发布时间：2023-03-21 17:08:29
序言：写作是分享个人见解和探索未知领域的桥梁，我们为您精选了8篇的解码技术论文样本，期待这些样本能够为您提供丰富的参考和启发，请尽情阅读。
关键词：嵌入式系统；SOPC；MP3播放器
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：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，嵌入式系统进入全面应用的阶段，己经成为通信和消费类产品的共同发展方向。在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的各种微处理器芯片，还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包和开发工具。SOPC具有系统集成度高、体积小、功耗低、结构简洁、可靠性高、开发快速等特点，很好的满足了的嵌入式系统在硬件上的需求。SOPC技术的目标是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、存储电路、DSP系统、数字通信系统、以及普通数字系统等，在单一FPGA中实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。
二、系统总体设计
设计一个具有基本功能的MP3播放器需要有时钟电路、CPU、RAM及RAM控制器、Flash及Flash控制器、SD卡及SD卡控制电路、液晶及液晶显示器驱动电路、DMA控制器、音频驱动及音频控制电路、定时器等模块，如图1所示。
图1：MP3播放器系统结构图
除显示驱动模块、音频控制模块和SD卡控制模块外其他模块都可以从SOPC Builder中添加IP核构建。
其中显示驱动模块可以在altera提供的VGA控制器的基础上添加CLK和BLANK信号完成；SD卡控制模块只需要定义几个GPIO端口就可以了，不需要单独设计。
三、音频播放模块
采用的MagicSOPC实验开发平台配有AC97音频解码模块，主控制芯片为UCB1400（带有触摸屏功能的立体声音频编解码器），它支持可编程抽样率、输入/输出增益和数字音响处理，包括音量、静音、低音和高音控制。
音频控制模块是CPU与UCB1400间的接口电路，功能为将缓存中的音频数据通过AC-Link总线发送到UCB1400的DAC输入端口实现音乐的播放，以及由AC-Link总线接收UCB1400采集的音频编码数据。本设计采用verilog语言来设计如下各个功能模块。
（一）UCB1400寄存器访问控制
音频播放时主控制器（CPU）需要经常读/写UCB1400中相关的寄存器，因为采用AC-Link串行总线传输数据，时序变得非常重要，所以定义了访问控制模块。要访问UCB1400时，该模块向UCB1400发送请求信号；当一次读取完成，数据准备好时，该模块向CPU发送反馈信号。
（二）UCB1400掉电模式控制
UCB1400可以将暂时不用的模块关闭以节约功率，向UCB1400的Power-down Control/status Register（0x26）写入相应的数值可以控制UCB1400中各个模块的开启和关闭。所以设计掉电模式控制模块，该模块负责监视UCB1400各模块的状态并将此信息反馈给主控制器。
（三）串行输入/输出寄存器
FPGA内部数据为并行传输，而与UCB1400间则功过AC_Link总线串行传输，所以应设计串并转换模块。
（四）输入/输出FIFO
为保证音乐播放的流畅，应为每个声道配置一定容量的FIFO用来保存已接收到和即将传输的数据。
设计完成后的AC97_Controller结构框图如图2所示：
图2：AC97_Controller结构图
具有如下功能：
可变比特率支持、双声道立体声输出支持、双声道立体声输入支持、单声道麦克风输入支持、DMA传送方式支持。
四、系统软件设计
将基于NiosⅡ的SOPC系统进行编译并下载到FPGA中生成硬件系统的同时，SOPC Builder帮助用户生成相应的SOF文件。在此基础上，可开始系统软件的设计。可使用汇编、C、C++来进行嵌入式程序设计，使用IDE工具进行程序的编译连接以及调试。MP3播放器的软件系统结构如图3所示：
图3MP3播放器软件系统结构
五、结语
本系统采用SOPC技术在一片FPGA和少数外设上实现了MP3播放器的基本功能。在50MHz的系统时钟下实现了MPEG-Ⅰ layer-Ⅲ解码，流畅播放MP3格式的音频文件。
SOPC方案的优势在于系统功能改进的灵活性，在不改变硬件平台的情况下，可以方便对系统进行增删和优化，这是传统ARM方案无法达到的。
参考文献：
[1]曾璇.基于NiosⅡ软核处理器的嵌入式PMP系统设计[D].北京交通大学硕士学位论文,2008,5
关键词:全彩LED显示屏;发送卡;存储体;实时传输
中图分类号:TN949.199文献标识码: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
随着全彩LED显示屏的应用越来越广泛,人们对LED显示屏控制系统的要求越来越高,这也促使LED显示屏控制系统的不断升级和改造,主要体现在提高性能和节约成本上。LED显示屏控制系统的组成一般有如下几个部分[1-3]:视频发送装置、视频接收分配装置、LED面板。显然,作为前端的视频发送装置在整个环节中起着举足轻重的作用。
1LED显示屏发送卡的现状
LED显示屏发送卡一般由DVI模块、FPGA控制器、外存储体模块和网络输出模块构成[4],FPGA将输入的图像数据交替写入外存储体,同时也从外存储体中交替读出图像数据,再通过网络格式依次将数据输出,原理框图如图1所示。
通常,控制LED显示屏的计算机的分辨率设置为1,024×768@60Hz或者1,280×1,024@60Hz。对于1,280×1,024@60Hz的实时视频源,总的数据量为:
1,280×1,024×60×24=1,887,436,800 bit;
其中一帧的数据量为:1,280×1,024×24=31,457,280 bit。
考虑到分辨率为1,280×1,024@60Hz时的像素时钟为108MHz,并且整个实现过程需要2倍的存储空间进行乒乓操作,故通常采用两片32位宽的SDRAM作为外接存储体。
带有外接存储体的发送卡具有缓存一帧数据的能力,并将输出与输入隔离开,有利于从全屏的数据中按照不同需求截取所需数据进行处理。
但同时,滞后一帧数据也是实时传输中的一个缺点,尤其是在需要严格实时传输的场合。另外,增加两片SDRAM也给设计增加了成本。
2无外接存储体发送卡的实现
2.1基本框图
在现有LED显示屏发送卡的基础上,这里设计了一种无外接存储体的LED显示屏发送卡,如图2所示,该发送卡由DVI模块、FPGA控制器、两路千兆网输出模块构成。DVI解码芯片将解码得到的数据和控制信号传给FPGA控制器,FPGA通过内部的RAM进行缓存,并做了更换时钟域和位宽变换的操作,然后将处理后的数据通过千兆网输出。
对1,280×1,024@60Hz的实时视频源,这里采用垂直分区的方法,即将满屏数据平均分成两路千兆网输出,每一路千兆传输640×1,024,如图3所示。
2.2实现方法
由图2的基本框图看出,该发送卡的设计除了搭建好硬件平台外,最重要的是FPGA控制器内部程序的设计。无外接存储体发送卡的FPGA控制器内部原理框图如图4所示。
FPGA控制器的内部逻辑包括数据输入模块、双口RAM及其控制模块、24bit转8bit模块、千兆网输出模块。数据输入模块将输入的DVI信号(包括数据、时钟、使能、行场同步信号)分配给后端的RAM和RAM控制模块,并控制着整个系统的同步;RAM控制模块控制RAM的读写操作,尤其是对开始写、写停、开始读、读停这4个状态的控制;从RAM输出的数据经过并串转换后传输给千兆网输出模块,千兆网输出模块则按照一定的网络格式将接收到的数据进行打包输出[5-7]。
图3提到的将数据分区发送,该方法能够将满屏数据平均分成两路千兆网输出。以下就以垂直分区的方法分析其数据流向、时钟变化和传输时间差。
对于一路千兆网数据而言,采用1个双口RAM设计,RAM的深度设置为640,输入和输出字长均设置为24bit,读写时钟和使能分别独立,如图5所示。
其中,数据输入和写时钟分别为DVI解码芯片解码后的24bit图像数据DVI_DATA[23:0]和时钟WRAM_CLK,读RAM的时钟为千兆网时钟RMII_CLK(125M)三分频后得到的时钟RRAM_CLK(41.66MHz),这样,后端再通过一个24bit转8bit模块即可将数据进行实时传输。
如图6所示,通过RRAM_CLK(41.66MHz)时钟从RAM中读出一个像素的数据,然后再通过3个RMII_CLK(125M)传输给千兆网,即做了一个实时的并串转化。如此流水操作下去,当从RAM中读完640个像素时,千兆网控制模块将停止读RAM操作,等待下一行数据的到来。当DVI解码后的下一行数据一旦往RAM中存储的时候(至少已经往其中存储了1个像素),千兆网控制模块又开始从RAM中读取数据,如此循环,直到第1,024行数据的640个像素数据被传输完。
在这里,实时传输具有如下特点:(1)往RAM中存数据和从RAM中取数据同时进行;(2)存RAM的速度快,读RAM的速度慢;(3)对写RAM操作,先把规定的数据存完,用时为t1,然后进入等待阶段t2(t = t1 + t2为行周期);对读RAM操作,把存好数通过t3的时间传输出去,必须满足t3 < t。
标准的1,280×1,024@60Hz的行时钟为64KHz,周期为t=15.625μs;而从RAM中读完半行像素(640个)数据的时间是:t3=(1/41.66MHz)×640=15.36μs。
显然,在一个行周期里,只往外传出半行的数据,传输时间差t-t3=265ns>0,且该时间差满足千兆网传输所必需数据包间隔。
由于写RAM的时钟(108MHz)比读RAM的时钟(41.66MHz)快得多,所以在写RAM的同时可以对RAM进行读操作(至少已经往RAM存储了1个像素),边写边读,实现了视频数据的实时传输。
同理,另外一路的千兆网设计与此雷同。
3 结论
本文简单分析了LED显示屏发送卡的现状,着重讨论了无外接存储体发送卡的系统构成及实现方法。该系统具有实时传输、节约成本的优势,能够在常用的视频格式下,比如1,024×768@60Hz、1,280×1,024@60Hz,通过两路千兆网口将整个视频图像实时无损的传输出去。
参考文献:
[1] 武 斌. LED全彩屏的系统设计[D]. 硕士学位论文. 北京:北京航空航天大学,2002.
[2] 李 晟. 基于FPGA的LED显示屏同步控制系统的设计[D]. 硕士学位论文. 南京:东南大学电子工程系,2004.
[3] 蔡江洪. 全彩色LED显示屏控制系统的设计与实现[D]. 硕士学位论文. 南京:东南大学电子工程系,2005.
[4] 苏晶国. 基于FPGA的对象存储控制器原型的硬件设计与实现[D]. 中国优秀硕士学位论文全文数据库,2008(05).
[5] 柳利军,熊良芳. 基于FPGA的千兆以太网交换芯片的设计[J]. 微电子学与计算机,2006(03).
[6] 丁铁夫,刘超,杨 磊,杨 旭. 基于千兆以太网的实时视频传输系统设计[J]. 微计算机信息,2008(36).
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TrueColor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640X480TrueColor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JosephFourier的热力学公式。傅利叶方程式在十九世纪初期由JosephFourier(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-1/2Ψ[(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（CompactlySupported）；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(pyramidcoding)、滤波器组理论(filterbanktheory)、以及次旁带编码(subbandcoding)，可以说wavelettransform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&n
bsp;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）WaveletTransform（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WaveletTransform，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）EntropyCoding（熵编码器）：有两种格式，一种是使其减少，一种为内插。
（五）ArithmeticCoder（数学公式）：这是建立在AlistairMoffat''''slineartimecodinghistogram的基础上。
（六）BitAllocation（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trelliscoding。
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&nb
sp;Davis，1997，WaveletImageCompressionConstructionKit，。
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(LowpassSubband)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(LayeredEmbeddedZerotreeWavelet，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(BaseLayer)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。
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TrueColor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640X480TrueColor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JosephFourier的热力学公式。傅利叶方程式在十九世纪初期由JosephFourier(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-1/2Ψ[(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（CompactlySupported）；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(pyramidcoding)、滤波器组理论(filterbanktheory)、以及次旁带编码(subbandcoding)，可以说wavelettransform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）WaveletTransform（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WaveletTransform，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）EntropyCoding（熵编码器）：有两种格式，一种是使其减少，一种为内插。
（五）ArithmeticCoder（数学公式）：这是建立在AlistairMoffat''''slineartimecodinghistogram的基础上。
（六）BitAllocation（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trelliscoding。
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.GeoffDavis，1997，WaveletImageCompressionConstructionKit，。
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。
本期推荐配置栏目的主题是3000元液晶宿舍机，单就“宿舍”二字大家就会发现这款配置是专门为“穷学生”打造的。虽然学生钱不多，但对电脑应用的需求可是不少，上网、看片玩游戏、作论文样样都少不了它。而3000元左右且配备液晶显示器的电脑则意味着整个主机的预算不会超过2000元，纷繁的应用点与拮据的预算使得整个电脑的配置难度骤然增加。此次我们感谢小耿与Ioooto两位网友为我们提供的配置单，他们二人一个侧重视频播放另一个则侧重游戏体验。
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【关键词】单片机；智能家居；VB
一、引言
现代家庭已经从追求家居的豪华装饰转向家居智能化，享受智能化带来的多元化信息，以及安全、舒适与便利的生活环境。广阔的市场前景和实用价值，使智能家居已经成为国内外研究的热点。目前智能家居控制系统实现的关键技术为兼容性强的家庭主控制器，有PC架构、单片机架构、嵌入式架构三大解决方案。但三者都有其自身的缺点：PC机架构系统昂贵的改线费用和繁琐的改线工程也是令人难以接受的；单片机架构系统电路设计较复杂，系统稳定性不高，扩展能力不强；嵌入式架构系统开发周期长，标准不统一，市场价格比较高，应用面比较狭窄。本文介绍一种价格便宜、成本较低、和现有设备兼容性好的无线智能家居控制系统
二、系统总体设计
本智能无线家居控制系统主要由PC软件，单片机控制器、家居控制终端和相关无线传感器系统四个部分组成（如图1所示）。
PC软件是系统的灵魂，软件编写的好坏直接影响系统的性能。PC软件的功能是给用户提供操作界面、将用户的指令（包括用户预设指令）通过串口传送给单片机控制器，并显示报警信息。
单片机控制器是信息的交换中心。单片机控制器的功能是将PC机传送给单片机的指令通过无线的方式发送给家居控制终端，同时它还可以将传感器测得的信号传送给PC。
家居控制终端是家居控制的执行机构，它可以接受无线控制指令并执行。家居控制终端包括各种无线开关、各种无线控制器、无线电磁阀门等。
相关传感器可以探测各种威胁，并通过无线的方式发送给单片机。它包括无线煤气传感器、无线红外传感器等。
系统通过相关无线传感器系统探测信号，并传送给单片机，然后由单片机将信息传送给PC机，实现报警，并通过PC操作人员的操作，将控制指令发送给单片机控制器，然后由单片机控制器将执行指令发送给家居控制终端。通过家居控制终端的执行完成对家庭中照明、安防等的控制。同时系统还可以利用无线网络设备查询和控制无线摄像设备，对家庭进行监控。在此基础上，通过利用操作系统的网络功能还可以远程观察和控制本系统。系统运行场景如图2所示。
三、单片机硬件设计
本系统的硬件部分主要由计算机PC、单片机电路板、无线网络设备、无线传感器、无线控制器等部分组成，其中单片机电路部分是本文的设计重点，其结构框图如图3所示。
单片机电路分无线接收和解码模块、无线发射模块、STC89C54RC单片机、MAX232、设备、串口等部分组成。
无线接收和解码模块主要由PT2272芯片及其附属电路组成，它的主要功能是将相关传感器探测到的报警信号接收并解码，同时将解码信号发送给单片机。无线发射模块主要由PT2262芯片及其附属电路组成它的主要功能是将单片机发送的控制信号发送给被控设备（如灯光控制器）。MAX232芯片及其电路主要是完成单片机和PC的通信。
STC89C54RC单片机是整个系统的中心，负责将无线接收和解码模块接收的信号经过MAX232芯片和串口发送给PC，同时PC发来的控制信号经过串口和MAX232芯片经过STC89C54RC单片机由无线发射模块发送给控制单元。
四、软件部分设计
本系统主要有上位机（PC）程序和下位机（单片机）程序两个部分组成。上位机程序主要是在VB环境下完成的，包括界面、控制和通信等功能。下位机主要是在keil环境下完成的，包括控制和通信等功能。系统上位机主程序如图4所示。
VB文件部分程序（喷水开关部分）如下：
'Label11
Me.Label11.AutoSize = True
Me.Label11.Font = New System.Drawing.Font（"宋体"，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 = "喷水"
Keil部分程序（校验子程序和无线发送子程序部分）如下：
//校验子程序
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；
}
//无线发送子程序
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 发送4次
}
五、结束语
本系统结合PC架构和单片机架构，同时将无线技术引入其中，发挥了二者的优点，避免了二者的缺点。同时在无线技术的选择上，应用了315/433MHz射频技术，价格便宜，成本较低，和现有设备兼容性好。综上所述，本系统切合社会发展实际需要、技术可实现性、经济性都很好，有一定的创新性和推广潜力，非常有研究价值并有很强的现实意义。
参考文献
[1]关勇.物联网行业发展分析[D].北京邮电大学学位论文，2010.
[2]唐亮.我国物联网产业发展现状与产业链分析[D].北京邮电大学学位论文，2010.
[3]物联网“十二五”规划锁定十大领域[J].中国证券报，2010.
[4]屈伟平.物联网掀起新的信息技术革命浪潮[J].物流技术与应用，2009（11）.
[5]朱仲英.传感网与物联网的进展与趋势[J].微型电脑应用，2010（01）.
关键词：QR码；模拟退火算法；链码；水印
1 二维码水印加密背景及目前加密解密现状
1.1 QR二维码的应用背景
随着中国3G技术的普及，以及手机本身性能的提高，二维码作为一种全新的信息存储、传递和识别技术迅速地融入到了社会生活当中，其保密和安全问题也越来越有研究价值，2012年铁道部出现了用户隐私资料信息被二维码泄密的问题，病毒也开始通过二维码传播。目前国内针对二维码数字加密的技术的论述并不多，在当前期刊网上有关二维码讨论的258篇论文也主要集中于二维码自身的编码解码规则，只有16篇是讨论二维码数字手段加密的。其中加密采取的主要手段是通过复杂昂贵的隐形印刷技术。而讨论数字加密的只是对一般图像都通用的结合水印加密，未能很好的结合QR二维码自身的编码规则，所能负载的加密信息量也极少[3]。
1.2 国内外二维码加密研究现状
目前，国内外关于二维码信息隐藏技术的文献不是很多，研究对象主要是四一七条码（Portable Data File417，PDF417码）和QR码。在国内，针对PDF417码的研究较多且以空域水印为主，在国外，以研究QR码居多，以频域水印为主。牛夏牧[7]等利用变形技术对PDF417码中的各组成单元宽度加以适量的变动，采用误差累积的方式实现隐藏信息的嵌入和提取。陈峥等[3]针对PDF417码，提出了基于边界移位的隐藏信息嵌入算法。赵博等[4]提出一种基于结构微调法的水印算法，对PDF417码的组成条空进行适量的微调，将信息隐藏进二维码中。晁玉海等[5]提出一种对隐藏信息进行扩频和映射处理，根据PDF417码自身结构特点，通过微调条码中的条和空将信息隐藏的方法。Ming Sun等[6]提出两种基于离散小波变换（Discrete Wavelet Transform，DWT）变换的QR码数字水印，分别可以嵌入随机序列和图片。Jau-Ji Shen等[7]针对PDF417码提出一种称作关联水印的盲水印算法，该算法可以提高水印的嵌入容量并可将PDF417码用于数据认证。
⑴二维码图和传统防伪制作技术（主要是印刷）相结合，避免码图被直接影印、拍照，比如采用隐形印刷等等；
⑵掌握二维码编码技术，对二维码码图本身做特殊处理（如加密、复合、变形等），这种方法的目的有二，一是可以让别人的识读软件无法识别码图，二是可以在这些码图中编入特别信息，以作防伪校验之用。
简而言之，一个采用特殊印刷技术，一个采用特殊编码，从而提高技术门槛也就提高了造假的成本与难度。本文研究算法基于第二种方式，对二维码码图进行特殊处理，达到嵌入 信息进行防伪校验目的。
2 适用于QR的数字水印算法
2.1 水印的嵌入算法
2.1.1 水印嵌入位置及表示方案
链码和QR二维码水印信息的位置选择和像素值改变方案，根据链码、改进的LSB算法和二维码的基本理论，本文结合处如下表示方案。QR码图像是由N*N个深色或者浅色的模块图形组成，实验中是黑色和白色模块。考虑水印需要的隐蔽性，我们选取黑色的正方形作为水印嵌入单元。假设QR码的一个模块图形的大小为M*M，其中M为模块的长度（高度），单位是像素。条码矩阵的大小为N*N。每个正方形基元占用的像素点为M/N。
如图2.1所示：跟四链码的结合方式为将正方形基元平分成四等份，每一块的大小为M/2N，选择其中的一块，按统一水印规则改变整个选中块的像素值，嵌入水印信息，按照链码方向的规则给四个方向的小矩阵编码为0，1，2，3，四幅图中的红色区域分别对应着0，1，2，3。这样每个黑色QR码的正方形基元便可以承载一位四进制的数。当图像格式为RGB三色图时，结合第一章所介绍的改进的LSB编码规则，每一块像素值按规则改变后又可表示为00，01，10，11的四进制，跟位置的编码规则相结合，每个正方形模块就可以表示一位十六进制的数，也就是4bit的信息。
2.1.2 水.印嵌入流程
如图2.2 水印算法的整体嵌入步骤：
第一步：根据基本信息编码出未加密的二维码举证，自左向右，自上而下，统计N*N黑色和白色模块的QR二维码可用来嵌入水印的黑色模块的个数，记为C，并记录下各个可用的黑色模块在二维码的二维矩阵中的位置。
第二步：依据伪指纹特征随机密钥生成技术，随机生成三个指纹特征数据记为T1、T2、T3，并将T1、T2、T3转码成和水印嵌入方式所采用的编码进制（八进制、十六进制等）相同的编码进制，统计出T1，T2，T3所需要的占用编码位数记为n1，n2，n3。
第三步：如果n1+n2+n3>c，则说明水印嵌入位置不足以嵌入所有的指纹特征数据，当嵌入位置不足时采用基于模拟退火算法竞争机制，解决各个特征信息之间采样数竞争问题，模拟退火的优势能保证了嵌入位置的随机性，和各个特征信息的均衡性。
第四步：依照模拟退火算法竞争机制产生的二维指纹矩阵加密位置对应表，对QR二维码图形进行加密。
2.2 水印的提取算法
如图2.3：首先，从加密的二维码图片中解码出二维码的基本信息。
将加密后的二维码图片记为map1和未水印加密的二维图片记为map2，导入解码程序中。
第二步：将相应的两幅图像做减法代数运算，提取图像中目标区域，给定阈值大小为水印差值的一半，将低于阈值的像素点看作相同像素点，差值取绝对值选取为了实现精确定位，因为两幅图像编码格式一致，除了不通目标区域以外，其他区域完全相同，包括图像大小等。
第三部：使用数学形态学方法，实现断线的连接，主要目的是保持目标区域边缘连续，为孤立点的去除做准备。第三步：使用改进中值滤波去除图像中孤立异常点，如果除了目标区域以外，其他区域完全相同，那么基本不需要去处异常点，在做加入噪声干扰实验时去除边缘毛边是一个需要除了的问题。
第四步：采用曲线全向跟踪技术，寻找目标区域的边缘轮廓，探查到所有目标区域边缘。
第五步：将图像按照二维码自身的编码规则分成N*N块，根据上图中提取去的各个嵌入水印的矩形区域的位置，并将区域大小经过阈值判断，去掉干扰点，定位出各个区域对应得编码值，返回二维矩阵各个嵌入水印值位置对应得值。和加密时候保存的加密二维矩阵值进行对比，进行水印验证。
3 实验
含有水印的QR码的识别和提取实验
算法稳定性实验，流程如下：
（1）产生一段随机长度和随机内容的文本T1。
（2）将文本T1编码为QR码图形Q1。
（3）计算Q1的水印容量大小。
（4）通过通过随机指纹发生器和模拟退火竞争机制产生水印信息W。
（5）向Q1中嵌入水印信息W得到含有水印的QR码图形Q2。
（6）识读Q2得到T2，并与原始编码内容T1对比，记录对比结果。
（7）从含有水印的QR码图形Q2中提取水印信息WR。
（8）比较W和WR，记录对比结果。
（9）重复1000次步骤（1）～（8）的试验，并计算QR码的识别正确率和水印嵌入和提取的正确率。
随机文本T包含英文字母、数字和常用标点符号。重复试验的次数为100次，最后记录实验结果并计算正确率。实验最终得到的数据是QR码的识别正确率为97%，嵌入和提取水印的正确率为95%。该实验表明，水印算法非常稳定，嵌入的水印不会影响到QR码的正确识别，并且水印信息的嵌入和提取不受水印内容和QR码载体图像的影响。
4 结论
提出了一种适用于QR码的鲁棒性和嵌入信息量都适中的水印算法，该算法用链码的方向编码和改进的LSB算法嵌入水印信息，保证水印信息不会改变QR码的图形结构，并确保嵌入的水印信息不会影响到QR码的正确识别。与现有的利用误差特性进行信息隐藏的算法相比，该算法极大程度增强了数字水印的隐蔽性，提高了水印信息的嵌入量。同时算法不会受到QR码的容量限制，并且适合电子保存和打印等多种形式，具有提取水印速度快，抗干扰能力强等优势。并且提出了由多种生物特征提取出的信息组成水印信息的方式，将二维码与用户绑定，实现了人码一体的认证功能。
[参考文献]
[l]何叶.基于二维条码的数字水印技术研究.长沙理工大学硕士学位论文.（2009）.
[2]赵博.二维条码研究.西安电子科技大学硕士学位论文.（2007）.
[3]纪兴中.基于二维条码技术的数字水印系统研究.浙江工业大学硕士学位论文.（2007）.
[4]陈哲，张永林.数字水印技术在二维条码证件防伪中的应用.计算机工程与科学.28（4）.42-44.（2006）.
[5].二维条码技术应用及标准化状况介绍.中国标准化.5.26-42.（2006）.
关键词:防窃听;语音扰频;端到端
1引言
随着移动通信及相关业务的迅猛发展,移动智能终端在政治、军事、金融、外交等领域均扮演着重要的角色。移动通信网络给我们带来各种方便快捷服务的同时,也面临着日趋严重的信息安全问题。尤其“棱镜”事件后,手机泄密事件频频见诸报导,各国也更加重视移动设备数据加密、存储和传输的监管。目前,移动通信网络已指定了诸多安全有效的安全框架和加密机制,但移动通信网络的信息加密只是出现在基站和移动终端的无线通信信道这一部分,比如基站和基站之间的信息传递就是以明文进行传输。因此,研究一种加密效果好、解密语音恢复度高、通话延迟小的移动智能终端防窃听技术及设备很有必要[1]。
2手机防窃听语音扰频装置设计思路
本设计目标即是解决移动通信网络的上述缺陷,基于FPGA技术研制便携式即插即用语音扰频装置,实现端到端的安全加密通信。在不改造用户移动终端及移动通信网络的前提下,本设计基于硬件的处理手段和芯片化的设计思想,确定采用信源加密的技术方案[2]。便携式即插即用语音扰频装置定位为类似于手机话务式耳机线控的装置,其对外接口主要有麦克风、耳机接口以及密钥注入接口,可以将人的声音转换成不可解释的模拟噪声并且将被扰频的噪声在不安全的网络电话或互联网发送,只有将其发送到连接同样装置的对端有线电话或者移动电话上,才能还原出发送端的原始语音信号,并且整个加解密过程使用一次性密钥,以增强加密效果。
3硬件设计架构
基于FPGA芯片的语音加密硬件系统是一个基于FPGA的最小系统,其主要包括FPGA处理器模块、PROM模块、电源模块、A/D模块以及时钟模块,通过所增加的一组标准语音输入、输出接口与手机及耳麦连接进行通信[3],其加密硬件模块框图如图1所示。加密过程:语音首先从标准语音输入、输出接口输入,然后经A/D模块变换后送至FPGA处理器模块进行加密处理,再经A/D模块变换后从标准语音输入、输出接口将加密语音送至手机射频输出。解密过程:加密语音经手机接收后,从标准语音输入、输出接口输入,首先经A/D模块变换,再经FPGA处理器模块解密处理,最后经A/D模块变换后,从标准语音输入、输出接口输出至耳机。电源模块主要用于电源管理,为FPGA、A/D转换器等模块供电。考虑到长时间待机和尺寸的要求,电池考虑采用900mah的锂离子电池,充电接口采用通用性强的迷你型USB接口,电压比较电路用于检测电池电量,可用于低电告警。时钟模块通过分频为FPGA芯片、A/D转换芯片提供精确定时脉冲。在A/D转换模块中,考虑采用AD73311模/数模转换器芯片和AMBE-2000语音压缩／解压芯片对输入的语音信号进行编解码,以降低数字信号的比特率、保证通信质量。FPGA处理器模块是系统的核心部件,主要由XilinxSPARTEN3E系列的XC3S500E芯片及基本电路组成,用于运行程序完成加密系统的密钥协商、语音加解密、系统同步等工作。PROM模块用于存储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标准插入式3.5mm语音输入/输出接口和迷你USB充电接口。
4语音加解密算法设计
软件系统一般由密钥协商模块、语音加密模块和同步算法模块三个模块组成,加解密算法模块是核心的技术之一[4]。语音加解密须保证加密算法不影响手机声码器的正常编码,为了快速语音加解密,需要设计出一种安全快速且适用于硬件架构的抗RPE-LTP压缩编码的语音加解密算法。本算法主要针对RPE-LTP压缩编解码之特性,对语音信号进行一定的变换处理,使之成为不可懂的声音信号,从而实现语音信号加密;同时,需要保证加密语音信号在通过RPE-LTP编码器后能够被对方解码器恢复,且经过解密后成为可懂的原始语音信号,从而完成全部加解密过程。
5结语
在不改造用户手机终端和移动通信网络前提下,本文提出了一种硬件化、集成化、便携式的端到端语音加密方案,并对加解密外置装置进行了设计,可实现手机端到端语音加密通信,设备即插即用,解密语音可懂度高,通话延迟小,兼容性、拓展性强,可广泛应用于军事、政治、外交等领域,为通信业务提供安全保障,具有巨大的商业和现实应用价值。
作者:寇万里 王喆 林少锋 单位:西安通信学院
参考文献
[1]金堃.移动通信网中的端到端语音加密技术研究[D].华中科技大学硕士论文,2012.
[2]杨于村.基于公众移动通信网的端到端加密语音传输技术研究[D].华南理工大学博士论文,2009.
