发布时间：2023-04-06 18:40:05
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篇的微电子学论文样本，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。
ICICS 2013将为国内外信息安全学者与专家齐聚一堂，提供探讨国际信息安全前沿技术的难得机会。作为国际公认的第一流国际会议，ICICS 2013将进一步促进国内外的学术交流，促进我国信息安全学科的发展。本次学术会议将由中国科学院软件研究所、北京大学软件与微电子学院和中国科学院信息工程研究所信息安全国家重点实验室主办，并得到国家自然基金委员会的大力支持。
会议论文集均由德国Springer出版社作为LNCS系列出版。ICICS2013欢迎来自全世界所有未发表过和未投递过的原始论文，内容包括访问控制、计算机病毒与蠕虫对抗、认证与授权、应用密码学、生物安全、数据与系统安全、数据库安全、分布式系统安全、电子商务安全、欺骗控制、网格安全、信息隐藏与水印、知识版权保护、入侵检测、密钥管理与密钥恢复、基于语言的安全性、操作系统安全、网络安全、风险评估与安全认证、云安全、无线安全、安全模型、安全协议、可信计算、可信赖计算、智能电话安全、计算机取证等，但又不局限于此内容。
作者提交的论文，必须是未经发表或未并行地提交给其他学术会议或学报的原始论文。所有提交的论文都必须是匿名的，没有作者名字、单位名称、致谢或其他明显透露身份的内容。论文必须用英文，并以 PDF 或 PS 格式以电子方式提交。排版的字体大小为11pt，并且论文不能超过12页（A4纸）。所有提交的论文必须在无附录的情形下是可理解的，因为不要求程序委员阅读论文的附录。如果提交的论文未遵守上述投稿须知，论文作者将自己承担论文未通过形式审查而拒绝接受论文的风险。审稿将由3位程序委员匿名评审，评审结果为：以论文形式接受；以短文形式接受；拒绝接受。
ICICS2013会议论文集可在会议其间获取。凡接受论文的作者中，至少有1位必须参加会议，并在会议上报告论文成果。
投稿截止时间：2013年6月5日 通知接受时间：2013年7月24日 发表稿提交截止时间：2013年8月14日
会议主席：林东岱 中国科学院信息工程研究所 研究员
程序委员会主席：卿斯汉 中国科学院软件研究所、北京大学软件与微电子学院 教授
Jianying ZHOU博士 Institute for Infocomm Research，新加坡
程序委员会：由国际和国内知名学者组成（参看网站 http：//icsd.i2r.a-star.edu.sg/icics2013/）
英文名称：System Simulation Technology
主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：同济大学
出版周期：季刊
出版地址：上海市
语
种：中文
开
本：大16开
国际刊号：1673-1964
国内刊号：31-1945/TP
邮发代号：
发行范围：国内外统一发行
创刊时间：2005
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申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 王润声（右）在美国接受IEEE奖项并与电子器件协会（EDS）主席合影
2013年，美国IEEE电子器件青年科学家奖（IEEE EDS Early Career Award）公布获奖名单，一位中国青年学者的名字出现在其中，他就是北京大学信息科学技术学院副教授王润声。
IEEE（电气电子工程师协会）有五十多年历史。多年来，该协会一直致力于推动电子和信息技术在理论发展和应用方面的进步，它被认为是科技革新的催化剂，也是太空、计算机、生物医学、电气及电子工程领域的权威组织。
经过了推荐、提名、网评、专家讨论等考核环节后，王润声成为IEEE该奖项历史上首位来自非美国机构的获奖者。“学校和实验室的平台好，加上近期国家对科研项目的支持力度很大，甚至一些美国同行也都羡慕我们。”王润声说，“只要平台是良性发展的、机制是不断完善的，换作其他科学家，也一样能取得成果、获得奖励。”
在王润声尚年轻的学术生涯中，IEEE电子器件青年科学家奖是重要节点，直接促使他在半导体新器件研究领域的地位更加令人关注。对于这个风华正茂的年轻学者来说，一场在晶体管研究领域的漫长巡礼才刚刚开始。
北大人的成长
王润声是北大“土著”，从小成绩优秀，是令人艳羡的“别人家的孩子”。起初，王润声的兴趣是物理学，但当年北大物理系在安徽不招收高考生，考虑到当时物理系与微电子系有部分课程交叉共享，王润声因此认为，由微电子专业转向物理专业应该“比较容易”。凭借这个朴素的判断，王润声憧憬着一个物理学家的梦，成了北京大学2001级微电子专业的学生。然而，此后一直到他读博乃至后来成为北大老师，他却都没有再换专业，反倒在微电子的路上越走越远。
王润声是他这一代青年科学家成长之路的典型代表：少了许多国家计划层面的约束，基本可以轻松自由地选择发展方向。他聪明，兴趣广，喜欢对新鲜事物跃跃欲试。在北大，他担任了一年的乒乓球协会会长，后来又加入了学校网球队。这时，王润声常常思考的问题是，“我的专业究竟有什么用？未来有什么发展？”那是青年学子一个迷茫善变的阶段，他的目标不再局限于转战物理专业，还专门用了大半年时间跑到中文系听课，甚至还打算考到中文系读研。他困惑于选择，思考一条最适合自己的专业之路。
回忆起那段日子，王润声说，人之所以对一件事情感兴趣，也许是因为不用面对任何压力，可以自由地做，因为你不必依赖这些有创造性的业余爱好来谋生。但是，如果把兴趣变成工作，你的爱好受到了物质刺激，也许会发现自己逐渐不那么喜欢做这些事了。爱好也不再是用来放松头脑的富有创造性的追求，它变成了养家糊口的工具。而这些压力最终会充满抱怨与不满，最后你会发现自己不但没有工作好，还失去了一个爱好。正如麦克劳德告诫我们的：不要把自己在闲暇时的消遣变成从早八点到晚五点要做的正常工作。经过一番深思熟虑，王润声彻底打消了转专业的念头，继续学习微电子学。
2005年，王润声获推免资格，成为北大微电子专业硕士生。王润声的导师、时任系主任的黄如教授是微纳电子学领域的权威学者。在她的影响和指导下，王润声开启了一段全新的科研之旅。不久后，他的论文先后在学科顶级期刊TED和顶级会议IEDM上发表，当时这在学生中尚属罕见。黄如发现了他的天赋和科研潜力，着意栽培他;于是，王润声选择继续攻读微电子学与固体电子学的博士学位。
2008年，国家通过教育部“国家建设高水平大学公派研究生计划”向国外输送第二批公派研究生，王润声也是其中的一员。他访问的是美国普渡大学（Purdue University）电子与计算机工程（ECE）学院。普渡大学的微电子专业在全美排名靠前，并且很早就与北京大学建立了交流关系。“我是国内培养的‘土鳖’，但在美国，我发现国内微电子领域研究条件其实不错;与国外同行相比，发现自己的专业水平也不错。这说明我们国家自己培养的科研人员并不比别人差，因此我对自己更有信心了。”王润声说。
因为心系国内未完成的研究项目，王润声在普渡大学访问一年后回到北大，于2010年4月师从王阳元院士进入博士后流动站深造，并得到了中国博士后基金的特别资助。2012年3月，王润声被聘为北京大学信息科学技术学院讲师。至此，他由一名北大学生变成了北大的老师，成为一名“彻底”的北大人。
瓶颈与变革
王润声认为，微电子学科发展正处于瓶颈期。最突出的表现是，不论个人电脑、移动通信，还是智能手机，制造商都在拼功耗，因为功耗是目前最大的难题。“什么时候一块手机电池能用一周？”王润声最大的愿望，就是在晶体管器件层面创新，做出更好的晶体管。“产业技术发展不能停滞，否则就变成了传统行业。”
“瓶颈就意味着新的变革即将产生。”王润声的主要工作是新型晶体管研究，这需要同时透彻了解电子学和物理学，并且及时跟进行业前沿最新成果。近年来，以英特尔、IBM、台积电等巨头为代表的微纳电子新技术在行业内持续，产品功耗不断降低。“对未来，5年后、10年后的技术，该如何设计、如何制作，如何在传统的基础上创新？这是我们思考的主要问题。”王润声说。
2014年，王润声的“新型低功耗多栅MOS器件的实验与理论研究”获2014年教育部高等学校科学技术奖自然科学一等奖，个人排名第二。这是一项适用于未来集成电路技术的研究，揭示了纳米尺度多栅器件中的系列特殊物理现象及根源，提出了新的实验与特性表征方法，并延拓了低功耗应用能力，得到了国际半导体产业界的关注。
根据王润声介绍，在技术层面降低晶体管的功耗，主要有三个方面的变革：一是做新的器件结构，二是用更合适的材料替换原有材料，三是改变其工作原理。王润声从本科毕业论文即开始针对新结构器件展开研究。他告诉记者，这方面最有代表性的一项成果是从英特尔22纳米技术代的CPU芯片开始采用的三维晶体管，业内叫做FinFET，外形像鱼鳍（Fin）一样，所以叫作鳍式晶体管;这种结构具有很强的静电学控制能力，从而功耗很低。新材料方面，从英特尔45纳米技术代开始，业界采用氧化铪取代了传统的氧化硅作为栅极绝缘介质材料，从而大大降低了栅极泄漏电流产生的功耗。新原理方面，目前北大正在研究利用量子力学隧穿原理改进原有晶体管的开关机制，以期从物理本质上进一步降低器件功耗。
后摩尔时代的创新
晶体管在传统的电子产品应用中，遵循著名的“摩尔定律”不断地等比例缩小以提高集成度，但如前所述，现在已经遇到了发展瓶颈。在后摩尔时代，除了传统的应用，晶体管还可以在物联网、智能传感器、生物医疗（比如可穿戴和可植入的芯片）等新应用中大展身手。在后摩尔时代，晶体管该如何创新、如何发展、如何提高性价比？王润声同黄如教授等组成的团队针对上述问题做技术研究，并有中芯国际等多个大型企业作为合作对象。“产业应用是我们的最终目的。”王润声说，信息产业已经成为国民经济的支柱产业之一，而半导体集成电路产业是信息产业的基石，它的出现使电子设备向着微型化、智能化、高性能和低功耗的方向发展。
像多数科学家一样，王润声也时常陷入困境。比如“有时会陷入一个问题，不停地绕圈”，他的经验是，这时不能轻易放弃，坚持下去才会有突破。“就像打乒乓球。”他说：“有的时候，某一阶段练球会觉得不仅进步缓慢、甚至还有退步，这种情况往往表明是快要‘长球’了，再坚持一下水平就会有明显提高。”
关键词：研究性学习；半导体物理；微电子技术；教学
微电子技术已经发展的越来越广泛，已经应用到生活中的各个领域。随着半导体、集成电路技术的发展的越来越快，继续研究半导体基础理论是非常重要的。目前,大多数高校工科学生现在都重视做实验而忽视了理论的发展,而对于微电子学专业的学生来说,是重视电路的设计而忽视了半导体的发展，所以，学生学习半导体物理的积极性并不高,这与教学课程设计有很大的关系，教学中理论联系实际缺乏，教学方法单一等都是造成学生积极性不高的原因。而半导体物理是微电子学专业一门重要的专业基础课，主要内容包括能带的概念、本证光谱和能带结构、杂质电子态、载流子运输、半导体表面和界面、非晶态半导体、非平衡载流子和运动规律等基本概念和理论，这些知识为学生后面进行相关学科的学习奠定了基础。在半导体物理的专业实验课上开展诸如半导体电阻率、非平衡少数载流子寿命、电容电压特性和霍尔迁移率测量等简单的测试性实验。在实验过程中，实验的操作和实验数据的处理过于简单化，而且，实验时长安排不妥，学生往往用不到一半的时间就可以完成全部内容，所以，实际上，学生在实验过程中收获的并不是很多。综上所述，在半导体物理的教学过程中还存在一些不足需要改进，内容如下:（一）基础知识掌握不牢固。半导体物理涉及的内容包括固体物理、量子力学等多门学科。这样学生所学知识点变得更多，头绪不清，不知道什么是重点，对基本概念的理解更是不清不楚，且不能将所学的知识融会贯通。（二）教材上的内容不能随发展而变。也就是说教材的教学内容更新已经跟不上半导体相关科学知识的飞速发展。因为半导体学科领域极速发展,不断涌现新理论和新成果。（三）教学枯燥无味。只靠教师口述教学内容会让学生感觉内容枯燥、缺乏学习兴趣。教学内容抽象化学生被强加灌输知识，导致学习者在学习方面缺乏主动性和创造性。（四）学生自主学习主管能动性差。现在的教学模式显得被动、单一，这样的教学模式只会导致学生学习兴趣不高，自主学习和主动探索的能力差。（五）学生动手能力差。实验课的设置较少，学生动手的机会也就少了，导致学生缺乏创新精神。半导体物理的学习强调理论与实验相结合，但目前开展的实验内容单一、实验环节固化，感觉不到学生对实验的融入，不仅无法引起学生学习理论课的兴趣，也无法达到训练学生创新性的目的。我们探索并实践了将研究性学习思想引入到半导体物理的教学活动中[1]，重视主体性和创造性价值的培养。以此方式来解决目前半导体物理教学中存在的这些问题，具体的改革如下：
一教师教学观念的转变是实施研究性学习的前提
半导体物理的特点是概念多，理论多，物理模型抽象，不易理解，在课本上上学习，学生会感到内容枯燥，缺少直观性和形象性，学习起来比较困难。因此，教师想尽其所能改变传统的教育方式，在教学中进行专题讲座、分组讨论、充分利用PPT，flash等多媒体软件，安排学生针对具体研究问题进行研究实践等教学形式，转变教学观念，改变学习方式和状态，把学生置于学习的主体地位，创设使学生主动参与的教学情景，激发学生学习的主动性[2]。
二加强课程建设，根据专业特点及科技发展的需要
合理的安排教学内容，讲课内容做到丰富、全面，知识点讲解透彻，同时了解行业发展动态半导体物理学教材采用刘恩科主编的《半导体物理学》第七版，结合我校微电子学专业的具体情况，我们对该书的课内精讲教学内容进行了整合。首先把握好整体知识结构,在此基础上突出教学重点。（一）首先做好先修知识的衔接半导体前五章为理论基础的部分，主要讲述了半导体中的电子状态，杂质和能级缺陷，载流子的统计分布，半导体的导电性与非平衡载流子，在此基础上阐述了电子的有效质量，费米能级，迁移率，非平衡载流子寿命等基本概念。第一章和第四章的知识点包括晶体结构、晶面、晶向、晶格振动、能带理论等，讲授新课之前将涉及到的知识点让学生课下进行自主学习。如果有不理解的内容可通过课下答疑的方式进行辅导。（二）重要的知识要精细解读教师在课堂授课的时候要明确本次课程学习的主线，在主线中穿插重要的概念和主要知识点，复杂公式详细的推导过程被弱化，力求想法清楚、定义明确、难点清晰。比如在教师教授第三章的课程时，学习载流子浓度，应该让学生清楚的明白要先计算的是状态密度，然后再计算费米分布函数或者玻尔兹曼函数，最后计算出平衡时的空穴和电子的浓度。（三）最新的知识扩充因为非常迅速发展的现代半导体技术，以及不断拓展的技术研究方向，半导体领域的相关知识更新也很快，因此，与时俱进是教师应该做到的，时刻关注研究热点与科技前沿，更要将教学内容合理安排。对于本书中的第七章、第九章和第十章书本上的知识点不过多讲解，只做基础的介绍即可，主要讲解基本理论和基本概念，比较难的内容只做一般性的了解。教师要合理取舍教学内容，与其他课程的重叠内容要压缩，更要将教材中的陈旧知识删除。（四）实验内容和方式的转变为调动学生实验的积极性，增加难度，我们将工艺实验中得到的产品用到测试实验中，既能够验证工艺实验的成果，也能够分析更多的实验参数，达到将理论课和实验课内容更好结合的目的，还能锻炼学生对实验数据分析和处理的能力。在实验方面也进行了研究性学习的探索，努力引导学生进行研究性实验。
三引入研究性学习思想，培养学生文献调研能力
网络是知识的海洋，让学生利用网络来学习半导体物理相关资料提高自主学习性以及运用所学的知识进行自主创新的能力是非常重要的。把学生被动式学习的模式转化为以学生为主导的教学方式，让学生融入所设问题的情景中，引出科研中遇到的问题，并对某些问题进行讨论。在文献调研的过程中，让学生充分、及时地了解半导体产业发展的相关动态，学会“详读”和“粗读”文献，多多积累文献中涉及到半导体物理的知识，加强对课堂所学内容的理解，激发学生的创新思维。读过文献后要做出相应的总结汇报，可以以PPT的形式给出，方便其他人对文献的理解，学生也可以尝试到作为一名老师的感觉。这样师生互换角色，在教师的引导下使学生成为富有主动性的探究与学习者。四将科研融入到教学中把科研和教学结合起来，让学生明白自己学习的知识可以具体应用到生产生活的哪些方面。我们可以做的有：（1）针对课堂教学中讲到的半导体中的物理现象或者概念应用到某一个器件的制造中，激励学生通过课程设计过程的方式参与到学院老师的项目中，通过具体的研究工作，将研究结果撰写成研究论文。（2）将已取得的科研成果作为新的教学内容，充实到教学中去，使课堂上所讲的知识和我们实际的工业生产、生活联系起来，远离以往单一、抽象、枯燥的教学，使学生带着问题来学习新知识，鼓励学生参与真实科研项目的研究。以这两种方式提高学生了解问题、剖析问题的能力，让学生积极参与其中，把抽象的东西实物化，教学效果非常明显。综上所述，我们将以更新教学内容、改变教学观念、注重实验、实践教学、培养学生的创新精神为目的进行半导体物理的课程改革来解决教学过程中存在的一些问题。
作者:王月 李雪 张经慧 单位:渤海大学
参考文献
[1]喻思红，范湘红，赵小红.研究性学习教学模式在课堂教学中的实践及评价[J].中华护理杂志，2005，40(5):380-382.
[2]范秉琳，杨志军，袁建梅，等.“研究型学习”教学模式在分析化学教学中的应用[J].中国高等医学教育，2014，(6):62-63.
“十一五”开局之年，我国科技发展取得了许多标志性成果：2006年7月1日，世界上海拔最高、线路最长的高原铁路――青藏铁路全线贯通、 2006年度国家科技奖迎来了多年难得一见的“满堂彩”…… 这一切都预示着我国科技工作在建设创新型国家宏伟战略的指导下又开始了一轮崭新的跨越。
然而，在我国科技事业迅猛发展的主旋律下，依然跳动着与“基本面”不相和谐的音符：2006年5月12日，上海交通大学通报，该校微电子学院院长陈进在负责研制“汉芯”系列芯片过程中存在严重的造假和欺骗行为。虽然陈进被解职，项目被终止，经费被追缴，但“汉芯”作为科研不端的标志性事件，已经被永远钉在了科学殿堂的耻辱柱上！
更令人担忧的是，在我国科技界，大大小小的“陈进”事件并不少见。在这些事件的主角中，夸大成果、过度“包装”者有之，抄袭剽窃、占有他人成果者有之，编造数据，欺世盗名者有之。他们的这些行为不仅严重损害了我国科技界的声誉，还破坏了我国的自主创新环境，影响了科技事业的正常发展。
诚然，科研不端是一个世界性的问题，并不只是中国的“专利”。 据介绍，美国卫生与公共服务部所属的研究诚信办公室，在1994～2003年的十年间，共收到1777个有关学术诚信方面的举报，仅2004年全年就收到了267个。2005年，曾被尊为韩国“民族英雄”兼“首席科学家”的黄禹锡，被韩国首尔大学调查委员会认定科研作假，其2005年刊于美国《科学》杂志上的论文所指11个克隆胚胎干细胞系中，至少9个是伪造。
在当代“大科学”的背景下，科学研究不再是一个封闭的主观事业，需要面对相对复杂的社会环境，因此，存在科研不端行为并不值得大惊小怪，关键是我们要敢于面对事实，要了解行为背后的原因，并采取行之有效的应对之策。
[关键词]自动控制理论；Matlab；模糊控制；鲁棒控制；最优化控制
中图分类号：TP13-4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）01-0310-01
随着控制系统复杂性的增加，不确定因素的增多，要求各控制理论分支有进一步的发展，弥补各理论分支的缺点与不足，以满足更高的控制性能指标。现有的控制理论在线性系统控制中大都能取得良好的控制效果，但对离散、非线性复杂系统领域的研究大都刚刚起步，或处于初级阶段，远未达到人们的期望。而实际工业生产过程的模型一般都很复杂，通常具有非线性、分布参数和时变等特性。因此将控制理论的研究领域推广到非线性复杂系统有重要的实际意义。另外与宏观复杂系统控制相对的量子控制（Quantum Control）也正在作为一个全新的学科领域蓬勃崛起，它的发展也依赖于完善的控制理论和优化控制策略。近年来随着微电子、半导体、计算机等技术的快速发展也强有力的推动了自动控制理论的发展。
一、现代控制理论的产生及其发展
控制理论作为一门科学，它的产生可追溯到18 世纪中叶的第一次技术革命，1765年瓦特发明了蒸汽机，应用离心式飞锤调速器原理控制蒸汽机，标志着人类以蒸汽为动力的机械化时代的开始，后来工程界用控制理论分别从时域和频域角度讨论调速系统的稳定性题，1872年劳斯（Routh E J）和1890年赫尔维茨（Hurwitz）先后找到了系统稳定性的代数据，1932年奈奎斯特（Nyquist H）发表了放大器稳定性的著名论文，给出了系统稳定性的奈奎斯特判据。美国著名的控制论创始人维纳（Wiener N）总结了前人的成果，认为客观世界存在3大要素：物质、能量、信息，虽然在物质构造和能量转换方面，动物和机器有显著的不同，但在信息传递、变换、处理方面有惊人的相似之处，1948 年发表了《控制论―或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，确立了控制理论这门学科的产生。
1.经典控制理论。第一代称为“经典控制理论”时期，时间为20 世纪40～50 年代。它研究的主要对象多为线性定常系统，主要研究单输入单输出问题，研究方法主要采用以传递函数、频率特性、根轨迹为基础的频域分析法，它的控制思想首先旨在对机器进行“调节”，使之能够稳定运行，其次是采用“反馈的方式，使得一个动力学系统能够按照人们的要求精确地工作，最终实现对系统按指定目标进行控制。”
2.现代控制理论。第二代称为“现代控制理论”时期，时间为20 世纪60～70 年代。经典控制理论对线性定常系统可产生良好的控制效果，但是它对多输入多输出、时变、非线性系统的控制却力不从心。所以50 年代末60 年代初，学者卡尔曼等人将古典力学中的状态、状态空间概念加以发展与推广，将经典控制理论中的高阶常微分方程转化为一阶微分方程组，用以描述多变量控制系统，并深刻揭示了用状态空间描述的系统内部结构特性如可控性、可观性，从而奠定了现代控制理论的基础。
3.第三代控制理论。以上所提的经典控制理论和现代控制理论都是建立在数学模型之上的，所以统称为常规（传统）控制。它们为了控制必须建模，但许多实际系统的高维性及系统信息的模糊性、不确定性、偶然性和不完全性给基于数学模型的传统控制理论以巨大的挑战。是否可以改变一下思路，不完全以控制对象为研究主体，而以控制器为研究对象；是否可以用人工智能的逻辑推理、启发式知识、专家系统解决难于建立数学模型的问题呢？智能控制的出现正源于这一思想。1967年Leondes 和Mendel 首次正式使用“智能控制”一词，1971 年傅京孙教授指出，为了解决控制问题，用严格的数学方法研究新的工具来对复杂的“环境2对象”模型进行建模和识别以实现最优控制，或者用人工智能的思想建立对不能精确定义的环境和任务的控制设计方法，这两者都值得试一试，而重要的是把两种途径密切结合起来协调的进行研究。沿着这一思想出发，现代控制理论将微分几何、微分代数、数学分析与逻辑推理、启发式知识建立和发展了智能控制理论相结合从而形成第三代控制理论大系统理论和智能控制理论。
二、Matlab工程软件
关键词：图像缩小 图像放大 FPGA
中图分类号: TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0126-02
Abstract：Because the demand of the real-time image processing performace is very huge，FPGA-based scaler is adapt to it with the parallel processing capality. The paper presents a simplified-structure image pretreatment based on FPGA.It can impliment more complicated image contraciton and amplification algorithm.
Keywords：Image contraction Image amplification FPGA
1、引言
数字图像的缩放在实际生活中被广泛的使用，比如同一DVD视频源在不同的电视机、计算机上显示的时候，由于不同的显示终端的分辨率不同，而数据源的分辨率是相同的，这样就需要将此视频源进行缩放处理。在一些实时性要求很高的场合，比如视频会议系统、视频监控系统等，由于用户需要实时观看到不同视频源的不同分辨率的图像，最常见的应用是监控系统中，监控者可能需要将感兴趣的实时图像进行放大，以便获取更多的监控信息。在这些应用中，对缩放算法的效果和实时特性要求都比较高。FPGA常被用于这类系统的解决方案之中。
2、算法原理
传统的算法采用需要处理的原始图像像素点周围四个点的像素值之间的相关性，通过算法计算得出的。对于目标图像的任意一个限速（x，y），通过反向坐标查找得到原始图像中的浮点坐标为(i+u，j+v)，其中i，j均为非负整数，u，v为[0，1]区间的浮点数，则目标图像的像素值f(x，y)可由原图像中四个坐标分别为(i，j)，(i+1，j)，(i，j+1)，(i+1，j+1)所对应的像素值经过加权得到，即：f(x，y)=C0×f(i，j)+C1×f (i，j+1)+C2×f(i+1，j)+C3×f(i+1，j+1)，其中f(i，j)表示原始图像坐标为(i，j)处的像素值，以此类推，C0～C3为不同的加权系数，根据不同的算法，其取值不同。
传统算法引入的u、v两个浮点数，其系数也是根据此浮点数进行计算的。然而，FPGA处理浮点数比较复杂，只能通过近视逼近的方式，必然会处在精度丢失。另外任意的浮点数经过计算得到的加权系数也是浮点类型，这对后续的乘累加是不利的，因为乘累加需要消耗更多的FPGA中的DSP资源。
本算法采用将缩放比例转换为多个整数倍缩放的累加的方式。可以证明如下命题正确：
对任意自然数M、N（M>N），必然存在非负整数K、L、a使得如下等式成立：
N/M=(K+L)/[Ka+L(a+1)]。
证明如下：
当N=1时，令K=1，L=0，a=N，以上命题显然成立。
当N>1时：
因为M>N，设M=αN+β，其中α = [M/N]([ ]代表取整运算)；β=M%N（%代表求余运算）。显然α、β均为非负整数。
要证明N/M=(K+L)/[Ka+L(a+1)]，等效于
N/M=(K+L)/[（K+L）a+L]…………………………………
令K+L=N，等效于
N/M=N/[Na+L] …………………………………
令L=β，a=α，等效于
N/M=N/[Na+L]= N/[αN+β]= = N/M
所以：
N=1时：K=1，L=0，a=N使得命题成立。
N>1时：K=N-β，L=β，a=α可以(其中α = [M/N]；β=M%N)使得命题成立。
采用同样的方法还可以证明如下命题成立：
对任意自然数M、N（M
N/M=[Ka+L(a+1)] /(K+L)。
根据以上两个结论可以得到如下结论：
任何一种缩放比例都可以通过两种整数倍缩放的组合来实现。而且这两种整数倍相差1行（或列）。
比如3/4缩放，可以通过以上命题结论表示为：
3/4=(1+2)/(2×1+1×2)
即一个3/4缩小的处理可以转换为2个1/1缩放，再加上1个1/2的缩放。
3、算法结果对比
我们比较传统的二次线性缩放算法和本文提出的算法。下图中图1是原始图像，图2是采用二次线性缩放算法缩小为原来的3/4的结果，图3是采用本文提出的算法缩小3/4的结果。
传统的二次线性算法由于均采用多点加权的方式，所以目标图像中任何一个像素实际上都是原始图像经过运算所得。其结果是目标图像的高频分量丢失严重，图像变得比较模糊。而本文的算法采用分段处理的方式，不同的分段其参与加权的像素是不同的，从而仅可能的保留了原始图像的高频分量。从而得到的图像比较明亮清楚。
4、FPGA上的实现
此算法可以在FPGA上比较容易的实现，下图是其实现框图(图4)。
其中LBUF0～LBUF3是4个行缓冲装置，用于存储滤波过程中需要的的多行数据，当数据从BUF0-->BUF1-->BUF2-->BUF3的时候，FIR模块判断当前的数据是否需要做滤波处理，以及其滤波系数为多少。然后进行乘累加得到最终的滤波结果。
在FPGA实现的时候，采用分辨率是1024×768的RBG原始数据进行处理，所消耗的资源如下：RAM资源96kbit，slice1.5k。
5、结语
本文提出了一种能能够将任意缩放比例转化为多个整数倍缩放的组合，从而避免了复杂的浮点运算，非常适合FPGA来实现该算法，是一种非常经济的工程实现方案。
参考文献
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作者简介
【论文摘要】：机电一体化是一种复合技术，是机械技术与微电子技术、信息技术互相渗透的产物，是机电工业发展的必然趋势。本文简述了机电一体化技术的基本结构组成和主要应用领域，并指出其发展趋势。
现代科学技术的发展极大地推动了不同学科的交叉与渗透，引起了工程领域的技术改造与革命。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。
一、机电一体化的核心技术
机电一体化包括软件和硬件两方面技术。硬件是由机械本体、传感器、信息处理单元和驱动单元等部分组成。因此，为加速推进机电一体化的发展，必须从以下几方面着手：
（一）机械本体技术
机械本体必须从改善性能、减轻质量和提高精度等几方面考虑。现代机械产品一般都是以钢铁材料为主，为了减轻质量除了在结构上加以改进，还应考虑利用非金属复合材料。只有机械本体减轻了重量，才有可能实现驱动系统的小型化，进而在控制方面改善快速响应特性，减少能量消耗，提高效率。
（二）传感技术
传感器的问题集中在提高可靠性、灵敏度和精确度方面，提高可靠性与防干扰有着直接的关系。为了避免电干扰，目前有采用光纤电缆传感器的趋势。对外部信息传感器来说，目前主要发展非接触型检测技术。
（三）信息处理技术
机电一体化与微电子学的显著进步、信息处理设备（特别是微型计算机）的普及应用紧密相连。为进一步发展机电一体化，必须提高信息处理设备的可靠性，包括模/数转换设备的可靠性和分时处理的输入输出的可靠性，进而提高处理速度，并解决抗干扰及标准化问题。
（四）驱动技术
电机作为驱动机构已被广泛采用，但在快速响应和效率等方面还存在一些问题。目前，正在积极发展内部装有编码器的电机以及控制专用组件-传感器-电机三位一体的伺服驱动单元。
（五）接口技术
为了与计算机进行通信，必须使数据传递的格式标准化、规格化。接口采用同一标准规格不仅有利于信息传递和维修，而且可以简化设计。目前，技术人员正致力于开发低成本、高速串行的接口，来解决信号电缆非接触化、光导纤维以及光藕器的大容量化、小型化、标准化等问题。
（六）软件技术
软件与硬件必须协调一致地发展。为了减少软件的研制成本，提高生产维修的效率，要逐步推行软件标准化，包括程序标准化、程序模块化、软件程序的固化、推行软件工程等。
二、机电一体化技术的主要应用领域
（一）数控机床
数控机床及相应的数控技术经过40年的发展，在结构、功能、操作和控制精度上都有迅速提高，具体表现在：
1、总线式、模块化、紧凑型的结构，即采用多CPU、多主总线的体系结构。
2、开放性设计，即硬件体系结构和功能模块具有层次性、兼容性、符合接口标准，能最大限度地提高用户的使用效益。
3、WOP技术和智能化。系统能提供面向车间的编程技术和实现二、三维加工过程的动态仿真，并引入在线诊断、模糊控制等智能机制。
4、大容量存储器的应用和软件的模块化设计，不仅丰富了数控功能，同时也加强了CNC系统的控制功能。
5、能实现多过程、多通道控制，即具有一台机床同时完成多个独立加工任务或控制多台和多种机床的能力，并将刀具破损检测、物料搬运、机械手等控制都集成到系统中去。
6、系统的多级网络功能，加强了系统组合及构成复杂加工系统的能力。
7、以单板、单片机作为控制机，加上专用芯片及模板组成结构紧凑的数控装置。
（二）计算机集成制造系统（CIMS）
CIMS的实现不是现有各分散系统的简单组合，而是全局动态最优综合。它打破原有部门之间的界线，以制造为基干来控制“物流”和“信息流”，实现从经营决策、产品开发、生产准备、生产实验到生产经营管理的有机结合。企业集成度的提高可以使各种生产要素之间的配置得到更好的优化，各种生产要素的潜力可以得到更大的发挥。
（三）柔性制造系统（FMS）
柔性制造系统是计算机化的制造系统，主要由计算机、数控机床、机器人、料盘、自动搬运小车和自动化仓库等组成。它可以随机地、实时地、按量地按照装配部门的要求，生产其能力范围内的任何工件，特别适于多品种、中小批量、设计更改频繁的离散零件的批量生产。
（四）工业机器人
第1代机器人亦称示教再现机器人，它们只能根据示教进行重复运动，对工作环境和作业对象的变化缺乏适应性和灵活性；第2代机器人带有各种先进的传感元件，能获取作业环境和操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，做出一定的判断，对动作进行反馈控制，表现出低级智能，已开始走向实用化；第3代机器人即智能机器人，具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维、判断和决策，在作业环境中独立行动，与第5代计算机关系密切。
三、机电一体化技术的发展前景
纵观国内外机电一体化的发展现状和高新技术的发展动向，机电一体化将朝着以下几个方向发展：
（一）智能化
智能化是机电一体化与传统机械自动化的主要区别之一，也是21世纪机电一体化的发展方向。近几年，处理器速度的提高和微机的高性能化、传感器系统的集成化与智能化为嵌入智能控制算法创造了条件，有力地推动着机电一体化产品向智能化方向发展。智能机电一体化产品可以模拟人类智能，具有某种程度的判断推理、逻辑思维和自主决策能力，从而取代制造工程中人的部分脑力劳动。
（二）系统化
系统化的表现特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意的剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。表现特征之二是通信功能大大加强，一般除RS232等常用通信方式外，实现远程及多系统通信联网需要的局部网络正逐渐被采用。未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，如何赋予机电一体化产品以人的智能、情感、人性显得越来越重要。机电一体化产品还可根据一些生物体优良的构造研究某种新型机体，使其向着生物系统化方向发展。
（三）微型化
微型机电一体化系统高度融合了微机械技术、微电子技术和软件技术，是机电一体化的一个新的发展方向。国外称微电子机械系统的几何尺寸一般不超过1cm3，并正向微米、纳米级方向发展。由于微机电一体化系统具有体积小、耗能小、运动灵活等特点，可进入一般机械无法进入的空间并易于进行精细操作，故在生物医学、航空航天、信息技术、工农业乃至国防等领域，都有广阔的应用前景。目前，利用半导体器件制造过程中的蚀刻技术，在实验室中已制造出亚微米级的机械元件。
（四）模块化
模块化也是机电一体化产品的一个发展趋势，是一项重要而艰巨的工程。由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、信息接口的机电一体化产品单元是一项复杂而重要的事，它需要制订一系列标准，以便各部件、单元的匹配和接口。机电一体化产品生产企业可利用标准单元迅速开发新产品，同时也可以不断扩大生产规模。
（五）网络化
网络技术的飞速发展对机电一体化有重大影响，使其朝着网络化方向发展。机电一体化产品的种类很多，面向网络的方式也不同。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。
（六）绿色化
工业的发达使人们物质丰富、生活舒适的同时也使资源减少，生态环境受到严重污染，于是绿色产品应运而生。绿色化是时代的趋势，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对生态环境无危害或危害极小，资源利用率极高。机电一体化产品的绿色化主要是指使用时不污染生态环境，报废时能回收利用。绿色制造业是现代制造业的可持续发展模式。
综上所述，机电一体化技术是众多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。它促使机械工业发生战略性的变革，使传统的机械设计方法和设计概念发生着革命性的变化。大力发展新一代机电一体化产品，不仅是改造传统机械设备的要求，而且是推动机械产品更新换代和开辟新领域、发展与振兴机械工业的必由之路。
【参考文献】：
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