發(fā)布時(shí)間：2023-03-21 17:08:29
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的解碼技術(shù)論文樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；SOPC；MP3播放器
中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 20-0000-02
Mp3 Player Design Based on SOPC
Xie Huicheng1,Guo Li2
(1.School of Electronic Engineering,Jiujiang University,Jiujiang332005,China;2.Jiujiang University,Information Science and Technology College,Jiujiang332005,China)
Abstract:This paper mainly from the audio playback and the intersection of SOPC technology,this paper proposes the use of technology in Altera's SOPC CyelonII EP2C35 FPGA mp3 player built on the design.The use of IP design reuse,collaboration software and hardware,hardware acceleration and other methods,combined with the experimental characteristics of platform resources to build a soft-core processor based on NiosII mp3 player system. Achieve MPEGⅠ layerⅢ smooth playback audio decoding.The system has a small size,design flexibility,short development cycle and so on.
Keywords:Embedded system;SOPC;MP3 player
一、引言
目前，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入全面應(yīng)用的階段，己經(jīng)成為通信和消費(fèi)類產(chǎn)品的共同發(fā)展方向。在硬件方面，市場上不僅有各大公司生產(chǎn)的各種微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和進(jìn)行研發(fā)的各種配套的軟件開發(fā)包和開發(fā)工具。SOPC具有系統(tǒng)集成度高、體積小、功耗低、結(jié)構(gòu)簡潔、可靠性高、開發(fā)快速等特點(diǎn)，很好的滿足了的嵌入式系統(tǒng)在硬件上的需求。SOPC技術(shù)的目標(biāo)是試圖將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，包括嵌入式處理器系統(tǒng)、接口系統(tǒng)、硬件協(xié)處理器或加速器系統(tǒng)、存儲(chǔ)電路、DSP系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)、以及普通數(shù)字系統(tǒng)等，在單一FPGA中實(shí)現(xiàn)，使得所設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)在其規(guī)模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標(biāo)、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護(hù)及其硬件升級等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。
二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)一個(gè)具有基本功能的MP3播放器需要有時(shí)鐘電路、CPU、RAM及RAM控制器、Flash及Flash控制器、SD卡及SD卡控制電路、液晶及液晶顯示器驅(qū)動(dòng)電路、DMA控制器、音頻驅(qū)動(dòng)及音頻控制電路、定時(shí)器等模塊，如圖1所示。
圖1：MP3播放器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
除顯示驅(qū)動(dòng)模塊、音頻控制模塊和SD卡控制模塊外其他模塊都可以從SOPC Builder中添加IP核構(gòu)建。
其中顯示驅(qū)動(dòng)模塊可以在altera提供的VGA控制器的基礎(chǔ)上添加CLK和BLANK信號完成；SD卡控制模塊只需要定義幾個(gè)GPIO端口就可以了，不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。
三、音頻播放模塊
采用的MagicSOPC實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺配有AC97音頻解碼模塊，主控制芯片為UCB1400（帶有觸摸屏功能的立體聲音頻編解碼器），它支持可編程抽樣率、輸入/輸出增益和數(shù)字音響處理，包括音量、靜音、低音和高音控制。
音頻控制模塊是CPU與UCB1400間的接口電路，功能為將緩存中的音頻數(shù)據(jù)通過AC-Link總線發(fā)送到UCB1400的DAC輸入端口實(shí)現(xiàn)音樂的播放，以及由AC-Link總線接收UCB1400采集的音頻編碼數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用verilog語言來設(shè)計(jì)如下各個(gè)功能模塊。
（一）UCB1400寄存器訪問控制
音頻播放時(shí)主控制器（CPU）需要經(jīng)常讀/寫UCB1400中相關(guān)的寄存器，因?yàn)椴捎肁C-Link串行總線傳輸數(shù)據(jù)，時(shí)序變得非常重要，所以定義了訪問控制模塊。要訪問UCB1400時(shí)，該模塊向UCB1400發(fā)送請求信號；當(dāng)一次讀取完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)，該模塊向CPU發(fā)送反饋信號。
（二）UCB1400掉電模式控制
UCB1400可以將暫時(shí)不用的模塊關(guān)閉以節(jié)約功率，向UCB1400的Power-down Control/status Register（0x26）寫入相應(yīng)的數(shù)值可以控制UCB1400中各個(gè)模塊的開啟和關(guān)閉。所以設(shè)計(jì)掉電模式控制模塊，該模塊負(fù)責(zé)監(jiān)視UCB1400各模塊的狀態(tài)并將此信息反饋給主控制器。
（三）串行輸入/輸出寄存器
FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)為并行傳輸，而與UCB1400間則功過AC_Link總線串行傳輸，所以應(yīng)設(shè)計(jì)串并轉(zhuǎn)換模塊。
（四）輸入/輸出FIFO
為保證音樂播放的流暢，應(yīng)為每個(gè)聲道配置一定容量的FIFO用來保存已接收到和即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
設(shè)計(jì)完成后的AC97_Controller結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：
圖2：AC97_Controller結(jié)構(gòu)圖
具有如下功能：
可變比特率支持、雙聲道立體聲輸出支持、雙聲道立體聲輸入支持、單聲道麥克風(fēng)輸入支持、DMA傳送方式支持。
四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
將基于NiosⅡ的SOPC系統(tǒng)進(jìn)行編譯并下載到FPGA中生成硬件系統(tǒng)的同時(shí)，SOPC Builder幫助用戶生成相應(yīng)的SOF文件。在此基礎(chǔ)上，可開始系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。可使用匯編、C、C++來進(jìn)行嵌入式程序設(shè)計(jì)，使用IDE工具進(jìn)行程序的編譯連接以及調(diào)試。MP3播放器的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示：
圖3MP3播放器軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
五、結(jié)語
本系統(tǒng)采用SOPC技術(shù)在一片F(xiàn)PGA和少數(shù)外設(shè)上實(shí)現(xiàn)了MP3播放器的基本功能。在50MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下實(shí)現(xiàn)了MPEG-Ⅰ layer-Ⅲ解碼，流暢播放MP3格式的音頻文件。
SOPC方案的優(yōu)勢在于系統(tǒng)功能改進(jìn)的靈活性，在不改變硬件平臺的情況下，可以方便對系統(tǒng)進(jìn)行增刪和優(yōu)化，這是傳統(tǒng)ARM方案無法達(dá)到的。
參考文獻(xiàn)：
[1]曾璇.基于NiosⅡ軟核處理器的嵌入式PMP系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008,5
關(guān)鍵詞:全彩LED顯示屏;發(fā)送卡;存儲(chǔ)體;實(shí)時(shí)傳輸
中圖分類號:TN949.199文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
The Design of a Kind of Sending Card for LED Display
DING Tie-fu1,2, YAN Fei2, WANG Rui-guang1,2, ZHENG Xi-feng1,2
(1. Changchun xida Electronic Technology Co., Ltd., Changchun Jilin 130103, China;
2. Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Changchun, CAS, Changchun Jilin 130033, China)
Abstract: This article discusses a no-storage sending card for full-color LED display system. The system has real-time transmission and cost advantages. The entire real-time lossless video images, such as the formats of 1,024×768@60Hz and 1,280×1024@60Hz, can be transmitted by two-way Gigabit Ethernet port.
Keywords: full-color LED display; sending card; memory device; real-time transmission
引言
隨著全彩LED顯示屏的應(yīng)用越來越廣泛,人們對LED顯示屏控制系統(tǒng)的要求越來越高,這也促使LED顯示屏控制系統(tǒng)的不斷升級和改造,主要體現(xiàn)在提高性能和節(jié)約成本上。LED顯示屏控制系統(tǒng)的組成一般有如下幾個(gè)部分[1-3]:視頻發(fā)送裝置、視頻接收分配裝置、LED面板。顯然,作為前端的視頻發(fā)送裝置在整個(gè)環(huán)節(jié)中起著舉足輕重的作用。
1LED顯示屏發(fā)送卡的現(xiàn)狀
LED顯示屏發(fā)送卡一般由DVI模塊、FPGA控制器、外存儲(chǔ)體模塊和網(wǎng)絡(luò)輸出模塊構(gòu)成[4],FPGA將輸入的圖像數(shù)據(jù)交替寫入外存儲(chǔ)體,同時(shí)也從外存儲(chǔ)體中交替讀出圖像數(shù)據(jù),再通過網(wǎng)絡(luò)格式依次將數(shù)據(jù)輸出,原理框圖如圖1所示。
通常,控制LED顯示屏的計(jì)算機(jī)的分辨率設(shè)置為1,024×768@60Hz或者1,280×1,024@60Hz。對于1,280×1,024@60Hz的實(shí)時(shí)視頻源,總的數(shù)據(jù)量為:
1,280×1,024×60×24=1,887,436,800 bit;
其中一幀的數(shù)據(jù)量為:1,280×1,024×24=31,457,280 bit。
考慮到分辨率為1,280×1,024@60Hz時(shí)的像素時(shí)鐘為108MHz,并且整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程需要2倍的存儲(chǔ)空間進(jìn)行乒乓操作,故通常采用兩片32位寬的SDRAM作為外接存儲(chǔ)體。
帶有外接存儲(chǔ)體的發(fā)送卡具有緩存一幀數(shù)據(jù)的能力,并將輸出與輸入隔離開,有利于從全屏的數(shù)據(jù)中按照不同需求截取所需數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
但同時(shí),滯后一幀數(shù)據(jù)也是實(shí)時(shí)傳輸中的一個(gè)缺點(diǎn),尤其是在需要嚴(yán)格實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱龊?。另?增加兩片SDRAM也給設(shè)計(jì)增加了成本。
2無外接存儲(chǔ)體發(fā)送卡的實(shí)現(xiàn)
2.1基本框圖
在現(xiàn)有LED顯示屏發(fā)送卡的基礎(chǔ)上,這里設(shè)計(jì)了一種無外接存儲(chǔ)體的LED顯示屏發(fā)送卡,如圖2所示,該發(fā)送卡由DVI模塊、FPGA控制器、兩路千兆網(wǎng)輸出模塊構(gòu)成。DVI解碼芯片將解碼得到的數(shù)據(jù)和控制信號傳給FPGA控制器,FPGA通過內(nèi)部的RAM進(jìn)行緩存,并做了更換時(shí)鐘域和位寬變換的操作,然后將處理后的數(shù)據(jù)通過千兆網(wǎng)輸出。
對1,280×1,024@60Hz的實(shí)時(shí)視頻源,這里采用垂直分區(qū)的方法,即將滿屏數(shù)據(jù)平均分成兩路千兆網(wǎng)輸出,每一路千兆傳輸640×1,024,如圖3所示。
2.2實(shí)現(xiàn)方法
由圖2的基本框圖看出,該發(fā)送卡的設(shè)計(jì)除了搭建好硬件平臺外,最重要的是FPGA控制器內(nèi)部程序的設(shè)計(jì)。無外接存儲(chǔ)體發(fā)送卡的FPGA控制器內(nèi)部原理框圖如圖4所示。
FPGA控制器的內(nèi)部邏輯包括數(shù)據(jù)輸入模塊、雙口RAM及其控制模塊、24bit轉(zhuǎn)8bit模塊、千兆網(wǎng)輸出模塊。數(shù)據(jù)輸入模塊將輸入的DVI信號(包括數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、使能、行場同步信號)分配給后端的RAM和RAM控制模塊,并控制著整個(gè)系統(tǒng)的同步;RAM控制模塊控制RAM的讀寫操作,尤其是對開始寫、寫停、開始讀、讀停這4個(gè)狀態(tài)的控制;從RAM輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后傳輸給千兆網(wǎng)輸出模塊,千兆網(wǎng)輸出模塊則按照一定的網(wǎng)絡(luò)格式將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包輸出[5-7]。
圖3提到的將數(shù)據(jù)分區(qū)發(fā)送,該方法能夠?qū)M屏數(shù)據(jù)平均分成兩路千兆網(wǎng)輸出。以下就以垂直分區(qū)的方法分析其數(shù)據(jù)流向、時(shí)鐘變化和傳輸時(shí)間差。
對于一路千兆網(wǎng)數(shù)據(jù)而言,采用1個(gè)雙口RAM設(shè)計(jì),RAM的深度設(shè)置為640,輸入和輸出字長均設(shè)置為24bit,讀寫時(shí)鐘和使能分別獨(dú)立,如圖5所示。
其中,數(shù)據(jù)輸入和寫時(shí)鐘分別為DVI解碼芯片解碼后的24bit圖像數(shù)據(jù)DVI_DATA[23:0]和時(shí)鐘WRAM_CLK,讀RAM的時(shí)鐘為千兆網(wǎng)時(shí)鐘RMII_CLK(125M)三分頻后得到的時(shí)鐘RRAM_CLK(41.66MHz),這樣,后端再通過一個(gè)24bit轉(zhuǎn)8bit模塊即可將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。
如圖6所示,通過RRAM_CLK(41.66MHz)時(shí)鐘從RAM中讀出一個(gè)像素的數(shù)據(jù),然后再通過3個(gè)RMII_CLK(125M)傳輸給千兆網(wǎng),即做了一個(gè)實(shí)時(shí)的并串轉(zhuǎn)化。如此流水操作下去,當(dāng)從RAM中讀完640個(gè)像素時(shí),千兆網(wǎng)控制模塊將停止讀RAM操作,等待下一行數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)DVI解碼后的下一行數(shù)據(jù)一旦往RAM中存儲(chǔ)的時(shí)候(至少已經(jīng)往其中存儲(chǔ)了1個(gè)像素),千兆網(wǎng)控制模塊又開始從RAM中讀取數(shù)據(jù),如此循環(huán),直到第1,024行數(shù)據(jù)的640個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)被傳輸完。
在這里,實(shí)時(shí)傳輸具有如下特點(diǎn):(1)往RAM中存數(shù)據(jù)和從RAM中取數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行;(2)存RAM的速度快,讀RAM的速度慢;(3)對寫RAM操作,先把規(guī)定的數(shù)據(jù)存完,用時(shí)為t1,然后進(jìn)入等待階段t2(t = t1 + t2為行周期);對讀RAM操作,把存好數(shù)通過t3的時(shí)間傳輸出去,必須滿足t3 < t。
標(biāo)準(zhǔn)的1,280×1,024@60Hz的行時(shí)鐘為64KHz,周期為t=15.625μs;而從RAM中讀完半行像素(640個(gè))數(shù)據(jù)的時(shí)間是:t3=(1/41.66MHz)×640=15.36μs。
顯然,在一個(gè)行周期里,只往外傳出半行的數(shù)據(jù),傳輸時(shí)間差t-t3=265ns>0,且該時(shí)間差滿足千兆網(wǎng)傳輸所必需數(shù)據(jù)包間隔。
由于寫RAM的時(shí)鐘(108MHz)比讀RAM的時(shí)鐘(41.66MHz)快得多,所以在寫RAM的同時(shí)可以對RAM進(jìn)行讀操作(至少已經(jīng)往RAM存儲(chǔ)了1個(gè)像素),邊寫邊讀,實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。
同理,另外一路的千兆網(wǎng)設(shè)計(jì)與此雷同。
3 結(jié)論
本文簡單分析了LED顯示屏發(fā)送卡的現(xiàn)狀,著重討論了無外接存儲(chǔ)體發(fā)送卡的系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)傳輸、節(jié)約成本的優(yōu)勢,能夠在常用的視頻格式下,比如1,024×768@60Hz、1,280×1,024@60Hz,通過兩路千兆網(wǎng)口將整個(gè)視頻圖像實(shí)時(shí)無損的傳輸出去。
參考文獻(xiàn):
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由於在現(xiàn)今資訊流通普遍的社會(huì)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(dāng)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(cuò)的表現(xiàn)，為其尚未有一標(biāo)準(zhǔn)的格式，故在應(yīng)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(guān)系。故以此篇文章介紹小波（WAVELET）轉(zhuǎn)換的歷史淵源。小波轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)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(dāng)?shù)馁M(fèi)時(shí)，現(xiàn)今個(gè)人擁有TrueColor的視訊卡、24-bit的全彩印表機(jī)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(shí)自然，更要搭配多媒體或動(dòng)畫。但是相對的高畫質(zhì)視覺享受，所要付出的代價(jià)是大量的儲(chǔ)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(gè)640X480TrueColor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(bào)業(yè)在傳版時(shí)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(xué)家與資訊理論學(xué)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(gè)尷尬的事實(shí)：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(huì)造成印刷輸出的問題。影像壓縮技術(shù)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(zhuǎn)路轉(zhuǎn)，科學(xué)家便將注意力移轉(zhuǎn)到WAVELET轉(zhuǎn)換法，結(jié)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(xué)理論。小波分析，無論是作為數(shù)學(xué)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(diǎn)，又能克服其不足之處?？蛇_(dá)到完全不失真，壓縮的比率也令人可以接受。由於其數(shù)學(xué)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(yīng)用於實(shí)際上，其理論仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間，而其實(shí)際運(yùn)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(dòng)機(jī)便由此而生。
貳、WAVELET的歷史起源
WAVELET源起於JosephFourier的熱力學(xué)公式。傅利葉方程式在十九世紀(jì)初期由JosephFourier(1768-1830)所提出，為現(xiàn)代信號分析奠定了基礎(chǔ)。在十九到二十世紀(jì)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)研究領(lǐng)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(xué)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(xué)J.Morlet在分析地震波的局部性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的傅利葉轉(zhuǎn)換，難以達(dá)到其要求，因此引進(jìn)小波概念於信號分析中，對信號進(jìn)行分解。隨後理論物理學(xué)家A.Grossman對Morlet的這種信號根據(jù)一個(gè)確定函數(shù)的伸縮，平移系{a-1/2Ψ[(x-b)/a]；a,b?R,a≠0}展開的可行性進(jìn)行了研究，為小波分析的形成開了先河。
1986年，Y.Meyer建構(gòu)出具有一定衰減性的光滑函數(shù)Ψj,k(x)，其二進(jìn)制伸縮與平移系{Ψj,k(x)=√2jΨ(2jx-k)；j,k?Z}構(gòu)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(gòu)了小波函數(shù)的構(gòu)造及信號按小波轉(zhuǎn)換的分解及重構(gòu)。1988年Daubechies建構(gòu)了具有正交性（Orthonormal）及緊支集（CompactlySupported）；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(chǔ)理論介紹
一、WAVELET的壓縮概念
WAVELET架在三個(gè)主要的基礎(chǔ)理論之上，分別是階層式邊碼(pyramidcoding)、濾波器組理論(filterbanktheory)、以及次旁帶編碼(subbandcoding)，可以說wavelettransform統(tǒng)合了此三項(xiàng)技術(shù)。小波轉(zhuǎn)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(yīng)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(shí)間區(qū)域與頻率區(qū)域的信號，彌補(bǔ)傅利葉轉(zhuǎn)換中的缺失，也因此小波轉(zhuǎn)換被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡。
WAVELET并不會(huì)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(xué)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(chǔ)存（跟波長與頻率有關(guān)）。以較少的資料代替原來的資料，達(dá)到壓縮資料的目的，這種經(jīng)由取舍資料而達(dá)到壓縮目地的作法，是近代數(shù)位影像編碼技術(shù)的一項(xiàng)突破。即是WAVELET的概念引入編碼技術(shù)中。
WAVELET轉(zhuǎn)換在數(shù)位影像轉(zhuǎn)換技術(shù)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(yuǎn)鏡傳輸影像回地球，和醫(yī)學(xué)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(zhuǎn)換成利於編碼的資料型態(tài)，控制解碼後影像的品質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)木幋a法，而且還在擷取圖形資料時(shí)，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(zhuǎn)換&n
bsp;DCT轉(zhuǎn)換量化器編碼器編碼結(jié)束
三、編碼的基本要素有三點(diǎn)
（一）一種壓縮/還原的轉(zhuǎn)換可表現(xiàn)在影像上的。
（二）其轉(zhuǎn)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）WaveletTransform（WAVELET轉(zhuǎn)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WaveletTransform，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(nèi)插量化，對編碼的架構(gòu)有一定的影響。
（四）EntropyCoding（熵編碼器）：有兩種格式，一種是使其減少，一種為內(nèi)插。
（五）ArithmeticCoder（數(shù)學(xué)公式）：這是建立在AlistairMoffat''''slineartimecodinghistogram的基礎(chǔ)上。
（六）BitAllocation（資料分布）：這個(gè)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(jié)構(gòu)上加強(qiáng)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(qiáng)運(yùn)算的能力，使其可支援更多的影像格式。
五、使用WAVELET轉(zhuǎn)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(xué)編碼器，使資料能在數(shù)學(xué)公式和電腦的位元之間轉(zhuǎn)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trelliscoding。
十一、增加零元樹。
現(xiàn)今已有由中研院委托國內(nèi)學(xué)術(shù)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(shí)際應(yīng)用於實(shí)務(wù)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(shí)的影像而將其數(shù)位化。
2.如何將數(shù)位化的影像資料轉(zhuǎn)換成利於編碼的資料型態(tài)。
3.如何控制解碼影像的品質(zhì)。
4.如何選擇適當(dāng)?shù)木幋a法。
5.人的視覺系統(tǒng)對影像的反應(yīng)機(jī)制。
小波分析，無論是作為數(shù)學(xué)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(diǎn)，又能克服其不足之處。
陸、在印刷輸出的應(yīng)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(jià)值更高，WAVELET的出現(xiàn)就猶如當(dāng)時(shí)的JPEG出現(xiàn)，在影像的領(lǐng)域中掀起一股旋風(fēng)，但是WAVELET卻有JPEG沒有的優(yōu)點(diǎn)，JPEG乃是失真壓縮，且解碼後復(fù)原程度有限，能在網(wǎng)路應(yīng)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(jià)值。
有一點(diǎn)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(yīng)用成熟，再發(fā)展其適用的RIP，又是一段時(shí)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(huì)在網(wǎng)路上大量使用，應(yīng)該是未來的趨勢。對於網(wǎng)路出版應(yīng)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(fèi)用，增加企業(yè)的利潤，由於傳版的時(shí)間減少，也使印刷品在當(dāng)?shù)赜∷⒌目赡苄栽龈?，減少運(yùn)費(fèi)，減少開支，提高時(shí)效性，創(chuàng)造新的商機(jī)。
柒、結(jié)論
WAVELET的理論并不是相當(dāng)完備，但是據(jù)現(xiàn)有的研究報(bào)告顯現(xiàn)，到普及應(yīng)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(xué)領(lǐng)域上，均有其應(yīng)用價(jià)值。國內(nèi)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(huì)有正式的定名出現(xiàn)。這也顯示國內(nèi)的研究速度，遠(yuǎn)落在外國的後面，國外已成立不少相關(guān)的網(wǎng)站，國內(nèi)僅有少數(shù)的相關(guān)論文。如此一來國內(nèi)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(dāng)時(shí)間。不過對於網(wǎng)路出版仍是有相當(dāng)大的契機(jī)，國內(nèi)仍是可以朝這一方面發(fā)展的。站在一個(gè)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(yùn)用上，為了要使用方便，和預(yù)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(jìn)者有一參考的依據(jù)，也許在不久的將來此一模式會(huì)成為主流，到時(shí)才不會(huì)手足無措。
參考文獻(xiàn)：
1.Geoff&nb
sp;Davis，1997，WaveletImageCompressionConstructionKit，。
2.張維谷.小宇宙工作室，初版1994，影像檔寶典.WINDOWS實(shí)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(shí)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(shù)（二）圖檔壓縮續(xù)篇，旗標(biāo)出版有限公司。
5.盧永成，民八十七年，使用小波轉(zhuǎn)換及其在影像與視訊編碼之應(yīng)用，私立中原大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系碩士學(xué)位論文。
6.江俊明，民八十六年，小波分析簡介，私立淡江大學(xué)物理學(xué)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(shù)（語音、影像處理實(shí)務(wù)），全欣資訊圖書。
附錄：
嵌入式零元樹小波轉(zhuǎn)換、階層式嵌入式零元樹小波轉(zhuǎn)換、階層式影像傳送及漸進(jìn)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(gè)現(xiàn)象最常發(fā)生在利用網(wǎng)路連結(jié)WWW網(wǎng)站時(shí)，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(shí)網(wǎng)路嚴(yán)重塞車，圖形只顯示一點(diǎn)點(diǎn)後就要再等非常久的時(shí)間才再有一點(diǎn)點(diǎn)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(fèi)。此缺點(diǎn)之改善，可以使用嵌入式零元樹小波轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)不同的編碼器配合利用之，進(jìn)而增加了其應(yīng)用的范圍，及減低了所架設(shè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，也可以節(jié)省更多的設(shè)備費(fèi)用。利用Shapiro所提出的嵌入式零元樹小波轉(zhuǎn)換(EZW)技術(shù)來設(shè)計(jì)階層式影像傳送系統(tǒng)時(shí)，其編碼的效果不是很好。主要的原因是，利用(EZW)技術(shù)所設(shè)計(jì)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(shí)分享由編碼器所送出來的位元流。雖然可以利用同時(shí)播放(Simulcast)技術(shù)來加以克服之，但是該技術(shù)對於同一影像以不同解析度獨(dú)立編碼時(shí)，將使得共同的低通次頻帶(LowpassSubband)被重復(fù)的編碼與傳送，而產(chǎn)生了相當(dāng)高的累贅(Redundancy)。
基於上述情況，有人將嵌入式零元樹小波轉(zhuǎn)換(EZW)技術(shù)加以修改之，完成了一個(gè)新式的階層式影像傳送系統(tǒng)。該技術(shù)為階層式嵌入的零元樹小波轉(zhuǎn)換(LayeredEmbeddedZerotreeWavelet，簡稱LEZW技術(shù)。這個(gè)技術(shù)使我們所設(shè)計(jì)出來的階層式影像傳送系統(tǒng)，可以在編碼傳送前預(yù)先指定圖層數(shù)目、每層影像的解析度與碼率。
LEZW技術(shù)是將EZW技術(shù)中的連續(xù)近似量化(SAQ)加以延伸應(yīng)用之，而EZW傳統(tǒng)的做法是將SAQ應(yīng)用於全部的小波轉(zhuǎn)換系數(shù)上。然而在LEZW技術(shù)中，從基層(BaseLayer)開始SAQ一次僅用於一個(gè)圖層(Layer)的編碼，直到最高階析度的圖層為止。當(dāng)編碼的那一圖層碼率利用完時(shí)，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(jié)果應(yīng)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(shè)計(jì)階層式影像傳送系統(tǒng)。
LEZW技術(shù)也可以應(yīng)用於漸進(jìn)式傳送，對於一個(gè)漸進(jìn)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(zhì)。而常用的漸進(jìn)式傳送方法有使用向量量化器或零元樹資料結(jié)構(gòu)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(cuò)誤敏威，而利用EZW技術(shù)所設(shè)計(jì)的漸進(jìn)式影像傳送系統(tǒng)，可以改善這些缺點(diǎn)，所以享有較好的效能。但是它也有缺點(diǎn)就是，應(yīng)用於漸進(jìn)式傳送時(shí)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(shí)，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(shí)的影像以較低的解析度來顯示時(shí)，則可以使影像的清晰度有所改善。
由於在現(xiàn)今資訊流通普遍的社會(huì)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(dāng)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(cuò)的表現(xiàn)，為其尚未有一標(biāo)準(zhǔn)的格式，故在應(yīng)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(guān)系。故以此篇文章介紹小波（WAVELET）轉(zhuǎn)換的歷史淵源。小波轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)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(dāng)?shù)馁M(fèi)時(shí)，現(xiàn)今個(gè)人擁有TrueColor的視訊卡、24-bit的全彩印表機(jī)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(shí)自然，更要搭配多媒體或動(dòng)畫。但是相對的高畫質(zhì)視覺享受，所要付出的代價(jià)是大量的儲(chǔ)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(gè)640X480TrueColor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(bào)業(yè)在傳版時(shí)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(xué)家與資訊理論學(xué)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(gè)尷尬的事實(shí)：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(huì)造成印刷輸出的問題。影像壓縮技術(shù)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(zhuǎn)路轉(zhuǎn)，科學(xué)家便將注意力移轉(zhuǎn)到WAVELET轉(zhuǎn)換法，結(jié)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(xué)理論。小波分析，無論是作為數(shù)學(xué)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(diǎn)，又能克服其不足之處?？蛇_(dá)到完全不失真，壓縮的比率也令人可以接受。由於其數(shù)學(xué)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(yīng)用於實(shí)際上，其理論仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間，而其實(shí)際運(yùn)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(dòng)機(jī)便由此而生。
貳、WAVELET的歷史起源
WAVELET源起於JosephFourier的熱力學(xué)公式。傅利葉方程式在十九世紀(jì)初期由JosephFourier(1768-1830)所提出，為現(xiàn)代信號分析奠定了基礎(chǔ)。在十九到二十世紀(jì)的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)研究領(lǐng)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(xué)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(xué)J.Morlet在分析地震波的局部性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的傅利葉轉(zhuǎn)換，難以達(dá)到其要求，因此引進(jìn)小波概念於信號分析中，對信號進(jìn)行分解。隨後理論物理學(xué)家A.Grossman對Morlet的這種信號根據(jù)一個(gè)確定函數(shù)的伸縮，平移系{a-1/2Ψ[(x-b)/a]；a,b?R,a≠0}展開的可行性進(jìn)行了研究，為小波分析的形成開了先河。
1986年，Y.Meyer建構(gòu)出具有一定衰減性的光滑函數(shù)Ψj,k(x)，其二進(jìn)制伸縮與平移系{Ψj,k(x)=√2jΨ(2jx-k)；j,k?Z}構(gòu)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(gòu)了小波函數(shù)的構(gòu)造及信號按小波轉(zhuǎn)換的分解及重構(gòu)。1988年Daubechies建構(gòu)了具有正交性（Orthonormal）及緊支集（CompactlySupported）；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(chǔ)理論介紹
一、WAVELET的壓縮概念
WAVELET架在三個(gè)主要的基礎(chǔ)理論之上，分別是階層式邊碼(pyramidcoding)、濾波器組理論(filterbanktheory)、以及次旁帶編碼(subbandcoding)，可以說wavelettransform統(tǒng)合了此三項(xiàng)技術(shù)。小波轉(zhuǎn)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(yīng)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(shí)間區(qū)域與頻率區(qū)域的信號，彌補(bǔ)傅利葉轉(zhuǎn)換中的缺失，也因此小波轉(zhuǎn)換被譽(yù)為數(shù)學(xué)顯微鏡。
WAVELET并不會(huì)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(xué)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(chǔ)存（跟波長與頻率有關(guān)）。以較少的資料代替原來的資料，達(dá)到壓縮資料的目的，這種經(jīng)由取舍資料而達(dá)到壓縮目地的作法，是近代數(shù)位影像編碼技術(shù)的一項(xiàng)突破。即是WAVELET的概念引入編碼技術(shù)中。
WAVELET轉(zhuǎn)換在數(shù)位影像轉(zhuǎn)換技術(shù)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(yuǎn)鏡傳輸影像回地球，和醫(yī)學(xué)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(zhuǎn)換成利於編碼的資料型態(tài)，控制解碼後影像的品質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)木幋a法，而且還在擷取圖形資料時(shí)，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(zhuǎn)換DCT轉(zhuǎn)換量化器編碼器編碼結(jié)束
三、編碼的基本要素有三點(diǎn)
（一）一種壓縮/還原的轉(zhuǎn)換可表現(xiàn)在影像上的。
（二）其轉(zhuǎn)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）WaveletTransform（WAVELET轉(zhuǎn)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WaveletTransform，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(nèi)插量化，對編碼的架構(gòu)有一定的影響。
（四）EntropyCoding（熵編碼器）：有兩種格式，一種是使其減少，一種為內(nèi)插。
（五）ArithmeticCoder（數(shù)學(xué)公式）：這是建立在AlistairMoffat''''slineartimecodinghistogram的基礎(chǔ)上。
（六）BitAllocation（資料分布）：這個(gè)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(jié)構(gòu)上加強(qiáng)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(qiáng)運(yùn)算的能力，使其可支援更多的影像格式。
五、使用WAVELET轉(zhuǎn)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(xué)編碼器，使資料能在數(shù)學(xué)公式和電腦的位元之間轉(zhuǎn)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trelliscoding。
十一、增加零元樹。
現(xiàn)今已有由中研院委托國內(nèi)學(xué)術(shù)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(shí)際應(yīng)用於實(shí)務(wù)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(shí)的影像而將其數(shù)位化。
2.如何將數(shù)位化的影像資料轉(zhuǎn)換成利於編碼的資料型態(tài)。
3.如何控制解碼影像的品質(zhì)。
4.如何選擇適當(dāng)?shù)木幋a法。
5.人的視覺系統(tǒng)對影像的反應(yīng)機(jī)制。
小波分析，無論是作為數(shù)學(xué)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(diǎn)，又能克服其不足之處。
陸、在印刷輸出的應(yīng)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(jià)值更高，WAVELET的出現(xiàn)就猶如當(dāng)時(shí)的JPEG出現(xiàn)，在影像的領(lǐng)域中掀起一股旋風(fēng)，但是WAVELET卻有JPEG沒有的優(yōu)點(diǎn)，JPEG乃是失真壓縮，且解碼後復(fù)原程度有限，能在網(wǎng)路應(yīng)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(jià)值。
有一點(diǎn)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(yīng)用成熟，再發(fā)展其適用的RIP，又是一段時(shí)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(huì)在網(wǎng)路上大量使用，應(yīng)該是未來的趨勢。對於網(wǎng)路出版應(yīng)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(fèi)用，增加企業(yè)的利潤，由於傳版的時(shí)間減少，也使印刷品在當(dāng)?shù)赜∷⒌目赡苄栽龈?，減少運(yùn)費(fèi)，減少開支，提高時(shí)效性，創(chuàng)造新的商機(jī)。
柒、結(jié)論
WAVELET的理論并不是相當(dāng)完備，但是據(jù)現(xiàn)有的研究報(bào)告顯現(xiàn)，到普及應(yīng)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(xué)領(lǐng)域上，均有其應(yīng)用價(jià)值。國內(nèi)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(huì)有正式的定名出現(xiàn)。這也顯示國內(nèi)的研究速度，遠(yuǎn)落在外國的後面，國外已成立不少相關(guān)的網(wǎng)站，國內(nèi)僅有少數(shù)的相關(guān)論文。如此一來國內(nèi)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(dāng)時(shí)間。不過對於網(wǎng)路出版仍是有相當(dāng)大的契機(jī)，國內(nèi)仍是可以朝這一方面發(fā)展的。站在一個(gè)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(yùn)用上，為了要使用方便，和預(yù)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(jìn)者有一參考的依據(jù)，也許在不久的將來此一模式會(huì)成為主流，到時(shí)才不會(huì)手足無措。
參考文獻(xiàn)：
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2.張維谷.小宇宙工作室，初版1994，影像檔寶典.WINDOWS實(shí)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(shí)作（下），峰資訊股份有限公司。
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5.盧永成，民八十七年，使用小波轉(zhuǎn)換及其在影像與視訊編碼之應(yīng)用，私立中原大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系碩士學(xué)位論文。
本期推薦配置欄目的主題是3000元液晶宿舍機(jī)，單就“宿舍”二字大家就會(huì)發(fā)現(xiàn)這款配置是專門為“窮學(xué)生”打造的。雖然學(xué)生錢不多，但對電腦應(yīng)用的需求可是不少，上網(wǎng)、看片玩游戲、作論文樣樣都少不了它。而3000元左右且配備液晶顯示器的電腦則意味著整個(gè)主機(jī)的預(yù)算不會(huì)超過2000元，紛繁的應(yīng)用點(diǎn)與拮據(jù)的預(yù)算使得整個(gè)電腦的配置難度驟然增加。此次我們感謝小耿與Ioooto兩位網(wǎng)友為我們提供的配置單，他們二人一個(gè)側(cè)重視頻播放另一個(gè)則側(cè)重游戲體驗(yàn)。
最后公布一下我們下期的攢機(jī)主題是6000元家庭娛樂電腦。
雙魚點(diǎn)評：對于預(yù)算3000元的命題來說，小耿的這個(gè)配置的價(jià)格可能略為有些超出預(yù)算啊，不過小編認(rèn)為其配置的確是非常有特點(diǎn)的。這是一臺典型的以高清視頻應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)的電腦。22英寸的大尺寸液晶屏幕無論是網(wǎng)上沖浪還是欣賞大片都能帶給人非同一般的體驗(yàn)，特別是長城L228顯示器還擁有10000:1的動(dòng)態(tài)對比度技術(shù)，可謂是目前市面上最有性價(jià)比的22英寸液晶顯示器之一。而隨著高分辨率的視頻文件體積越來越夸張。該配置里采用的西部數(shù)據(jù)WD3200AAKS硬盤足以滿足相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)用需求。而為了滿足上面的亮點(diǎn)，配置不得不在顯卡和內(nèi)存方面做出了一定的妥協(xié)，梅捷SY-AM690-RL主板集成的是X1250集成顯示核心。3D性能非常一般，在硬件解碼方面雖有ATI的AVIVO技術(shù)助力但依然不能實(shí)現(xiàn)全程解碼，可謂是一個(gè)非常無奈的選擇。硬解碼不行那只能看CPU的了，65nm技術(shù)的×24000+處理器性能足以滿足軟解碼的需求。另外它的功耗相當(dāng)?shù)?。再加上采用了幾乎可以忽略功耗的集成顯卡，整套配置的功耗水準(zhǔn)被控制在了一個(gè)相當(dāng)合理的范圍之內(nèi)，因此電源選用300W的長城電源就足以了。富士康機(jī)箱均嚴(yán)格執(zhí)行38度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，能夠?yàn)閮?nèi)部配件提供出色的散熱環(huán)境。低功耗價(jià)上良好的散熱條件，也就自然而然讓整臺電腦達(dá)到了“靜音”的效果。而內(nèi)存市場目前價(jià)格一路走低，暫時(shí)配置完全夠用的1GB內(nèi)存，未來再升級到2GB或更大容量不失為一個(gè)比較好的選擇。
雙魚點(diǎn)評：這套配置基本上可以看出是在均衡的前提下重點(diǎn)強(qiáng)化了游戲性能。奔騰E系列雙核處理器可謂是目前低端處理器中的明星產(chǎn)品線。而其中E2140則更是明星中的明星。與之相配的精英主板雖然是945P芯片組，但已能完美的支持酷睿2內(nèi)核的奔騰E系列處理器。只是由于945P芯片組的外頻只支持到200MHz，對以超頻性能著稱的E2140來說可能會(huì)是個(gè)不小的限制。顯卡方面，支持最新的DirectX 10.1的祺祥HD3650同樣也是以性價(jià)比著稱，全新的統(tǒng)一架構(gòu)讓HD3650能夠提供接近X1950Pro的3D性能表現(xiàn)，但是價(jià)格和功耗方面卻得到了大幅降低。顯示器方面使用了較低端的17英寸普屏LCD，初看上去好像有些不合時(shí)宜，但仔細(xì)考慮下就會(huì)覺得這樣的配置才可謂恰到好處。畢竟憑借HD3650的性能想在更高的分辨率上拖動(dòng)大型游戲還是有些吃力，反不如再較低分辨率下流暢運(yùn)行來得更舒服些。而17英寸和19英寸LCD具有相同的分辨率，但明顯點(diǎn)距更加致密，在降低分辨率運(yùn)行游戲時(shí)可以讓畫面保持較出色的視覺效果。由于E2140和HD3650都是絕對的“節(jié)電”標(biāo)兵，所以自然在電源的配置方面不用下太多工本。盲目的選擇大功率電源只能造成浪費(fèi)，大水牛PP400EAA電源能夠提供300W額定功率，足以為這一套配置提供充沛動(dòng)力。雙飛燕的KB-9620D鍵鼠套裝雖然算不上什么游戲利器，但對一般玩家來說也已經(jīng)足夠。
【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；智能家居；VB
一、引言
現(xiàn)代家庭已經(jīng)從追求家居的豪華裝飾轉(zhuǎn)向家居智能化，享受智能化帶來的多元化信息，以及安全、舒適與便利的生活環(huán)境。廣闊的市場前景和實(shí)用價(jià)值，使智能家居已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。目前智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)的家庭主控制器，有PC架構(gòu)、單片機(jī)架構(gòu)、嵌入式架構(gòu)三大解決方案。但三者都有其自身的缺點(diǎn)：PC機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)昂貴的改線費(fèi)用和繁瑣的改線工程也是令人難以接受的；單片機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，擴(kuò)展能力不強(qiáng)；嵌入式架構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)周期長，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，市場價(jià)格比較高，應(yīng)用面比較狹窄。本文介紹一種價(jià)格便宜、成本較低、和現(xiàn)有設(shè)備兼容性好的無線智能家居控制系統(tǒng)
二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
本智能無線家居控制系統(tǒng)主要由PC軟件，單片機(jī)控制器、家居控制終端和相關(guān)無線傳感器系統(tǒng)四個(gè)部分組成（如圖1所示）。
PC軟件是系統(tǒng)的靈魂，軟件編寫的好壞直接影響系統(tǒng)的性能。PC軟件的功能是給用戶提供操作界面、將用戶的指令（包括用戶預(yù)設(shè)指令）通過串口傳送給單片機(jī)控制器，并顯示報(bào)警信息。
單片機(jī)控制器是信息的交換中心。單片機(jī)控制器的功能是將PC機(jī)傳送給單片機(jī)的指令通過無線的方式發(fā)送給家居控制終端，同時(shí)它還可以將傳感器測得的信號傳送給PC。
家居控制終端是家居控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它可以接受無線控制指令并執(zhí)行。家居控制終端包括各種無線開關(guān)、各種無線控制器、無線電磁閥門等。
相關(guān)傳感器可以探測各種威脅，并通過無線的方式發(fā)送給單片機(jī)。它包括無線煤氣傳感器、無線紅外傳感器等。
系統(tǒng)通過相關(guān)無線傳感器系統(tǒng)探測信號，并傳送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)將信息傳送給PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警，并通過PC操作人員的操作，將控制指令發(fā)送給單片機(jī)控制器，然后由單片機(jī)控制器將執(zhí)行指令發(fā)送給家居控制終端。通過家居控制終端的執(zhí)行完成對家庭中照明、安防等的控制。同時(shí)系統(tǒng)還可以利用無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備查詢和控制無線攝像設(shè)備，對家庭進(jìn)行監(jiān)控。在此基礎(chǔ)上，通過利用操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能還可以遠(yuǎn)程觀察和控制本系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行場景如圖2所示。
三、單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件部分主要由計(jì)算機(jī)PC、單片機(jī)電路板、無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線傳感器、無線控制器等部分組成，其中單片機(jī)電路部分是本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
單片機(jī)電路分無線接收和解碼模塊、無線發(fā)射模塊、STC89C54RC單片機(jī)、MAX232、設(shè)備、串口等部分組成。
無線接收和解碼模塊主要由PT2272芯片及其附屬電路組成，它的主要功能是將相關(guān)傳感器探測到的報(bào)警信號接收并解碼，同時(shí)將解碼信號發(fā)送給單片機(jī)。無線發(fā)射模塊主要由PT2262芯片及其附屬電路組成它的主要功能是將單片機(jī)發(fā)送的控制信號發(fā)送給被控設(shè)備（如燈光控制器）。MAX232芯片及其電路主要是完成單片機(jī)和PC的通信。
STC89C54RC單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中心，負(fù)責(zé)將無線接收和解碼模塊接收的信號經(jīng)過MAX232芯片和串口發(fā)送給PC，同時(shí)PC發(fā)來的控制信號經(jīng)過串口和MAX232芯片經(jīng)過STC89C54RC單片機(jī)由無線發(fā)射模塊發(fā)送給控制單元。
四、軟件部分設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要有上位機(jī)（PC）程序和下位機(jī)（單片機(jī)）程序兩個(gè)部分組成。上位機(jī)程序主要是在VB環(huán)境下完成的，包括界面、控制和通信等功能。下位機(jī)主要是在keil環(huán)境下完成的，包括控制和通信等功能。系統(tǒng)上位機(jī)主程序如圖4所示。
VB文件部分程序（噴水開關(guān)部分）如下：
'Label11
Me.Label11.AutoSize = True
Me.Label11.Font = New System.Drawing.Font（"宋體"，9.75！，System.Drawing.FontStyle.Regular，System.Drawing.GraphicsUnit.Point，CType（134，Byte））
Me.Label11.Location = New System.Drawing.Point（665，517）
Me.Label11.Name = "Label11"
Me.Label11.Size = New System.Drawing.Size（33，13）
Me.Label11.TabIndex = 620
Me.Label11.Text = "噴水"
Keil部分程序（校驗(yàn)子程序和無線發(fā)送子程序部分）如下：
//校驗(yàn)子程序
void crc_pro（void）
{
uchar a；
crc=0；
for （a=1；a
crc=crc+inbuff[a]；
if （crc==inbuff[34]）
crc_err_bz=0；
else crc_err_bz=1；
}
//無線發(fā)送子程序
void wuxian_fa_pro（void）
{
uchar a，b，c；
for （a=0；a
{
tongbu（）；
for （b=0；b
{
c=wuxian_buff[b]；
switch （c）
{
case 0： bit_0（）；break；
case 1： bit_1（）；break；
case 2： bit_f（）；break；
default：break；
}//switch c
}//for b
}//for 發(fā)送4次
}
五、結(jié)束語
本系統(tǒng)結(jié)合PC架構(gòu)和單片機(jī)架構(gòu)，同時(shí)將無線技術(shù)引入其中，發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)，避免了二者的缺點(diǎn)。同時(shí)在無線技術(shù)的選擇上，應(yīng)用了315/433MHz射頻技術(shù)，價(jià)格便宜，成本較低，和現(xiàn)有設(shè)備兼容性好。綜上所述，本系統(tǒng)切合社會(huì)發(fā)展實(shí)際需要、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性、經(jīng)濟(jì)性都很好，有一定的創(chuàng)新性和推廣潛力，非常有研究價(jià)值并有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：QR碼；模擬退火算法；鏈碼；水印
1 二維碼水印加密背景及目前加密解密現(xiàn)狀
1.1 QR二維碼的應(yīng)用背景
隨著中國3G技術(shù)的普及，以及手機(jī)本身性能的提高，二維碼作為一種全新的信息存儲(chǔ)、傳遞和識別技術(shù)迅速地融入到了社會(huì)生活當(dāng)中，其保密和安全問題也越來越有研究價(jià)值，2012年鐵道部出現(xiàn)了用戶隱私資料信息被二維碼泄密的問題，病毒也開始通過二維碼傳播。目前國內(nèi)針對二維碼數(shù)字加密的技術(shù)的論述并不多，在當(dāng)前期刊網(wǎng)上有關(guān)二維碼討論的258篇論文也主要集中于二維碼自身的編碼解碼規(guī)則，只有16篇是討論二維碼數(shù)字手段加密的。其中加密采取的主要手段是通過復(fù)雜昂貴的隱形印刷技術(shù)。而討論數(shù)字加密的只是對一般圖像都通用的結(jié)合水印加密，未能很好的結(jié)合QR二維碼自身的編碼規(guī)則，所能負(fù)載的加密信息量也極少[3]。
1.2 國內(nèi)外二維碼加密研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外關(guān)于二維碼信息隱藏技術(shù)的文獻(xiàn)不是很多，研究對象主要是四一七條碼（Portable Data File417，PDF417碼）和QR碼。在國內(nèi)，針對PDF417碼的研究較多且以空域水印為主，在國外，以研究QR碼居多，以頻域水印為主。牛夏牧[7]等利用變形技術(shù)對PDF417碼中的各組成單元寬度加以適量的變動(dòng)，采用誤差累積的方式實(shí)現(xiàn)隱藏信息的嵌入和提取。陳崢等[3]針對PDF417碼，提出了基于邊界移位的隱藏信息嵌入算法。趙博等[4]提出一種基于結(jié)構(gòu)微調(diào)法的水印算法，對PDF417碼的組成條空進(jìn)行適量的微調(diào)，將信息隱藏進(jìn)二維碼中。晁玉海等[5]提出一種對隱藏信息進(jìn)行擴(kuò)頻和映射處理，根據(jù)PDF417碼自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過微調(diào)條碼中的條和空將信息隱藏的方法。Ming Sun等[6]提出兩種基于離散小波變換（Discrete Wavelet Transform，DWT）變換的QR碼數(shù)字水印，分別可以嵌入隨機(jī)序列和圖片。Jau-Ji Shen等[7]針對PDF417碼提出一種稱作關(guān)聯(lián)水印的盲水印算法，該算法可以提高水印的嵌入容量并可將PDF417碼用于數(shù)據(jù)認(rèn)證。
⑴二維碼圖和傳統(tǒng)防偽制作技術(shù)（主要是印刷）相結(jié)合，避免碼圖被直接影印、拍照，比如采用隱形印刷等等；
⑵掌握二維碼編碼技術(shù)，對二維碼碼圖本身做特殊處理（如加密、復(fù)合、變形等），這種方法的目的有二，一是可以讓別人的識讀軟件無法識別碼圖，二是可以在這些碼圖中編入特別信息，以作防偽校驗(yàn)之用。
簡而言之，一個(gè)采用特殊印刷技術(shù)，一個(gè)采用特殊編碼，從而提高技術(shù)門檻也就提高了造假的成本與難度。本文研究算法基于第二種方式，對二維碼碼圖進(jìn)行特殊處理，達(dá)到嵌入 信息進(jìn)行防偽校驗(yàn)?zāi)康摹?/p>
2 適用于QR的數(shù)字水印算法
2.1 水印的嵌入算法
2.1.1 水印嵌入位置及表示方案
鏈碼和QR二維碼水印信息的位置選擇和像素值改變方案，根據(jù)鏈碼、改進(jìn)的LSB算法和二維碼的基本理論，本文結(jié)合處如下表示方案。QR碼圖像是由N*N個(gè)深色或者淺色的模塊圖形組成，實(shí)驗(yàn)中是黑色和白色模塊。考慮水印需要的隱蔽性，我們選取黑色的正方形作為水印嵌入單元。假設(shè)QR碼的一個(gè)模塊圖形的大小為M*M，其中M為模塊的長度（高度），單位是像素。條碼矩陣的大小為N*N。每個(gè)正方形基元占用的像素點(diǎn)為M/N。
如圖2.1所示：跟四鏈碼的結(jié)合方式為將正方形基元平分成四等份，每一塊的大小為M/2N，選擇其中的一塊，按統(tǒng)一水印規(guī)則改變整個(gè)選中塊的像素值，嵌入水印信息，按照鏈碼方向的規(guī)則給四個(gè)方向的小矩陣編碼為0，1，2，3，四幅圖中的紅色區(qū)域分別對應(yīng)著0，1，2，3。這樣每個(gè)黑色QR碼的正方形基元便可以承載一位四進(jìn)制的數(shù)。當(dāng)圖像格式為RGB三色圖時(shí)，結(jié)合第一章所介紹的改進(jìn)的LSB編碼規(guī)則，每一塊像素值按規(guī)則改變后又可表示為00，01，10，11的四進(jìn)制，跟位置的編碼規(guī)則相結(jié)合，每個(gè)正方形模塊就可以表示一位十六進(jìn)制的數(shù)，也就是4bit的信息。
2.1.2 水.印嵌入流程
如圖2.2 水印算法的整體嵌入步驟：
第一步：根據(jù)基本信息編碼出未加密的二維碼舉證，自左向右，自上而下，統(tǒng)計(jì)N*N黑色和白色模塊的QR二維碼可用來嵌入水印的黑色模塊的個(gè)數(shù)，記為C，并記錄下各個(gè)可用的黑色模塊在二維碼的二維矩陣中的位置。
第二步：依據(jù)偽指紋特征隨機(jī)密鑰生成技術(shù)，隨機(jī)生成三個(gè)指紋特征數(shù)據(jù)記為T1、T2、T3，并將T1、T2、T3轉(zhuǎn)碼成和水印嵌入方式所采用的編碼進(jìn)制（八進(jìn)制、十六進(jìn)制等）相同的編碼進(jìn)制，統(tǒng)計(jì)出T1，T2，T3所需要的占用編碼位數(shù)記為n1，n2，n3。
第三步：如果n1+n2+n3>c，則說明水印嵌入位置不足以嵌入所有的指紋特征數(shù)據(jù)，當(dāng)嵌入位置不足時(shí)采用基于模擬退火算法競爭機(jī)制，解決各個(gè)特征信息之間采樣數(shù)競爭問題，模擬退火的優(yōu)勢能保證了嵌入位置的隨機(jī)性，和各個(gè)特征信息的均衡性。
第四步：依照模擬退火算法競爭機(jī)制產(chǎn)生的二維指紋矩陣加密位置對應(yīng)表，對QR二維碼圖形進(jìn)行加密。
2.2 水印的提取算法
如圖2.3：首先，從加密的二維碼圖片中解碼出二維碼的基本信息。
將加密后的二維碼圖片記為map1和未水印加密的二維圖片記為map2，導(dǎo)入解碼程序中。
第二步：將相應(yīng)的兩幅圖像做減法代數(shù)運(yùn)算，提取圖像中目標(biāo)區(qū)域，給定閾值大小為水印差值的一半，將低于閾值的像素點(diǎn)看作相同像素點(diǎn)，差值取絕對值選取為了實(shí)現(xiàn)精確定位，因?yàn)閮煞鶊D像編碼格式一致，除了不通目標(biāo)區(qū)域以外，其他區(qū)域完全相同，包括圖像大小等。
第三部：使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)斷線的連接，主要目的是保持目標(biāo)區(qū)域邊緣連續(xù)，為孤立點(diǎn)的去除做準(zhǔn)備。第三步：使用改進(jìn)中值濾波去除圖像中孤立異常點(diǎn)，如果除了目標(biāo)區(qū)域以外，其他區(qū)域完全相同，那么基本不需要去處異常點(diǎn)，在做加入噪聲干擾實(shí)驗(yàn)時(shí)去除邊緣毛邊是一個(gè)需要除了的問題。
第四步：采用曲線全向跟蹤技術(shù)，尋找目標(biāo)區(qū)域的邊緣輪廓，探查到所有目標(biāo)區(qū)域邊緣。
第五步：將圖像按照二維碼自身的編碼規(guī)則分成N*N塊，根據(jù)上圖中提取去的各個(gè)嵌入水印的矩形區(qū)域的位置，并將區(qū)域大小經(jīng)過閾值判斷，去掉干擾點(diǎn)，定位出各個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)得編碼值，返回二維矩陣各個(gè)嵌入水印值位置對應(yīng)得值。和加密時(shí)候保存的加密二維矩陣值進(jìn)行對比，進(jìn)行水印驗(yàn)證。
3 實(shí)驗(yàn)
含有水印的QR碼的識別和提取實(shí)驗(yàn)
算法穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，流程如下：
（1）產(chǎn)生一段隨機(jī)長度和隨機(jī)內(nèi)容的文本T1。
（2）將文本T1編碼為QR碼圖形Q1。
（3）計(jì)算Q1的水印容量大小。
（4）通過通過隨機(jī)指紋發(fā)生器和模擬退火競爭機(jī)制產(chǎn)生水印信息W。
（5）向Q1中嵌入水印信息W得到含有水印的QR碼圖形Q2。
（6）識讀Q2得到T2，并與原始編碼內(nèi)容T1對比，記錄對比結(jié)果。
（7）從含有水印的QR碼圖形Q2中提取水印信息WR。
（8）比較W和WR，記錄對比結(jié)果。
（9）重復(fù)1000次步驟（1）～（8）的試驗(yàn)，并計(jì)算QR碼的識別正確率和水印嵌入和提取的正確率。
隨機(jī)文本T包含英文字母、數(shù)字和常用標(biāo)點(diǎn)符號。重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)為100次，最后記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并計(jì)算正確率。實(shí)驗(yàn)最終得到的數(shù)據(jù)是QR碼的識別正確率為97%，嵌入和提取水印的正確率為95%。該實(shí)驗(yàn)表明，水印算法非常穩(wěn)定，嵌入的水印不會(huì)影響到QR碼的正確識別，并且水印信息的嵌入和提取不受水印內(nèi)容和QR碼載體圖像的影響。
4 結(jié)論
提出了一種適用于QR碼的魯棒性和嵌入信息量都適中的水印算法，該算法用鏈碼的方向編碼和改進(jìn)的LSB算法嵌入水印信息，保證水印信息不會(huì)改變QR碼的圖形結(jié)構(gòu)，并確保嵌入的水印信息不會(huì)影響到QR碼的正確識別。與現(xiàn)有的利用誤差特性進(jìn)行信息隱藏的算法相比，該算法極大程度增強(qiáng)了數(shù)字水印的隱蔽性，提高了水印信息的嵌入量。同時(shí)算法不會(huì)受到QR碼的容量限制，并且適合電子保存和打印等多種形式，具有提取水印速度快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢。并且提出了由多種生物特征提取出的信息組成水印信息的方式，將二維碼與用戶綁定，實(shí)現(xiàn)了人碼一體的認(rèn)證功能。
[參考文獻(xiàn)]
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關(guān)鍵詞:防竊聽;語音擾頻;端到端
1引言
隨著移動(dòng)通信及相關(guān)業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展,移動(dòng)智能終端在政治、軍事、金融、外交等領(lǐng)域均扮演著重要的角色。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)給我們帶來各種方便快捷服務(wù)的同時(shí),也面臨著日趨嚴(yán)重的信息安全問題。尤其“棱鏡”事件后,手機(jī)泄密事件頻頻見諸報(bào)導(dǎo),各國也更加重視移動(dòng)設(shè)備數(shù)據(jù)加密、存儲(chǔ)和傳輸?shù)谋O(jiān)管。目前,移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已指定了諸多安全有效的安全框架和加密機(jī)制,但移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的信息加密只是出現(xiàn)在基站和移動(dòng)終端的無線通信信道這一部分,比如基站和基站之間的信息傳遞就是以明文進(jìn)行傳輸。因此,研究一種加密效果好、解密語音恢復(fù)度高、通話延遲小的移動(dòng)智能終端防竊聽技術(shù)及設(shè)備很有必要[1]。
2手機(jī)防竊聽語音擾頻裝置設(shè)計(jì)思路
本設(shè)計(jì)目標(biāo)即是解決移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的上述缺陷,基于FPGA技術(shù)研制便攜式即插即用語音擾頻裝置,實(shí)現(xiàn)端到端的安全加密通信。在不改造用戶移動(dòng)終端及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的前提下,本設(shè)計(jì)基于硬件的處理手段和芯片化的設(shè)計(jì)思想,確定采用信源加密的技術(shù)方案[2]。便攜式即插即用語音擾頻裝置定位為類似于手機(jī)話務(wù)式耳機(jī)線控的裝置,其對外接口主要有麥克風(fēng)、耳機(jī)接口以及密鑰注入接口,可以將人的聲音轉(zhuǎn)換成不可解釋的模擬噪聲并且將被擾頻的噪聲在不安全的網(wǎng)絡(luò)電話或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送,只有將其發(fā)送到連接同樣裝置的對端有線電話或者移動(dòng)電話上,才能還原出發(fā)送端的原始語音信號,并且整個(gè)加解密過程使用一次性密鑰,以增強(qiáng)加密效果。
3硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)
基于FPGA芯片的語音加密硬件系統(tǒng)是一個(gè)基于FPGA的最小系統(tǒng),其主要包括FPGA處理器模塊、PROM模塊、電源模塊、A/D模塊以及時(shí)鐘模塊,通過所增加的一組標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口與手機(jī)及耳麥連接進(jìn)行通信[3],其加密硬件模塊框圖如圖1所示。加密過程:語音首先從標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口輸入,然后經(jīng)A/D模塊變換后送至FPGA處理器模塊進(jìn)行加密處理,再經(jīng)A/D模塊變換后從標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口將加密語音送至手機(jī)射頻輸出。解密過程:加密語音經(jīng)手機(jī)接收后,從標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口輸入,首先經(jīng)A/D模塊變換,再經(jīng)FPGA處理器模塊解密處理,最后經(jīng)A/D模塊變換后,從標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口輸出至耳機(jī)。電源模塊主要用于電源管理,為FPGA、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊供電?？紤]到長時(shí)間待機(jī)和尺寸的要求,電池考慮采用900mah的鋰離子電池,充電接口采用通用性強(qiáng)的迷你型USB接口,電壓比較電路用于檢測電池電量,可用于低電告警。時(shí)鐘模塊通過分頻為FPGA芯片、A/D轉(zhuǎn)換芯片提供精確定時(shí)脈沖。在A/D轉(zhuǎn)換模塊中,考慮采用AD73311模/數(shù)模轉(zhuǎn)換器芯片和AMBE-2000語音壓縮／解壓芯片對輸入的語音信號進(jìn)行編解碼,以降低數(shù)字信號的比特率、保證通信質(zhì)量。FPGA處理器模塊是系統(tǒng)的核心部件,主要由XilinxSPARTEN3E系列的XC3S500E芯片及基本電路組成,用于運(yùn)行程序完成加密系統(tǒng)的密鑰協(xié)商、語音加解密、系統(tǒng)同步等工作。PROM模塊用于存儲(chǔ)FPGA的程序,配置芯片采用的是XCF04系列PROM串行配置芯片。硬件接口上需要提供標(biāo)準(zhǔn)插入式3.5mm語音輸入/輸出接口和迷你USB充電接口。
4語音加解密算法設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)一般由密鑰協(xié)商模塊、語音加密模塊和同步算法模塊三個(gè)模塊組成,加解密算法模塊是核心的技術(shù)之一[4]。語音加解密須保證加密算法不影響手機(jī)聲碼器的正常編碼,為了快速語音加解密,需要設(shè)計(jì)出一種安全快速且適用于硬件架構(gòu)的抗RPE-LTP壓縮編碼的語音加解密算法。本算法主要針對RPE-LTP壓縮編解碼之特性,對語音信號進(jìn)行一定的變換處理,使之成為不可懂的聲音信號,從而實(shí)現(xiàn)語音信號加密;同時(shí),需要保證加密語音信號在通過RPE-LTP編碼器后能夠被對方解碼器恢復(fù),且經(jīng)過解密后成為可懂的原始語音信號,從而完成全部加解密過程。
5結(jié)語
在不改造用戶手機(jī)終端和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)前提下,本文提出了一種硬件化、集成化、便攜式的端到端語音加密方案,并對加解密外置裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)手機(jī)端到端語音加密通信,設(shè)備即插即用,解密語音可懂度高,通話延遲小,兼容性、拓展性強(qiáng),可廣泛應(yīng)用于軍事、政治、外交等領(lǐng)域,為通信業(yè)務(wù)提供安全保障,具有巨大的商業(yè)和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。
作者:寇萬里 王喆 林少鋒 單位:西安通信學(xué)院
參考文獻(xiàn)
[1]金堃.移動(dòng)通信網(wǎng)中的端到端語音加密技術(shù)研究[D].華中科技大學(xué)碩士論文,2012.
[2]楊于村.基于公眾移動(dòng)通信網(wǎng)的端到端加密語音傳輸技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué)博士論文,2009.
