時(shí)間：2023-03-21 17:03:35
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論文關(guān)鍵詞:直讀式電子壓力計(jì);單芯遠(yuǎn)距離傳輸;曼徹斯特碼;編碼;解碼
論文摘要:本文從現(xiàn)有存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)的技術(shù)現(xiàn)狀出發(fā)，分析了在井下高溫、高壓、遠(yuǎn)距離條件下，實(shí)現(xiàn)壓力、溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠采集、傳輸、分析的壓力計(jì)——直讀式電子壓力計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸方案和實(shí)施，并從技術(shù)需求分析、通訊方案選擇、單芯遠(yuǎn)距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼的軟硬件設(shè)計(jì)等方面，對(duì)直讀式電子壓力計(jì)數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行了深入研究。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，本文研究結(jié)果解決了直讀式電子壓力計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)了電子壓力計(jì)在油田測(cè)井領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
一、引言
目前存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各大油田高溫井下壓力和溫度的測(cè)量。存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)在工作過(guò)程中，儀器內(nèi)的單片機(jī)系統(tǒng)和各種傳感器共同完成井下壓力和溫度的采集，并以數(shù)字量形式存儲(chǔ)于電可改寫(xiě)型存儲(chǔ)器中，待測(cè)試過(guò)程完成后，再將壓力計(jì)返回地面，用專(zhuān)門(mén)配套研制的數(shù)據(jù)回放儀與壓力計(jì)連接，通過(guò)軟件和硬件接口通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、回放和處理，使用很不方便，影響生產(chǎn)。
因此，為克服存儲(chǔ)式電子壓力計(jì)的上述缺點(diǎn)，提高油田生產(chǎn)效率，提升電子壓力計(jì)在油田測(cè)井領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，必須研制在井下高溫、高壓、遠(yuǎn)距離條件下，實(shí)現(xiàn)壓力、溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠采集、傳輸、分析的壓力計(jì)——直讀式電子壓力計(jì)。
二、直讀式電子壓力計(jì)技術(shù)需求分析
（一）功能及主要技術(shù)指標(biāo)要求
直讀式電子壓力計(jì)實(shí)現(xiàn)井下壓力和溫度參數(shù)的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)單芯鎧裝電纜實(shí)時(shí)傳送至地面解碼控制儀，主要技術(shù)指標(biāo)要求如下所示。
a) 壓力測(cè)量范圍：（0～30、45、60、80）MPa；壓力測(cè)量誤差： 0.04%F.S；
b) 溫度測(cè)量范圍：（-20～+150）℃， 測(cè)量誤差：±1℃；
c) 傳輸距離不小于6000m；通訊誤碼率1.0×10-7。
（二）基本方案及工作原理
直讀式電子壓力計(jì)由井下電子壓力計(jì)和地面解碼控制儀兩部分組成，其中井下電子壓力計(jì)由壓力傳感器、溫度傳感器、信號(hào)放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)系統(tǒng)、編碼電路、數(shù)字通訊接口電路和裝載于單片機(jī)系統(tǒng)中的相關(guān)工作軟件組成，解碼控制儀由解碼電路、通訊接口電路、通用計(jì)算機(jī)(油田配置)和相關(guān)工作軟件組成。
工作過(guò)程中，井下電子壓力計(jì)由地面解碼控制儀通過(guò)單芯鎧裝電纜提供能源，溫度和壓力傳感器分別將環(huán)境壓力和溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，該電信號(hào)經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理，然后按一定周期經(jīng)數(shù)字通訊口輸出。井下電子壓力計(jì)和井上解碼控制儀之間通過(guò)單芯鎧裝電纜連接，解碼控制儀中通訊接口電路接收井下電子壓力計(jì)輸出的壓力和溫度數(shù)據(jù)，并經(jīng)解碼后輸入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理。
三、數(shù)據(jù)傳輸方案選擇
設(shè)備之間數(shù)據(jù)通訊通常有并行通訊和串行通訊兩種方案，并行通訊的缺點(diǎn)是傳輸距離短，通訊信道所占點(diǎn)號(hào)多，而串行通訊與之相反。根據(jù)井下電子壓力計(jì)與井上解碼控制儀的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，需選擇串行數(shù)據(jù)傳輸方式。
在曼徹斯特編碼中，用電壓跳變的相位不同來(lái)區(qū)分邏輯1和邏輯0，即用正的電壓跳變表示邏輯0，用負(fù)的電壓跳變表示邏輯1。
在油田測(cè)井中，井下電子壓力計(jì)在井下采集大量信息，并傳送給地面解碼控制儀；但井下電子壓力計(jì)到地面解碼控制儀這段信道的傳輸距離較長(zhǎng)且環(huán)境惡劣，常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸，而且NRZ碼含有豐富的直流分量，容易引起滾筒的磁化。曼徹斯特編碼方式使得信號(hào)以串行脈沖碼的調(diào)制方式在數(shù)據(jù)線(xiàn)上傳輸，和最常用的NRZ碼相比，消除了NRZ碼的直流成分，具有時(shí)鐘恢復(fù)和更好的抗干擾性能，這使它更適合于從井下到井上的信道傳輸，因而在井下電子壓力計(jì)和地面解碼控制儀之間選用曼徹斯特編碼使數(shù)據(jù)傳輸可靠性更高、傳輸距離更遠(yuǎn)。
四、曼徹斯特碼編碼軟硬件設(shè)計(jì)
每一周期井下電子壓力計(jì)需將采集到的壓力和溫度兩個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行曼徹斯特編碼方式輸出，井下電子壓力計(jì)與地面解碼控制儀之間按如下通訊協(xié)議進(jìn)行。
a) 壓力與溫度均以字為單位進(jìn)行傳送，先發(fā)送壓力字，后發(fā)送溫度字，一個(gè)壓力字和一個(gè)溫度字的組合稱(chēng)為一個(gè)消息；
b) 每一個(gè)字由20位組成，第1～3位為3個(gè)起始位，第4～19位為16個(gè)數(shù)據(jù)位，第20位為奇偶校驗(yàn)位；
c) 壓力字3個(gè)起始位電平為先高后低，溫度字起始位為先低后高，高低電平均各占一位半，壓力字與溫度字校驗(yàn)位均采用奇校驗(yàn)；
d) 傳輸?shù)牟ㄌ芈剩?.7292 kbps（175μs/位），傳輸一個(gè)消息共耗時(shí)3.5ms。為保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，井下電子壓力計(jì)同一消息在一個(gè)采樣周期內(nèi)重復(fù)發(fā)送兩次，地面解碼控制儀根據(jù)校驗(yàn)位判斷每個(gè)字的正確性。
由單片機(jī)編程輸出兩路I/O控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波電路、運(yùn)放電路、整型電路后，產(chǎn)生曼徹斯特編碼雙相電平信號(hào)，并經(jīng)單芯鎧裝電纜送至地面解碼控制儀。為滿(mǎn)足曼徹斯特編碼格式及井下電子壓力計(jì)與地面解碼控制儀之間的通訊協(xié)議，井下電子壓力計(jì)軟件采用如下的編程方式輸出波形。
a）壓力字同步頭為262.5μs高電平后跟隨262.5μs低電平，溫度字同步頭為262.5μs低電平后跟隨262.5μs高電平；
b）若數(shù)據(jù)位為邏輯0，則在87.5μs低電平后跟隨87.5μs高電平；
c）若數(shù)據(jù)位為邏輯1，則在87.5μs高電平后跟隨87.5μs低電平；
d）校驗(yàn)位的波形產(chǎn)生方式與數(shù)據(jù)位相同。
五、曼徹斯特碼解碼軟硬件設(shè)計(jì)
地面解碼控制儀需將井下電子壓力計(jì)輸出的曼徹斯特碼進(jìn)行解碼，并按通訊協(xié)議用軟件將接收到的曼徹斯特碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為井下電子壓力計(jì)測(cè)得的壓力和溫度數(shù)據(jù)，即地面解碼控制儀中的解碼過(guò)程為井下電子壓力計(jì)編碼過(guò)程的逆過(guò)程。曼徹斯特碼解碼過(guò)程可分為如下三部分：
a) 同步字頭檢測(cè)，并辨別其為溫度數(shù)據(jù)還是壓力數(shù)據(jù)。
b) 對(duì)曼碼形式的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，從曼徹斯特碼波形中分離出同步時(shí)鐘，并將時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理使曼碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為非歸零二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
c) 將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為并行數(shù)據(jù)，并進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
經(jīng)過(guò)幾千米鎧裝電纜傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)，幅度衰減到毫伏級(jí)，因此井上需要精密的解碼電路，才能保證數(shù)據(jù)傳輸無(wú)誤碼率。井下傳輸上來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波電路、精密運(yùn)算放大器、雙D觸發(fā)器輸出曼碼波形給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的程序轉(zhuǎn)化為井下的壓力與溫度數(shù)字量。
六、試驗(yàn)結(jié)果
直讀式電子壓力計(jì)首臺(tái)產(chǎn)品完成廠內(nèi)試驗(yàn)后，到油田用8000m的鎧裝電纜連接井下電子壓力計(jì)和地面解碼控制儀，將電子壓力計(jì)下放到井下6500m的深度，在溫度高達(dá)150℃、壓力為30～60 MPa的油井中測(cè)試壓力和溫度。在三次連續(xù)5個(gè)小時(shí)的測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確可靠，沒(méi)有出現(xiàn)丟點(diǎn)現(xiàn)象，誤碼率為零。
七、結(jié)束語(yǔ)
試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，本文研究結(jié)果解決了直讀式電子壓力計(jì)通訊方案、通訊協(xié)議、單芯遠(yuǎn)距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼軟硬件設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，增強(qiáng)了電子壓力計(jì)在油田測(cè)井領(lǐng)域的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
參考文獻(xiàn)
關(guān)鍵詞：RGB YCbCr FPGA 色彩空間轉(zhuǎn)換
中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（a）-0023-01
1 常見(jiàn)色彩空間
我們主要介紹RGB和YCbCr色彩空間。RGB色彩空間是一種常用的色彩空間。它可以實(shí)現(xiàn)不同平臺(tái)的映射而不嚴(yán)重?fù)p失顏色信息。任何一種顏色都可以由三基色紅、綠、藍(lán)混合疊加而成。RGB三個(gè)分量彼此相互獨(dú)立，三個(gè)分量的值越小所代表的亮度越低。RGB色彩空間它所占用的帶寬和存儲(chǔ)量是很大的，如果使用該色彩空間進(jìn)行圖像傳輸，非常不利于圖像的處理。所以引入另一種色彩空間YCbCr。該格式的色彩空間是演播室編碼方案中使用的顏色模型。Y，Cb，Cr分別代表亮度、藍(lán)度分量和紅度分量。YCbCr色彩空間有以下優(yōu)勢(shì)。首先它的構(gòu)成原理符合人類(lèi)的視覺(jué)感知過(guò)程，再次它可以實(shí)現(xiàn)亮度和色度的分離，由于人眼對(duì)亮度的變化更敏感，所以我們?cè)趥鬏攬D像時(shí)減小帶寬的同時(shí)引起的顏色損失小，人眼幾乎無(wú)法察覺(jué)。
2 總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
基于FPGA的色彩空間的轉(zhuǎn)換過(guò)程可以描述為：首先通過(guò)CCD攝像頭進(jìn)行視頻圖像采集，采集來(lái)的RGB圖像為NTSC或PAL制式的，接著我們會(huì)把視頻數(shù)據(jù)送到解碼芯片TVP5150，它會(huì)將信號(hào)變?yōu)镮TU-R BT.656格式的數(shù)據(jù)流。我們選取的TVP5150芯片是和FPGA主控芯片集成在一個(gè)開(kāi)發(fā)板上，它的功耗非常低，芯片小巧利于便攜。視頻解碼芯片在對(duì)視頻信號(hào)處理之前總線(xiàn)會(huì)對(duì)其進(jìn)行配置。從解碼芯片出來(lái)的信號(hào)便進(jìn)入FPGA芯片，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換、解交織等操作最終實(shí)現(xiàn)色彩空間的轉(zhuǎn)換。最后信號(hào)送到ADV7123芯片進(jìn)行編碼，并通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換芯片在VGA顯示器上顯示出來(lái)。
3 仿真與硬件驗(yàn)證
硬件部分我們采用了Alera公司的FPGA芯片EP2C8Q208C8N作為核心處理芯片，該芯片內(nèi)部含有豐富的可編程邏輯資源，可以非常方便的完成相關(guān)乘法器的例化。在使用乘法器IPCore時(shí)，我們需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。硬件部分包括CCD攝像頭、FPGA主控芯片、視頻解碼芯片TVP5150、視頻編碼芯片ADV7123等。最終將VGA線(xiàn)和顯示器的VGA口相連接，便可以通過(guò)顯示屏觀察結(jié)果。
硬件實(shí)物圖如圖2所示。
軟件部分采用Quartusii 9.1進(jìn)行Verilog語(yǔ)言的編寫(xiě)，并進(jìn)行時(shí)序仿真。進(jìn)行時(shí)序仿真的結(jié)果圖3所示。
4 結(jié)語(yǔ)
生活中存在多種色彩空間，它們各自具有不同的特點(diǎn)。但是在很多情況下我們又得在它們之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這無(wú)論對(duì)于科研研究還是消費(fèi)市場(chǎng)都是很有必要的。本篇論文是通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)的RGB色彩空間到Y(jié)CbCr色彩空間的轉(zhuǎn)換，采用的Alera公司的FPGA芯片EP2C8Q208C8N作為核心處理芯片，利用其內(nèi)部豐富的可編程邏輯資源實(shí)現(xiàn)空間的轉(zhuǎn)換，并采用Quartusii 9.1進(jìn)行軟件編程與仿真，驗(yàn)證了模塊的功能。
參考文獻(xiàn)
[1] 唐曉燕，賈鋒，韓磊.基于FPGA的視頻顏色空間轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)[J].電子與電腦，2006（8）：47-49.
[2] 吳康，劉耀元，胡民山.用FPGA實(shí)現(xiàn)色彩空間RGB到Y(jié)CbCr的轉(zhuǎn)換[J].南昌高專(zhuān)學(xué)報(bào)，2007，22（6）：140-142.
【關(guān)鍵詞】MP3；SOPC；Nios II；硬件實(shí)現(xiàn)
1.引言
MP3(MPEG Audio Layer3)是高品質(zhì)的音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，因其在音質(zhì)，復(fù)雜度與壓縮比的完美折中，占據(jù)著廣闊的市場(chǎng)，目前在便攜式設(shè)備領(lǐng)域深受人們喜愛(ài)。而隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展，MP3在各種場(chǎng)合的需求越來(lái)越多，同時(shí)針對(duì)MP3解碼器的設(shè)計(jì)也越來(lái)越多。其中主要有以下三種方式：①以專(zhuān)用MP3編解碼芯片為核心加上必要電路的VLSI實(shí)現(xiàn)；②DSP處理器加外部存儲(chǔ)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換等器件實(shí)現(xiàn)；③以低速核心處理器（CPU/RISC）與其他硬件加速模塊的SOPC設(shè)計(jì)加上器件實(shí)現(xiàn)。而第三種實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)于前兩種方式在功耗和性?xún)r(jià)比方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，本文是基于SOPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)MP3解碼器的設(shè)計(jì)，其中MP3文件數(shù)據(jù)用SD卡來(lái)存放[1]。
2.MP3解碼流程分析
MP3解碼流程如圖1所示，解碼的主要過(guò)程包括同步提取碼流(以幀為單位)哈夫曼解碼，比例因子解碼，反量化，重排列，立體聲處理，混疊重建，IMDCT變換，子帶綜合濾波合成，最后輸出原始的PCM數(shù)據(jù)。
在解碼過(guò)程中，耗時(shí)比較多的主要是IMDCT和子帶綜合濾波這兩部分。在編譯后它們占據(jù)著相當(dāng)多的硬件資源，功耗特高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)這兩個(gè)計(jì)算量大的算法IMDCT，子帶綜合濾波器做了硬件加速處理，來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。在IMDCT算法中有長(zhǎng)塊和短塊，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)塊輸入是18點(diǎn)而短塊輸入是6點(diǎn)，長(zhǎng)短塊輸入的值都是非2的n次方，所以可以采用Szu Wei Lee快速算法，此算法對(duì)輸入點(diǎn)數(shù)越大的運(yùn)算，其速度提升就越明顯。傳統(tǒng)的IMDCT算法，在計(jì)算長(zhǎng)塊時(shí)需要的是36*18次乘法和36*17的加法，采用Szu Wei Lee算法后，長(zhǎng)塊的計(jì)算只需要43次乘法和115次加法，程序的運(yùn)算速度顯著提高了。在設(shè)計(jì)子帶綜合濾波時(shí)，直接計(jì)算則需要執(zhí)行32*64次乘法和31*64次加法，兩聲道采樣率為44.1KHz，乘法運(yùn)算量為（44100/32）*(64*32+512)*2=7056000次/秒，而系統(tǒng)時(shí)鐘一般都采用的是50MHz，單個(gè)周期內(nèi)占著整個(gè)解碼時(shí)間的58.2%，嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)解碼的速率。所以可以根據(jù)余弦函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性，并結(jié)合Byeong Gi Lee快速DCT算法來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后子帶綜合濾波則只需要進(jìn)行384次乘法和376次加法，大大提升了運(yùn)算速度[2]。
3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
基于Nios II的嵌入式系統(tǒng)主要是由三部分組成：IP庫(kù)（NiosII軟核處理器，Avalon總線(xiàn)，設(shè)備接口等），GNUPro軟件編譯器，SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具。本文在硬件設(shè)計(jì)時(shí)使用Altera公司的Cyclone II FPGA芯片，型號(hào)為EP2C70F896C6，主要設(shè)備包括片外SDRAM存儲(chǔ)器、SD卡、音頻芯片WM8731、LCD等，其中FPGA芯片完成對(duì)各個(gè)硬件模塊和數(shù)據(jù)流的控制，片外存儲(chǔ)器存放程序數(shù)據(jù)和執(zhí)行代碼，SD卡存放MP3文件，音頻芯片將PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換輸出，LCD顯示系統(tǒng)狀態(tài)，IP核的復(fù)用是SOPC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
而FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)是以Quartus II為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Verilog語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)音頻控制，SD卡的讀寫(xiě)，液晶顯示驅(qū)動(dòng)等功能模塊的設(shè)計(jì)。用SOPC Builder配置并產(chǎn)生NiosII軟核處理器以及必要的外設(shè)，然后在再通過(guò)編譯，下載到FPGA的配置芯片中，形成硬件邏輯電路的連接，最后驗(yàn)證系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)MP3音頻文件的輸出。除了音頻模塊、SD卡控制模塊、LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊外其他模塊都可以通過(guò)SOPC Builder來(lái)添加IP核構(gòu)建。
至于MP3解碼算法中的子帶綜合濾波，IMDCT變換兩部分處理起來(lái)特耗時(shí)，針對(duì)這類(lèi)耗時(shí)問(wèn)題，可以采用軟硬件協(xié)同處理(軟件中耗時(shí)較多的部分進(jìn)行硬件加速后，往往會(huì)比原先軟件處理時(shí)的速度快上好幾倍。)來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法，在綜合時(shí)可以確定系統(tǒng)軟件和硬件之間的相互制約關(guān)系，從而保證系統(tǒng)的確定性，高效性。
4.SOPC片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
在FPGA中搭建SOPC系統(tǒng)時(shí)，需要用到如下圖3所示的軟核處理器和Avalon總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和外設(shè)接口等，其中，系統(tǒng)時(shí)鐘c0由外部晶振50MHz倍頻后得到的，c1為100MHz外設(shè)SDRAM時(shí)鐘，c2為音頻芯片提供的18.51MHz工作時(shí)鐘。timer用于系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間的產(chǎn)生，time_stamp用于記錄指令的運(yùn)行時(shí)間。片外SDRAM存儲(chǔ)芯片是作為程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)自定義了AUDIO模塊，該模塊主要用于與WM8731音頻芯片數(shù)字接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
5.實(shí)現(xiàn)結(jié)果
本文是基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)MP3解碼器的設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)功能改進(jìn)的靈活性，即不改變硬件平臺(tái)的情況下，可以隨便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行增刪和優(yōu)化，降低系統(tǒng)的成本，這是其他方案很難比擬的地方。而本設(shè)計(jì)是在在DE2-70開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的，硬件解碼系統(tǒng)采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，經(jīng)過(guò)RTL級(jí)仿真和驗(yàn)證后，在Cyclone II EP2C70F896C6器件內(nèi)資源占用率為8%，總的寄存器為3335個(gè)，系統(tǒng)頻率可達(dá)到72MHz，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。但還存在著一些地方不夠完善和有待改進(jìn)，這同時(shí)也是以后MP3播放器設(shè)計(jì)需要改進(jìn)和研究的重點(diǎn)：
(1)本設(shè)計(jì)功能比較簡(jiǎn)單，編譯后FPGA芯片資源占用的比較少，可進(jìn)一步增加其它功能，如圖像顯示。
(2)如何改進(jìn)更有效的算法，提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，降低功耗，以達(dá)到便攜式高性能、低功耗的要求，這是未來(lái)MP3設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1]毛麗萍.MP3音頻編解碼運(yùn)算中IMDCT算法研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)[D].[碩士學(xué)位論文].華東師范大學(xué),2007.
論文關(guān)鍵詞：視頻編碼,壓縮技術(shù)
一、引言
所謂視頻編碼方式就是指通過(guò)特定的壓縮技術(shù)，將某個(gè)視頻格式的文件轉(zhuǎn)換成另一種視頻格式文件的方式。視頻壓縮發(fā)展到現(xiàn)在己有幾十年的歷史。1948年，Oliver提出了第一個(gè)編碼理論脈沖編碼調(diào)制(PulseCodingModulation，簡(jiǎn)稱(chēng)PCM);同年，Shannon的經(jīng)典論文“通信的數(shù)學(xué)原理”首次提出了信息率失真函數(shù)的概念;1959年，Shannon進(jìn)一步確立了碼率失真理論;而B(niǎo)erger在1971年所著的《信息率失真理論》一書(shū)則對(duì)率失真理論做了系統(tǒng)地論述和擴(kuò)展;以上各項(xiàng)工作奠定了信息編碼的理論基礎(chǔ)。
二、AVS基本介紹
AVS是基于我國(guó)創(chuàng)新技術(shù)和部分公開(kāi)技術(shù)的自主標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)方案簡(jiǎn)潔，芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，達(dá)到了第二代標(biāo)準(zhǔn)的最高水平；而且，AVS通過(guò)簡(jiǎn)潔的一站式許可政策，是開(kāi)放式制訂的國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，易于推廣；此外，AVS是一套包含系統(tǒng)、視頻、音頻、媒體版權(quán)管理在內(nèi)的完整標(biāo)準(zhǔn)體系，為數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)提供更全面的解決方案。綜上所述，AVS可稱(chēng)第二代信源標(biāo)準(zhǔn)的上選。
圖1AVS視頻編碼器框圖
三、AVS主要技術(shù)
AVS采用的主要技術(shù)包括：8x8整數(shù)變換量化技術(shù)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)、半像素與1/4精度像素插值、特殊的幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、二維熵編碼、去塊效應(yīng)環(huán)內(nèi)濾波等：
1.整數(shù)變換量化：AVS為了避開(kāi)H.264的專(zhuān)利問(wèn)題，選擇了以往標(biāo)準(zhǔn)廣泛采用的8×8變換，這樣可以在16位處理器上無(wú)失配地實(shí)現(xiàn)。AVS采用的64級(jí)量化，可以完全適應(yīng)不同的應(yīng)用和業(yè)務(wù)對(duì)碼率和質(zhì)量的要求。目前AVS所采用的8x8變換與量化方案大大降低了芯片的實(shí)現(xiàn)難度。
2.幀內(nèi)預(yù)測(cè)：AVS采用的幀內(nèi)預(yù)測(cè)技術(shù)，是用相鄰塊的像素預(yù)測(cè)當(dāng)前塊，同時(shí)采用代表空間域紋理方向的多種預(yù)測(cè)模式。AVS亮度和色度幀內(nèi)預(yù)測(cè)都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預(yù)測(cè)模式，色度塊采用4種預(yù)測(cè)模式，而這4種模式中有3種和亮度塊的預(yù)測(cè)模式相同。在編碼質(zhì)量相當(dāng)?shù)那疤嵯拢珹VS采用較少的預(yù)測(cè)模式，使方案更加簡(jiǎn)潔、實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度大為降低。
3.幀間預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償：幀間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償編碼是混合編碼技術(shù)框架中最重要的部分之一。AVS標(biāo)準(zhǔn)采用了16×16，16×8，8×16和8×84種用于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)暮陦K模式，去除了MPEG-4AVC/H.264標(biāo)準(zhǔn)中的8×4，4×8，4×4的塊模式，這樣可以更好地刻畫(huà)物體運(yùn)動(dòng)，提高運(yùn)動(dòng)搜索的準(zhǔn)確性。
4.半像素與1/4精度像素插值：AVS通過(guò)4抽頭濾波器（-1，5，5，-1）得到半像素點(diǎn)，再通過(guò)4抽頭濾波器（1，7，7，1）和均值濾波器得到1/4像素點(diǎn)，在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點(diǎn)，減小了數(shù)據(jù)存取帶寬需求，這在高分辨率視頻壓縮應(yīng)用中是非常有意義的。
5.預(yù)測(cè)模式：AVS的B幀雙向預(yù)測(cè)使用了直接模式、對(duì)稱(chēng)模式和跳躍模式。使用對(duì)稱(chēng)模式時(shí)，碼流只需要傳送前向運(yùn)動(dòng)矢量，后向運(yùn)動(dòng)矢量可由前向運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出，從而節(jié)省后向運(yùn)動(dòng)矢量的編碼開(kāi)銷(xiāo)；對(duì)于直接模式，前塊的前、后向運(yùn)動(dòng)矢量都是由后向參考圖像相應(yīng)位置塊的運(yùn)動(dòng)矢量按比例分配導(dǎo)出，因此也可以節(jié)省運(yùn)動(dòng)矢量的編碼開(kāi)銷(xiāo)；跳躍模式的運(yùn)動(dòng)矢量導(dǎo)出方法和直接模式的相同，跳躍模式編碼塊都不編碼運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)臍埐睿膊粋魉瓦\(yùn)動(dòng)矢量，即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號(hào)則可。
6.二維熵編碼：AVS熵編碼采用自適應(yīng)變長(zhǎng)編碼技術(shù)。在AVS熵編碼過(guò)程中，定長(zhǎng)碼用來(lái)編碼具有均勻分布的語(yǔ)法元素，指數(shù)哥倫布碼用以編碼可變概率分布的語(yǔ)法元素。采用指數(shù)哥倫布碼的優(yōu)勢(shì)在于：一方面，它的硬件復(fù)雜度比較低，可以根據(jù)閉合公式解析碼字，無(wú)需查表；另一方面，它可以根據(jù)編碼元素的概率分布靈活確定k階指數(shù)哥倫布碼編碼，如果k選得恰當(dāng)，編碼效率可以逼近信息熵。預(yù)測(cè)殘差的塊變換系數(shù)后，經(jīng)掃描形成（level、run）對(duì)串，level、run不是獨(dú)立事件，而存在很強(qiáng)的相關(guān)性，在AVS中l(wèi)evel、run采用二維聯(lián)合編碼，并根據(jù)當(dāng)前l(fā)evel、run的不同概率分布趨勢(shì)，自適應(yīng)改變指數(shù)哥倫布碼的階數(shù)。
四、總結(jié)與展望
目前AVS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)清晰度、相當(dāng)清晰度、低清晰度等不同格式視頻的壓縮，但針對(duì)此類(lèi)應(yīng)用的壓縮效率還有待不斷提高，這應(yīng)當(dāng)是AVS視頻技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重點(diǎn)所在：著力AVS編解碼的實(shí)際應(yīng)用研究，優(yōu)化AVS運(yùn)動(dòng)搜索算法，提高AVS解碼速度，從而推動(dòng)我國(guó)數(shù)字音視頻標(biāo)準(zhǔn)AVS的推廣和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
1 陳亮 AVS先進(jìn)編碼技術(shù)研究 華中科技大學(xué) 2006
2 申青平 AVS-M關(guān)鍵技術(shù)及多平臺(tái)應(yīng)用研究 湘潭大學(xué) 2007
統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯在短時(shí)期能夠得以迅速發(fā)展，除了技術(shù)進(jìn)步外，很大一方面要?dú)w功于很多開(kāi)放源碼的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯工具，有些時(shí)候，正是因?yàn)檫@些開(kāi)放源碼的工具才使得某項(xiàng)技術(shù)被廣泛接受和使用。例如，20世紀(jì)90年代初IBM公司的Brown等人提出了5個(gè)模型來(lái)刻畫(huà)統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯，取得了不錯(cuò)的效果，但是在此之后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有被大家認(rèn)可和接受，原因是他們的模型非常復(fù)雜，難以理解和實(shí)現(xiàn)。直到1999年，開(kāi)源軟件包Egypt的出現(xiàn)，才使得IBM的模型被廣泛研究和使用。可以說(shuō)Brown等人的工作為現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯奠定了深厚的基礎(chǔ)，但其影響卻是通過(guò)開(kāi)源軟件才得以實(shí)現(xiàn)，由此可見(jiàn)開(kāi)源軟件對(duì)于統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯這樣一個(gè)復(fù)雜的研究課題的重要性。
1. 首個(gè)開(kāi)源統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯工具包Egypt
Egypt是在1999年約翰霍普金斯大學(xué)統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯夏季討論班上，由一些研究人員共同合作開(kāi)發(fā)的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯工具包。它包括4個(gè)模塊;
Whittle: 語(yǔ)料庫(kù)預(yù)處理模塊;
GIZA: 用于從句子對(duì)齊的雙語(yǔ)語(yǔ)料庫(kù)中訓(xùn)練詞語(yǔ)對(duì)齊;
Cairo: 詞語(yǔ)對(duì)齊的可視化工具;
Decoder: 解碼器，用來(lái)執(zhí)行具體的翻譯過(guò)程模塊，這一模塊沒(méi)有開(kāi)放源碼。
其中，用于訓(xùn)練詞語(yǔ)對(duì)齊的模塊GIZA現(xiàn)在仍然被廣泛使用，利用它能夠非常方便地從大規(guī)模的雙語(yǔ)文本中獲得統(tǒng)計(jì)知識(shí)。GIZA++是GIZA的改進(jìn)版，GIZA++實(shí)現(xiàn)了IBM公司提出的5個(gè)模型，其主要思想是利用EM算法對(duì)雙語(yǔ)語(yǔ)料庫(kù)進(jìn)行迭代訓(xùn)練，由句子對(duì)齊得到詞語(yǔ)對(duì)齊。GIZA是獨(dú)立于語(yǔ)言的，能夠?qū)θ魏蝺煞N語(yǔ)言進(jìn)行訓(xùn)練，這也是統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯的優(yōu)點(diǎn)之一。現(xiàn)在幾乎所有的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)都利用這一工具進(jìn)行詞語(yǔ)對(duì)齊的訓(xùn)練。
2.語(yǔ)言模型訓(xùn)練工具SRILM
SRILM是一個(gè)建立和使用統(tǒng)計(jì)語(yǔ)言模型的開(kāi)源工具包，從1995年開(kāi)始由SRI 口語(yǔ)技術(shù)與研究實(shí)驗(yàn)室（SRI Speech Technology and Research Laboratory）開(kāi)發(fā)，現(xiàn)在仍然不斷推出新版本，被廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別、機(jī)器翻譯等領(lǐng)域。這個(gè)工具包包含一組C++類(lèi)庫(kù)、一組進(jìn)行語(yǔ)言模型訓(xùn)練和應(yīng)用的可執(zhí)行程序等。利用它可以非常方便地訓(xùn)練和應(yīng)用語(yǔ)言模型。給定一組連續(xù)的詞，調(diào)用SRILM提供的接口，可以得到這組詞出現(xiàn)的概率。
3. 機(jī)器翻譯的自動(dòng)評(píng)測(cè)工具M(jìn)teval
在一些著名的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯國(guó)際評(píng)測(cè)中普遍使用自動(dòng)評(píng)測(cè)與人工評(píng)測(cè)相結(jié)合的方法，例如美國(guó)國(guó)家技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)研究所（NIST）舉行的評(píng)測(cè)。Mteval便是他們開(kāi)發(fā)的自動(dòng)評(píng)測(cè)工具，最新版本是mteval-11b.pl，是用Perl語(yǔ)言寫(xiě)成的。
4. 首個(gè)基于短語(yǔ)的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)“法老”（Pharaoh）
“法老”是較早公開(kāi)的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)，由美國(guó)南加州大學(xué)信息科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Information Science Institute）的菲利普•科恩（Philipp Koehn）在2004年做博士論文期間編寫(xiě)的。“法老”包括兩大部分: 訓(xùn)練和解碼。訓(xùn)練過(guò)程用來(lái)從語(yǔ)料庫(kù)中獲得統(tǒng)計(jì)知識(shí)。它利用了已有的開(kāi)源軟件GIZA++和SRILM，GIZA++用來(lái)訓(xùn)練詞語(yǔ)對(duì)齊，SRILM訓(xùn)練語(yǔ)言模型，但解碼沒(méi)有公開(kāi)源代碼。“法老”原理簡(jiǎn)單，易于使用，它的出現(xiàn)對(duì)于推動(dòng)機(jī)器翻譯研究起到了非常大的作用。
5. 中國(guó)首個(gè)開(kāi)源的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)絲路（SilkRoad）
“法老”的出現(xiàn)揭開(kāi)了統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯的神秘面紗，然而其核心部分――解碼器的源碼仍然沒(méi)有公開(kāi)。為此，中國(guó)的研究人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一個(gè)完全開(kāi)放源代碼的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)――“絲路”。該系統(tǒng)由中國(guó)的五家研究機(jī)構(gòu)和高校（中科院計(jì)算所、中科院自動(dòng)化所、中科院軟件所、廈門(mén)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)）聯(lián)合開(kāi)發(fā)，并在2006年中國(guó)第二屆統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯研討會(huì)上。“絲路”包括以下模塊: 語(yǔ)料預(yù)處理及后處理模塊“仙人掌”、詞語(yǔ)對(duì)齊模塊“樓蘭”、短語(yǔ)抽取模塊“胡楊”、以及三個(gè)解碼器（“駱駝”、“綠洲”和“商隊(duì)”）。這是第一次將一個(gè)完整的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)公開(kāi)，極大地促進(jìn)了國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯的快速發(fā)展。
6.摩西（Moses）
“摩西”是“法老”的升級(jí)版本，它增加了許多功能，是由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)等八家單位聯(lián)合開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于短語(yǔ)的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)。來(lái)自這些單位的研究人員于2006年在約翰霍普金斯大學(xué)召開(kāi)了一次研討會(huì)，利用6個(gè)星期的時(shí)間共同開(kāi)發(fā)了這一系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)用C++語(yǔ)言寫(xiě)成，從訓(xùn)練到解碼完全開(kāi)放源代碼，可以運(yùn)行在Windows平臺(tái)和Linux平臺(tái)。
7. 基于句法的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)GenPar
GenPar工具包實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于句法的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)。基于句法的方法將句法結(jié)構(gòu)信息引入到統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯中來(lái)，目前已成為統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是構(gòu)建基于句法的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯系統(tǒng)遠(yuǎn)比構(gòu)建基于短語(yǔ)的要困難得多，為了讓研究者們很快進(jìn)入這一領(lǐng)域，在JHU2005夏季研討會(huì)上，由紐約大學(xué)艾•丹•米拉姆德（I. Dan Melamed）等人組成的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯組開(kāi)發(fā)了GenPar。
GenPar的基本原理是利用多文本語(yǔ)法（Multi-Text Grammar）實(shí)現(xiàn)多語(yǔ)言的句法分析、結(jié)構(gòu)對(duì)齊和翻譯。多文本語(yǔ)法是一種多種語(yǔ)言的同步語(yǔ)法，理論上比較完善，功能強(qiáng)大。GenPar有很多特點(diǎn):首先，該系統(tǒng)是一個(gè)純粹基于句法的模型，在翻譯過(guò)程中充分利用了句法結(jié)構(gòu)信息; 其次，它具有很好的定制能力，可以實(shí)現(xiàn)各種不同類(lèi)型的基于同步語(yǔ)法的統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯，很適合于作為實(shí)驗(yàn)各種理論的研究平臺(tái)。總的來(lái)看，該系統(tǒng)功能比較強(qiáng)大，但由于其比較復(fù)雜，掌握起來(lái)比較困難，性能比現(xiàn)有的基于短語(yǔ)的模型稍差。（本文作者米海濤為中科院計(jì)算所博士研究生）
鏈接
統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯第一人與Google
在統(tǒng)計(jì)機(jī)器翻譯中有一位頗具傳奇色彩的人物，就是畢業(yè)于德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的博士生弗朗茨•約瑟夫•歐赫（Franz Joseph Och）。在1999年他開(kāi)發(fā)出了著名的IBM模型訓(xùn)練工具Giza。在2002年NIST評(píng)測(cè)中，取得第一名的亞琛工業(yè)大學(xué)的機(jī)器翻譯系統(tǒng)也是由他開(kāi)發(fā)的。2002年，歐赫從亞琛工業(yè)大學(xué)畢業(yè)后進(jìn)入美國(guó)南加州大學(xué)信息科學(xué)研究所(ISI/USC)工作，同時(shí)作為L(zhǎng)anguage Weaver公司的顧問(wèn)，后來(lái)于2004年加盟了谷歌（Google）公司。
他所工作的每一個(gè)單位都穩(wěn)拿當(dāng)年NIST機(jī)器翻譯評(píng)測(cè)的第一名。尤其是2005年的NIST評(píng)測(cè)中，他所在的谷歌公司開(kāi)發(fā)的漢英機(jī)器翻譯系統(tǒng)取得了0.35的BLEU值，比第二名的南加州大學(xué)(即他原來(lái)所在的單位)系統(tǒng)的性能提高了近5個(gè)百分點(diǎn)。在2006年評(píng)測(cè)中，除了漢英機(jī)器翻譯的受限語(yǔ)料項(xiàng)目，其他所有項(xiàng)目的第一名都是谷歌公司。
關(guān)鍵詞：H.264，運(yùn)動(dòng)估計(jì)，整像素預(yù)測(cè)
1、引言
H.264是一種高性能的視頻編解碼技術(shù), 它是ITU-T的VCEG（視頻編碼專(zhuān)家組）和ISO/IEC的MPEG（活動(dòng)圖像編碼專(zhuān)家組）的聯(lián)合視頻組（JVT：joint video team）開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它既是ITU-T的H.264，又是ISO/IEC的MPEG-4的第10 部分。論文寫(xiě)作，整像素預(yù)測(cè)。
作為新一代的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，它具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率和優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播、高清視頻、移動(dòng)播放器等多個(gè)領(lǐng)域。
H.264最大的優(yōu)勢(shì)是具有很高的數(shù)據(jù)壓縮比率，在同等圖像質(zhì)量的條件下，H.264的壓縮比是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5～2倍。論文寫(xiě)作，整像素預(yù)測(cè)。和MPEG-2和MPEG-4ASP等壓縮技術(shù)相比，H.264壓縮技術(shù)將大大節(jié)省用戶(hù)的下載時(shí)間和數(shù)據(jù)流量收費(fèi)。論文寫(xiě)作，整像素預(yù)測(cè)。尤其值得一提的是，H.264在具有高壓縮比的同時(shí)還擁有高質(zhì)量流暢的圖像。
在H.264的編碼芯片結(jié)構(gòu)中，相比幀內(nèi)，幀間(Inter Prediction)編碼的效率高，但是運(yùn)算復(fù)雜度也比較高。幀間編碼的核心運(yùn)算部分是“ME”(motion estimation)即運(yùn)動(dòng)估計(jì)，占用最多的邏輯與時(shí)鐘資源。幀間預(yù)測(cè)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)過(guò)程分為整像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)（IME）和分像素運(yùn)動(dòng)估計(jì)（FME），首先找到整像素的最佳MV，然后再進(jìn)行分像素的搜索。除了巨大的計(jì)算復(fù)雜度，編碼過(guò)程也很長(zhǎng)，包括預(yù)測(cè)，重構(gòu)和熵編碼。
2、運(yùn)動(dòng)估計(jì)運(yùn)算
H.264幀間預(yù)測(cè)是利用已編碼視頻幀/場(chǎng)和基于塊的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)念A(yù)測(cè)模式。由于引入了1/4像素精度、多種分割預(yù)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，在獲得更高壓縮率的同時(shí)，其算法復(fù)雜度也大大提高，使得幀間預(yù)測(cè)編碼耗時(shí)占到整個(gè)編碼計(jì)算時(shí)間的50%以上，若采用全軟件實(shí)現(xiàn)高清圖像的實(shí)時(shí)編解碼，明顯力不從心，這就要求使用高性能的硬件編解碼器來(lái)完成高清實(shí)時(shí)編解碼任務(wù)，這也是本人研究的主要內(nèi)容。
編碼宏塊(16x16象素)可以分割成不同大小的塊像數(shù)據(jù)，例如16x16、16x8、8x16、8x8、8x4、4x8、4x4等七種模式。而“ME”的再對(duì)各種宏塊分割方式下的每個(gè)塊象素進(jìn)行預(yù)測(cè)運(yùn)算，然后由后續(xù)模塊統(tǒng)計(jì)和比較出最優(yōu)的分割方式。
運(yùn)動(dòng)估計(jì)包括整像素預(yù)測(cè)（IME）和分像素預(yù)測(cè)（IME）兩部分，這兩部分是串行的。每一個(gè)宏塊，只有在IME 做完之后，找到最佳整像素MV，再進(jìn)行FME。
在進(jìn)行IME計(jì)算時(shí)，首先要計(jì)算MVP，對(duì)于一個(gè)塊象素，預(yù)測(cè)運(yùn)算就是在參考幀中搜索出最佳匹配(即兩者差異最小)的同尺寸塊象素作為當(dāng)前塊的參考區(qū)域。如果在整個(gè)參考幀的范圍下進(jìn)行全面的搜索，固然可以得到最為匹配的區(qū)域，但是復(fù)雜度太大。事實(shí)上，相鄰塊在參考幀中的匹配區(qū)域一般位置比較接近。綜合考慮算法復(fù)雜度，編碼效果，資源使用等方面，幀間預(yù)測(cè)做了如下處理：首先根據(jù)周邊塊的Mv值預(yù)測(cè)出當(dāng)前塊的Mv值，即Mvp，然后在Mvp所指參考幀中象素點(diǎn)周邊搜索最佳塊象素。
MVP的搜索過(guò)程如圖2所示，假定E為當(dāng)前的宏塊、宏塊分割或者亞宏塊分割，除了16x8和8x16，MVP為A、B、C的MV的中值；對(duì)于16x8分割，上面部分MVP由A預(yù)測(cè)，下面部分MVP由B預(yù)測(cè)；對(duì)于8x16分割，左面部分MVP由B預(yù)測(cè)，右面部分MVP由C預(yù)測(cè)。論文寫(xiě)作，整像素預(yù)測(cè)。以MVP作為搜索的起點(diǎn)。
圖2 MVP 計(jì)算
IME在進(jìn)行當(dāng)前宏塊MB（x）的MVP計(jì)算的時(shí)候，前面的宏塊MB（x-1）包含分像素的MV還未得到，這個(gè)時(shí)候我們無(wú)法得到準(zhǔn)確的A，所以我們此時(shí)以MB（x-1）的16x16分割搜索時(shí)所得到的整像素MV來(lái)代替A，并把據(jù)此計(jì)算得到的MVP作為搜索的起點(diǎn)。
3、IME模塊及功能
IME模塊的架構(gòu)如下圖所示
圖3 IME模塊架構(gòu)圖
IME的主要功能是：
（1）數(shù)據(jù)：把原始和參考YUV從inter_config模塊中取出，為PS和FME模塊準(zhǔn)備預(yù)測(cè)所需數(shù)據(jù)；
（2）控制：控制幀間預(yù)測(cè)的過(guò)程
IME的模塊劃分及各自功能：
Pipe_ctrl：不同分割間的搜索和選擇 將不同分割方式的順序搜索改為并行，用兩條水線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)加速 Pipe0：進(jìn)行P16x16，P8x16，P4x8 ；Pipe1：進(jìn)行P8x8，P16x8，P8x4，4x4由兩條共同完成（為了減少pipe0的等待時(shí)間，把pipe1的部分工作放到pipe0中）
MVp_ctrl：每種分割的具體搜索過(guò)程
（1）計(jì)算MVp值
（2）控制reg_ctrl模塊的數(shù)據(jù)存取
Reg_ctrl：為相連模塊準(zhǔn)備數(shù)據(jù)
（1）為整像素準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，傳輸給PS模塊；
（2）為分像素搜索準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，傳輸給FME模塊；
（3）為重構(gòu)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，傳輸給FME模塊
4、與IME模塊相關(guān)的主要功能模塊
圖3中與IME工作相關(guān)的有兩個(gè)主要的部分，一個(gè)是Inter_config 模塊，還有一個(gè)是PS模塊，它們?cè)谙到y(tǒng)中起著重要的作用。論文寫(xiě)作，整像素預(yù)測(cè)。
1. Inter_config模塊及功能描述
Inter_config模塊，即幀間數(shù)據(jù)調(diào)度模塊，其數(shù)據(jù)傳送如圖4所示，Inter_config模塊有兩部分功能：一是為IME服務(wù)，把IME所需的數(shù)據(jù)從DDR取到Sram；二是為L(zhǎng)oop Filter服務(wù)，把LoopFilter模塊的deblock運(yùn)算所需要的一部分?jǐn)?shù)據(jù)從DDR取到Sram以及將deblock運(yùn)算后的宏塊數(shù)據(jù)存入DDR。
圖4 Inter_config模塊數(shù)據(jù)傳送
Inter_config模塊與IME有關(guān)的工作包括：
1）取原始YUV數(shù)據(jù)，Luma部分直接拉給IME_Reg_o，Chroma部分存入Sram0。
2）為IME準(zhǔn)備計(jì)算所需的9個(gè)宏塊的Luma數(shù)據(jù)，并存入Sram0和Sram1。
3）將這9個(gè)宏塊的Chroma數(shù)據(jù)準(zhǔn)備到Sram1中，用于Chroma資料拼接之用。
4）接收到IME_ChromaStart_i信號(hào)有效后，開(kāi)始FME運(yùn)算所需Chroma數(shù)據(jù)的相關(guān)準(zhǔn)備工作。包括：①?gòu)腟ram0中取Chroma的原始YUV送給IME；②從Sram0中取Chroma3x3Mb數(shù)據(jù)并進(jìn)行拼接（將每個(gè)block對(duì)應(yīng)的2x2像素，向右向下擴(kuò)展，變成3x3像素）后送給IME。論文寫(xiě)作，整像素預(yù)測(cè)。
5）把最后一行的5個(gè)mv（當(dāng)前Mb最后一行的block的4個(gè)mv及右側(cè)相鄰的1個(gè)mv）存入Sram0，作為下一宏塊行進(jìn)行Mvp預(yù)測(cè)所需數(shù)據(jù)。
2. PS模塊功能描述
PS模塊，即預(yù)測(cè)選擇模塊，本模塊主要用于選擇當(dāng)前編碼宏塊的最佳預(yù)測(cè)方式，幀內(nèi)預(yù)測(cè)還是幀間預(yù)測(cè)；若是幀間預(yù)測(cè)還需給出宏塊的最佳分割以及分割的最佳MV，除此之外，還需求殘差值，用于后面的重建。其主要功能如下：
1）接收IME模塊的整像素亮度值，以進(jìn)行整像素搜索，找出最佳的整像素MV；
2）將兩套流水線(xiàn)所得出的cost進(jìn)行比較，選出最佳partition；
3）接收inter_ctrl模塊中IME模塊的亞像素亮度值，以進(jìn)行亞像素搜索，找出最佳的亞像素MV以及cost，并與最佳的整像素MV的cost相比較，選擇最佳的MV；
4）將選出的最佳的cost與intra_ctrl中的最佳的cost，比較得出最佳的預(yù)測(cè)方式，幀間還是幀內(nèi)；
5）若選出的是幀內(nèi)，則結(jié)束當(dāng)前宏塊的幀間操作，準(zhǔn)備下一個(gè)宏塊的幀間操作；若選出的是幀間，則接收IME或FME的亮度和色度值，進(jìn)行求殘差操作，送給DCT以備后面重建。
5、總結(jié)及展望
本文對(duì)幀間編碼中IME運(yùn)算所需數(shù)據(jù)進(jìn)行探討和分析，并提出一套架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，時(shí)序和資源使用都比較優(yōu)化。設(shè)計(jì)方案在空間上具有較高的并行度，處理能力高，非常適合實(shí)現(xiàn)高清視頻編碼。目前市場(chǎng)上對(duì)于H.264的研究開(kāi)發(fā)一般都是基于PC或者DSP解決，很少有基于硬件實(shí)現(xiàn)的開(kāi)發(fā)，功能上還不足以實(shí)現(xiàn)高清實(shí)時(shí)信號(hào)的編碼和解碼。本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)幀間預(yù)測(cè)的關(guān)鍵部分，在后續(xù)的研究中如果能使用H.264標(biāo)準(zhǔn)在幀間預(yù)測(cè)所帶來(lái)的高壓縮率，如果能將其帶來(lái)的復(fù)雜度的增加限制在可容忍的范圍內(nèi)，支持幀間預(yù)測(cè)的高清實(shí)時(shí)視頻編解碼的芯片實(shí)現(xiàn)是非常有意義的，應(yīng)用前景很廣闊。
參考文獻(xiàn)
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論文關(guān)鍵詞：RFID，醫(yī)藥品，物流，信息系統(tǒng)
引言
近些年來(lái)，頻頻出現(xiàn)的醫(yī)藥品安全事故使公眾對(duì)醫(yī)藥品生產(chǎn)工藝和用藥安全產(chǎn)生了不同程度的質(zhì)疑。部分事故就是由于現(xiàn)在醫(yī)藥品物流系統(tǒng)的不完善所導(dǎo)致的。為此，商務(wù)部將出臺(tái)《醫(yī)藥物流企業(yè)分級(jí)評(píng)估指標(biāo)》、《醫(yī)藥物流服務(wù)規(guī)范》、《藥品零售企業(yè)經(jīng)營(yíng)服務(wù)規(guī)范》和《藥品現(xiàn)代物流企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》等針對(duì)醫(yī)藥物流企業(yè)的一系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。可見(jiàn)，改善醫(yī)藥品物流信息系統(tǒng)，提高其服務(wù)水平，增強(qiáng)醫(yī)藥品監(jiān)管、維護(hù)正常的藥品市場(chǎng)秩序，成為當(dāng)務(wù)之急。
1 RFID的基本概念
Radio Frequency Identification（RFID）即無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別，是利用電磁感應(yīng)、無(wú)線(xiàn)電波或者是微波等信號(hào)通過(guò)空間耦合進(jìn)行非接觸式的雙向通信信息系統(tǒng)，通過(guò)這種形式的數(shù)據(jù)交換從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)的一種技術(shù)，俗稱(chēng)電子標(biāo)簽。[1]
由于具有可非接觸式數(shù)據(jù)交換、有效讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)、讀寫(xiě)速度快、可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)的物品、數(shù)據(jù)記憶容量大、安全保密性高、讀寫(xiě)穿透力強(qiáng)、可重復(fù)使用、耐惡劣環(huán)境能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此RFID主要用于軍事、航空、交通、物流、制造、汽車(chē)、零售、醫(yī)療、動(dòng)物、食品、票證、服裝、圖書(shū)、煤礦、防偽等廣泛領(lǐng)域中的自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)采集。
RFID的初次使用可追溯到上世紀(jì)六十年代電子商品防盜系統(tǒng)（Electronic Article Surveillance，EAS）中的比特電子標(biāo)簽。從七十年代開(kāi)始，RFID技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)入到快速發(fā)展的時(shí)期，如RFID技術(shù)逐漸融入到動(dòng)物追蹤識(shí)別系統(tǒng)以及電子車(chē)牌系統(tǒng)。RFID技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)入到商業(yè)應(yīng)用階段是從八十年代開(kāi)始，此后各種規(guī)模的RFID系統(tǒng)開(kāi)始出現(xiàn)，RFID技術(shù)及產(chǎn)品逐漸成為人們生活的一部分，RFID技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題也日趨得到重視論文服務(wù)。自本世紀(jì)初開(kāi)始，RFID技術(shù)開(kāi)始向物流與供應(yīng)鏈領(lǐng)域滲透。[8]
一個(gè)完整的RFID系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由RFID數(shù)據(jù)采集器、中間件或接口、應(yīng)用系統(tǒng)軟件以及信息管理平臺(tái)構(gòu)成；其中數(shù)據(jù)采集器內(nèi)包含標(biāo)簽、芯片、閱讀器以及天線(xiàn)，這其中的芯片主要用于數(shù)據(jù)交換時(shí)的儲(chǔ)存。正是由于芯片的這一獨(dú)特之處，使得RFID與傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)有所區(qū)別。[9]
整個(gè)RFID系統(tǒng)的工作原理如圖1所示：RFID系統(tǒng)工作時(shí)必須有個(gè)前提，就是要處于一定的有效磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)。帶有信息的電子標(biāo)簽進(jìn)入到有效磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)閱讀器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出一定頻率的射頻查詢(xún)信號(hào)，這時(shí)電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流獲得的能量而被激活，將存儲(chǔ)在芯片的信息經(jīng)自身解碼后通過(guò)內(nèi)置天線(xiàn)發(fā)送出去。閱讀器的接收天線(xiàn)接收到信號(hào)后，傳送給到閱讀器。接下來(lái)信息系統(tǒng)，閱讀器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼，解碼后的信息通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)軟件最終輸送到信息管理平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)處理和控制。[2]
圖1 RFID系統(tǒng)工作原理圖
2 醫(yī)藥品物流系統(tǒng)分析
醫(yī)藥品物流是在依托一定的物流設(shè)備、技術(shù)和物流管理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有效整合營(yíng)銷(xiāo)渠道上下游資源，優(yōu)化醫(yī)藥品供、銷(xiāo)、配、運(yùn)等環(huán)節(jié)中的驗(yàn)收、存儲(chǔ)、分揀、配送等作業(yè)過(guò)程，通過(guò)自動(dòng)化、信息化和效益化等技術(shù)的應(yīng)用，從而提高訂單處理能力，減少貨物分揀差錯(cuò)，降低庫(kù)存及縮短配送時(shí)間，進(jìn)一步降低
物流成本，提高物流服務(wù)水平和資金使用效益。典型的醫(yī)藥品物流過(guò)程如圖2所示：[3]
圖2 醫(yī)藥品物流過(guò)程
2009年，國(guó)務(wù)院出臺(tái)了《物流業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》，醫(yī)藥品物流的發(fā)展是其中的主要任務(wù)之一。由于醫(yī)藥品自身的一些特性，醫(yī)藥品物流系統(tǒng)相比較于其他物流系統(tǒng)而言，對(duì)于逆向物流的管理更為重要。
2.1醫(yī)藥品物流復(fù)雜性高
醫(yī)藥品行業(yè)是一個(gè)集高投入、高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)與高回報(bào)等特點(diǎn)于一身的行業(yè)。醫(yī)藥品物流最大的特點(diǎn)就是分類(lèi)復(fù)雜、品種繁多。醫(yī)藥品行業(yè)分類(lèi)如表1所示：
表1 醫(yī)藥品行業(yè)分類(lèi)
序號(hào)
標(biāo)志值
類(lèi)型
1.
按照自身性質(zhì)分
化學(xué)原料藥、化學(xué)藥品、醫(yī)療器械、化學(xué)試劑以及保健品等
2
按照來(lái)源和性狀
中藥材、中藥飲片、中成藥，化學(xué)原料藥及其制劑、抗生素類(lèi)、生化藥品、血清疫苗、血液制品，放射性藥品等
3
按照溫度分
常溫品種、低溫品種、冷凍品種等
4
按中國(guó)藥品管理制度分
處方藥和非處方藥
5
編解碼技術(shù)。多媒體通信的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是要傳輸?shù)男畔⒘糠浅４螅绕涫且曨l數(shù)據(jù)，其編解碼技術(shù)在較大程度上影響著業(yè)務(wù)的質(zhì)量。IPTV采用了先進(jìn)高效的視頻壓縮編碼技術(shù)，使得視頻流在800Kb/s的有限帶寬上接近DVD（MPEG2）的視覺(jué)效果（DVD的視頻傳輸帶寬通常為3Mb/s）。目前主要編解碼技術(shù)是MPEG4、H.264與AVS三種。MPEG系列是重要的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，所有的視頻編碼技術(shù)都參照了MPEG技術(shù)。H.264是新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264的壓縮率是MPEG-2的2倍以上，是MPEG-4的1.5至2倍，這樣超高的壓縮率是以犧牲編碼運(yùn)算量為代價(jià)的，但其解碼的運(yùn)算量漲幅較小，比較容易實(shí)現(xiàn)用戶(hù)接收播放。AVS是中國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)音視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是高清晰度數(shù)字電視、寬帶網(wǎng)絡(luò)流媒體、移動(dòng)多媒體通信、激光視盤(pán)等數(shù)字音視頻產(chǎn)業(yè)群的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。
流媒體傳送技術(shù)。對(duì)于傳送IPTV音視頻數(shù)據(jù)流而言，流媒體傳送技術(shù)極其重要，先進(jìn)的技術(shù)可以節(jié)約系統(tǒng)帶寬、減輕系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、優(yōu)化系統(tǒng)。流媒體傳送系統(tǒng)主要設(shè)備是中心/邊緣流媒體服務(wù)器與存儲(chǔ)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)。流媒體服務(wù)器具有較高的穩(wěn)定性，支持多個(gè)并發(fā)流和直播流的需求，而存儲(chǔ)分發(fā)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)服務(wù)器組成，通過(guò)負(fù)載均衡（如CDN）來(lái)大規(guī)模組網(wǎng)。CDN網(wǎng)絡(luò)除了提高用戶(hù)響應(yīng)速度之外，還有一個(gè)更為重要的作用，就是減輕巨大的數(shù)據(jù)流量對(duì)骨干網(wǎng)的壓力。
數(shù)字版權(quán)管理（Digital Rights Management，DRM）。它是保護(hù)多媒體內(nèi)容免受未經(jīng)授權(quán)的播放和復(fù)制的一種方法，為內(nèi)容提供者提供視頻、音樂(lè)、彩鈴、論文、圖片等數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)免受非法復(fù)制和使用保護(hù)的一種手段。數(shù)字多媒體內(nèi)容是IPTV中最為關(guān)鍵的節(jié)目來(lái)源。有了DRM技術(shù)，可使各個(gè)平臺(tái)(無(wú)論是因特網(wǎng)、流媒體還是交互數(shù)字電視)的內(nèi)容提供商們放心地提供更多的內(nèi)容，采取更靈活的節(jié)目銷(xiāo)售方式，同時(shí)有效地保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
IP機(jī)頂盒技術(shù)。IPTV系統(tǒng)的接收端包括計(jì)算機(jī)、電視機(jī)與手機(jī)。由于電視機(jī)本身并沒(méi)有存儲(chǔ)功能，不支持軟件安裝，也無(wú)法像手機(jī)那樣加裝流媒體支持功能，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)IP的支持功能，必須加裝一個(gè)IP數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成電視機(jī)可以接收的信號(hào)的機(jī)頂盒才能收看IPTV節(jié)目。機(jī)頂盒應(yīng)具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、接入支持、協(xié)議支持、業(yè)務(wù)支持、解碼支持等功能。
在廣電系統(tǒng)數(shù)字電視平移模式中，杭州模式對(duì)IPTV技術(shù)的應(yīng)用最為成功。杭州數(shù)字電視模式實(shí)質(zhì)上就是用以太網(wǎng)接入，只是最后一段線(xiàn)路即樓道交換機(jī)到戶(hù)內(nèi)終端使用的是同軸電纜，它成功地將IPTV技術(shù)和廣電的數(shù)字電視進(jìn)行了結(jié)合。現(xiàn)在，其他省市的廣電系統(tǒng)已經(jīng)在以杭州模式為示范建設(shè)自己的廣電網(wǎng)絡(luò)。江西省的情況和杭州的實(shí)際情況有差別，不具有發(fā)展IPTV業(yè)務(wù)的優(yōu)勢(shì)平臺(tái)，所以我們不能停留于模仿層面，而應(yīng)該在總結(jié)先行者的經(jīng)驗(yàn)中，尋找更好的在廣電網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)用IPTV技術(shù)的方法。
一、數(shù)字電視平移是廣電網(wǎng)絡(luò)追求效益的增長(zhǎng)點(diǎn)。IPTV能夠提供多種形式的內(nèi)容服務(wù)，傳輸電視節(jié)目只是其功能應(yīng)用的一部分，它還可以提供其他的電視類(lèi)業(yè)務(wù)、通信類(lèi)業(yè)務(wù)和各種增值業(yè)務(wù)，滿(mǎn)足我們的各種需求。
二、增加多種形式的內(nèi)容服務(wù)要求更寬的帶寬來(lái)進(jìn)行傳輸，IPTV采用的編碼和壓縮技術(shù)是最新的高效視頻壓縮技術(shù)，它壓縮了數(shù)據(jù)，節(jié)約了帶寬。同時(shí)IPTV可以在傳輸?shù)倪^(guò)程中把視頻內(nèi)容按IP協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)包，能根據(jù)用戶(hù)不同的需要，靈活解決網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯?wèn)題。如果用戶(hù)的頻帶寬，就可以壓縮率低一些，傳的包多一些，質(zhì)量好一點(diǎn)；如果用戶(hù)對(duì)節(jié)目的清晰度沒(méi)有太高的要求，可以采用壓縮率高一些，傳的包少一些。這也解決了江西省現(xiàn)有SDH網(wǎng)絡(luò)帶寬不足、無(wú)法繼續(xù)添加業(yè)務(wù)的問(wèn)題。
三、真正實(shí)現(xiàn)互動(dòng)是IPTV最重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。IPTV不僅能滿(mǎn)足受眾觀看節(jié)目的個(gè)性化需求，而且能讓受眾參與到電視節(jié)目中來(lái)，與電視臺(tái)一起完成節(jié)目。
