompressiontechnologyisofspecialintrestforthefasttransmissionandreal-timeprocesssingofdigitalimageinformationontheinternet.Thepaperintroducesseveralkindsofthemostimportantimagecompressionalgorithmsatpresent:JPEG,JPEG2000,fractalimagecompressionandwavelettransformationimagecompression,andsummarizestheiradvantageanddisadvantageanddevelopmentprospect.Thenitintroducessimplythepresentdevelopmentofcodingalgorithmsaboutarbitraryshapevideoobject,andindicatesthealgorithmshaveahighcompressionrate.
Keyword:Digitalimage;Imagecompression;Compresstechnique;Arbitraryshapevisibleobjectcode
一、引言
随着多媒体技术和通讯技术的不断发展，多媒体娱乐、信息高速公路等不断对信息数据的存储和传输提出了更高的要求，也给现有的有限带宽以严峻的考验，特别是具有庞大数据量的数字图像通信，更难以传输和存储，极大地制约了图像通信的发展，因此图像压缩技术受到了越来越多的关注。图像压缩的目的就是把原来较大的图像用尽量少的字节表示和传输，并且要求复原图像有较好的质量。利用图像压缩，可以减轻图像存储和传输的负担，使图像在网络上实现快速传输和实时处理。
图像压缩编码技术可以追溯到1948年提出的电视信号数字化，到今天已经有50多年的历史了[1]。在此期间出现了很多种图像压缩编码方法，特别是到了80年代后期以后，由于小波变换理论，分形理论，人工神经网络理论，视觉仿真理论的建立，图像压缩技术得到了前所未有的发展，其中分形图像压缩和小波图像压缩是当前研究的热点。本文对当前最为广泛使用的图像压缩算法进行综述，讨论了它们的优缺点以及发展前景。
二、JPEG压缩
负责开发静止图像压缩标准的“联合图片专家组”（JointPhotographicExpertGroup,简称JPEG），于1989年1月形成了基于自适应DCT的JPEG技术规范的第一个草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918国际标准草案，并在一年后成为国际标准，简称JPEG标准。
1．JPEG压缩原理及特点
JPEG算法中首先对图像进行分块处理，一般分成互不重叠的大小的块，再对每一块进行二维离散余弦变换（DCT）。变换后的系数基本不相关，且系数矩阵的能量集中在低频区，根据量化表进行量化，量化的结果保留了低频部分的系数，去掉了高频部分的系数。量化后的系数按zigzag扫描重新组织，然后进行哈夫曼编码。JPEG的特点如下：
优点：（1）形成了国际标准；（2）具有中端和高端比特率上的良好图像质量。
缺点：（1）由于对图像进行分块，在高压缩比时产生严重的方块效应；（2）系数进行量化，是有损压缩；（3）压缩比不高，小于50[2]。
JPEG压缩图像出现方块效应的原因是：一般情况下图像信号是高度非平稳的，很难用Gauss过程来刻画，并且图像中的一些突变结构例如边缘信息远比图像平稳性重要，用余弦基作图像信号的非线性逼近其结果不是最优的[3]。
2．JPEG压缩的研究状况及其前景[2]
针对JPEG在高压缩比情况下，产生方块效应，解压图像较差，近年来提出了不少改进方法，最有效的是下面的两种方法：
（1）DCT零树编码
DCT零树编码把DCT块中的系数组成log2N个子带，然后用零树编码方案进行编码。在相同压缩比的情况下，其PSNR的值比EZW高。但在高压缩比的情况下，方块效应仍是DCT零树编码的致命弱点。
（2）层式DCT零树编码
此算法对图像作的DCT变换，将低频块集中起来，做反DCT变换；对新得到的图像做相同变换，如此下去，直到满足要求为止。然后对层式DCT变换及零树排列过的系数进行零树编码。
JPEG压缩的一个最大问题就是在高压缩比时产生严重的方块效应，因此在今后的研究中，应重点解决DCT变换产生的方块效应，同时考虑与人眼视觉特性相结合进行压缩。
三、JEPG2000压缩
JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29标准化小组负责制定的全新静止图像压缩标准。一个最大改进是它采用小波变换代替了余弦变换。2000年3月的东京会议，确定了彩色静态图像的新一代编码方式—JPEG2000图像压缩标准的编码算法。
1．JPEG2000压缩原理及特点
JPEG2000编解码系统的编码器和解码器的框图如图1所示[4]。
编码过程主要分为以下几个过程：预处理、核心处理和位流组织。预处理部分包括对图像分片、直流电平（DC）位移和分量变换。核心处理部分由离散小波变换、量化和熵编码组成。位流组织部分则包括区域划分、码块、层和包的组织。
JPEG2000格式的图像压缩比，可在现在的JPEG基础上再提高10%~30%，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。对于目前的JPEG标准，在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩，而在JPEG2000系统中，通过选择参数，能够对图像进行有损和无损压缩。现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的，而JPEG2000格式的图像支持渐进传输，这使用户不必接收整个图像的压缩码流。由于JPEG2000采用小波技术，可随机获取某些感兴趣的图像区域（ROI）的压缩码流，对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作[4]。
图1JPEG2000压缩编码与解压缩的总体流程
2．JPEG2000压缩的前景
JPEG2000标准适用于各种图像的压缩编码。其应用领域将包括Internet、传真、打印、遥感、移动通信、医疗、数字图书馆和电子商务等[5]。JPEG2000图像压缩标准将成为21世纪的主流静态图像压缩标准。
四、小波变换图像压缩
1．小波变换图像压缩原理
小波变换用于图像编码的基本思想就是把图像根据Mallat塔式快速小波变换算法进行多分辨率分解。其具体过程为：首先对图像进行多级小波分解，然后对每层的小波系数进行量化，再对量化后的系数进行编码。小波图像压缩是当前图像压缩的热点之一，已经形成了基于小波变换的国际压缩标准，如MPEG-4标准，及如上所述的JPEG2000标准[2]。
2．小波变换图像压缩的发展现状及前景
目前3个最高等级的小波图像编码分别是嵌入式小波零树图像编码（EZW），分层树中分配样本图像编码（SPIHT）和可扩展图像压缩编码（EBCOT）。
（1）EZW编码器[6]
1993年，Shapiro引入了小波“零树”的概念，通过定义POS、NEG、IZ和ZTR四种符号进行空间小波树递归编码，有效地剔除了对高频系数的编码，极大地提高了小波系数的编码效率。此算法采用渐进式量化和嵌入式编码模式，算法复杂度低。EZW算法打破了信息处理领域长期笃信的准则：高效的压缩编码器必须通过高复杂度的算法才能获得，因此EZW编码器在数据压缩史上具有里程碑意义。
（2）EBCOT编码器[8]
优化截断点的嵌入块编码方法（EBCOT）首先将小波分解的每个子带分成一个个相对独立的码块，然后使用优化的分层截断算法对这些码块进行编码，产生压缩码流，结果图像的压缩码流不仅具有SNR可扩展而且具有分辨率可扩展，还可以支持图像的随机存储。比较而言，EBCOT算法的复杂度较EZW和SPIHT有所提高，其压缩性能比SPIHT略有提高。
小波图像压缩被认为是当前最有发展前途的图像压缩算法之一。小波图像压缩的研究集中在对小波系数的编码问题上。在以后的工作中，应充分考虑人眼视觉特性，进一步提高压缩比，改善图像质量。并且考虑将小波变换与其他压缩方法相结合。例如与分形图像压缩相结合是当前的一个研究热点[2]。
（3）SPIHT编码器[7]
由Said和Pearlman提出的分层小波树集合分割算法（SPIHT）则利用空间树分层分割方法，有效地减小了比特面上编码符号集的规模。同EZW相比，SPIHT算法构造了两种不同类型的空间零树，更好地利用了小波系数的幅值衰减规律。同EZW编码器一样，SPIHT编码器的算法复杂度低，产生的也是嵌入式比特流，但编码器的性能较EZW有很大的提高。
五、分形图像压缩
1988年，Barnsley通过实验证明分形图像压缩可以得到比经典图像编码技术高几个数量级的压缩比。1990年，Barnsley的学生A.E.Jacquin提出局部迭代函数系统理论后，使分形用于图像压缩在计算机上自动实现成为可能。
1．分形图像压缩的原理
分形压缩主要利用自相似的特点，通过迭代函数系统（IteratedFunctionSystem,IFS）实现。其理论基础是迭代函数系统定理和拼贴定理。
分形图像压缩把原始图像分割成若干个子图像，然后每一个子图像对应一个迭代函数，子图像以迭代函数存储，迭代函数越简单，压缩比也就越大。同样解码时只要调出每一个子图像对应的迭代函数反复迭代，就可以恢复出原来的子图像，从而得到原始图像[9]。
2．几种主要分形图像编码技术[9]
随着分形图像压缩技术的发展，越来越多的算法被提出，基于分形的不同特征，可以分成以下几种主要的分形图像编码方法。
（1）尺码编码方法
尺码编码方法是基于分形几何中利用小尺度度量不规则曲线长度的方法，类似于传统的亚取样和内插方法，其主要不同之处在于尺度编码方法中引入了分形的思想，尺度随着图像各个组成部分复杂性的不同而改变。
（2）迭代函数系统方法
迭代函数系统方法是目前研究最多、应用最广泛的一种分形压缩技术，它是一种人机交互的拼贴技术，它基于自然界图像中普遍存在的整体和局部自相关的特点，寻找这种自相关映射关系的表达式，即仿射变换，并通过存储比原图像数据量小的仿射系数，来达到压缩的目的。如果寻得的仿射变换简单而有效，那么迭代函数系统就可以达到极高的压缩比。
（3）A-E-Jacquin的分形方案
A-E-Jacquin的分形方案是一种全自动的基于块的分形图像压缩方案，它也是一个寻找映射关系的过程，但寻找的对象域是将图像分割成块之后的局部与局部的关系。在此方案中还有一部分冗余度可以去除，而且其解码图像中存在着明显的方块效应。
3．分形图像压缩的前景[2]
虽然分形图像压缩在图像压缩领域还不占主导地位，但是分形图像压缩既考虑局部与局部，又考虑局部与整体的相关性，适合于自相似或自仿射的图像压缩，而自然界中存在大量的自相似或自仿射的几何形状，因此它的适用范围很广。
六、其它压缩算法
除了以上几种常用的图像压缩方法以外，还有：NNT（数论变换）压缩、基于神经网络的压缩方法、Hibert扫描图像压缩方法、自适应多相子带压缩方法等，在此不作赘述。下面简单介绍近年来任意形状纹理编码的几种算法[10]~[13]。
（1）形状自适应DCT（SA-DCT）算法
SA-DCT把一个任意形状可视对象分成的图像块，对每块进行DCT变换，它实现了一个类似于形状自适应GilgeDCT[10][11]变换的有效变换，但它比GilgeDCT变换的复杂度要低。可是，SA-DCT也有缺点，它把像素推到与矩形边框的一个侧边相平齐，因此一些空域相关性可能丢失，这样再进行列DCT变换，就有较大的失真了[11][14][15]。
（2）形状自适应离散小波变换（SA-DWT）
Li等人提出了一种新颖的任意形状对象编码，SA-DWT编码[18]~[22]。这项技术包括SA-DWT和零树熵编码的扩展（ZTE），以及嵌入式小波编码（EZW）。SA-DWT的特点是：经过SA-DWT之后的系数个数，同原任意形状可视对象的像素个数相同；小波变换的空域相关性、区域属性以及子带之间的自相似性，在SA-DWT中都能很好表现出来；对于矩形区域，SA-DWT与传统的小波变换一样。SA-DWT编码技术的实现已经被新的多媒体编码标准MPEG-4的对于任意形状静态纹理的编码所采用。
在今后的工作中，可以充分地利用人类视觉系统对图像边缘部分较敏感的特性，尝试将图像中感兴趣的对象分割出来，对其边缘部分、内部纹理部分和对象之外的背景部分按不同的压缩比进行压缩，这样可以使压缩图像达到更大的压缩比，更加便于传输。
（3）Egger方法
Egger等人[16][17]提出了一个应用于任意形状对象的小波变换方案。在此方案中，首先将可视对象的行像素推到与边界框的右边界相平齐的位置，然后对每行的有用像素进行小波变换，接下来再进行另一方向的小波变换。此方案，充分利用了小波变换的局域特性。然而这一方案也有它的问题，例如可能引起重要的高频部分同边界部分合并，不能保证分布系数彼此之间有正确的相同相位，以及可能引起第二个方向小波分解的不连续等。
七、总结
图像压缩技术研究了几十年，取得了很大的成绩，但还有许多不足，值得我们进一步研究。小波图像压缩和分形图像压缩是当前研究的热点，但二者也有各自的缺点，在今后工作中，应与人眼视觉特性相结合。总之，图像压缩是一个非常有发展前途的研究领域，这一领域的突破对于我们的信息生活和通信事业的发展具有深远的影响。
参考文献：
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篇2
关键词：数字水印；鲁棒性；分形压缩；IFS
中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2012)36-8763-02
数字水印技术是数字产品版权保护的重要手段。通过将版权信息有效合理地嵌入到数字产品中，在版权认证时又能够及时将其提取出来，从而有力地保证了数字产品的版权。分形压缩[1]着眼于图像的自相似性（或局部自相似性），以IFS(迭代函数系统)和拼贴定理为基础，对原始图像进行分形编码，从而大大减少了表示图像的信息量。该文将数字水印技术与分形压缩技术紧密结合，使得水印的鲁棒性得到了很好的提高。
1 数字水印技术
对于一个静态图像，对其原始信号的频域空间（通过将原始信号进行频域变换），运用某种算法加入一个水印信号，或在一个宽信道上传送一个窄带信号[2] ，都可以看成是数字水印技术的应用体现。
如果用X表示数字产品的集合、W表示水印信号的集合、K 表示水印密钥、G表示水印信号生产算法、E表示水印信号加入算法、D表示水印信号检测算法，整个水印处理系统可用一个六元体（X，W，K，G，E，D）来描述。各个部分之间的关系可以理解成：G 利用K和X生成W，E再将W加入到X中，待到需要时，用D从已加入水印信号的X中提取出W，进而对数字产品的版权进行认证。
2 分形压缩技术
分形压缩技术主要是通过分形图像的自相似性（即图像的局部与整体具有某种相似性），进而对原始图像进行压缩编码与解码的过程。通常可分为图像分割、分割码本、等距变换、编码、参数量化、解码六个子过程（如下）：
3 分形压缩在数字水印中的应用
由于分形压缩可将一幅图像大幅压缩，比如一个256*256像素的灰度图像，需要65536B去存储，而经过分形压缩，仅需3954B存储空间即可。在数字图像中嵌入水印信号的时候，通过将原始水印信号分形压缩后，再将水印信号的分形码嵌入数字图像中，而非像原来那样嵌入水印原始信号，就可将水印信息成倍地嵌入。换句话说，原来数字图像中只有一个水印信号，而现在却有多个水印信号备份，即使有局部水印信号被篡改了，也可以通过其他备份信息来加以还原，因此水印的鲁棒性大大提高。
参考文献：
[1] 李水根,吴纪桃.分形与小波[M].北京:科学出版社,2002.
[2] 易开祥,石教英.一种自适应二维数字水印算法[C].中国第二次信息隐藏与数字水印学术论文,2000:108-112.
篇3
关键词：线性调频信号，产生方法，压缩方法
线性调频信号具有非线性相位谱，能够获得较大的时宽带宽积;与其它脉压信号相比，很容易用数字技术产生，且技术上比较成熟;所用的匹配滤波器对回波信号的多卜勒频移不敏感，因而可以用一个匹配滤波器处理具有不同多卜勒频移的回波信号。这将大大简化信号处理系统，因此它在工程中得到了广泛的应用。采用这种信号的雷达可以同时获得远的作用距离和高的距离分辨率。
一、线性调频信号的产生方法
随着数字技术的发展，以前由模拟方法完成的许多功能逐渐被数字方法所取代，复杂的雷达信号的产生也基本完成了由模拟技术到数字技术的质的转变。因为与模拟方法相比，数字方法具有灵活性好、可靠性高、失真补偿方便，及易于实现相参等明显优越性，现己成为产生高性能线性调频信号的主要方法。数字方法产生线性调频信号的方法主要包括两种，波形存储直读法和直接数字合成法（DDS）。
波形存储直读法是一种经典的基带信号产生方法。它是预先根据采用频率、基带带宽、时宽等信号参数，通过线性调频信号的数学表达式分别计算出两路正交信号的采样值，按照顺序预先写入高速内存中。通过对采用时钟进行计数而顺序产生高速内存译码地址，依次从高速内存中读出预先写入的两路正交信号的采样值。I、Q两路分别经过数模变换、低通滤波产生两路正交线性调频基带信号。这种方法具有原理简单、成本低廉、对器件依赖小等优点，并具有较好的幅相预失真补偿能力，但是存在电路结构比较复杂、需要高速控制电路配合，也增加了软件的复杂度。经正交调制和倍频器，对基带信号进行带宽扩展和频谱搬移，输出所需带宽和频段的线性调频信号。直接数字合成（Direct Digital Synthesis，简称DDS）方法。用这种方法产生的线性调频信号的技术日益受到重视并广泛应用，它是根据线性调频信号的频率线性变化、相位平方变化的特点而设计的。直接数字合成法采用两级相位累加结构来得到线性调频信号的二次变化的相位，然后根据相位值查存储在ROM里的正弦、余弦表，将查得的值经D/A转化得到相应的I、Q两路基带线性调频信号。这种方法通过数控电路能对DDS输出波形、频率、幅度、相位实现精确控制，可在调频带宽内对雷达系统的幅度和相位进行校正，产生近乎理想的线形调频信号。只要改变某些电路的参数设置，就可以改变线性调频信号的时宽和带宽。但由于DDS的全数字的全数字结构，杂散电平高是其自身固有的缺陷。
二、线性调频脉冲信号压缩的实现方法
线性调频脉冲信号的压缩通常有两种方式：模拟压缩和数字压缩。目前模拟式脉冲压缩器件有：具有大带宽、小时宽的声表面波（SAW）器件；中等时宽和中等带宽的体声波反射阵列压缩器等。随着高速、大规模集成电路器件的发展，对于大时宽大带宽信号的脉冲压缩通常采用数字方式压缩。
数字脉冲压缩系统较之模拟方法具有一系列优点：数字法可获得高稳定度、高质量的线性调频信号，脉冲压缩器件在实现匹配滤波的同时，可以方便地实现旁瓣抑制加权处理，既可有效地缩小脉冲压缩系统的设备量，又具有高稳定性和可维护性，并提高了系统的可编程能力。科技论文，压缩方法。因此，数字处理方法获得了广泛的重视和应用。
1、线性调频脉冲信号的时域数字压缩实现
线性调频信号的时域数字脉冲压缩处理，通常在视频进行，并采用I、Q两路正交双通道处理方案，以避免回波信号随机相位的影响，可减少约3dB的系统处理损失。中频回波信号经正交相位检波，还原成基带视频信号，再经A/D变换形成数字信号，进行数字脉冲压缩处理。I、Q双路数字压缩按复相关运算（即匹配滤波）进行，双路相关运算输出经求模处理、D/A变换，输出模拟脉冲压缩信号；I、Q双路相关输出的数字信号还可送后级信号处理。
2、线性调频脉冲信号的频域数字压缩实现
由于高速A/D变换器、大规模集成电路技术以及快速傅立叶变换技术的应用，使宽带信号的实时处理成为可能。科技论文，压缩方法。采用DSP及FPGA的频域数字脉冲压缩处理的优点是处理速度高、工作稳定、重复性好，并且具有较大的灵活性。
3、线性调频脉冲压缩方案
根据线性调频信号的特点及其脉冲压缩原理，数字脉冲压缩系统首先要将回波信号经A/D采样变成数字信号，再进行脉冲压缩。时域数字脉冲压缩实际上是将回波数据与匹配滤波器进行复卷积，而频域数字脉冲压缩则是通过对回波数据进行FFT后，与匹配滤波器的系数进行复数乘法运算，然后再经过IFFT得到压缩脉冲的数字数据。对于N点长度的信号，在时域实现数字脉压，需要进行L2次复数乘法运算，而频域卷积法仅需2L1og2L次复数乘法运算，大大减小了运算工作量。另外，考虑到抑制旁瓣加权函数，若在时域实现数字脉压，不仅要增加存储器，而且运算量将增加一倍，在频域实现抑制旁瓣加权函数，不需增加存储器和运算量。
三、线性调频脉冲信号的加权处理
线性调频信号通过匹配滤波器后，输出脉冲的包络近似Sinc(x)形状。其中最大的第一对旁瓣为主瓣电平的一13.2dB，其他旁瓣电平随其离主瓣的间隔x按1/X的规律衰减，旁瓣零点间隔是1/B。在多目标环境中，这些旁瓣会埋没附近较小目标的主信号，引起目标丢失。为了提高分辨多目标的能力，必须采用旁瓣抑制的措施，简称加权技术。科技论文，压缩方法。加权可以在发射端、接收端或收、发两端上进行，分别称为单向加权或双向加权。科技论文，压缩方法。其方式可以是频率域幅度或相位加权，也可以是时间域幅度或相位加权。科技论文，压缩方法。此外，加权可在射频、中频或视频级中进行。科技论文，压缩方法。为了使发射机工作在最佳功率状态，一般不在发射端进行加权。目前应用最广的是在接受端中频级采用频率域幅度加权。
引入加权网络实质上是对信号进行失配处理，所以它不仅使旁瓣得到抑制，同时使输出信号包络主瓣降低、变宽。换句话说，旁瓣抑制是以信噪比损失及距离分辨力变差为代价的。如何选择加权函数这涉及到最佳准则的确定。考虑到信号的波形和频谱的关系与天线激励和远场的关系具有本质上的共性，人们应用天线设计中的旁瓣抑制原理，曾提出海明加权、余弦平方、余弦四次方加权等几种最佳加权函数。但是这些理想的加权函数都较难实现。因此，只能在旁瓣抑制、主瓣加宽、信噪比损失、旁瓣衰减速度以及技术实现难易等几个方面进行折衷的考虑选取合适的加权函数。
结语：随着数字技术和大规模集成电路技术的飞速发展，数字脉冲压缩(也称脉压)技术以其性能稳定、抗干扰能力强、控制方式灵活以及硬件系统更小型化等优点，逐步取代早期的模拟脉压技术，成为现代脉压系统的发展趋势。特别是近年来高性能通用数字信号处理器的出现，为雷达脉冲压缩处理的数字化实现提供了一种工程实现途径。数字脉压系统的实现可以满足体积小、功耗低和成本低等条件，其相关问题的研究成为国内外广大学者研究的热点问题之一。
参考文献：
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篇4
关键词：MVR 蒸发 增压
1.中药蒸发浓缩技术的现状
近二十年来，我国中药生产企业提取液的浓缩主要采用双效、三效蒸发器，这两种蒸发器为我国中药产业改革原始的提取液蒸发浓缩方式，步入现代化工业生产的轨道，做出了很大贡献，在中药浓缩中得到广泛的应用和发展。然而，这二种蒸发器应用到中药生产，普遍存在由于蒸发过程中大量热量的排出，造成能源消耗较大，热量利用率不高。而随着技术的进步发展，近十年来逐渐发明了采用带热泵的双效蒸发器，实现了低温加热，低温蒸发，采用凝结水串级自蒸发结构，不仅可以回收凝结水的热量，而且各效间由于液封的存在，杜绝了各效间漏气，与传统双效蒸发器比：节约蒸汽36%以上，节水30%以上。而后随着蒸发浓缩技术的发展，逐渐产生了超滤和反渗透膜浓缩，大大降低了能源消耗，但由于超滤膜、反渗透膜等膜由于受中药的腐蚀、中药杂质较多等影响，造成膜寿命的降低，从而使浓缩成本上升，另外，由于对膜的影响，也是适用的范围有所局限。
2.MVR低温降膜蒸发技术的介绍
MVR（mechanicalVaporREcomression）蒸汽浓缩法是指利用涡轮发动机的增压原理、经特殊流体设计而组成的蒸汽机械增压式蒸馏浓缩系统的简称。这种工艺系统，将使密闭容器内经加热生成的二次水蒸汽，在通过蒸汽压缩机时被再压缩增压至107摄氏度的高压气体。这种增压蒸汽即可作为再生热源而循环应用于原水的继续连续蒸发，又在循环传热的过程中使增压蒸汽本身也得以迅速冷却或冷凝，直至成为洁净纯水，同时可以在这种结净冷凝水排放的过程中利用其残热对流入的原水实施热交换。
2.1.MVR低温降膜蒸发设备的组成：
2.1.1.预热器：很多情况待蒸发的原药液在进入蒸发换热器之前的温度较低，为了充分利用系统内的热能，经常采用列管式或板式换热器对原药液进行预加热，使其温度升高。
2.1.2.蒸汽压缩机：它是MVR系统的核心和关键部件，它通过对二次蒸汽进行压缩，提高系统内二次蒸汽的热焓，为系统连续提供热量。根据原药液的流量和沸点升高值等特性，可以选择罗茨或离心压缩机进行蒸汽的压缩，但由于中药具有成分的不确定性和较强的腐蚀性，因此压缩机的材质应采用耐腐蚀、不脱落、不对中药产生污染的材料，一般选用优质的不锈钢材质。
2.1.3.汽液分离器：它是蒸汽和浓缩液体进行分离的装置。对于有结晶的原液，可以将分离器和结晶器设计成一体，再加装强制循环泵，完成汽液分离，浓缩和结晶的功能。
2.1.4.蒸汽换热器：预热后的原药液通过进料泵将其载入蒸汽换热器与由蒸汽压缩机产生的蒸汽进行换热，使其迅速汽化蒸发。根据原液的特性（粘度，是否有结晶和结垢等）选择换热器的形式和面积。
2.1.5.控制中心：采用工控机和PLC构成MVR系列的实时监控中心。通过软件编程，实时采集各种传感器的状态信号，从而自动控制马达的转速、阀门关闭和调节、液体的流速和流量、温度和压力的控制和调节等，使系统工作达到动态平衡的状态。同时该设备还具有自动报警、自动记录参数和提供报表的各种功能。
2.2.MVR低温降膜蒸发设备的节能原理：
MVR低温降膜蒸发设备同原来的双效、三效不同的是，原来的三效、双效采用的二次蒸汽直接加热药液使其在降压状态下蒸发，二次蒸汽热晗较低，热量较低，致使蒸发量较少。而MVR低温降膜蒸发设备主要采用电能转换为机械能时二次蒸汽压缩产生热能，热能被循环利用，热能在系统内几乎无损失，将蒸馏水和浓缩液的输出热能与原液进行交换，使其热能得到高效利用。MVR节能蒸发器，其原理是利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽，把电能转换成热能，提高二次蒸汽的焓值，被提高热能的二次蒸汽打入蒸发室进行加热，以达到循环利用二次蒸汽已有的热能，从而可以不需要外部新鲜蒸汽，依靠蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。通过PLC、单片机、组态等形式来控制系统温度、压力马达转速，保持系统蒸发平衡。
2.3.MVR低温降膜蒸发设备的特点：
2.3.1.MVR低温降膜蒸发设备在浓缩过程中，由于采用物料输送泵进行料液的输送，提高了料液在管内的流速，使料液在物料管道内的停留时间只有数秒钟乃至数十秒钟。这样短的时间内， 而且管内存液量小， 故特别适用于热敏性料液的浓缩， 例如牛奶、橘子汁、医药的青霉素和链霉素、以及农药的春雷霉素和赤霉素等等， 可避免或减少物料的热分解。
2.3.2.MVR低温降膜蒸发设备结构简单主要有蒸发器、加热器和压缩机， 维修方便，可在减压、常压和加压下操作运行。
2.3.3.由于受料液流动方式的影响，该设备针对料液的浓缩比不能太高，如浓缩比过高， 则因料液少， 管壁湿润差， 会造成固体溶质粘附在壁上的“ 干管”现象， 不仅增加热阻， 而且容易堵塞加热管，造成药液的损坏。
2.3.4.只适用于蒸发中等粘度的料液，不适于有晶体析出的物料，不适于易结垢物料。
3.MVR低温降膜蒸发技术的应用及效果分析
随着人类社会的发展，随着科学技术的进步发展，人类对环境的影响越来越严重，温室效应，能源对科学技术的发展越来越重要和不可缺少。为进步节约能源，减少排放，我公司于2011年引进了MVR蒸汽浓缩设备，首先应用到了中药提取液的浓缩过程中，得到了较好的应用收到了良好的效果。
3.1.MVR低温降膜蒸发技术与常规蒸发器比较
3.1.1.MVR低温降膜蒸发技术每蒸发一吨水消耗20-70度电（视液体成分而定），而常规蒸发器消耗1.25-0.3吨鲜蒸汽，两者消耗都随溶液沸点、减水沸点的差值而增加，对同一种溶液，MVR低温降膜蒸发技术能源消耗量和生产成本显著低于常规蒸发器，是一种高新节能蒸发技术。
3.1.2.MVR低温降膜蒸发技术不需要循环冷却水，没有冷却水消耗。不需要建设高污染的燃煤小锅炉或高成本的燃油锅炉。蒸发器比常规蒸发器更节水、更节能环保。
3.1.3.MVR低温降膜蒸发技术应用范围广，所有常规蒸发器应用的领域都适用于该蒸发器，机械式蒸汽再压缩蒸发器蒸发温差小，更适用于热敏性溶液。溶液在蒸发器内流程短、停留时间短，因而溶质不宜变质。
3.1.4.MVR低温降膜蒸发技术采用全自动电脑控制，并且可以在低负荷下稳定运行。
3.1.5.MVR低温降膜蒸发技术属于国家科委颁布的高新技术范围，按高新技术认定分类该高新技术属于高效节能技术和环境保护技术，符合国家节能减排和环保高新技术推广范围。
3.2.MVR低温降膜蒸发设备具有以下特点
3.2.1.节能：该设备采用电能转换为热能，充分利用了二次蒸汽的热能，降低了能源消耗，同时产生的凝结水在充分和原药液进行热交换（预热），使其热能得到高效充分的利用，没有废热蒸汽排放，节能效果十分显著，相当于10效蒸发器的效果，另外产生的凝结水可再次利用，提高了能源的利用率。
3.2.2.设备环保：该设备在使用过程中可以不需要生蒸汽、不要锅炉、不需要烧煤、不需要冷却水，只要有电，就可以用机械压缩式蒸发器。从而降少了CO2，SO2的排放，减少了粉尘和固体废渣的排放，减少污染，改善我们的居住环境。
3.2.3.低运行成本：由于节能效果显著，使整个蒸发器的运行成本也大大降低，运行成本是传统蒸发器的三分之一到二分之一。
3.2.4.自动化程度高：MVR蒸发器配置设计的自动控制系统，技术先进，质量可靠。整个蒸发器实现在从原液加注、预热、蒸发、清洗、保养等步骤的自动化控制。避免了人为失误，降低了人力成本，提高了产品质量。
3.2.5.占地面积小：MVR蒸发器由于采用了压缩机来循环使用二次蒸汽，提高了能效，因此比传统蒸发器紧凑。
针对MVR技术的特点，热敏性强、浓缩比不高的液体均可以采用该技术。该技术最大的特点就是节约能源，经实际应用和对比，该技术相比以往的三效蒸发技术可节能达到57%，吨产品综合耗能成本为73.5元。
4.MVR低温降膜蒸发技术的推广和应用前景展望
由于MVR低温降膜蒸发设备具有较高的节能效果，使其受到各个企业的青睐，但目前由于蒸汽压缩技术国内技术还不够成熟，致使目前该设备的投资成本较高，一次性投资较大，因此目前只有经济实力较强的大公司才有能力得到应用。因此若使该技术能够得到更加广泛的应用，必须首先提高国产蒸汽压缩技术，降低一次投资成本。
另外，MVR低温降膜蒸发设备在实际的使用中，会降低中药浓缩成本50%以上，对于具有中等生产能力的中药生产企业，估计有一年的时间即可收回投资。
对于目前中国生产现状，与世界先进国家相比我们的技术水平还不好，设备技术处于高耗能阶段，面对中国目前能源状况，能源逐渐紧缺，能源消耗成本越来越高，MVR蒸汽压缩设备随着技术的进步完善和蒸汽压缩技术的国产化，我认为在未来的几年将迎来飞速发展，在中药浓缩领域将会得到更加广泛的应用和技术提高。
参考文献：
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【关键词】 标准化输出 无损压缩 LZW算法 FPGA
在地球信息勘探中，声波测井[1，2]以其含有丰富的地层信息量备受重视。但是，随着声波测井采集速率和精度的提高，数据量越来越大，严重影响采集数据的实时传输至井口数据中心。为了便于实时传输，需要对声波测井数据进行必要的压缩编码。数据压缩技术[3-5]是信息处理的重要技术之一，通常分为无损压缩和有损压缩。有损压缩是指对原始信源数据信息进行重构，据此解压缩（还原）后的数据信息是原始数据的一种近似表达，但不影响受信端对原始信息的理解与判断，其优点是压缩比较大，主要应用于有限失真要求的场合。无损压缩是指对原始信源数据信息压缩编码后，解压缩还原的数据与原来的数据完全相同，其不足是压缩比不大，主要应用于对原始信息要求不失真的场合。
目前，无损压缩有软件和硬件[4，6]2种实现方式，其中，硬件压缩方式以其快速的处理能力在实时数据处理场合是软件压缩方式无法替代的，从而获得重视。为了获得较大的压缩比，无损压缩需要根据信源的统计特性进行相应的压缩方法。而声波测井数据的统计特征随地域不同而有很大差异，因此很难构造一个具有普适性的基于声波测井统计特征的最佳无损压缩硬件实现方案，需要寻求一种与信源统计特征无关的压缩算法，并且便于硬件实现。而LZW（Lenpel-Ziv&Welch）[7]压缩算法就是一种无需信源统计特征的压缩算法它是一种压缩性能和解码速度综合指标相当好的一种压缩算法。
而用具有高性能数字处理能力的FPGA器件实现无损压缩具有较大的优势[8，9]，根据声波测井数据和数传的特点，本文将设计了一种基于LZW用FPGA实现声波测井数据的硬件压缩方案。本文将重点设计LZW输出模块及其工作时序，并对其进行VerilogHDL设计与时序仿真验证。
1 LZW的标准化9/8输出模块的设计
LZW[2]是一种基于字典的无损压缩算法，根据声波测井数据采集系统的数据流的特点，本文设计LZW的FPGA的系统硬件框图如图1所示，系统主要划分为数据输入缓冲模块、压缩模块（包括算法模块、字典存储表）、数据输出模块（包括输出缓存、输出标准化转换9/8）和控制器模块。
其中，数据输入模块主要由一个FIFO（FirstinFirstOut）构成，以完成对不同采集速率和采样精度的声波测井数据的缓存，并将声波采集数据转换为适合压缩模块处理的8bit数据；压缩模块是核心，主要是压缩算法子模块和字典存储子模块，字典的每个词条存放三部分内容：前缀码、当前码、当前词条编码值。存储器容量设计为1K，则其地址宽度为10位。前缀码为9位，当前码为8位，当前词条编码值为9位（即压缩后输出的数据），则字典存储器总的数据宽度为26位。为了防止字典满时重建清空字典，当词条数达到510时，字典就清空，为此设计两个相同的字典存储器，使两个字典存储器交替工作，以空间换取速度。
输出模块主要是将压缩输出的9bit码流转换成适合测井仪器遥传系统的8bit数据位宽格式。可分为6个子模块：寄存器选择存储模块、数据锁存模块、9bit移位寄存模块、8bit移位寄存模块、移位允许控制模块、输出缓冲模块。其硬件框图如图2所示，其核心是利用9bit和8bit的两个移位寄存器来达到位数转换目的。为了避免压缩模块输出数据丢失，用两个9bit的存储器实现数据缓冲，先将压缩模块输出的9bit有效数据并入寄存器RI9，再锁存到锁存器RL9，然后其锁存到9bit的移位寄存器RG9里面准备移位。在移位允许（O9_VALID为高）下，高速移位脉冲上升沿有效，每移位一次，计数器O_COUNT就加1。由于数据输入是9bit，而输出是8bit，就需要将9bit的数据移位到8bit的移位寄存器里面凑足8bit，然后将这8bit数据输出之后再移位剩余的数据位。输出模块的时序图设计如图5所示。
从图5中可知，9bit移位寄存器里面的数据每锁存一次要分两次移位，而第一次的移位次数受O_COUNT的控制：当O_COUNT=0时，计数到14停止第一次移位，当O_COUNT=1，计数倒13停止第一次移位……当O_COUNT=7时，计数到7就停止移位，此时RG9里面恰好还剩下8bit数据，可以将这8bit数据移位输出然后将O_COUNT清零，重新开始控制。而每次只有在RG9移出一位到RG8的输入线上才能使RG8移位允许信号有效，否则RG8移位之后数据还是无效的。而每次RG8里面有效数据凑足8bit就输出，而每输出一次O_COUNT+1。
2 9/8标准化输出的仿真与验证
在QUARTUSII平台上用EP2C5Q208C8N对输出模块的9bit移位寄存器移位子模块进行了时序仿真，该子模块的主要功能是实现9bit移位寄存器RG9里面的数据的移位以及移位位数的统计。其时序仿真结果如图4所示。
从图4可知：移位允许信号O9_VALID有效时，在高速移位脉冲O_CLK9作用下，串行右移一位，每右移一位，移出的数据就放在8bit移位寄存器RG8的输入线上，并且每移出一位，其计数器O_CNT9就加1。在本设计中，利用计数器的置数功能，当局部清0信号O_CLR=1即产生清0作用时，而O_CNT9则置数为6。由此表明该子模块的设计达到了预定的设计目标。
通过时延分析，该子模块的最差的最高工作频率为227.09MHZ（3.744ns）。该速度可以满足声波测井数据处理的要求。
3 结语
本文所设计的基于FPGA的声波测井数据的LZW实时无损压缩系统的标准化9/8输出子模块经过QUARTUSII的时序仿真和验证，表明该软件设计有较强的可移植，可以满足该应用需求，用2个移位寄存器实现不同码流位数转换的方法可以扩展至其他不同位数转换设计。
参考文献：
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篇6
一般来说，数据压缩有两种方法。一种方法是利用信号的统计性质，完全不丢失信息的高效率编码法，称为平均信息量编码或熵编码。第二种方法是利用接收信号的人的感觉特性，省略不必要的信息，压缩信息量，这种方法称为感觉编码。
因为熵编码可通过解码完全再现编码前的数据，故应用范围广泛 ,例如可用于磁盘压缩、文件压缩等，在保存信息方面，完全不用担心劣化。不过遗憾的是，仅依靠熵编码不能将音频信号进行大幅度的数据压缩。这是因为在音频信号中会有白噪声信号，这种完全随机的信号，根据信息论是决不能用熵编码进行压缩的。因此在音频压缩中，必须同时采用感知编码 。
感知编码是利用人耳听觉的心理声学特性（频谱掩蔽特性和时间掩蔽特性）、人耳对信号幅度、频率、时间的有限分辨能力，凡是人耳感觉不到的成分不编码，不传送，即凡是对人耳辨别声音信号的强度、音调、方位有贡献的部分（称为不相关部分或无关部分）都不编码和传送。对感觉到的部分进行编码时，允许有较大的量化失真、并使其处于听阈以下，人耳仍然感觉不到。简单的说感知编码是建立在人类听觉系统的心理声学原理为基础，只记录那些能被人的听觉所感知的声音信号，从而达到减少数据量而又不降低音质的目的。
目前音频压缩编码已成为标准的是 MPEG-1 （ ISO/IEC11172-3 ）、 MPEG-2 （ ISO/IEC13818-3 ）和美国大联盟的 AC-3 。他们都是感知编码。
一、为什么压缩
了解数字音频首先要提到 脉冲编码调制 PCM （ Pulse Code Modulation ），它 是概念上最简单、理论上最完善的编码系统，是最早研制成功、使用最为广泛的编码系统，但也是数据量最大的编码系统。 PCM 指模拟音频信号只经过采样、量化、编码，模数转换成 PCM 信号，得到标准的数字音频码流，而未经过任何编码和压缩处理。
根据奈奎斯特采样定律，通常其采样频率至少应当是信号中的最高频率分量的两倍。对于高质量的音频信号，其频率范围是从 20Hz ～ 20kHz 。所以其采样频率必须在 40kHz 以上。在 CD 中采用了 44.1kHz 的采样频率。普通 CD 线性 PCM 的取样频率为 44.1kHz ，量化精度为 16bit ，动态范围为 98db 。（在对模拟信号采样以后，还必须对其幅度上加以分层。在 CD 中，其分层以后的幅度信号用 16 bit 的二进制信号来表示，也就是把模拟的音频信号在幅度上分为 65536 （ 2 16 ）层。这样，它的动态范围就可以达到 96 分贝（ 6 分贝 / 比特）。）
PCM 的编码原理比较直观和简单，它的原理框图如图所示。
在这个编码框图中，它的输入是模拟声音信号，它的输出是 PCM 样本。图中的“防失真滤波器”是一个低通滤波器，用来滤除声音频带以外的信号；“波形编码器”可暂时理解为“采样器”，“量化器”可理解为“量化阶大小 (step-size) ”生成器或者称为“量化间隔”生成器。
那么这种未经压缩的 PCM 信号的数据量具体有多大呢？以 CD 音质的信号为例，它的单通道的采样率是 44.1k Hz ，每个样值是 16bit 的量化，而立体声 CD 音质信号，有两个通道，它每秒的码流是 44.1K × 16 × 2 ≈ 1.4Mbit/s 。（数字信号传输率 = 取样频率 × 量化比特 × 通道数）一张 CD 唱片的容量约为 680MB ，可以容纳约 1 小时的双声道 PCM 数字音频节目，由于这种编码方式所产生的数据量太大，存储和传输都既不方便也不经济，有时甚至是行不通的。对于电视广播来说，数据传输速率越高，每套节目所需的频宽就越大，在频带资源日趋紧张的今天，过宽的频带是不能允许的，同时对于有形载体（激光碟、磁带等），每种载体的记录密度都是有限的（受当时技术发展程度的制约），增大数据量就意味着缩短节目长度。因此需要开发一种新的编码方式，它应该使用较少的数据量，而又不会导致音质的主观听感有明显的下降。
二、 感知编码原理
1 、理论基础——闻域和临界频段
音频压缩理论是建立在心理声学模型基础上，从研究人耳的听感系统开始的。
人耳实际上可看成一个多频段的听感分析器，在接收端的最后，它对瞬间的频谱功率进行了重新分配，这就为音频的数据压缩提供了依据。
众所周知，声源振动的能量通过声波传入人耳，使耳膜发生振动，人们就产生了声音的感觉。但是人耳能听到的振动频率约在 20 Hz 到 20KHz 之间，低于 20 Hz 或高于 20K Hz 的振动，不能引起人类听觉器官的感觉。心理声学模型中一个基本的概念就是听觉系统中存在一个听觉阈值电平，低于这个电平的声音信号就听不到，因此就可以把这部分信号去掉。听觉阈值的大小随声音频率的改变而改变，各个人的听觉阈值也不同。大多数人的听觉系统对 2kHz ～ 5kHz 之间的声音最敏感。一个人是否能听到声音取决于声音的频率，以及声音的幅度是否高于这种频率下的听觉阈值。 这就是说在听觉阈值以外的电平可以去掉，相当于压缩了数据。另外， 听觉阈值电平是自适应的，即听觉阈值电平会随听到的不同频率的声音而发生变化。也许你有这样的体验，在一安静房间里的普通谈话可以听得很清楚，但在播放摇滚乐的环境下同样的普通谈话就听不清楚了。声音压缩算法也同样可以确立这种特性的模型来取消更多的冗余数据。
2 、 掩蔽 效应
心理声学模型中的另一个概念是听觉掩饰特性—— 掩蔽效应，即 一种频率的声音阻碍听觉系统感受另一种频率的声音的现象称为掩蔽效应。前者称为掩蔽声音 (masking tone) ，后者称为被掩蔽声音 (masked tone) 。
掩蔽效应探讨的基础是 感知编码中的一个重要的概念——临界频段，即人耳对不同频率段声音信号的反应灵敏程度有所差别。 人耳中包含了约 3 万个毛细胞，它们能够检测到基膜的振动，通过生理脉冲将音频信息传到大脑，但这些细胞在不同频率的敏感程度不同，在低频区域对几赫兹的差异都能分辨出来，而在高频区域，必须要有几百赫兹的差别才能分辨。所以，一般毛细胞会对其周围的强刺激作出反应，这就是临界频段。实验结果表明，在低频区域临界频段比在高频区域临界频段窄，在低频段临界频段很窄，频段宽度只有 100 Hz 到 200 Hz ，在高于 5000 Hz 以后的临界频段的宽度有 1000 Hz 至几万 Hz 的频段宽度。 3/4 临界频段低于 5Khz ，人耳可以接收到的低频信息高于高频信息。
掩蔽可分成频域掩蔽和时域掩蔽。
所谓频域掩蔽是指掩蔽声与被掩蔽声同时作用时发生掩蔽效应，即较强的声音信号可以掩蔽临近频段中 同时发声的 较弱的信号。 这种特性称为频域掩蔽，也称同时掩蔽 (simultaneous masking) 。 这时，掩蔽声在掩蔽效应发生期间一直起作用，是一种较强的掩蔽效应。换言之，如果在某一频段中出现了一个较强的信号，那么该频段中所有低于某一门槛值的信号都将被强信号掩蔽掉，成为人耳不可闻的信号。掩蔽特性与掩蔽音的强弱，掩蔽音的中心频率，掩蔽音与被掩蔽音的频率相对位置等有关。通常，频域中的一个强音会掩蔽与之同时发声的附近的弱音，弱音离强音越近，一般越容易被掩蔽；反之，离强音较远的弱音不容易被掩蔽。滤除这一弱信号将不会对音质产生不良影响，而且能减少编码后的数据量，所以可以把它们作为噪声信号来对待。
除了同时发出的声音之间有掩蔽现象之外，在时间上相邻的声音之间也有掩蔽现象，并且称为时域掩蔽。 所谓时域掩蔽是指掩蔽效应发生在掩蔽声与被掩蔽声不同时出现时，又称异时掩蔽。 时域掩蔽又分为超前掩蔽 (pre-masking) 和滞后掩蔽 ( post-masking) ， 若掩蔽声音出现之前的一段时间内发生掩蔽效应，则称为导前掩蔽；否则称为滞后掩蔽。 产生时域掩蔽的主要原因是人的大脑处理信息需要花费一定的时间。一般来说，超前掩蔽很短，只有大约 5 ～ 20 ms ，而滞后掩蔽可以持续 50 ～ 200 ms 。 异时掩蔽也随着时间的推移很快会衰减，是一种弱掩蔽效应。
如上图左图所示，当有黑线所示的某频率信号存在时，靠近它的本来可以听见的噪声 B就变得听不见了，这种现象叫做频率掩蔽效应。而如右图所示，当某时刻有黑线所示的信号存在时，位于其后面的比它小一些的本来可听见的噪声E也变得听不见了，这种现象称为时间掩蔽效应。这些两种效应合成的结果，就形成了实际的可闻阈。如下图所示：
三、感知编码器
1 、感知编码器的特点
感知编码器首先分析输入信号的频率和振幅，然后将其与人的听觉感知模型进行比较。编码器用这个模型去除音频信号的不相干部分及统计冗余部分。尽管这个方法是有损的，但人耳却感觉不到编码信号质量的下降。感知编码器可以将一个声道的比特速率从 768kb/s 降至 128kb/s ，将字长从 16 比特 / 取样减少至平均 2.67 比特 / 取样，数据量减少了约 83% 。
感知编码器的有效性部分源自采用了自适应的量化方法。在 PCM 中，所有的信号都分为相同的字长，感知编码器则是根据可听度来分配所使用的字长。重要的声音就分配多一些位数来确保可听的完整性，而对于轻言细语的编码位数就会少一些，不可听的声音就根本不进行编码，从而降低了比特速率。编码器的压缩率是输入的比特数与输出的比特数之比。一般常见的压缩率是 4 ： 1 ， 6 ： 1 或 12 ： 1 。
一般感知编码采用两种比特分配方案。一种是前向自适应分配方案，所有的分配都在编码器中进行，这个编码信息也包含在比特流中。前向自适应编码的一个突出优点是在编码器中采用了心理声学模型，它只是利用编码数据完全地重建信号。当改进了编码器中心理声学模型时，可利用现有的编码器来重建信号。这种方法的一个缺点是需要占用一些比特位来传递分配信息。在后向自适应分配方案中，比特分配信息可以直接从编码的音频信号中推导出来，不需要编码器中详细的分配信息，分配信息也不占用比特位。然而在解码器中的比特分配信息是根据有限的信息推导出来的，精度必然会降低。另外解码器相应也比较复杂，而且不能轻易地改变心理声学模型。
感知编码有一定的抗噪性。在 PCM 中误差引入了宽带噪声，而对于许多感知编码器，根据预编码信号的典型带宽，噪声被限定在窄带内，因而限制了其强度。误差仅仅引入了一个低电平的噪声。感知编码系统还对目标噪声进行校正，例如对于极弱的声音、比较强的声音给予更多的保护。象任何编码系统一样，感知编码系统也是综合存储量、传输速率等因素来考虑的合适的误差校正方案。
由于感知编码器根据人耳的灵敏度来编码，它也可以输出放音系统所要求的响度。实况播送的音乐不通过放大器和扬声器而直接进入耳朵但是录制的音乐必须通过放音系统。由于感知编码器去除了不可听的信号成分，从逻辑上讲，加强了放音系统传送可听音乐的能力。简言之，感知编码器很适合对需要经过音频系统的音频信号编码。
2 、压缩的实现——子带压缩技术
子带压缩技术是以子带编码理论为基础的一种编码方法。
子带编码理论的基本思想是将信号分解为若干子频带内的分量之和，然后对各子带分量根据其不同的分布特性采取不同的压缩策略以降低码率。
子带编码是将一个短周期内的连续时间取样信号送入滤波器中，滤波器组将信号分为多个（最多 32 个）限带信号，以近似人耳的临界频段响应。对于这些子带，利用 FFT 将信号变换到频域分析其能量，利用心理声学模型来分析这些数值，给出这组数据的合成掩蔽曲线。编码器通过分析每个子带的能量来判断该子带是否包含可听信息。计算每个子带的平均功率，用来计算当前子带及邻接子带的掩蔽级，最后根据最小闻域推导出各个子带最后的掩蔽级。每个子带的峰值功率与掩蔽级的比率由所作的运算来决定，并根据信号振幅高于可听曲线的程度来分配量化所需的比特数。
由于在子带压缩技术中主要应用了心理声学中的声音掩蔽模型，因而在对信号进行压缩时引入了大量的量化噪声。 当重建信号时，每个子带的量化噪声被限制在该子带内，由于每个子带的信号会对噪声进行掩蔽，所以子带内的量化噪声是可以容忍的。 因为根据人耳的听觉掩蔽曲线，在解码后，这些噪声被有用的声音信号掩蔽掉了，人耳无法察觉；同时由于子带分析的运用，各频带内的噪声将被限制在频带内，不会对其它频带的信号产生影响。因而在编码时各子带的量化阶数不同，采用了动态比特分配技术，这也正是此类技术压缩效率高的主要原因。在一定的码率条件下，此类技术可以达到“完全透明”的声音质量（ EBU 音质标准）。
3、子带编码的典型应用—— MPEG-1 音频压缩
在音频压缩标准化方面取得巨大成功的是 MPEG-1 数字音频压缩方案。
在 MPEG-1 压缩中，按复杂程度规定了三种模式即 MPEG Audio Layer-1 、 Layer-2 和 Layer-3 。目前广泛使用的 VCD 的音频压缩方案为 MPEG Audio Layer-1 ，它的典型的码流为每通道 192Kbit/S 。 Layer-2 即称掩蔽模式通用子带集成编码与多路复用，典型的码流为每通道 128 Kbit/S ，广泛应用于数字音频广播、数字演播室等数字音频专业的制作、交流、存储和传送。我们最熟悉的是 Layer-3 ，也就是常说的 MP3 ，是综合于层Ⅱ的优点提出的混合压缩技术， MP3 的压缩比率更大，可以达到 1 ∶ 10 ～ 1 ∶ 12 的比例，而 MP1 和 MP2 分别只有 1 ∶ 4 和 1 ∶ 6 ～ 1 ∶ 8 的压缩比例。这也就决定了 MP3 格式的文件尺寸更加适合存储空间小的随身听使用。但 MP3 的复杂度相对较高，编码不利于实时，典型码流为 64 Kbit/S ，在低码率下有高品质的音质，所以成为网上音源的宠儿。
MPEG-1 的压缩技术方案是子带压缩，子带分割的实现是通过时频映射，采用多相正交分解滤波器组将数字化的宽带音频信号分成 32 个子带；同时，信号通过 FFT 运算，对信号进行频谱分析；子带信号与频谱同步计算，得出对各子带的掩蔽特性，由于掩蔽特性的存在，减少了对量化比特率的要求，不同子带分配不同的量化比特数，但对于各子带而言，是线性量化。另上 CRC 校验码，得到标准的 MPEG 码流。在解码端，只要解帧，子带样值解码，最后进行频——时映射还原，最后输出标准 PCM 码流。其原理方框图如图 1 所示：
整个编码工作过程大致是：
1. 进行时域到频域的映射。利用 FFT 将时域数据转换到频域，这样可以计算精确的掩蔽域值。
2. 确定最大声压级。在每个子带内根据比例因子和频谱数据进行计算。
3. 确定安静域值。安静域值也称绝对域值，它形成了最低掩蔽边界。
4. 识别音调和非音调成分。由于信号中的音调和非音调成分的掩蔽域值不同，首先要识别音调和非音调成分，然后分别来进行处理。
5. 计算掩蔽域值。每个子带噪声的掩蔽域值由信号的掩蔽曲线决定。当子带相对于临界频段比较宽时，选择最小域值；当其比较窄时，将覆盖子带的域值进行平均。
6. 计算全局掩蔽域值。全局掩蔽域值通过对相应的各子带掩蔽域值和安静域值求和得到。
7. 确定最小掩蔽域值。基于全局掩蔽域值来确定每个子带的最小掩蔽域值。
8. 计算信号掩蔽率（ SMR ）。最大信号电平和最小掩蔽域值之间的差异决定了每个子带的 SMR 值，这个值将用于比特分配。
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[关键词] 网络电视 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
网络电视利用的是高效的视频压缩技术，在网络电视视频所传输的宽带达到786kbit/s，它的收视率就会与DVD的水平相近。视频编解码技术的形成加快了网络电视的发展，它能够支持独自对内容的编码与解码。利用多种编码的工具，进一步对编码图像处理，在同样的比特率中取得高质量的图像。并可以支持较高分辨率的活动图像。可以运用到交互式的准点播与点播视频中或者是数字广播电视中，还可以配置宽带通信网。
一、AVS、MPEG-4、H.264的概念
1、AVS
AVS是我国创新技术与部分公开技术的自主标准，也是第二代的信源编码标准。视频初始的数据与信源编码的压缩问题是信源编码技术最迫切需要解决的问题，所以也被称之为数字音视频编解码技术。它是数字信息在传输与存储，以及播放等过程中的前提，是视频产业的标准。其中AVS标准有五个主要的技术标准，系统和视频，以及音频和数字版权的管理，还有一个支撑的标准是一致性测标准。
AVS视频编码技术的重要技术有：量化和熵编码技术、帧内预测和特殊性的帧间预测、环路滤波器和和8×8的整数变换等。
2、H.264
H.264主要是由1TU-T与ISO/IEC的视频和活动图像编码的专家组加上视频组一起开发的视频编码标准。H.264视频编码标准有基本和主体，以及扩展三个子集。专门为视频会议所设计的是基本的子集，它能够提供差错隐消技术，即使是在容易出错的网络上，也可以得到很好的视频效果。它还可以支持低延时的编解码，而主体与扩展子集适合在电视的应用中。H.264与传统的标准相同，是一种DPCMJ/II变换编码中的混合编码，满足不同速率和解析度、传输的需求。
3、MPEG-4
MPEG-4是交互式多媒体通信的标准，而是一种面向对象的压缩。它主要是利用对象编码，融合了数字电视与互联网，以及交互图形学等技术。它将视频与音频结合考虑，不同的编码在不同的主体中使用，然后在解码处并成新的组合。因为MPEG-4对传输速率的要求很低，所以只能使用较窄的宽带，用来显示在少量数据中取得最好的图像。在相同的情况下，编码的易难度与图像质量是MPEG-2的1.5到3倍。对不同对象进行编码后，再对其解码，并组成所需的视频与音频。MPEG-4使用了第一代的视频编码技术，其中有运动补偿和变换编码、熵编码和运动估计，以及量化。并且提出了新的重要技术包括视频编码分等级性和视频对象提取的技术，以及VOP视频编码技术等。
二、AVS与H.264、MPEG-4间的比较
1、AVS与H.264间的比较
通过实验对其AVS与H.264间性能进行比较。实验中，采用RM5.0a与JM6.1e作为两者的编码器，其序列有：720p与1080i。AVS视频编解码标准与H.264成增益的趋势，其性能基本上是一样的，因为AVS视频标准只支持自适应的编码，所以在性能的差距上平均有0.5dB。如下图所示：
2、AVS与MPEG-4间的比较
MPEG-4时所制定的第四代标准，与之前的标准相比，差别在于对对象编码的思想不同。MPEG-4进行编码的时候，是将图像分一部分在时间与空间中进行编码，通过传输后进行解码，然后组成所需的图像。对不同的图像对象采取不同的编码，促进不同数据间的结合。提出了新的重要技术包括视频编码分等级性和视频对象提取的技术，以及VOP视频编码技术等。它根据自身的优点：低码高质量，被广泛应用。MPEG-4标准拥有AVS标准，与以往的MPEG-2相比，MPEG-4与AVS编码率是MPEG-2的1.4与2到3倍。
三、AVS、MPEG-4、H.264特点间的差异
1、AVS的特点
AVS标准的主要特点是它拥有高的编解码效率和较低的专利收费、较快的速度和较低的宽带占有率，以及容易实现的难度程度。
2、MPEG-4的特点
MPEG-4在使用了第一代的视频编码技术运动补偿和变换编码、熵编码和运动估计，以及量化外。还开发了新的重要技术：视频编码分等级性和视频对象提取的技术，以及VOP视频编码技术等。MPEG-4标准主要的特点有三种，第一种是它具有高效的传输及存储的功能。第二种是它在内容上提供了多媒体的数据访问工具，并且还支持在视觉内容中的交互。第三种是它的压缩率很高，主要用的是ObjectBased进行的解压缩，使压缩比的性能指标增加，其压缩的被数达到450，分辨率由320×240的输入可达到1280×1024的输入。
3、H.264的特点
H.264标准的最大特点是它的数据压缩的比率非常高，在相同的图像质量下，H.264标准的压缩比可以达到MPEG-4标准的1.5到2倍之多。H.264标准中的压缩技术使用户数据下载的时间与流量间的收费得到了节省。同时在高压缩比的时候，它还具有很高质量的流畅图像。它与MPEG-4相比较，其最大的特点有四种，第一种是它将视频中的帧分离开来，组成像素块，使视频帧间的编码处理能够达到块的级别。第二种是它使用的方式是空间冗余，其主要是对原有的视频帧块进行预测和转换，以及优化与变长编码。第三种是视频连续帧间的不同块，将实施临时存放的方式，存放后只需要对其改变的部分编码，此算法的完成是通过运动的预测和补偿满足的。在一些特殊的块中，块的运动向量则由对已经编码的帧进行搜索，预测其主块。第四种是利用多出的空间冗余技术将视频帧所遗留的块编码。
四、比较与分析
AVS、MPEG-4、H.264间拥有各自不同的优缺点。AVS编码率是MPEG-2的2到3倍，H.264编码的效率与AVS效率一样，所以在取得高效率编码的时候，AVS标准算法的难易程度要比H.264标准的低，其解码的难易程度只相当与H.264的70%，所以导致硬件与软件所实现的成本都要低于H.264。因为MPEG-4标准算法的难易程度要低，所以其编码的效率也要低。H.264标准的压缩比可以达到MPEG-4标准的1.5到2倍之多，因此在相同的图像中，H.264的传输码流要比MPEG-4平均节省39%。
总而言之，网络电视视频编解码主流标准之间具有各自不同的优缺点，在应用的时候，对视频编解码主流标准的选择还要结合实际的因素，根据各自不同的需要进行选择。在网络电视的产业情况中，H.264标准占据了市场的主要位置，它的技术与适应性得到了运营商和提供商们的支持。而AVS标准的技术也是较为先进的，它低廉特点也对运营商们产生吸引力。因此，日后网络电视的发展逐渐推动了网络电视视频编解码主流标准技术的发展。
参 考 文 献
[1]王利娟;孙亚军;王璞;胡青松;;基于MPEG4压缩的数字视频监控系统的设计及应用[A];第十三届全国煤矿自动化学术年会、中国煤炭学会自动化专业委员会学术会议论文集[C];2003年
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由於在现今资讯流通普遍的社会中，影像的需求量越来越大，影像的数位化是必然的趋势。然而在数位化过的影像所占的资料量又相当庞大，在传输与处理上皆有所不便。将资料压缩是最好的方法。如今有一新的模式，在压缩率及还原度皆有不错的表现，为其尚未有一标准的格式，故在应用上尚未普及。但在不久的未来，其潜力不可限量。而影像之於印刷有密不可分的关系。故以此篇文章介绍小波（WAVELET）转换的历史渊源。小波转换的基础原理。现今的发展对印刷业界的冲击。影像压缩的未来的发展。
壹、前言
由於科技日新月异，印刷已由传统印刷走向数位印刷。在数位化的过程中，影像的资料一直有档案过大的问题，占用记忆体过多，使资料在传输上、处理上都相当的费时，现今个人拥有True Color的视讯卡、24-bit的全彩印表机与扫描器已不再是天方夜谭了，而使用者对影像图形的要求，不仅要色彩繁多、真实自然，更要搭配多媒体或动画。但是相对的高画质视觉享受，所要付出的代价是大量的储存空间，使用者往往只能眼睁睁地看着体积庞大的图档占掉硬碟、磁带和光碟片的空间；美丽的图档在亲朋好友之间互通有无，是天经地义的事，但是用网路传个640X480 True Color图形得花3分多钟，常使人哈欠连连，大家不禁心生疑虑，难道图档不能压缩得更小些吗？如此报业在传版时也可更快速。所以一种好的压缩格式是不可或缺的，可以使影像所占的记忆体更小、更容易处理。但是目前市场上所用的压缩模式，在压缩的比率上并不理想，失去压缩的意义。不然就是压缩比例过大而造成影像失真，即使数学家与资讯理论学者日以继夜，卯尽全力地为lossless编码法找出更快速、更精彩的演算法，都无可避免一个尴尬的事实：压缩率还是不够好。再说用来印刷的话就造成影像模糊不清，或是影像出现锯齿状的现象。皆会造成印刷输出的问题。影像压缩技术是否真的穷途末路？请相信人类解决难题的潜力是无限的。既然旧有编码法不够管用，山不转路转，科学家便将注意力移转到WAVELET转换法，结果不但发现了满意的解答，还开拓出一条光明的坦途。小波分析是近几年来才发展出来的数学理论。小波分析，无论是作为数学理论的连续小波变换，还是作为分析工具和方法的离散小波变换，仍有许多可被研究的地方，它是近几年来在工具及方法上的重大突破。小波分析是傅利叶（Fourier）分析的重要发展，他保留了傅氏理论的优点，又能克服其不足之处。可达到完全不失真，压缩的比率也令人可以接受。由於其数学理论早在1960年代中叶就有人提出了，而到现在才有人将其应用於实际上，其理论仍有相当大的发展空间，而其实际运用也属刚起步，其後续发展可说是不可限量。故研究的动机便由此而生。
贰、 WAVELET的历史起源
WAVELET源起於Joseph Fourier的热力学公式。傅利叶方程式在十九世纪初期由Joseph Fourier (1768-1830)所提出，为现代信号分析奠定了基础。在十九到二十世纪的基础数学研究领域也占了极重要的地位。Fourier提出了任一方程式，甚至是画出不连续图形的方程式，都可以有一单纯的分析式来表示。小波分析是近几年来才发展出来的数学理论为傅利叶方程式的延伸。
小波分析方法的提出可追溯到1910年Haar提出的小波规范正交基。其後1984年，法国地球物理学J. Morlet在分析地震波的局部性质时，发现传统的傅利叶转换，难以达到其要求，因此引进小波概念於信号分析中，对信号进行分解。随後理论物理学家A.Grossman对Morlet的这种信号根据一个确定函数的伸缩，平移系 { a -1/2 Ψ[(x-b)/a] ；a，b?R ，a≠0}展开的可行性进行了研究，为小波分析的形成开了先河。
1986年，Y. Meyer建构出具有一定衰减性的光滑函数Ψj，k(x)，其二进制伸缩与平移系 {Ψj，k(x)=√2jΨ(2jx-k)；j，k?Z}构成L2（R）的规范正交基。1987年，Mallat巧妙的将多分辨分析的思想引入到小波分析中，建构了小波函数的构造及信号按小波转换的分解及重构。1988年Daubechies建构了具有正交性（Orthonormal）及紧支集（Compactly Supported）；及只有在一有限区域中是非零的小波，如此，小波分析的系统理论得到了初步建立。
三、 WAVELET影像压缩简介及基础理论介绍
一、 WAVELET的压缩概念
WAVELET架在三个主要的基础理论之上，分别是阶层式边码(pyramid coding)、滤波器组理论(filter bank theory)、以及次旁带编码(subband coding)，可以说wavelet transform统合了此三项技术。小波转换能将各种交织在一起的不同频率组成的信号，分解成不相同频率的信号，因此能有效的应用於编码、解码、检测边缘、压缩数据，及将非线性问题线性化。良好的分析局部的时间区域与频率区域的信号，弥补傅利叶转换中的缺失，也因此小波转换被誉为数学显微镜。
WAVELET并不会保留所有的原始资料，而是选择性的保留了必要的部份，以便经由数学公式推算出其原始资料，可能不是非常完整，但是可以非常接近原始资料。至於影像中什度要保留，什麽要舍弃，端看能量的大小储存（跟波长与频率有关）。以较少的资料代替原来的资料，达到压缩资料的目的，这种经由取舍资料而达到压缩目地的作法，是近代数位影像编码技术的一项突破。即是WAVELET的概念引入编码技术中。
WAVELET转换在数位影像转换技术上算是新秀，然而在太空科技早已行之有年，像探测卫星和哈柏望远镜传输影像回地球，和医学上的光纤影像，早就开始用WAVELET的原理压缩/还原影像资料，而且有压缩率极佳与原影重现的效果。
以往lossless的编码法只着重压缩演算法的表现，将数位化的影像资料一丝不漏的送去压缩，所以还原回来的资料和原始资料分毫无差，但是此种压缩法的压缩率不佳。 将数位化的影像资料转换成利於编码的资料型态，控制解码後影像的品质，选择适当的编码法，而且还在撷取图形资料时，先帮资料「减肥。如此才是WAVELET编码法主要的观念。
二、 影像压缩过程
原始图形资料 色彩模式转换 DCT转换 量化器 编码器 编码结束
三、 编码的基本要素有三点
（一） 一种压缩/还原的转换可表现在影像上的。
（二） 其转换的系数是可以量化的。
（三） 其量化的系数是可以用函数编码的。
四、 现有WAVELET影像压缩工具主要的部份
（一） Wavelet Transform（WAVELET转换）：将图形均衡的分割成任何大小，最少压缩二分之一。
（二） Filters（滤镜）：这部份包含Wavelet Transform，和一些着名的压缩方法。
（三） Quantizers（量化器）：包含两种格式的量化，一种是平均量化，一种是内插量化，对编码的架构有一定的影响。
（四） Entropy Coding（熵编码器）：有两种格式，一种是使其减少，一种为内插。
（五） Arithmetic Coder（数学公式）：这是建立在Alistair Moffat s linear time coding histogram的基础上。
（六） Bit Allocation（资料分布）：这个过程是用整除法有效率的分配任何一种量化。
肆、 WAVELET影像压缩未来的发展趋势
一、 在其结构上加强完备性。
二、 修改程式，使其可以处理不同模式比率的影像。
三、 支援更多的色彩。可以处理RGB的色彩，像是YIQ、HUV的色彩定义都可以分别的处理。
四、 加强运算的能力，使其可支援更多的影像格式。
五、 使用WAVELET转换藉由消除高频率资料增加速率。
六、 增加多种的WAVELET。如：离散、零元树等。
七、 修改其数学编码器，使资料能在数学公式和电脑的位元之间转换。
八、 增加8X8格的DCT模式，使其能做JPEG的压缩。
九、 增加8X8格的DCT模式，使其能重叠。
十、 增加trellis coding。
十一、 增加零元树。
现今已有由中研院委托国内学术单位研究，也有不少的研究所的硕士。国外更是如火如荼的展开研究。相信实际应用於实务上的日子指日可待。
伍、 影像压缩研究的方向
1. 输入装置如何捕捉真实的影像而将其数位化。
2. 如何将数位化的影像资料转换成利於编码的资料型态。
3. 如何控制解码影像的品质。
4. 如何选择适当的编码法。
5. 人的视觉系统对影像的反应机制。
小波分析，无论是作为数学理论的连续小波变换，还是作为分析工具和方法的离散小波变换，仍有许多可被研究的地方，它是近几年来在工具及方法上的重大突破。小波分析是傅利叶（Fourier）分析的重要发展，他保留了傅氏理论的优点，又能克服其不足之处。
陆、 在印刷输出的应用
WAVELET影像压缩格式尚未成熟的情况下，作为印刷输出还嫌太早。但是後续发展潜力无穷，尤其在网路出版方面，其利用价值更高，WAVELET的出现就犹如当时的JPEG出现，在影像的领域中掀起一股旋风，但是WAVELET却有JPEG没有的优点，JPEG乃是失真压缩，且解码後复原程度有限，能在网路应用，乃是由於电脑的解析度并不需要太高，就可辨识其图形。而印刷所需的解析度却需一定的程度。WAVELET虽然也是失真压缩，但是解码後却可以还原资料到几乎完整还原，如此的压缩才有存在的价值。
有一点必须要提出的就是，并不是只要资料还原就可以用在印刷上，还需要有解读其档案的RIP，才能用於数位印刷上。等到WAVELET的应用成熟，再发展其适用的RIP，又是一段时间以後的事了。
在网路出版上已经有浏览器可以外挂读取WAVELET档案的软体了，不过还是测试版，可是以後会在网路上大量使用，应该是未来的趋势。对於网路出版应该是一阵不小的冲击。
图像压缩的好处是在於资料传输快速，减少网路的使用费用，增加企业的利润，由於传版的时间减少，也使印刷品在当地印刷的可能性增高，减少运费，减少开支，提高时效性，创造新的商机。
柒、 结论
WAVELET的理论并不是相当完备，但是据现有的研究报告显现，到普及应用的阶段，还有一段距离。但小波分析在信号处理、影像处理、量子物理及非线性科学领域上，均有其应用价值。国内已有正式论文研究此一压缩模式。但有许多名词尚未有正式的翻译，各自有各自的翻译，故研究起来倍感辛苦。但相信不久即会有正式的定名出现。这也显示国内的研究速度，远落在外国的後面，国外已成立不少相关的网站，国内仅有少数的相关论文。如此一来国内要使这种压缩模式普及还有的等。正式使用於印刷业更是要相当时间。不过对於网路出版仍是有相当大的契机，国内仍是可以朝这一方面发展的。站在一个使用其成果的角度，印刷业界也许并不需要去了解其高深的数理理论。但是在运用上，为了要使用方便，和预估其发展趋势，影像压缩的基本概念却不能没有。本篇文章单纯的介绍其中的一种影像压缩模式，目的在为了使後进者有一参考的依据，也许在不久的将来此一模式会成为主流，到时才不会手足无措。
参考文献
1.Geoff Davis，1997，Wavelet Image Compression Construction Kit，。
2.张维谷.小宇宙工作室，初版1994，影像档宝典.WINDOWS实作（上）， 峰资讯股份有限公司。
3.张维谷.小宇宙工作室，初版1994，影像档宝典.WINDOWS实作（下）， 峰资讯股份有限公司。
4.施威铭研究室，1994，PC影像处理技术（二）图档压缩续篇，旗标出版有限公司。
5.卢永成，民八十七年，使用小波转换及其在影像与视讯编码之应用，私立中原大学电机工程学系硕士学位论文。
6.江俊明，民八十六年，小波分析简介，私立淡江大学物理学系硕士论文。
7.曾泓瑜、陈曜州，民八十三年，最新数位讯号处理技术（语音、影像处理实务），全欣资讯图书。
附录：
嵌入式零元树小波转换、 阶层式嵌入式零元树小 波转换、阶层式影像传送 及渐进式影像传送
目前网路最常用的静态影像压缩模式为JPEG格式或是GIF格式等。但是利用这些格式编码完成的影像，其资料量是不变的，其接受端必须完整地接受所有的资料量後才可以显示出编码端所传送的完整影像。这个现象最常发生在利用网路连结WWW网站时，我们常常都是先接收到文字後，其网页上的图形才，慢慢的一小部份一小部份显示出来，有时网路严重塞车，图形只显示一点点後就要再等非常久的时间才再有一点点显示出来，甚至可能断线了，使得使用者完全不知道在接收什麽图案的图形，无形中造成网路资源的浪费。此缺点之改善，可以使用嵌入式零元树小波转换(EZW)来完成。
阶层式影像传送系统的主要功能为允许不同规格之显示装置或解码器可以从同一编码器中获得符合其要求之讯号，如此不需要对於不同的解码器设计不同的编码器配合利用之，进而增加了其应用的 范围，及减低了所架设系统的复杂度，也可以节省更多的设备费用。利用Shapiro所提出的嵌入式零元树小波转换(EZW)技术来设计阶层式影像传送系统时，其编码的效果不是很好。主要的原因是，利用(EZW)技术所设计的编码器是根据影像的全解析度来加以编码的，这使得拥有不同解析度与码率要求的解码器，无法同时分享由编码器所送出来的位元流。虽然可以利用同时播放(Simulcast)技术来加以克服之，但是该技术对於同一影像以不同解析度独立编码时，将使得共同的低通次频带(Lowpass Subband)被重复的编码与传送，而产生了相当高的累赘(Redundancy)。
基於上述情况，有人将嵌入式零元树小波转换(EZW)技术加以修改之，完成了一个新式的阶层式影像传送系统。该技术为阶层式嵌入的零元树小波转换(Layered Embedded Zerotree Wavelet，简称 LEZW技术。这个技术使我们所设计出来的阶层式影像传送系统，可以在编码传送前预先指定图层数目、每层影像的解析度与码率。
LEZW技术是将EZW技术中的连续近似量化(SAQ)加以延伸应用之，而EZW传统的做法是将SAQ应用於全部的小波转换系数上。然而在LEZW技术中，从基层(Base Layer)开始SAQ一次仅用於一个 图层(Layer)的编码，直到最高阶析度的图层为止。当编码的那一图层码率利用完时，即表示该图层编码完毕可以再往下一图层编码之。为了改善LEZW的效率，在较低图层的SAQ结果应用於较高图层的SAQ过程中，基於这种编码的程序，LEZW演算法则可以在每一图层平均码率的限制下，重建出不同解析度的影像。因此，LEZW非常适合用於设计阶层式影像传送系统。
LEZW技术也可以应用於渐进式传送，对於一个渐进式影像传送系统而言，控制其解析度将可以改善重建影像的视觉品质。而常用的渐进式传送方法有使用向量量化器或零元树资料结构编码演算法则。但是向量量化器需要较大的记忆体及对与传送中的错误敏威，而利用EZW技术所设计的渐进式影像传送系统，可以改善这些缺点，所以享有较好的效能。但是它也有缺点就是，应用於渐进式传送时是根据全解析度来做编码及传送，因此在低码率的限制之下时，若用全解析度来显示影像将使得影像模糊不清。所以在低码率传送时的影像以较低的解析度来显示时，则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.
关键词:汽车空调;涡旋式压缩机;动涡盘;静涡盘
Key words: automobile air-conditioning;scroll type compressor;orbiting scroll;static scroll
中图分类号:U463 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)24-0221-01
0引言
汽车工业是我国的支柱产业,而空调是汽车现代化标志之一,现在基本所有的轿车上都装备有汽车空调。
作为汽车空调核心部件的压缩机,在技术和质量上也取得了长足的进步,压缩机的设计正朝着减少重量和体积、降低噪音和增加振动稳定性的方向发展。目前压缩机仍以斜板式、旋叶式和漩涡式压缩机为主,自20世纪以来,涡旋压缩机以其机构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠性等特点,在汽车空调中的应用也越来越引起人们的关注。本论文将对汽车用涡旋式空调压缩机技术及其发展进行阐述。
1概述
压缩机是汽车空调制冷系统的心脏,其作用是维持制冷剂在制冷系统中的循环,吸入来自蒸发器的低温、低压制冷剂蒸气,压缩制冷剂蒸气使其压力和温度升高,并将制冷剂蒸气送往冷凝器。
用于汽车制冷系统的压缩机按运动型式可分以下几种:
1.1 往复活塞式压缩机。
①曲轴连杆式;②径向活塞式;③轴向活塞式:翘板式、斜板式。
1.2 旋转式压缩机。
①旋叶式:圆形汽缸、椭圆形汽缸;②转子式:滚动活塞式、三角转子式;③螺杆式压缩机;④涡旋式压缩机。
而车用空调要求体积小、重量轻,并且要能在比较恶劣的工况下工作,随着汽车技术的发展,汽车空调对这些技术要求越来越高,而与传统的往复式和斜盘式空调压缩机相比,涡旋压缩机因其性能上满足上述特点而在汽车空调的应用上具有明显的优势,得到了越来越多的应用。
2涡旋式压缩机发展优越性
涡旋式压缩机由一个固定的渐开线涡旋盘和一个呈偏心回旋平动的渐开线运动涡旋盘组成可压缩容积的压缩机。涡旋式压缩机的压缩腔形状及其变化,既不同于往复式压缩机,又不同于旋转式压缩机,故把它称作新一代容积式压缩机。综合起来,涡旋压缩机有以下优点:
2.1 效率高,多个压缩腔同时工作,相邻压缩腔之间的气体压差小,气体泄漏量少,效率高达90%-98%。
2.2 涡旋式压缩机体积小、重量轻,噪声小,整机振动小。
2.3 低温性能好,高效节能(高容积效率):在中、低温应用时,比传统的活塞机在容积效率上高30%以上。
2.4 没有吸、排气阀,涡旋压缩机运转可靠,且特别适应于变转速运转和变速技术。
2.5 由于涡旋空压机本身无易损件、机组性能优良,因此保养费用极低。
3涡旋压缩机的整体结构及工作原理
3.1 涡旋压缩机的整体结构。
汽车空调涡旋压缩机的主要构件有动涡盘、静涡盘、防自转机构、曲轴和支架等,其中,动涡盘放置于静涡盘和支架之间,可以沿轴向移动。
工作时,动涡盘在气体力的作用下,会存在绕其中心自转的趋势。这种趋势会破坏了涡旋压缩机的正常工作,因此存在防自转装置。防自转机构设置在动涡盘与支架之间,常见的结构型式有十字联轴器、球轴承、圆柱销、小曲柄轴等。
3.2 涡旋压缩机的工作原理。
动静涡旋盘的最常用型线是圆的渐开线及其修正曲线。下面以圆的渐开线涡旋型线为例来说明涡旋压缩机的工作原理。
把涡旋型线参数、相位差、基圆中心相距r相同的动涡盘与静涡盘组装后,可以形成数对封闭的月牙形容积腔。当偏心轴推动动涡盘中心绕静涡盘中心作圆周轨道运动时,这些封闭的容积腔相应地扩大或缩小,由此实现气体的吸入、压缩和排气的目的。低压气体从静涡盘上开设的吸气孔口或动静涡旋盘的周边缝隙进入吸气腔,经压缩后由静涡盘中心处的排气孔口排出。
动、静涡旋盘的型线为3圈,便形成了3对容积腔,分别用1、2、3表示,并依次称为中心压缩腔(即第一压缩腔,又称排气腔)、第二和第三压缩腔。用θ表示动涡盘中心绕静涡盘中心的转动角,阴影部分表示第2压缩腔对应于曲柄转角θ时的轴向投影面积。
当θ=0°时,第三压缩腔刚好封闭,压缩机的吸气过程结束,这时第三压缩腔中充入的气体所占据的容积即为吸气容积,相当于往复式压缩机的行程容积。随着主轴转角的增大,月牙形面积逐渐减小,当θ=360°时,第三压缩腔完成对气体的压缩过程,这时的压缩腔容积就是第二压缩腔的最大封闭容积。中心压缩腔和第二压缩腔中的气体容积变化规律与第三压缩腔中的相同。
需要指出的是,第三压缩腔在压缩气体的时候,压缩机的吸气过程也在进行。涡旋式压缩机压缩气体的过程是在连续进行的,主轴每转一周即可完成一次吸气。
4涡旋式压缩机发展存在的问题
4.1 其运动机件表面多是呈曲面形状,这些曲面的加工精度,特别是涡旋体的形位公差有很高要求,涡旋体侧壁面的垂直度,应控制在微米级,有的还需要专门的加工方法、加工技术和加工设备,因此制造成本较高。
4.2 其运动机件之间或运动机件与固定机件之间,常以保持一定的运动间隙来达到密封,气体通过间隙势必引起泄漏,因此密封起来比较困难。
4.3 动涡盘上承受的轴向气体作用力,随主轴转角发生变化,很难恰如其分以平衡,此轴向气体力往往带来摩擦功率消耗。
4.4 从生产和市场来看,我国目前真正拥有涡旋压缩技术并能大批生产的公司并不多。国外,美国、日本和法国的几家公司都拥有自己的产品专利,垄断了具有优越性能的涡旋压缩专利产品。但是,国外产品价格昂贵,不适应中国国情。
篇10
关键词：空间索引； 批量加载； 多核； 并行加载算法
中图分类号：TN91934文献标识码：A文章编号：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
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61070035，60902036，40801160）；高等学校博士学科点专项科研基金（20104307110017）；国家高技术研究发展计划（“863”计划）课题资助（2011AA120306）0引言
随着国家空间基础设施建设的迅猛发展和各种地学相关信息的爆炸性增长，利用空间数据库来存储和管理海量空间数据大势所趋［1］。空间索引作为空间数据库的关键技术，是估计空间实体表达形式多样，数据量庞大，空间操作计算复杂等特点，按一定顺序排列的一种数据结构，主要用于提高系统对空间数据获取的效率。
R树是B树在k维空间上的自然扩展［2］，传统R树的构建是从空树开始，利用传统的插入算法逐个插入记录，直至生成整个R树，称为OBO（One by one）方法。由于要动态地维护空间索引结构，该方法的插入代价非常高，特别对于海量空间数据而言，索引的创建过程将耗时巨大。因此，面向海量空间数据处理的应用需求，需要寻求高效的R树静态批量操作技术，在维持和提高查询性能的前提下，尽可能提高R树的静态加载速度［3］。
本文综述了空间索引批量加载算法，并结合相关研究对这些算法进行了分析与评述，基于Kamel和Faloutsos提出的Hilbert R 树压缩算法，对该算法的并行性进行分析，最终实现基于多核硬件架构的Hilbert R 树并行算法。通过实验，将设计的索引并行批量加载算法与传统的串行算法做性能比较，并提出修改意见和今后的研究方向。
1相关研究
1.1基于R树的静态批量加载技术
R树批量加载技术又称压缩技术。在数据为已知且相对静态的情况下，对已知数据进行有效的预处理，提高数据加载速度，建立结构优化的R树，改善空间存储利用率，从而获得优良的检索性能，是压缩技术的初衷。采用静态加载技术的R树称为静态R树。
第一个基于R树的压缩算法由Rousopoulos等提出，用以建立能够达到100％空间利用率的压缩R树。其基本思想是根据空间对象最小边界矩形的一个角点的x坐标或y坐标对空间对象进行排序，然后用这些有序的空间对象逐个压满树的叶结点，自下而上，一次一层，递归生成最终的压缩R树。由算法可知，在压缩R树的每一层中，除了最后一个结点可能不满外，其他所有结点都是满的，因此，可以获得几乎100％的空间利用率。但是，该算法仅在点数据的点查询方面优于线性分裂或平方分裂的R树和R*树，而对于域查询和空间扩展数据（如矩形等）性能较差。
Kamel和Faloutsos提出了一种基于分形曲线构建静态R树的压缩算法，利用分形Hilbert曲线对已知空间数据对象进行更好的一维排序［4］，以获得优良的压缩效果。他们设计了不同的变体进行了大量的实验，最终“2DC”（利用空间对象MBR中心点的Hilbert码进行排序）变体性能最优［5］。该变体在查询性能上不仅优于Rousopoulos等的packed R树，而且优于当时R树的所有动态版本，如R+树、R*树等，且特别适合现实的、不规则分布的数据。
与基于排序的批量加载方法不同，Bercken等提出的批量加载方法是一种基于缓冲的技术，也可以认为是基于种子树方法的推广，它并不局限于R树，而是适用于所有基于树的空间索引结构［6］。该方法借鉴了buffer树的思想，通过Lazy buffer技术，利用一个有效的临时数据结构，一次一层地建立整个索引结构，避免了数据排序预处理过程。
Bercken等通过性能分析得出该算法的R树插入代价达到了外排序的下界，但是并没有进行具体的实验证明和性能比较。
最后根据测得的数据计算time_total的并行加速比和并行效率，分析该并行算法的优化效能。
定义 1： 并行加速比=串行执行时间÷并行执行时间；
定义 2： 并行效率=加速比÷处理器个数。
统计Step 2的时间开销，如图3所示。
图3Step 2索引构建初始化时间统计Step 3的时间开销，如图4所示。
图4Step 3排序时间统计Step 4的时间开销，如图5所示。
图5Step 4构建R树时间统计索引生成总的时间开销，如图6所示。
图6索引构建总时间从图4~图6中可以看出，对Hilbert R树算法中的Step 2初始化、Step 3排序、Step 4构树部分所做的并行优化从时间上看都有不同程度的提高，随着实验数据的增大，发现在开启4或8个线程时效果最好。通过对串行算法和并行算法的实验对比，在分别计算在开启不同线程数情况下的并行加速比和并行效率，进一步分析该并行优化算法的加速效率，如图7和图8所示。
图7总时间的并行加速比图8总时间的并行效率通过上述试验结果分析可知，本文设计的并行算法在多核硬件环境下对索引构建的效率有了较大提升，在调用线程数为4时并行效果最明显，并行加速比达到1.9左右，并行效率在0.48附近。由此得出结论，采用OpenMP对Hilbert packed R树算法进行并行优化效果明显，可以较大地提高索引的批量加载效率。
3.3索引性能测试
为了验证Hilbert packed R树算法经过并行优化后能否维持原经典串行算法构建索引的优良性能，对2种算法构建的索引分别进行查询测试。由于点查询可以看作是域查询的特殊情况，因此本文采用域查询方式进行实验。
以第1幅图（包含2 092 079个对象）作为实验对象，设定选择率分别为1%，2%，3%，4%，5%，统计磁盘I/O数和查询时间，结果如图9，图10所示。
图9磁盘I/O对比图10查询时间对比
通过上述的试验结果分析可知，Hilbert R树并行算法和串行算法生成的索引查询性能基本一致，验证了Hilbert R树算法的并行化设计并没有降低索引的优良性能。
4结语
在空间索引的创建过程中，许多专家学者正在致力于提高索引批量加载效率的研究，提出了很多经典算法或是在前人的基础上进行了改进。本文结合当今高速发展的多核CPU技术，在深入学习Hilbert R树经典算法的基础上，通过调用OpenMP接口实现基于多核的并行化设计，在保证索引性能的前提下使得并行加速比达到1.9，并行效率在0.48左右。相关的研究内容和研究方法有待进一步的探讨，仍需要经过更加详细的测试，以期在空间数据处理领域得到实际应用。
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(上接第89页)
4结语
基于J2EE且以MVC模式设计出来的教学管理信息系统层次清晰、功能强大、易于管理，在教学管理过程中发挥着巨大的作用，必将得到广泛的应用。
参考文献
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