發布時間：2023-03-21 17:08:29
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了8篇的解碼技術論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。
關鍵詞：嵌入式系統；SOPC；MP3播放器
中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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，嵌入式系統進入全面應用的階段，己經成為通信和消費類產品的共同發展方向。在硬件方面，市場上不僅有各大公司生產的各種微處理器芯片，還有用于學習和進行研發的各種配套的軟件開發包和開發工具。SOPC具有系統集成度高、體積小、功耗低、結構簡潔、可靠性高、開發快速等特點，很好的滿足了的嵌入式系統在硬件上的需求。SOPC技術的目標是試圖將盡可能大而完整的電子系統，包括嵌入式處理器系統、接口系統、硬件協處理器或加速器系統、存儲電路、DSP系統、數字通信系統、以及普通數字系統等，在單一FPGA中實現，使得所設計的電路系統在其規模、可靠性、體積、功耗、功能、性能指標、上市周期、開發成本、產品維護及其硬件升級等多方面實現最優化。
二、系統總體設計
設計一個具有基本功能的MP3播放器需要有時鐘電路、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動電路、DMA控制器、音頻驅動及音頻控制電路、定時器等模塊，如圖1所示。
圖1：MP3播放器系統結構圖
除顯示驅動模塊、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核構建。
其中顯示驅動模塊可以在altera提供的VGA控制器的基礎上添加CLK和BLANK信號完成；SD卡控制模塊只需要定義幾個GPIO端口就可以了，不需要單獨設計。
三、音頻播放模塊
采用的MagicSOPC實驗開發平臺配有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據通過AC-Link總線發送到UCB1400的DAC輸入端口實現音樂的播放，以及由AC-Link總線接收UCB1400采集的音頻編碼數據。本設計采用verilog語言來設計如下各個功能模塊。
（一）UCB1400寄存器訪問控制
音頻播放時主控制器（CPU）需要經常讀/寫UCB1400中相關的寄存器，因為采用AC-Link串行總線傳輸數據，時序變得非常重要，所以定義了訪問控制模塊。要訪問UCB1400時，該模塊向UCB1400發送請求信號；當一次讀取完成，數據準備好時，該模塊向CPU發送反饋信號。
（二）UCB1400掉電模式控制
UCB1400可以將暫時不用的模塊關閉以節約功率，向UCB1400的Power-down Control/status Register（0x26）寫入相應的數值可以控制UCB1400中各個模塊的開啟和關閉。所以設計掉電模式控制模塊，該模塊負責監視UCB1400各模塊的狀態并將此信息反饋給主控制器。
（三）串行輸入/輸出寄存器
FPGA內部數據為并行傳輸，而與UCB1400間則功過AC_Link總線串行傳輸，所以應設計串并轉換模塊。
（四）輸入/輸出FIFO
為保證音樂播放的流暢，應為每個聲道配置一定容量的FIFO用來保存已接收到和即將傳輸的數據。
設計完成后的AC97_Controller結構框圖如圖2所示：
圖2：AC97_Controller結構圖
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、單聲道麥克風輸入支持、DMA傳送方式支持。
四、系統軟件設計
將基于NiosⅡ的SOPC系統進行編譯并下載到FPGA中生成硬件系統的同時，SOPC Builder幫助用戶生成相應的SOF文件。在此基礎上，可開始系統軟件的設計。可使用匯編、C、C++來進行嵌入式程序設計，使用IDE工具進行程序的編譯連接以及調試。MP3播放器的軟件系統結構如圖3所示：
圖3MP3播放器軟件系統結構
五、結語
本系統采用SOPC技術在一片FPGA和少數外設上實現了MP3播放器的基本功能。在50MHz的系統時鐘下實現了MPEG-Ⅰ layer-Ⅲ解碼，流暢播放MP3格式的音頻文件。
SOPC方案的優勢在于系統功能改進的靈活性，在不改變硬件平臺的情況下，可以方便對系統進行增刪和優化，這是傳統ARM方案無法達到的。
參考文獻：
[1]曾璇.基于NiosⅡ軟核處理器的嵌入式PMP系統設計[D].北京交通大學碩士學位論文,2008,5
關鍵詞:全彩LED顯示屏;發送卡;存儲體;實時傳輸
中圖分類號:TN949.199文獻標識碼: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顯示屏的應用越來越廣泛,人們對LED顯示屏控制系統的要求越來越高,這也促使LED顯示屏控制系統的不斷升級和改造,主要體現在提高性能和節約成本上。LED顯示屏控制系統的組成一般有如下幾個部分[1-3]:視頻發送裝置、視頻接收分配裝置、LED面板。顯然,作為前端的視頻發送裝置在整個環節中起著舉足輕重的作用。
1LED顯示屏發送卡的現狀
LED顯示屏發送卡一般由DVI模塊、FPGA控制器、外存儲體模塊和網絡輸出模塊構成[4],FPGA將輸入的圖像數據交替寫入外存儲體,同時也從外存儲體中交替讀出圖像數據,再通過網絡格式依次將數據輸出,原理框圖如圖1所示。
通常,控制LED顯示屏的計算機的分辨率設置為1,024×768@60Hz或者1,280×1,024@60Hz。對于1,280×1,024@60Hz的實時視頻源,總的數據量為:
1,280×1,024×60×24=1,887,436,800 bit;
其中一幀的數據量為:1,280×1,024×24=31,457,280 bit。
考慮到分辨率為1,280×1,024@60Hz時的像素時鐘為108MHz,并且整個實現過程需要2倍的存儲空間進行乒乓操作,故通常采用兩片32位寬的SDRAM作為外接存儲體。
帶有外接存儲體的發送卡具有緩存一幀數據的能力,并將輸出與輸入隔離開,有利于從全屏的數據中按照不同需求截取所需數據進行處理。
但同時,滯后一幀數據也是實時傳輸中的一個缺點,尤其是在需要嚴格實時傳輸的場合。另外,增加兩片SDRAM也給設計增加了成本。
2無外接存儲體發送卡的實現
2.1基本框圖
在現有LED顯示屏發送卡的基礎上,這里設計了一種無外接存儲體的LED顯示屏發送卡,如圖2所示,該發送卡由DVI模塊、FPGA控制器、兩路千兆網輸出模塊構成。DVI解碼芯片將解碼得到的數據和控制信號傳給FPGA控制器,FPGA通過內部的RAM進行緩存,并做了更換時鐘域和位寬變換的操作,然后將處理后的數據通過千兆網輸出。
對1,280×1,024@60Hz的實時視頻源,這里采用垂直分區的方法,即將滿屏數據平均分成兩路千兆網輸出,每一路千兆傳輸640×1,024,如圖3所示。
2.2實現方法
由圖2的基本框圖看出,該發送卡的設計除了搭建好硬件平臺外,最重要的是FPGA控制器內部程序的設計。無外接存儲體發送卡的FPGA控制器內部原理框圖如圖4所示。
FPGA控制器的內部邏輯包括數據輸入模塊、雙口RAM及其控制模塊、24bit轉8bit模塊、千兆網輸出模塊。數據輸入模塊將輸入的DVI信號(包括數據、時鐘、使能、行場同步信號)分配給后端的RAM和RAM控制模塊,并控制著整個系統的同步;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個狀態的控制;從RAM輸出的數據經過并串轉換后傳輸給千兆網輸出模塊,千兆網輸出模塊則按照一定的網絡格式將接收到的數據進行打包輸出[5-7]。
圖3提到的將數據分區發送,該方法能夠將滿屏數據平均分成兩路千兆網輸出。以下就以垂直分區的方法分析其數據流向、時鐘變化和傳輸時間差。
對于一路千兆網數據而言,采用1個雙口RAM設計,RAM的深度設置為640,輸入和輸出字長均設置為24bit,讀寫時鐘和使能分別獨立,如圖5所示。
其中,數據輸入和寫時鐘分別為DVI解碼芯片解碼后的24bit圖像數據DVI_DATA[23:0]和時鐘WRAM_CLK,讀RAM的時鐘為千兆網時鐘RMII_CLK(125M)三分頻后得到的時鐘RRAM_CLK(41.66MHz),這樣,后端再通過一個24bit轉8bit模塊即可將數據進行實時傳輸。
如圖6所示,通過RRAM_CLK(41.66MHz)時鐘從RAM中讀出一個像素的數據,然后再通過3個RMII_CLK(125M)傳輸給千兆網,即做了一個實時的并串轉化。如此流水操作下去,當從RAM中讀完640個像素時,千兆網控制模塊將停止讀RAM操作,等待下一行數據的到來。當DVI解碼后的下一行數據一旦往RAM中存儲的時候(至少已經往其中存儲了1個像素),千兆網控制模塊又開始從RAM中讀取數據,如此循環,直到第1,024行數據的640個像素數據被傳輸完。
在這里,實時傳輸具有如下特點:(1)往RAM中存數據和從RAM中取數據同時進行;(2)存RAM的速度快,讀RAM的速度慢;(3)對寫RAM操作,先把規定的數據存完,用時為t1,然后進入等待階段t2(t = t1 + t2為行周期);對讀RAM操作,把存好數通過t3的時間傳輸出去,必須滿足t3 < t。
標準的1,280×1,024@60Hz的行時鐘為64KHz,周期為t=15.625μs;而從RAM中讀完半行像素(640個)數據的時間是:t3=(1/41.66MHz)×640=15.36μs。
顯然,在一個行周期里,只往外傳出半行的數據,傳輸時間差t-t3=265ns>0,且該時間差滿足千兆網傳輸所必需數據包間隔。
由于寫RAM的時鐘(108MHz)比讀RAM的時鐘(41.66MHz)快得多,所以在寫RAM的同時可以對RAM進行讀操作(至少已經往RAM存儲了1個像素),邊寫邊讀,實現了視頻數據的實時傳輸。
同理,另外一路的千兆網設計與此雷同。
3 結論
本文簡單分析了LED顯示屏發送卡的現狀,著重討論了無外接存儲體發送卡的系統構成及實現方法。該系統具有實時傳輸、節約成本的優勢,能夠在常用的視頻格式下,比如1,024×768@60Hz、1,280×1,024@60Hz,通過兩路千兆網口將整個視頻圖像實時無損的傳輸出去。
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由於在現今資訊流通普遍的社會中，影像的需求量越來越大，影像的數位化是必然的趨勢。然而在數位化過的影像所占的資料量又相當龐大，在傳輸與處理上皆有所不便。將資料壓縮是最好的方法。如今有一新的模式，在壓縮率及還原度皆有不錯的表現，為其尚未有一標準的格式，故在應用上尚未普及。但在不久的未來，其潛力不可限量。而影像之於印刷有密不可分的關系。故以此篇文章介紹小波（WAVELET）轉換的歷史淵源。小波轉換的基礎原理。現今的發展對印刷業界的沖擊。影像壓縮的未來的發展。
壹、前言
由於科技日新月異，印刷已由傳統印刷走向數位印刷。在數位化的過程中，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、處理上都相當的費時，現今個人擁有TrueColor的視訊卡、24-bit的全彩印表機與掃描器已不再是天方夜譚了，而使用者對影像圖形的要求，不僅要色彩繁多、真實自然，更要搭配多媒體或動畫。但是相對的高畫質視覺享受，所要付出的代價是大量的儲存空間，使用者往往只能眼睜睜地看著體積龐大的圖檔占掉硬碟、磁帶和光碟片的空間；美麗的圖檔在親朋好友之間互通有無，是天經地義的事，但是用網路傳個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？如此報業在傳版時也可更快速。所以一種好的壓縮格式是不可或缺的，可以使影像所占的記憶體更小、更容易處理。但是目前市場上所用的壓縮模式，在壓縮的比率上并不理想，失去壓縮的意義。不然就是壓縮比例過大而造成影像失真，即使數學家與資訊理論學者日以繼夜，卯盡全力地為lossless編碼法找出更快速、更精彩的演算法，都無可避免一個尷尬的事實：壓縮率還是不夠好。再說用來印刷的話就造成影像模糊不清，或是影像出現鋸齒狀的現象。皆會造成印刷輸出的問題。影像壓縮技術是否真的窮途末路？請相信人類解決難題的潛力是無限的。既然舊有編碼法不夠管用，山不轉路轉，科學家便將注意力移轉到WAVELET轉換法，結果不但發現了滿意的解答，還開拓出一條光明的坦途。小波分析是近幾年來才發展出來的數學理論。小波分析，無論是作為數學理論的連續小波變換，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）分析的重要發展，他保留了傅氏理論的優點，又能克服其不足之處。可達到完全不失真，壓縮的比率也令人可以接受。由於其數學理論早在1960年代中葉就有人提出了，而到現在才有人將其應用於實際上，其理論仍有相當大的發展空間，而其實際運用也屬剛起步，其後續發展可說是不可限量。故研究的動機便由此而生。
貳、WAVELET的歷史起源
WAVELET源起於JosephFourier的熱力學公式。傅利葉方程式在十九世紀初期由JosephFourier(1768-1830)所提出，為現代信號分析奠定了基礎。在十九到二十世紀的基礎數學研究領域也占了極重要的地位。Fourier提出了任一方程式，甚至是畫出不連續圖形的方程式，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展出來的數學理論為傅利葉方程式的延伸。
小波分析方法的提出可追溯到1910年Haar提出的小波規范正交基。其後1984年，法國地球物理學J.Morlet在分析地震波的局部性質時，發現傳統的傅利葉轉換，難以達到其要求，因此引進小波概念於信號分析中，對信號進行分解。隨後理論物理學家A.Grossman對Morlet的這種信號根據一個確定函數的伸縮，平移系{a-1/2Ψ[(x-b)/a]；a,b?R,a≠0}展開的可行性進行了研究，為小波分析的形成開了先河。
1986年，Y.Meyer建構出具有一定衰減性的光滑函數Ψj,k(x)，其二進制伸縮與平移系{Ψj,k(x)=√2jΨ(2jx-k)；j,k?Z}構成L2（R）的規范正交基。1987年，Mallat巧妙的將多分辨分析的思想引入到小波分析中，建構了小波函數的構造及信號按小波轉換的分解及重構。1988年Daubechies建構了具有正交性（Orthonormal）及緊支集（CompactlySupported）；及只有在一有限區域中是非零的小波，如此，小波分析的系統理論得到了初步建立。
三、WAVELET影像壓縮簡介及基礎理論介紹
一、WAVELET的壓縮概念
WAVELET架在三個主要的基礎理論之上，分別是階層式邊碼(pyramidcoding)、濾波器組理論(filterbanktheory)、以及次旁帶編碼(subbandcoding)，可以說wavelettransform統合了此三項技術。小波轉換能將各種交織在一起的不同頻率組成的信號，分解成不相同頻率的信號，因此能有效的應用於編碼、解碼、檢測邊緣、壓縮數據，及將非線性問題線性化。良好的分析局部的時間區域與頻率區域的信號，彌補傅利葉轉換中的缺失，也因此小波轉換被譽為數學顯微鏡。
WAVELET并不會保留所有的原始資料，而是選擇性的保留了必要的部份，以便經由數學公式推算出其原始資料，可能不是非常完整，但是可以非常接近原始資料。至於影像中什度要保留，什麼要舍棄，端看能量的大小儲存（跟波長與頻率有關）。以較少的資料代替原來的資料，達到壓縮資料的目的，這種經由取舍資料而達到壓縮目地的作法，是近代數位影像編碼技術的一項突破。即是WAVELET的概念引入編碼技術中。
WAVELET轉換在數位影像轉換技術上算是新秀，然而在太空科技早已行之有年，像探測衛星和哈柏望遠鏡傳輸影像回地球，和醫學上的光纖影像，早就開始用WAVELET的原理壓縮/還原影像資料，而且有壓縮率極佳與原影重現的效果。
以往lossless的編碼法只著重壓縮演算法的表現，將數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。將數位化的影像資料轉換成利於編碼的資料型態，控制解碼後影像的品質，選擇適當的編碼法，而且還在擷取圖形資料時，先幫資料「減肥。如此才是WAVELET編碼法主要的觀念。
二、影像壓縮過程
原始圖形資料色彩模式轉換&n
bsp;DCT轉換量化器編碼器編碼結束
三、編碼的基本要素有三點
（一）一種壓縮/還原的轉換可表現在影像上的。
（二）其轉換的系數是可以量化的。
（三）其量化的系數是可以用函數編碼的。
四、現有WAVELET影像壓縮工具主要的部份
（一）WaveletTransform（WAVELET轉換）：將圖形均衡的分割成任何大小，最少壓縮二分之一。
（二）Filters（濾鏡）：這部份包含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，一種是內插量化，對編碼的架構有一定的影響。
（四）EntropyCoding（熵編碼器）：有兩種格式，一種是使其減少，一種為內插。
（五）ArithmeticCoder（數學公式）：這是建立在AlistairMoffat''''slineartimecodinghistogram的基礎上。
（六）BitAllocation（資料分布）：這個過程是用整除法有效率的分配任何一種量化。
肆、WAVELET影像壓縮未來的發展趨勢
一、在其結構上加強完備性。
二、修改程式，使其可以處理不同模式比率的影像。
三、支援更多的色彩。可以處理RGB的色彩，像是YIQ、HUV的色彩定義都可以分別的處理。
四、加強運算的能力，使其可支援更多的影像格式。
五、使用WAVELET轉換藉由消除高頻率資料增加速率。
六、增加多種的WAVELET。如：離散、零元樹等。
七、修改其數學編碼器，使資料能在數學公式和電腦的位元之間轉換。
八、增加8X8格的DCT模式，使其能做JPEG的壓縮。
九、增加8X8格的DCT模式，使其能重疊。
十、增加trelliscoding。
十一、增加零元樹。
現今已有由中研院委托國內學術單位研究，也有不少的研究所的碩士。國外更是如火如荼的展開研究。相信實際應用於實務上的日子指日可待。
伍、影像壓縮研究的方向
1.輸入裝置如何捕捉真實的影像而將其數位化。
2.如何將數位化的影像資料轉換成利於編碼的資料型態。
3.如何控制解碼影像的品質。
4.如何選擇適當的編碼法。
5.人的視覺系統對影像的反應機制。
小波分析，無論是作為數學理論的連續小波變換，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）分析的重要發展，他保留了傅氏理論的優點，又能克服其不足之處。
陸、在印刷輸出的應用
WAVELET影像壓縮格式尚未成熟的情況下，作為印刷輸出還嫌太早。但是後續發展潛力無窮，尤其在網路出版方面，其利用價值更高，WAVELET的出現就猶如當時的JPEG出現，在影像的領域中掀起一股旋風，但是WAVELET卻有JPEG沒有的優點，JPEG乃是失真壓縮，且解碼後復原程度有限，能在網路應用，乃是由於電腦的解析度并不需要太高，就可辨識其圖形。而印刷所需的解析度卻需一定的程度。WAVELET雖然也是失真壓縮，但是解碼後卻可以還原資料到幾乎完整還原，如此的壓縮才有存在的價值。
有一點必須要提出的就是，并不是只要資料還原就可以用在印刷上，還需要有解讀其檔案的RIP，才能用於數位印刷上。等到WAVELET的應用成熟，再發展其適用的RIP，又是一段時間以後的事了。
在網路出版上已經有瀏覽器可以外掛讀取WAVELET檔案的軟體了，不過還是測試版，可是以後會在網路上大量使用，應該是未來的趨勢。對於網路出版應該是一陣不小的沖擊。
圖像壓縮的好處是在於資料傳輸快速，減少網路的使用費用，增加企業的利潤，由於傳版的時間減少，也使印刷品在當地印刷的可能性增高，減少運費，減少開支，提高時效性，創造新的商機。
柒、結論
WAVELET的理論并不是相當完備，但是據現有的研究報告顯現，到普及應用的階段，還有一段距離。但小波分析在信號處理、影像處理、量子物理及非線性科學領域上，均有其應用價值。國內已有正式論文研究此一壓縮模式。但有許多名詞尚未有正式的翻譯，各自有各自的翻譯，故研究起來倍感辛苦。但相信不久即會有正式的定名出現。這也顯示國內的研究速度，遠落在外國的後面，國外已成立不少相關的網站，國內僅有少數的相關論文。如此一來國內要使這種壓縮模式普及還有的等。正式使用於印刷業更是要相當時間。不過對於網路出版仍是有相當大的契機，國內仍是可以朝這一方面發展的。站在一個使用其成果的角度，印刷業界也許并不需要去了解其高深的數理理論。但是在運用上，為了要使用方便，和預估其發展趨勢，影像壓縮的基本概念卻不能沒有。本篇文章單純的介紹其中的一種影像壓縮模式，目的在為了使後進者有一參考的依據，也許在不久的將來此一模式會成為主流，到時才不會手足無措。
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附錄：
嵌入式零元樹小波轉換、階層式嵌入式零元樹小波轉換、階層式影像傳送及漸進式影像傳送
目前網路最常用的靜態影像壓縮模式為JPEG格式或是GIF格式等。但是利用這些格式編碼完成的影像，其資料量是不變的，其接受端必須完整地接受所有的資料量後才可以顯示出編碼端所傳送的完整影像。這個現象最常發生在利用網路連結WWW網站時，我們常常都是先接收到文字後，其網頁上的圖形才，慢慢的一小部份一小部份顯示出來，有時網路嚴重塞車，圖形只顯示一點點後就要再等非常久的時間才再有一點點顯示出來，甚至可能斷線了，使得使用者完全不知道在接收什麼圖案的圖形，無形中造成網路資源的浪費。此缺點之改善，可以使用嵌入式零元樹小波轉換(EZW)來完成。
階層式影像傳送系統的主要功能為允許不同規格之顯示裝置或解碼器可以從同一編碼器中獲得符合其要求之訊號，如此不需要對於不同的解碼器設計不同的編碼器配合利用之，進而增加了其應用的范圍，及減低了所架設系統的復雜度，也可以節省更多的設備費用。利用Shapiro所提出的嵌入式零元樹小波轉換(EZW)技術來設計階層式影像傳送系統時，其編碼的效果不是很好。主要的原因是，利用(EZW)技術所設計的編碼器是根據影像的全解析度來加以編碼的，這使得擁有不同解析度與碼率要求的解碼器，無法同時分享由編碼器所送出來的位元流。雖然可以利用同時播放(Simulcast)技術來加以克服之，但是該技術對於同一影像以不同解析度獨立編碼時，將使得共同的低通次頻帶(LowpassSubband)被重復的編碼與傳送，而產生了相當高的累贅(Redundancy)。
基於上述情況，有人將嵌入式零元樹小波轉換(EZW)技術加以修改之，完成了一個新式的階層式影像傳送系統。該技術為階層式嵌入的零元樹小波轉換(LayeredEmbeddedZerotreeWavelet，簡稱LEZW技術。這個技術使我們所設計出來的階層式影像傳送系統，可以在編碼傳送前預先指定圖層數目、每層影像的解析度與碼率。
LEZW技術是將EZW技術中的連續近似量化(SAQ)加以延伸應用之，而EZW傳統的做法是將SAQ應用於全部的小波轉換系數上。然而在LEZW技術中，從基層(BaseLayer)開始SAQ一次僅用於一個圖層(Layer)的編碼，直到最高階析度的圖層為止。當編碼的那一圖層碼率利用完時，即表示該圖層編碼完畢可以再往下一圖層編碼之。為了改善LEZW的效率，在較低圖層的SAQ結果應用於較高圖層的SAQ過程中，基於這種編碼的程序，LEZW演算法則可以在每一圖層平均碼率的限制下，重建出不同解析度的影像。因此，LEZW非常適合用於設計階層式影像傳送系統。
LEZW技術也可以應用於漸進式傳送，對於一個漸進式影像傳送系統而言，控制其解析度將可以改善重建影像的視覺品質。而常用的漸進式傳送方法有使用向量量化器或零元樹資料結構編碼演算法則。但是向量量化器需要較大的記憶體及對與傳送中的錯誤敏威，而利用EZW技術所設計的漸進式影像傳送系統，可以改善這些缺點，所以享有較好的效能。但是它也有缺點就是，應用於漸進式傳送時是根據全解析度來做編碼及傳送，因此在低碼率的限制之下時，若用全解析度來顯示影像將使得影像模糊不清。所以在低碼率傳送時的影像以較低的解析度來顯示時，則可以使影像的清晰度有所改善。
由於在現今資訊流通普遍的社會中，影像的需求量越來越大，影像的數位化是必然的趨勢。然而在數位化過的影像所占的資料量又相當龐大，在傳輸與處理上皆有所不便。將資料壓縮是最好的方法。如今有一新的模式，在壓縮率及還原度皆有不錯的表現，為其尚未有一標準的格式，故在應用上尚未普及。但在不久的未來，其潛力不可限量。而影像之於印刷有密不可分的關系。故以此篇文章介紹小波（WAVELET）轉換的歷史淵源。小波轉換的基礎原理。現今的發展對印刷業界的沖擊。影像壓縮的未來的發展。
壹、前言
由於科技日新月異，印刷已由傳統印刷走向數位印刷。在數位化的過程中，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、處理上都相當的費時，現今個人擁有TrueColor的視訊卡、24-bit的全彩印表機與掃描器已不再是天方夜譚了，而使用者對影像圖形的要求，不僅要色彩繁多、真實自然，更要搭配多媒體或動畫。但是相對的高畫質視覺享受，所要付出的代價是大量的儲存空間，使用者往往只能眼睜睜地看著體積龐大的圖檔占掉硬碟、磁帶和光碟片的空間；美麗的圖檔在親朋好友之間互通有無，是天經地義的事，但是用網路傳個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？如此報業在傳版時也可更快速。所以一種好的壓縮格式是不可或缺的，可以使影像所占的記憶體更小、更容易處理。但是目前市場上所用的壓縮模式，在壓縮的比率上并不理想，失去壓縮的意義。不然就是壓縮比例過大而造成影像失真，即使數學家與資訊理論學者日以繼夜，卯盡全力地為lossless編碼法找出更快速、更精彩的演算法，都無可避免一個尷尬的事實：壓縮率還是不夠好。再說用來印刷的話就造成影像模糊不清，或是影像出現鋸齒狀的現象。皆會造成印刷輸出的問題。影像壓縮技術是否真的窮途末路？請相信人類解決難題的潛力是無限的。既然舊有編碼法不夠管用，山不轉路轉，科學家便將注意力移轉到WAVELET轉換法，結果不但發現了滿意的解答，還開拓出一條光明的坦途。小波分析是近幾年來才發展出來的數學理論。小波分析，無論是作為數學理論的連續小波變換，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）分析的重要發展，他保留了傅氏理論的優點，又能克服其不足之處。可達到完全不失真，壓縮的比率也令人可以接受。由於其數學理論早在1960年代中葉就有人提出了，而到現在才有人將其應用於實際上，其理論仍有相當大的發展空間，而其實際運用也屬剛起步，其後續發展可說是不可限量。故研究的動機便由此而生。
貳、WAVELET的歷史起源
WAVELET源起於JosephFourier的熱力學公式。傅利葉方程式在十九世紀初期由JosephFourier(1768-1830)所提出，為現代信號分析奠定了基礎。在十九到二十世紀的基礎數學研究領域也占了極重要的地位。Fourier提出了任一方程式，甚至是畫出不連續圖形的方程式，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展出來的數學理論為傅利葉方程式的延伸。
小波分析方法的提出可追溯到1910年Haar提出的小波規范正交基。其後1984年，法國地球物理學J.Morlet在分析地震波的局部性質時，發現傳統的傅利葉轉換，難以達到其要求，因此引進小波概念於信號分析中，對信號進行分解。隨後理論物理學家A.Grossman對Morlet的這種信號根據一個確定函數的伸縮，平移系{a-1/2Ψ[(x-b)/a]；a,b?R,a≠0}展開的可行性進行了研究，為小波分析的形成開了先河。
1986年，Y.Meyer建構出具有一定衰減性的光滑函數Ψj,k(x)，其二進制伸縮與平移系{Ψj,k(x)=√2jΨ(2jx-k)；j,k?Z}構成L2（R）的規范正交基。1987年，Mallat巧妙的將多分辨分析的思想引入到小波分析中，建構了小波函數的構造及信號按小波轉換的分解及重構。1988年Daubechies建構了具有正交性（Orthonormal）及緊支集（CompactlySupported）；及只有在一有限區域中是非零的小波，如此，小波分析的系統理論得到了初步建立。
三、WAVELET影像壓縮簡介及基礎理論介紹
一、WAVELET的壓縮概念
WAVELET架在三個主要的基礎理論之上，分別是階層式邊碼(pyramidcoding)、濾波器組理論(filterbanktheory)、以及次旁帶編碼(subbandcoding)，可以說wavelettransform統合了此三項技術。小波轉換能將各種交織在一起的不同頻率組成的信號，分解成不相同頻率的信號，因此能有效的應用於編碼、解碼、檢測邊緣、壓縮數據，及將非線性問題線性化。良好的分析局部的時間區域與頻率區域的信號，彌補傅利葉轉換中的缺失，也因此小波轉換被譽為數學顯微鏡。
WAVELET并不會保留所有的原始資料，而是選擇性的保留了必要的部份，以便經由數學公式推算出其原始資料，可能不是非常完整，但是可以非常接近原始資料。至於影像中什度要保留，什麼要舍棄，端看能量的大小儲存（跟波長與頻率有關）。以較少的資料代替原來的資料，達到壓縮資料的目的，這種經由取舍資料而達到壓縮目地的作法，是近代數位影像編碼技術的一項突破。即是WAVELET的概念引入編碼技術中。
WAVELET轉換在數位影像轉換技術上算是新秀，然而在太空科技早已行之有年，像探測衛星和哈柏望遠鏡傳輸影像回地球，和醫學上的光纖影像，早就開始用WAVELET的原理壓縮/還原影像資料，而且有壓縮率極佳與原影重現的效果。
以往lossless的編碼法只著重壓縮演算法的表現，將數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。將數位化的影像資料轉換成利於編碼的資料型態，控制解碼後影像的品質，選擇適當的編碼法，而且還在擷取圖形資料時，先幫資料「減肥。如此才是WAVELET編碼法主要的觀念。
二、影像壓縮過程
原始圖形資料色彩模式轉換DCT轉換量化器編碼器編碼結束
三、編碼的基本要素有三點
（一）一種壓縮/還原的轉換可表現在影像上的。
（二）其轉換的系數是可以量化的。
（三）其量化的系數是可以用函數編碼的。
四、現有WAVELET影像壓縮工具主要的部份
（一）WaveletTransform（WAVELET轉換）：將圖形均衡的分割成任何大小，最少壓縮二分之一。
（二）Filters（濾鏡）：這部份包含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，一種是內插量化，對編碼的架構有一定的影響。
（四）EntropyCoding（熵編碼器）：有兩種格式，一種是使其減少，一種為內插。
（五）ArithmeticCoder（數學公式）：這是建立在AlistairMoffat''''slineartimecodinghistogram的基礎上。
（六）BitAllocation（資料分布）：這個過程是用整除法有效率的分配任何一種量化。
肆、WAVELET影像壓縮未來的發展趨勢
一、在其結構上加強完備性。
二、修改程式，使其可以處理不同模式比率的影像。
三、支援更多的色彩。可以處理RGB的色彩，像是YIQ、HUV的色彩定義都可以分別的處理。
四、加強運算的能力，使其可支援更多的影像格式。
五、使用WAVELET轉換藉由消除高頻率資料增加速率。
六、增加多種的WAVELET。如：離散、零元樹等。
七、修改其數學編碼器，使資料能在數學公式和電腦的位元之間轉換。
八、增加8X8格的DCT模式，使其能做JPEG的壓縮。
九、增加8X8格的DCT模式，使其能重疊。
十、增加trelliscoding。
十一、增加零元樹。
現今已有由中研院委托國內學術單位研究，也有不少的研究所的碩士。國外更是如火如荼的展開研究。相信實際應用於實務上的日子指日可待。
伍、影像壓縮研究的方向
1.輸入裝置如何捕捉真實的影像而將其數位化。
2.如何將數位化的影像資料轉換成利於編碼的資料型態。
3.如何控制解碼影像的品質。
4.如何選擇適當的編碼法。
5.人的視覺系統對影像的反應機制。
小波分析，無論是作為數學理論的連續小波變換，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）分析的重要發展，他保留了傅氏理論的優點，又能克服其不足之處。
陸、在印刷輸出的應用
WAVELET影像壓縮格式尚未成熟的情況下，作為印刷輸出還嫌太早。但是後續發展潛力無窮，尤其在網路出版方面，其利用價值更高，WAVELET的出現就猶如當時的JPEG出現，在影像的領域中掀起一股旋風，但是WAVELET卻有JPEG沒有的優點，JPEG乃是失真壓縮，且解碼後復原程度有限，能在網路應用，乃是由於電腦的解析度并不需要太高，就可辨識其圖形。而印刷所需的解析度卻需一定的程度。WAVELET雖然也是失真壓縮，但是解碼後卻可以還原資料到幾乎完整還原，如此的壓縮才有存在的價值。
有一點必須要提出的就是，并不是只要資料還原就可以用在印刷上，還需要有解讀其檔案的RIP，才能用於數位印刷上。等到WAVELET的應用成熟，再發展其適用的RIP，又是一段時間以後的事了。
在網路出版上已經有瀏覽器可以外掛讀取WAVELET檔案的軟體了，不過還是測試版，可是以後會在網路上大量使用，應該是未來的趨勢。對於網路出版應該是一陣不小的沖擊。
圖像壓縮的好處是在於資料傳輸快速，減少網路的使用費用，增加企業的利潤，由於傳版的時間減少，也使印刷品在當地印刷的可能性增高，減少運費，減少開支，提高時效性，創造新的商機。
柒、結論
WAVELET的理論并不是相當完備，但是據現有的研究報告顯現，到普及應用的階段，還有一段距離。但小波分析在信號處理、影像處理、量子物理及非線性科學領域上，均有其應用價值。國內已有正式論文研究此一壓縮模式。但有許多名詞尚未有正式的翻譯，各自有各自的翻譯，故研究起來倍感辛苦。但相信不久即會有正式的定名出現。這也顯示國內的研究速度，遠落在外國的後面，國外已成立不少相關的網站，國內僅有少數的相關論文。如此一來國內要使這種壓縮模式普及還有的等。正式使用於印刷業更是要相當時間。不過對於網路出版仍是有相當大的契機，國內仍是可以朝這一方面發展的。站在一個使用其成果的角度，印刷業界也許并不需要去了解其高深的數理理論。但是在運用上，為了要使用方便，和預估其發展趨勢，影像壓縮的基本概念卻不能沒有。本篇文章單純的介紹其中的一種影像壓縮模式，目的在為了使後進者有一參考的依據，也許在不久的將來此一模式會成為主流，到時才不會手足無措。
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5.盧永成，民八十七年，使用小波轉換及其在影像與視訊編碼之應用，私立中原大學電機工程學系碩士學位論文。
本期推薦配置欄目的主題是3000元液晶宿舍機，單就“宿舍”二字大家就會發現這款配置是專門為“窮學生”打造的。雖然學生錢不多，但對電腦應用的需求可是不少，上網、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主機的預算不會超過2000元，紛繁的應用點與拮據的預算使得整個電腦的配置難度驟然增加。此次我們感謝小耿與Ioooto兩位網友為我們提供的配置單，他們二人一個側重視頻播放另一個則側重游戲體驗。
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雙魚點評：這套配置基本上可以看出是在均衡的前提下重點強化了游戲性能。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來說可能會是個不小的限制。顯卡方面，支持最新的DirectX 10.1的祺祥HD3650同樣也是以性價比著稱，全新的統一架構讓HD3650能夠提供接近X1950Pro的3D性能表現，但是價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宜，但仔細考慮下就會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大型游戲還是有些吃力，反不如再較低分辨率下流暢運行來得更舒服些。而17英寸和19英寸LCD具有相同的分辨率，但明顯點距更加致密，在降低分辨率運行游戲時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“節電”標兵，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，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足夠。
【關鍵詞】單片機；智能家居；VB
一、引言
現代家庭已經從追求家居的豪華裝飾轉向家居智能化，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境。廣闊的市場前景和實用價值，使智能家居已經成為國內外研究的熱點。目前智能家居控制系統實現的關鍵技術為兼容性強的家庭主控制器，有PC架構、單片機架構、嵌入式架構三大解決方案。但三者都有其自身的缺點：PC機架構系統昂貴的改線費用和繁瑣的改線工程也是令人難以接受的；單片機架構系統電路設計較復雜，系統穩定性不高，擴展能力不強；嵌入式架構系統開發周期長，標準不統一，市場價格比較高，應用面比較狹窄。本文介紹一種價格便宜、成本較低、和現有設備兼容性好的無線智能家居控制系統
二、系統總體設計
本智能無線家居控制系統主要由PC軟件，單片機控制器、家居控制終端和相關無線傳感器系統四個部分組成（如圖1所示）。
PC軟件是系統的靈魂，軟件編寫的好壞直接影響系統的性能。PC軟件的功能是給用戶提供操作界面、將用戶的指令（包括用戶預設指令）通過串口傳送給單片機控制器，并顯示報警信息。
單片機控制器是信息的交換中心。單片機控制器的功能是將PC機傳送給單片機的指令通過無線的方式發送給家居控制終端，同時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行機構，它可以接受無線控制指令并執行。家居控制終端包括各種無線開關、各種無線控制器、無線電磁閥門等。
相關傳感器可以探測各種威脅，并通過無線的方式發送給單片機。它包括無線煤氣傳感器、無線紅外傳感器等。
系統通過相關無線傳感器系統探測信號，并傳送給單片機，然后由單片機將信息傳送給PC機，實現報警，并通過PC操作人員的操作，將控制指令發送給單片機控制器，然后由單片機控制器將執行指令發送給家居控制終端。通過家居控制終端的執行完成對家庭中照明、安防等的控制。同時系統還可以利用無線網絡設備查詢和控制無線攝像設備，對家庭進行監控。在此基礎上，通過利用操作系統的網絡功能還可以遠程觀察和控制本系統。系統運行場景如圖2所示。
三、單片機硬件設計
本系統的硬件部分主要由計算機PC、單片機電路板、無線網絡設備、無線傳感器、無線控制器等部分組成，其中單片機電路部分是本文的設計重點，其結構框圖如圖3所示。
單片機電路分無線接收和解碼模塊、無線發射模塊、STC89C54RC單片機、MAX232、設備、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傳感器探測到的報警信號接收并解碼，同時將解碼信號發送給單片機。無線發射模塊主要由PT2262芯片及其附屬電路組成它的主要功能是將單片機發送的控制信號發送給被控設備（如燈光控制器）。MAX232芯片及其電路主要是完成單片機和PC的通信。
STC89C54RC單片機是整個系統的中心，負責將無線接收和解碼模塊接收的信號經過MAX232芯片和串口發送給PC，同時PC發來的控制信號經過串口和MAX232芯片經過STC89C54RC單片機由無線發射模塊發送給控制單元。
四、軟件部分設計
本系統主要有上位機（PC）程序和下位機（單片機）程序兩個部分組成。上位機程序主要是在VB環境下完成的，包括界面、控制和通信等功能。下位機主要是在keil環境下完成的，包括控制和通信等功能。系統上位機主程序如圖4所示。
VB文件部分程序（噴水開關部分）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（校驗子程序和無線發送子程序部分）如下：
//校驗子程序
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 發送4次
}
五、結束語
本系統結合PC架構和單片機架構，同時將無線技術引入其中，發揮了二者的優點，避免了二者的缺點。同時在無線技術的選擇上，應用了315/433MHz射頻技術，價格便宜，成本較低，和現有設備兼容性好。綜上所述，本系統切合社會發展實際需要、技術可實現性、經濟性都很好，有一定的創新性和推廣潛力，非常有研究價值并有很強的現實意義。
參考文獻
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關鍵詞：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狀
1.1 QR二維碼的應用背景
隨著中國3G技術的普及，以及手機本身性能的提高，二維碼作為一種全新的信息存儲、傳遞和識別技術迅速地融入到了社會生活當中，其保密和安全問題也越來越有研究價值，2012年鐵道部出現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。目前國內針對二維碼數字加密的技術的論述并不多，在當前期刊網上有關二維碼討論的258篇論文也主要集中于二維碼自身的編碼解碼規則，只有16篇是討論二維碼數字手段加密的。其中加密采取的主要手段是通過復雜昂貴的隱形印刷技術。而討論數字加密的只是對一般圖像都通用的結合水印加密，未能很好的結合QR二維碼自身的編碼規則，所能負載的加密信息量也極少[3]。
1.2 國內外二維碼加密研究現狀
目前，國內外關于二維碼信息隱藏技術的文獻不是很多，研究對象主要是四一七條碼（Portable Data File417，PDF417碼）和QR碼。在國內，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]等利用變形技術對PDF417碼中的各組成單元寬度加以適量的變動，采用誤差累積的方式實現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]提出一種基于結構微調法的水印算法，對PDF417碼的組成條空進行適量的微調，將信息隱藏進二維碼中。晁玉海等[5]提出一種對隱藏信息進行擴頻和映射處理，根據PDF417碼自身結構特點，通過微調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碼數字水印，分別可以嵌入隨機序列和圖片。Jau-Ji Shen等[7]針對PDF417碼提出一種稱作關聯水印的盲水印算法，該算法可以提高水印的嵌入容量并可將PDF417碼用于數據認證。
⑴二維碼圖和傳統防偽制作技術（主要是印刷）相結合，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，對二維碼碼圖本身做特殊處理（如加密、復合、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，以作防偽校驗之用。
簡而言之，一個采用特殊印刷技術，一個采用特殊編碼，從而提高技術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，對二維碼碼圖進行特殊處理，達到嵌入 信息進行防偽校驗目的。
2 適用于QR的數字水印算法
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，根據鏈碼、改進的LSB算法和二維碼的基本理論，本文結合處如下表示方案。QR碼圖像是由N*N個深色或者淺色的模塊圖形組成，實驗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QR碼的一個模塊圖形的大小為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。每個正方形基元占用的像素點為M/N。
如圖2.1所示：跟四鏈碼的結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，按統一水印規則改變整個選中塊的像素值，嵌入水印信息，按照鏈碼方向的規則給四個方向的小矩陣編碼為0，1，2，3，四幅圖中的紅色區域分別對應著0，1，2，3。這樣每個黑色QR碼的正方形基元便可以承載一位四進制的數。當圖像格式為RGB三色圖時，結合第一章所介紹的改進的LSB編碼規則，每一塊像素值按規則改變后又可表示為00，01，10，11的四進制，跟位置的編碼規則相結合，每個正方形模塊就可以表示一位十六進制的數，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，統計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數，記為C，并記錄下各個可用的黑色模塊在二維碼的二維矩陣中的位置。
第二步：依據偽指紋特征隨機密鑰生成技術，隨機生成三個指紋特征數據記為T1、T2、T3，并將T1、T2、T3轉碼成和水印嵌入方式所采用的編碼進制（八進制、十六進制等）相同的編碼進制，統計出T1，T2，T3所需要的占用編碼位數記為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據，當嵌入位置不足時采用基于模擬退火算法競爭機制，解決各個特征信息之間采樣數競爭問題，模擬退火的優勢能保證了嵌入位置的隨機性，和各個特征信息的均衡性。
第四步：依照模擬退火算法競爭機制產生的二維指紋矩陣加密位置對應表，對QR二維碼圖形進行加密。
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，導入解碼程序中。
第二步：將相應的兩幅圖像做減法代數運算，提取圖像中目標區域，給定閾值大小為水印差值的一半，將低于閾值的像素點看作相同像素點，差值取絕對值選取為了實現精確定位，因為兩幅圖像編碼格式一致，除了不通目標區域以外，其他區域完全相同，包括圖像大小等。
第三部：使用數學形態學方法，實現斷線的連接，主要目的是保持目標區域邊緣連續，為孤立點的去除做準備。第三步：使用改進中值濾波去除圖像中孤立異常點，如果除了目標區域以外，其他區域完全相同，那么基本不需要去處異常點，在做加入噪聲干擾實驗時去除邊緣毛邊是一個需要除了的問題。
第四步：采用曲線全向跟蹤技術，尋找目標區域的邊緣輪廓，探查到所有目標區域邊緣。
第五步：將圖像按照二維碼自身的編碼規則分成N*N塊，根據上圖中提取去的各個嵌入水印的矩形區域的位置，并將區域大小經過閾值判斷，去掉干擾點，定位出各個區域對應得編碼值，返回二維矩陣各個嵌入水印值位置對應得值。和加密時候保存的加密二維矩陣值進行對比，進行水印驗證。
3 實驗
含有水印的QR碼的識別和提取實驗
算法穩定性實驗，流程如下：
（1）產生一段隨機長度和隨機內容的文本T1。
（2）將文本T1編碼為QR碼圖形Q1。
（3）計算Q1的水印容量大小。
（4）通過通過隨機指紋發生器和模擬退火競爭機制產生水印信息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，并與原始編碼內容T1對比，記錄對比結果。
（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，記錄對比結果。
（9）重復1000次步驟（1）～（8）的試驗，并計算QR碼的識別正確率和水印嵌入和提取的正確率。
隨機文本T包含英文字母、數字和常用標點符號。重復試驗的次數為100次，最后記錄實驗結果并計算正確率。實驗最終得到的數據是QR碼的識別正確率為97%，嵌入和提取水印的正確率為95%。該實驗表明，水印算法非常穩定，嵌入的水印不會影響到QR碼的正確識別，并且水印信息的嵌入和提取不受水印內容和QR碼載體圖像的影響。
4 結論
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的LSB算法嵌入水印信息，保證水印信息不會改變QR碼的圖形結構，并確保嵌入的水印信息不會影響到QR碼的正確識別。與現有的利用誤差特性進行信息隱藏的算法相比，該算法極大程度增強了數字水印的隱蔽性，提高了水印信息的嵌入量。同時算法不會受到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，抗干擾能力強等優勢。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，實現了人碼一體的認證功能。
[參考文獻]
[l]何葉.基于二維條碼的數字水印技術研究.長沙理工大學碩士學位論文.（2009）.
[2]趙博.二維條碼研究.西安電子科技大學碩士學位論文.（2007）.
[3]紀興中.基于二維條碼技術的數字水印系統研究.浙江工業大學碩士學位論文.（2007）.
[4]陳哲，張永林.數字水印技術在二維條碼證件防偽中的應用.計算機工程與科學.28（4）.42-44.（2006）.
[5].二維條碼技術應用及標準化狀況介紹.中國標準化.5.26-42.（2006）.
關鍵詞:防竊聽;語音擾頻;端到端
1引言
隨著移動通信及相關業務的迅猛發展,移動智能終端在政治、軍事、金融、外交等領域均扮演著重要的角色。移動通信網絡給我們帶來各種方便快捷服務的同時,也面臨著日趨嚴重的信息安全問題。尤其“棱鏡”事件后,手機泄密事件頻頻見諸報導,各國也更加重視移動設備數據加密、存儲和傳輸的監管。目前,移動通信網絡已指定了諸多安全有效的安全框架和加密機制,但移動通信網絡的信息加密只是出現在基站和移動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行傳輸。因此,研究一種加密效果好、解密語音恢復度高、通話延遲小的移動智能終端防竊聽技術及設備很有必要[1]。
2手機防竊聽語音擾頻裝置設計思路
本設計目標即是解決移動通信網絡的上述缺陷,基于FPGA技術研制便攜式即插即用語音擾頻裝置,實現端到端的安全加密通信。在不改造用戶移動終端及移動通信網絡的前提下,本設計基于硬件的處理手段和芯片化的設計思想,確定采用信源加密的技術方案[2]。便攜式即插即用語音擾頻裝置定位為類似于手機話務式耳機線控的裝置,其對外接口主要有麥克風、耳機接口以及密鑰注入接口,可以將人的聲音轉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絡電話或互聯網發送,只有將其發送到連接同樣裝置的對端有線電話或者移動電話上,才能還原出發送端的原始語音信號,并且整個加解密過程使用一次性密鑰,以增強加密效果。
3硬件設計架構
基于FPGA芯片的語音加密硬件系統是一個基于FPGA的最小系統,其主要包括FPGA處理器模塊、PROM模塊、電源模塊、A/D模塊以及時鐘模塊,通過所增加的一組標準語音輸入、輸出接口與手機及耳麥連接進行通信[3],其加密硬件模塊框圖如圖1所示。加密過程:語音首先從標準語音輸入、輸出接口輸入,然后經A/D模塊變換后送至FPGA處理器模塊進行加密處理,再經A/D模塊變換后從標準語音輸入、輸出接口將加密語音送至手機射頻輸出。解密過程:加密語音經手機接收后,從標準語音輸入、輸出接口輸入,首先經A/D模塊變換,再經FPGA處理器模塊解密處理,最后經A/D模塊變換后,從標準語音輸入、輸出接口輸出至耳機。電源模塊主要用于電源管理,為FPGA、A/D轉換器等模塊供電。考慮到長時間待機和尺寸的要求,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。時鐘模塊通過分頻為FPGA芯片、A/D轉換芯片提供精確定時脈沖。在A/D轉換模塊中,考慮采用AD73311模/數模轉換器芯片和AMBE-2000語音壓縮／解壓芯片對輸入的語音信號進行編解碼,以降低數字信號的比特率、保證通信質量。FPGA處理器模塊是系統的核心部件,主要由XilinxSPARTEN3E系列的XC3S500E芯片及基本電路組成,用于運行程序完成加密系統的密鑰協商、語音加解密、系統同步等工作。PROM模塊用于存儲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準插入式3.5mm語音輸入/輸出接口和迷你USB充電接口。
4語音加解密算法設計
軟件系統一般由密鑰協商模塊、語音加密模塊和同步算法模塊三個模塊組成,加解密算法模塊是核心的技術之一[4]。語音加解密須保證加密算法不影響手機聲碼器的正常編碼,為了快速語音加解密,需要設計出一種安全快速且適用于硬件架構的抗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,對語音信號進行一定的變換處理,使之成為不可懂的聲音信號,從而實現語音信號加密;同時,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,且經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結語
在不改造用戶手機終端和移動通信網絡前提下,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行了設計,可實現手機端到端語音加密通信,設備即插即用,解密語音可懂度高,通話延遲小,兼容性、拓展性強,可廣泛應用于軍事、政治、外交等領域,為通信業務提供安全保障,具有巨大的商業和現實應用價值。
作者:寇萬里 王喆 林少鋒 單位:西安通信學院
參考文獻
[1]金堃.移動通信網中的端到端語音加密技術研究[D].華中科技大學碩士論文,2012.
[2]楊于村.基于公眾移動通信網的端到端加密語音傳輸技術研究[D].華南理工大學博士論文,2009.
