时间：2022-07-07 08:21:51
网络编码实际上是将路由和编码的信息进行相互交换的方式。传统路由主要是实现信息的存储和转发，网络编码则能够接收到几个不同的数据组，然后将其融合编码信息，增大传输信息的数量，从而能大大提高网络的利用效率，结束了传统中认为独立比特不可压缩的理论。它的工作原理是利用有限域中的运算，将接收到的几个不同的数据组，在网络不同的结点中进行重新编码组合，然后将编码过的数据以多播的形式转发给各个目的结点，并由目的结点对其解码还原，得到原始数据，这样就实现了通信。网络编码的主要优势是提高了网络通信的系统性能，提高通信效率，这是因为网络编码增大了每次传输的数据量，减少了传输数据的次数，从而能够很好地提高网络通信的性能，不仅增加了网络数据的吞吐量，也提高了宽带的利用效率，还能平衡各网络目的结点之间的负载能力。在当前人们越来越依赖无线通信技术的的背景下，网络编码对提高网络安全、提高资源利用率等方面也有十分重要的作用。
2基于网络编码的数据通信技术研究
网络编码在网络数据通信中具有十分明显的优势，其理论研究价值和应用前景都是不言而喻的。世界上一些高等学府和科研机构都展开了对网络编码的研究，并且在多个方面取得了不小的成果。
2.1网络协议结构
当前网络编码研究中涉及到的主要部分还是在网络层方面，特别是如何有效地将路由协议与网络编码有机结合，是基于网络编码的网络结构研究的重要方面。有一部分研究已经深入到网络编码如何有效结合协议结构中其他协议层，例如网络编码与MAC层协议或者与传送层TCP协议等等的结合问题。因为网络编码的特性与传统网络数据通信的方式有很大的区别，所以为了不更改已普遍应用的传统网络协议，将网络编码与其融合将会遇到各种各样新的问题，例如，它们之间的兼容性、网络编码对网络协议结构是否会产生不利的影响。这些问题都是后来研究者需要解决的问题，同时也为研究基于网络编码的网络协议结构提供了框架性借鉴，使得网络编码能够与传统的网络协议有机融合，提高网络通信性能。
2.2数据传送模型
网络编码具有的最重要的功能之一就是将数据智能化处理，这主要是通过对编码策略的设计来实现，而码构造算法是编码策略设计的基础。码构造算法主要是针对网络中间结点的编码方式，它需要保证目的结点能够有效识别出传递的编码信息并进行正确解码。所以码构造算法包含了编码和解码两个内容，并且要求其算法复杂程度低，易于实施应用。码构造算法主要有三种：代数型、线性型、随机型。线性网络编码能将中间结点接受的各路信息进行线性组合，这种编码运算较简单，所以得到了普遍应用。
2.3路由协议
基于网络编码的路由协议的优化设计能够有效提高网络数据的传递效率和性能，它是能够将网络编码应用到实际中的重要基础，而且将路由协议与网络编码进行更高层次的融合是十分重要的研究课题，可以为以后开发新的网络提供借鉴和指导。基于网络编码的路由协议研究主要有两个方面：独立路由协议和编码感知的路由协议，它们主要的不同点是路由协议产生的过程中能否主动编码，也就是说路由协议是否能够提高编码的利用效率。
2.4数据传输性能保障机制
实际应用中，网络环境复杂多变，数据传输的突然性和网络拓扑结构不稳定都可能导致数据传输出现不稳定的状况，例如造成数据丢失或者传输延迟等。所以基于网络编码的数据传输技术的开发应该结合实际的网络环境，研究出能确保数据正确传输的保障机制和编码策略，尤其需要尽可能减少数据传输的延迟时间和保证数据可靠传输。所以，基于网络编码的数据通信中，利用QoS保证机制是当前研究的重要课题之一。当前已研究出来几个解决方案，比如建立数据延迟时间的模型，从模型中找出延迟的解决方案；利用多速率编码器来分析各路中传输速率不同的数据，从而减小数据在编码器中的传输时间。
3结语
关键词 小波域；转码；分布式视频编码；HEVC
DOI DOI： 10.11907/rjdk.162729
中图分类号： TP301
文献标识码： A 文章编号 文章编号： 16727800（2017）002000103
0 引言
伴S着多媒体技术的日益完善与广泛应用，数字视频技术诞生了多种视频编码技术，例如H.26x系列、MPEG、JPEG2000和分布式视频编码（Distributed Video Coding，DVC）技术等。由于不同视频编码技术之间存在视频帧率、视频码率和视频分辨率等不兼容问题，极大地阻碍了多媒体视频通信的普及与应用。可以预见视频转码技术在多媒体视频通信时代担任的角色将越来越重要。视频转码技术是一种解决视频编码端与视频解码端不匹配问题的技术，通过视频转码技术可以实现不同的视频标准、视频分辨率、视频帧率和视频码率等之间的相互转换。视频转码器可以划分为两大类：同构转码器和异构转码器。同构转码器指在同样编码标准下的码流转换，可实现视频分辨率、视频帧率和视频码率相互转换；而异构转码器是不同类别压缩视频流之间的转换，如MPEG2到H.264、MPEG4到H.264和本文的分布视频编码到HEVC等。分布式视频编码是一种以SlePianWolf（1973）[1]的无损分布式编码理论和WynerZiv（1976）[2]的有损分布式编码理论为基础的新型视频编码技术。分布式视频编码技术通过将系统中高复杂度的运动估计与运动补偿从编码端转移到解码端，实现了其编码端简单、解码端复杂的特点。因此，分布式视频编码技术适用于编码端计算能力受限、功耗受限和内存受限的应用场合，例如无线视频监控和无人机航拍领域。
由于DVC具有编码端复杂度低的特点，国内外学者对有效地将DVC技术与传统视频编码标准结合起来的转码技术进行了深入研究。吴伟[3]介绍了分布式到H.264转码过程中复杂度高和时延长等问题，以及利用 DVC解码端生成的运动矢量可降低转码的计算复杂度和时间，提高转码效率；孙思阳等[4]对分布式视频编码技术的理论基础以及分布式视频编码过程中的关键技术进行了阐述，并详细介绍了从DVC到H.264的转码技术中各个模块的实现细节。随着新一代视频编码标准的，HEVC的出现标志着视频压缩编码技术进入了新时代。HEVC作为H.264标准的继承者，与H.264相比，HEVC可以在同等的视频质量下节省约50%的比特率[5]，但是HEVC以增加其编码端复杂度的代价获得高压缩率。自从新一代视频编码标准后，国内外学者开始对其它视频编码转码到HEVC进行了研究。蒋炜等[6]提出了一种基于区域特征分析的H.264到HEVC快速视频转码方法。以上参考文献对DVC到H.264与H.264到HEVC的理论基础以及关键技术进行了详细阐述，但针对DVC到HEVC转码技术的相关研究仍然较少，因此本文提出基于小波域的分布式视频编码到HEVC快速转码技术研究。通过本文的视频转码技术，可以充分利用分布式视频编码与HEVC的优点，实现编码端与解码端的低复杂度，并将分布式视频编码与HEVC高复杂度的运算转移到转码服务器。
1 DVC到HEVC快速转码框架
分布式视频是一种新兴的视频编码技术， 它具有编码端复杂度低、压缩效率高和鲁棒性高的优点。而HEVC是新一代的视频编码标准，它具有码端复杂度极高、解码端复杂度低、压缩效率极高等特点。DVC到HEVC的转码技术可以充分利用分布式视频编码和HEVC的优势，使DVC到HEVC的视频转码具有编码端与解码端复杂度低、压缩效率高的特点。
1.1 HEVC四叉树划分复杂度分析
HEVC采用基于递归调用的四叉树划分方式，提高了其图像分块的灵活度和压缩性能[7]。然而，该划分方式极大地增加了HEVC编码端复杂度。在HEVC中，CU的划分尺寸有64×64、32×32、16×16和8×8共4种。一个CTU的四叉树划分过程如下：首先计算尺寸为64×64的CU率失真代价以及其PU的最佳预测模式；再将64×64的CU划分成4个尺寸为32×32的CU，并计算每个CU的率失真代价以及最佳预测模式；采用相同的划分方式再将32×32的CU划分为16×16和8×8的CU，并计算相应的率失真代价和PU最佳预测模式；最后，从8×8的CU到64×64的CU逐级往上比较其率失真代价，保留最小率失真代价的CU划分模式。其详细划分过程如图1所示。
在帧间编码模式下，确定一个CTU递归划分方式以及每个CU对应的PU预测模式需要计算的率失真代价次数高达680次，而对于分辨率为720P的视频序列，一幅图片需要计算的率失真代价高达6.364 8*104次。在HEVC编码端，CTU的递归划分方式的计算量占整个编码端计算量的90%以上，其中CU64、CU32、CU16和CU8在CTU各层次划分的时间开销所占百分比分别为16%、23%、30%和31%[8]。因此，本文针对HEVC编码算法中CTU四叉树划分高复杂度的特性，提出在转码过程中，充分利用分布式解码的码流信息来加速HEVC重编码过程中CTU的四叉树划分，以提高转码器性能。
1.2 基于帧间预测的DVC-HEVC转码
由于在HEVC频编码中，I帧和P帧的CU划分都是采用递归调用的四叉树划分方式，根据帧间相关性，同一图像组内的I帧与P帧的CU划分模式存在相似之处，不同之处在于其PU的划分方式。当QP分别为18、22、26时，本文对BasketballDrill与BQMall两种视频序列，分别在帧内编码和帧间编码编码模式下，对其CU的划分深度进行统计分析。首先提取帧内与帧间编码后的CU划分方式，再将100帧图像中所有的CU分割为4×4的块，然后对100帧中每个块对应的帧内与帧间的CU划分深度进行统计，统计结果如表1所示。表1的实验数据说明，帧内CU划分深度大于等于帧间CU划分深度的比例高达90%以上，而分布式视频编码的关键帧可以采用HEVC帧内编码方式。因此，本文基于分布式视频编码的特点以及视频序列的帧间相关性提出了小波域分布式视频编码到HEVC快速转码的系统，其转码框图如图2所示。
如图2所示，在分布式视频编码端，由视频分类器将视频序列按一定间隔，交替划分为关键帧（K帧）和Wyner-Ziv帧（WZ帧）。其中关键帧K帧采用HEVC帧内编码方式生成HEVC关键帧码流，再将关键帧码流传输到转码器。WZ帧采用Wyner-Ziv编码模式[910]生成WZ帧码流，再将WZ帧码流经反馈信道传输到转码器。
在转码器接收到WZ帧码流和HEVC关键帧码流之后，首先将HEVC关键帧进行帧内解码，并在解码的同时提取关键帧的CU划分方式；将HEVC解码器解码重建的视频图像经小波变换、运动估计和运动补偿后生成WZ帧的边信息，将边信息经过信道译码后，进行反量化和离散小波逆变换，重建WZ帧[11]；然后用DVC中关键帧CU划分方式对重建WZ进行CU的划分，并判断当前CU的预测单元PU的最佳预测模式，将WZ帧的CU划分深度以及PU预测模式输入到HEVC编码器中；由于HEVC编码器已经得到当前WZ帧的CU划分深度以及其PU预测模式，HEVC编码器可以快速地进行HEVC视频编码并产生HEVC码流。
2 实验结果与分析
实验以BasketballDrill、BQMall视频序列为例，验证提出的小波域分布视频编码到HEVC快速转码的有效性。本次实验将本文提出的小波域DVC到HEVC快速转码与小波域DVC到HEVC级联转码的转码性能进行对比。实验视频序列的视频格式为420P，测试帧数为100帧，帧率为30Hz，量化步长分别为18、22、26。为了测试本文提出的小波域分布式视频编码到HEVC转码的性能，本文分别对转码时间比和峰值信噪比进行数据统计，其结果分别如表2、表3所示。
式（1）中，ΔPSNR表示本文转码方案与级联转码方案在转码后视频的峰值信噪比对比情况，ΔPSNR越小，表明按本文方案对视频转码后，视频质量越差。式（2）中T表示DVC到HEVC转码需要的时间，ΔT表示本文转码方案在级联转码方案节省的时间占整个级联转码所需时间的百分比，负百分比的绝对值越大，表明本文提出的转码方案节省时间越多。
表2表示本文小波域分布式视频到HEVC的快速转码方案与小波域分布式视频编码到HEVC级联转码的转码时间对比情况。对于BasketballDril序列，当Qp值分别为18、22、26时，其T分别为-40.61%、-41.15%、-56.75%；对于BQMall序列，当Qp值分别为18、22、26时，其分别为-66.15%、-68.14%、-68.55%。结果表明，本文提出的小波域DVC到HEVC的分布式转码算法和级联转码算法相比，本文提出的转码算法极大地降低了转码时间。
表3表示本文小波域分布式视频到HEVC的快速转码方案与小波域分布式视频编码到HEVC级联转码峰值信噪比的对比情况。对于BasketballDril序列，当Qp值分别为18、22、26时，其PSNR分别为-0.05dB、-0.07dB、-0.07dB；对于BQMall序列，当Qp值分别为18、22、26时，其PSNR分别为-0.17dB、-0.05dB、-0.04dB。本文提出的快速转码方案与级联转码相比，本文方案的峰值信噪比平均下降了0.075dB。实验结果表明，本文提出的小波域DVC到HEVC的快速转码算法几乎不降低视频质量。
3 结语
分布式视频编码是一种编码端简单、解码端复杂的新型视频编码技术，而HEVC则是一种编码端复杂、解码端简单的新一代视频编码技术。通过DVC到HEVC的转码器把复杂度最高的计算转移到转码器，可以实现一种编码端与解码端都简单的视频编码技术。本文针对HEVC视频码中，CU的递归划分方式占整个编码端计算量的90%以上，提出利用分布式视频编码中关键帧的CU信息，在转码器中对WZ帧进行四叉树划分，并生成相应CU的预测模式，从而避免了CU基于四叉树的递归划分，极大地降低了转码器复杂度。本文从转码时间和转码后的峰值信噪比方面对本文的小波域DVC到HEVC快速转码和小波域DVC到HEVC的级联转码进行了对比。实验结果证明，本文提出的快速转码方案在几乎不降低转码后视频质量的前提下，能平均降低约56.89%的转码时间。
参考文献 参考文献：
[1] SLEPIAN，DAVID，J K WOLF.Noiseless coding of correlated information sources[J].IEEE Transactions on Information Theory ，1973，19（4）：471480.
[2] WOLFFOWITZ J.The rate distortion function for source coding with side information at the decoder.II[J].Probability Theory & Related Fields，1978，50（3）：245255.
[3] 吴伟，卿粼波，王正勇，等.DVC转码技术研究[J].电视技术，2015（19）：7177.
[4] 孙思阳.DVC分布式视频编码到H.264的转码实现[D].北京：北京邮电大学，2011.
摘要：在无线通信系统中，适合多输入多输出（MIM0）天线技术的空时编码技术能够明显地提高系统的容量，改善无线通信系统的性能。文章在空时分组码（STBC）基础上，对四发射天线DSTTD编码系统进行了编译码介绍，并进行了误码性能的仿真，最后得出结论。
关键词：多输入多输出；空时编码；DSTTD
信息论领域的研究表明，无线衰落信道环境下，采用多输入多输出（MIMO）天线技术可以显著地提高系统的容量，并改善无线通信系统的性能，非常适合下一代移动通信系统对高速率、高流量业务的要求。适合MIMO系统的空时编码技术可以使MIM0系统容量接近理论容量，且可以有效地对抗多径信道引起的干扰，提高系统的性能。1998年Alamouti提出的发射分集技术――空时分组码（STBC），由于其简单的结构和良好的性能得到了广泛地研究，并很快进入3GPP标准。本文在此基础上讨论了四发天线DSTTD编码系统，采用排序串行干扰抵消译码算法（OSIC），仿真编码的误码性能。
文章第一部分给出了STTD系统的模型，讨论接收端的接收信号模型；接着，给出了编码方式，介绍了排序串行干扰抵消算法。在第三部分，对编码算法进行误码性能仿真。最后，得出结论。
1 系统模型
发射端均采用STBC编码，即发射的数据均进行简单的两发天线的Alamouti编码，该编码方案称为DSTTD（doubleSTTD）。本文以四发射天线四接收天线的MIMO系统作为研究对象，STTD编码系统模型如图1所示。发射天线分为两组，一、二发射天线分为一组，三、四天线分为一组。两组均采用Alamouti空时编码。具体实现过程在第二部分给出。信号在发射端经过调制、串并变换和编码以后，通过天线发射出去，经过MIMO信道到达接收端。在接收端分别进行空时译码、并串变换和解调，检测出发射序列。在信号通过信道时，假设信道服从准静态平坦Rayleigh衰落信道高斯。假设发送端未知信道状态信息（CSI），而接收端对信道状态信息进行精确估计，即接收端获得理想信道状态信息。
设在T个符号周期内发送的空时编码矩阵为C，则四根接收天线上的信号为
ri（t）表示第i根接收天线在第t时刻接收到的信号，hij相互独立，表示发送天线i到接收天线j的信道增益系数，服从均值为0、方差为0.5的高斯分布。W为均值为0的加性高斯白噪声，ni（t）表示第i根接收天线在第t时刻接收到的噪声信号。编码矩阵C根据发射端采用的编码组合方式而定，如图1所示。
在对接收端的信号进行译码时，只要对信道转移矩阵进行相应地处理，其译码算法可以采用常用的迫零算法（ZF）、最小均方误差算法（MMSE）、QR分解算法等。这里采用VBLAST的经典Go1den译码算法一排序串行干扰抵消算法（OSIC），因为该算法的译码性能比较好。其算法的过程如下：
基于高层建筑室内密集立体覆盖的高密度异构多向中继场景，其通信特点为：
（1）室内通信业务呈现多样性，无线异构自组织网络面向不同应用场景和目标用户。
（2）同一建筑内部用户的共性信息需求导致了大量数据的室内共享，用户拥有先验信息，但本地业务多样的路由状态导致用户先验信息不成对，而传统对传场景不适用。
（3）高层建筑室内通信各用户遮挡情况不同，导致各链路信噪比迥异，传统对称情景不适用。
（4）需阐明非对称、单中继多向传输情况下基于节点先验信息的干扰消除方法。
根据高层室内的通信特点，研究异构小基站立体自组织网络下多向中继技术，实现干扰消除和提高频谱利用率，其核心难点在于：
（1）逼近非对称容量的传输策略如何实现。
（2）对多个时变信道如何最佳自适应耦合的功率和速率。
（3）成对、非成对先验信息下如何逼近容量域。
根据构建模型的通信特点及研究问题的核心难点，本文拟初步研究密集立体覆盖移动通信中，围绕高层建筑室内通信的静态信道建模和动态信道建模，研究高密度异构小基站立体自组织网络的多向中继技术。通过探索在中继小基站进行网络编码、信道编码、自适应调制以及多种技术的联合设计，实现立体交互的先验干扰消除，同时提高中继信道传输的频谱利用率。本文提出两点突破方向：
（1）联合设计网络编码和调制，以功率速率优化遍历容量加权和。
（2）针对成对用户互传先验信息已知场景的干扰消除，创新编译码构架以逼近信道容量。
综上阐述，本文在引言部分阐明了多用户先验干扰消除技术的若干挑战及可能的应对方法。第1章节研究中继端网络编码、信道编码、自适应调制技术以及它们的联合设计等若干问题。第2章节将从两用户双向中继场景入手，重点研究自适应调制和网络编码调制的联合设计，提出了变功率-速率自适应网络编码相移键控调制（NC-PSK）方案。第3章节进一步扩展两用户到多对用户信息交换场景，提出了联合网络-脏纸编码（JNDPC）技术，进一步提高下行信道容量。
1 室内密集覆盖网络多向
中继通信传输技术
本章节分别研究无线多向中继的物理层网络编码技术、自适应调制技术和信道编码技术，以及这些技术的联合设计，是第2章、第3章节研究的理论依据。
1.1 物理层网络编码技术
无线中继网络的广播特性非常适合网络编码技术的应用。线性网络编码概念[3-4]指出对组播网络中的某些节点附加编码处理能够使源与组播成员间达到最大流最小割的组播速率。网络编码的提出引发了一系列关于网络编码的研究[5-11]，Wu等最早研究将网络编码与物理层广播相结合[5]；Wu和Xie等从信息论角度研究了非对称解码转发双向中继下行信道的容量[5-6]；从实际应用角度出发，Chen等研究了基于认知的网络编码[7-8]，阐明利用先验信息能够提高非对称中继的吞吐量；Chen等研究分区理论[9]和解码转发双向中继（DF-TWR）编码方案[11]，提出了网络编码调制（NCM）和基于网络编码的最大比合并方案[9-10]，在提高网络吞吐量的同时能够以低复杂度算法获得分集增益。此外，Chen等还提出了变功率恒定速率自适应网络编码调制方案[9]，这一方案启发我们进一步研究变功率变速率自适应-网络编码调制在衰落信道下传输方案的可行性和性能分析。
从集合分割思想出发，结合实际应用广泛的QAM和相移键控（PSK）调制，Chen等提出的NC-QAM/PSK能够最大化符号间的欧氏距离[9]，保证误码率的同时提高了网络吞吐量。解码-转发双向中继场景中，NC-QAM/PSK方案在发端对两路映射后的信号进行幅值（QAM调制取模1）或角度（PSK调制取模2*π）操作[9]，产生和信号经衰落信道广播至用户。在接收端，不同用户根据自身的先验信息旋转判决域（解模操作）解调出所需信息。网络编码调制及网络编码是第2章节和第3章节的理论基础。
1.2 自适应调制技术
自适应调制技术是一种典型的抗衰落技术[12-17]。根据对信道预测的结果，在不牺牲误码率性能的前提下，根据无线通信环境和服务质量（QoS）要求，通过动态地改变发送端的发送功率、传输速率、编码方案等资源[12-14]，在较好的无线信道条件下分配较多的资源，而当无线信道质量下降时，相应地降低传输速率，最终达到提高系统资源利用率、获得较高的系统吞吐量的目的。
针对点对点单信道传输场景，A. Goldsmith在信息论意义上[13]和误码率基础[14]上，分别给出了连续速率连续功率方案可达速率的闭式解，并给出离散速率连续功率QAM方案的数值解。扩展至单中继多向传输场景，需要阐明如何调整功率速率来适应多链路信道衰落[15-16]。研究以单基站多向中继通信的自适应调制需要考虑以下几个问题：
（1）下行信道等效于用户（收端）已知先验信息情况的广播信道。
（2）发送端的发送功率需要适应多条信道的信道条件。
（3）多资源分配的自适应调制问题的复杂度随收端用户数的增加而急剧上升。
联合功率-速率自适应调制技术将作为第2章节的基础。
1.3 信道编码技术
信道编码技术是保证通信系统可靠性的有效方法。无线单中继协作通信系统中加入信道编码，虽然增加了中继节点的运算量，但可改善系统的纠错性能，从而有效抵抗无线信道时变性引起的信号衰落信道干扰的影响。
多向中继技术中信道编码方案选取灵活，系统的信道环境较好或者对系统实时性要求较高的情况下可以选用卷积码、TCM等作编码方案；而信道环境较差时可以选择高性能信道编码技术如Turbo、LDPC等作为信道编码方案。
1.4 联合设计方案
单中继多向传输综合采用信道编码、网络编码、自适应调制技术的联合设计能够极大地提高网络性能。解码-转发中继协议由于在中继端先解码再编码转发，因此更适合单中继端联合多种技术进行设计。我们根据室内通信的两种具体场景将分别研究两种实际的多向中继协作通信方案：单中继双向信道联合功率速率自适应-网络编码调制、单中继多向成对用户信息互传联合网络-脏纸编码。
2 双向中继自适应网络
编码调制技术
解码-转发双向中继系统模型如图2所示。假设中继端已正确接收并且解码上行信号，那么自适应-网络编码调制需研究下行广播信道的设计。
此系统模型中，两用户对传信息，第一、第二时隙（避免干扰）源节点分别将信号传至中继节点并解码；第三时隙中继节点完成信号处理，再编码后广播至目的节点（目的节点是第一、第二时隙的源节点）。目的节点接收到信号后通过自身已有的信息解调出需要信息[9，17]。
2.1 联合自适应调制和网络编码调制
一种衰落信道联合功率-速率自适应网络编码调制的系统结构如图3所示。
图中，[w1，w2]表示两路解码后待编码调制信息，[x[t]]表示调制待发送信号，t是时刻参数，[g1[t]，g2[t]]表示功率增益，[n1[t]，n2[t]]为高斯白噪声，[w1，w2]表示用户端解调出的信号。
2.2 连续速率连续功率自适应
NC-PSK
基于误码率界，点对点变功率变速率自适应QAM[14]的频谱利用率有详细推导。同样基于误码率界和PSK实际调制技术，我们构建单中继双向通信下行信道，联合功率-速率自适应NC-PSK调制的优化问题表达如下：
式中[γi，i=1，2]为两信道信噪比，[p（γi）]表示衰落分布，[S（γ1，γ2）]表示发送端功率，[R]表示数据总传输速率，[B]表示传输带宽，[S]为平均功率约束。[R[γ1，γ2，S（γ1，γ2）]]可以由公式（2）给出：
式中[ωi]表示用户的权重系数，[Mi（γi）]表示星座调制阶数（速率）。此优化问题是凸优化问题，利用KKT（Karush-Kuhn-Tucker）条件求得连续功率连续速率自适应NC-PSK的功率分配策略闭式解[17]为：
式中[c1，c2，c3，c4]为PSK误码率界参数[15]，[K1，K2]由误码率要求决定，[v*]为互补松弛条件。将公式（1）、（3）带入公式（2）即得到连续速率-功率自适应NC-PSK方案的频谱利用率。
2.3 离散速率连续功率自适应
NC-PSK
考虑到上述方案应用于实际通信系统，我们进一步提出连续速率离散化自适应NC-PSK方案。将2.2节连续星座阶数[Mi（γi）]离散化得到[Mi={2，4，8，16...}]。在连续方案功率分配策略（2-3）基础上，构建连续速率离散化方案步骤如下：
（1）通过计算得到2.2节连续方案的[Mi（γi）]，[S（γ1，γ2）]，[υ*]等参数。
（2）每对[γi]对应的发送功率[S（γ1，γ2）]不变，根据[γi]和[Mi={2，4，8，16...}]划分信噪比衰落区间，将原先连续方案中的[Mi（γi）]按此区间向下取整，得到整数阶调制[Mi']。
（3）将[Mi']替代[Mi（γi）]重新带入公式（2-2），计算此时的频谱利用率。
需要说明的是，步骤（2）中向下取整意味着功率相比于此时的速率是过足的，也即这种传输方案存在了功率损失，或者等效于速率损失。在[S]、[B]等参数归一化情况下，最大速率损失小于0.3 bps/Hz。
2.4 性能仿真及结论分析
本节仿真验证分析2.2、2.3节提出的联合功率自适应-网络编码调制方案的可行性和有效性。频谱利用率的数值结果如图4所示。连续速率连续功率自适应NC-PSK、连续速率离散化NC-PSK的数值结果如图4（a）、图4（b）所示。通过统一仿真参数[17]，对比分析A. Goldsmith点对点单链路自适应方案[13-14]，能够得到以下结论：
（1）解码-转发双向中继采用联合功率速率自适应-网络编码方案比恒定功率方案的频谱利用率要高，且高度逼近点对点单链路变功率变速率曲线。
（2）采用误码率界的方案相比香农界的结果之间的“空隙”由误码率要求所决定，而误码率界方案更具有实际意义。
（3）连续速率离散化自适应NC-PSK传输方案具有实际意义，方案性能接近点对点单链路离散方案，它们性能之间的差距随着信噪比的增大而减小。
结论验证了联合自适应-网络编码调制方案能够在保证误码率一定的情况下，进一步提高双向中继网络吞吐量，有效对抗信道衰落，这一技术在多向中继中会有进一步的发展。
3 多向中继联合网络-脏纸
编码技术
在第2章节双向中继传输模型基础上，我们进一步研究单中继-多对用户信息互传下行广播信道模型下（如图5所示），联合信道编码-网络编码技术的多向中继传输方案。此外，Sima等进一步对3用户间任意信息互传进行了研究[18]。
中继节点接收到多对用户传至的信息，并对信息再次进行信道编码。方案中信道编码采用脏纸编码，作为一个干扰消除编码，被认为是消除认知无线网络用户之间干扰，达到认知无线信道容量的最有效方法。
3.1 成对信息交换的网络-脏纸编码
技术
脏纸编码是在存在干扰的情况下，利用发射机已了解的信道基本情况，通过在发射端处理信号，使接收机在接受信号时可以认为传输不存在干扰，从而增加系统总容量。我们研究将网络编码嵌入到脏纸编码设计中，提出了联合网络-脏纸编码（JNDPC），并在此基础上创新提出了一种顺序网络编码[19]（SNC），其编解码流程如图6（a）所示。
根据图5所示的广播信道，SNC方案的可达容量域由以下公式给出：
[CSNC={RA1，RB1，...，RAK，RBk：RAi≤12log1+Piσ2Bi+m=k+1KPm，RBi≤12log1+Piσ2Ai+m=k+1KPm，m=1KPm=PR}]
3.2 性能仿真及结论分析
本节仿真设置等效噪声功率分别为[σ2A1=1，σ2B1=10，σ2A2=4，σ2B2=8，][σ2R=2]，用户的等效功率等于中继功率[PA1=PB1=PA2=PB2=PR=P]，得到功率[P]与合速率的仿真曲线如图6（b）所示。分析仿真结果我们得出结论：
（1）解码-转发双向中继中采用联合信道编码-网络编码方案相比纯物理层网络编码[20]要有更高的频谱利用率。
（2）脏纸编码的对抗干扰特性能够进一步提高通信质量，脏纸编码研究的一大问题在于构造了实用化编码方案，基于联合网络-脏纸编码方案提出的SNC具有实际意义。
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AlistairMoffatslineartimecodinghistogram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：
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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。
[关键词] 物流系统条码技术自动识别第三方物流
一、什么是条码技术
条码（bar code）是利用光电扫描阅读设备来实现数据输入计算机的一种代码。它是用一组按一定编码规则排列的条、空符号，用以表示一定的字符、数字及符号组成的标记，如图1所示。
条码的分类方法有许多种，主要依据条码的编码结构和条码的性质来决定。例如：按条码的长度来分，可分为定长和非定长条码；按排列方式分，可分为连续型和非连续型条码等。
条码(BAR CODE）技术主要包括:条码编码原理及规则标准、条码译码技术、光电技术、印刷技术、扫描技术、通信技术、计算机技术等。
二、条码技术与物流系统的关系
1.物流系统分析。物流即物质实体从供给者向需求者的物理性移动。因此，物流既存在于流通领域，也存在于生产领域，可以说是无处不在，无孔不入。
物流活动的当事人涉及到物流服务的需求方和物流服务的提供方。物流服务的需求方通常是指生产方和消费方，即产品流通过程的起点和终点，又称为物流的第一方和第二方。物流服务的提供方则是为物流的第一方和第二方提品在二者之间进行有效移动各环节所发生的一切服务，因此又称为第三方物流。本文的重点是从第三方物流方面讨论物流企业的物流信息管理系统。
2.条码与物流的关系。条码技术是最基本的物流管理手段之一，它极大地提高了数据采集和信息处理的速度，提高了物流效率，并为管理的科学化和现代化做出了很大的贡献。
条码技术为我们提供了一种对物流中的物品进行标识和描述的方法，它能将物流对象的有关信息通过条形码（可以是一维或多维）的方式记录下来，形成各种货物有别的“身份证”，再利用扫描仪对条码的扫描，可准确识别物流对象的信息。物流过程不论是在储存、搬运、销售或是配送，通过条码技术都能够快速提高物流效率和物流的准确性。条码是实现POS系统、EDI、电子商务、供应链管理的技术基础，是物流管理现代化、提高企业管理水平和竞争能力的重要技术手段。
三、基于条码技术的物流信息系统的功能设计
通过对物流企业的需求分析，设计出针对第三方物流企业的基于条码技术的物流管理信息系统的各项功能，如图2第三方物流信息系统的功能结构图。条码最主要应用于仓储管理系统和配送管理系统中，主要介绍一下这两方面的功能。
1.条码应用于仓储管理系统中。在仓储管理系统中，利用条码技术，无论仓库中的商品流向哪里，只要对商品包装上的条码进行扫描，就可自动记录下物品的流动情况，随时掌握库存物品情况。条码技术与信息处理技术的结合，使我们能够合理地、有效地利用仓库空间，优化仓库作业，并保证正确的进货、验收、盘点和出货，快捷地为客户提供优质的服务。
仓库管理系统引入条码技术后对仓库的到货检验、入库、出库、调拨、移库移位、库存盘点等各个作业环节的数据都可以进行自动化的数据采集，保证仓库管理各个作业环节数据输入的效率和准确性，确保企业及时准确地掌握库存的真实数据，合理保持和控制企业库存。通过科学的编码，还可方便地进行物品的批次、保质期等方面进行管理。
2.条码应用于配送管理系统中。在配送货物过程中，首先订货信息利用计算机网络传输到仓储中心，然后通过打印机打印，以条形码及拣货单的形式输出（条码分别记录预拣选的商品的编码和出货地编号）。仓储中心的操作人员将条码贴在集装箱的侧面，并将拣货单放入集装箱内。在拣货过程中，集装箱一旦达到指定的货架前，自动扫描装置会立即读出条码的内容，并自动进行分货。工作人员根据拣货单的要求，将拣选好的货物放入集装箱内，待作业结束后，只要按一下“结束”钮，装有货物的集装箱便会顺序的向下一个货架移动。等到全部作业结束后，相关人员利用自动分拣系统将贴有条码的集装箱运往指定的出货口，转入发运工序。因此在配送系统中运用条码技术，极大的提高了配送的运行效率和运行速度。
四、总结与展望
总之，条码技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技术；是现代物流管理、提高企业管理水平和竞争能力的重要技术手段之一。
关键词：编译原理；编译过程；教学目的；教学内容
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.24.265
《编译原理》是计算机及相关专业的一门重要专业课程，它对促进学生理解编译过程及技术，增强学生的程序设计及实现能力，起着重要的作用。但它同时也是一门难学的课程，其主要体现在先导课程多、理论性强、对实践阶段要求高等方面。因此如何教好这门课程是需要思考的问题。
同时，编译原理课程在普通高校本科生、重点高校本科生以及硕士研究生中均有开设，其教学目的、教学内容以及教学方法应该有所区别。本文针对普通高校本科生，就如何开展编译原理课程的教学展开讨论。
1 教学目的的确定
教学目的是一门课程的核心，是开展教学工作的前提和基础。编译原理作为一门计算机及相关专业的专业核心课程，在不同层次的学生之间均有开设。但针对学生的层次不同，应设立不同的教学目标。
针对普通高校本科生，未来的发展多定位在技术人员。因此，培养方向应以“工程性”和“应用性”为主[1]。由此，针对普通高校本科生，可设定为以学习基本原理和方法为手段，理论联系实际，以培养学生计算机思维[2]、提高分析解决问题和理论联系实际的能力为目标来进行教学。下文中的学生，如不特别说明，均指普通高校本科生。
基本原理和方法的学习：编译原理课程中涉及到一些非常基础和重要的原理和和技术，如正规式和正规文法以及状态自动机的等价性，LR分析法的正确性与合理性；用状态自动机（DFA或NFA）来进行单词的识别、用三地址代码进行中间代码的表示、基本结构的中间代码生成等。通过这些内容的学习，可以对程序设计有深入的掌握和理解。同时，编译原理是一门理论性和实践性都很强的课程，如何将源语言转换成目标语言，除了掌握其技术理论外，还需能够将源程序（如具体的C语言程序），转换成目标代码（如汇编代码）的形式。因此，理论的学习必须与具体的源语言、目标语言以及目标机联系起来，理论与实践结合的非常紧密。
分析解决问题能力的提高：在编译原理课程的学习中，给出了多种问题的解决方法。如在语法分析问题上，首先提出问题：如何判断一个句子是否是合规的句子。然后用自顶向下和自底向上两种方法对该问题进行了分析解决。类似地，在中间代码生成部分，给出递归求解中间代码的方法。这些常用和基本的问题解决方案对提高学生分析解决问题的能力有所帮助。
2 教学内容的选择
现阶段，国内外编译原理的教材内容不断更新，像并行编译、形式语言与自动机等内容都成为编译原理课程的一部分编写进了教材[3]。由于课时的有限性，应根据学生的实际需求，以通过对编译技术的学习，提高学生编程能力为根本。具体来讲，即通过对给定问题进行分析，能够采用合适的结构来存储数据、运用合适的模型来描述问题，然后提高运用语言编写代码的能力，快速发现并纠正程序中错误的能力，及编写高质量程序代码的能力。
在程序编写部分，除了对程序语言的理解和掌握外，主要就是对编译技术的掌握。其重点内容应包括：词法分析，语法分析，语义分析与中间代码生成，中间代码优化及目标代码生成这几个主要的环节。其它内容，在不影响课程进展的情况下，可以考虑略讲或直接省略。如在自下而上语法分析中，像算符优先分析可以不讲或略讲。在LR分析法中，具体内容涉及到LR分析器及LR（0）、SLR、规范LR及 LALR分析表的构造方法。此处是语法分析中的难点，如果逐一讲解必然占用大量课时。故可在LR分析器的基础上，以LR（0）为例来对自下而上语法分析进行讲解。然后，在此基础上进一步引申，如项目集中含有冲突项目（如同时含有移进和归约项目），应该如何处理。这些供有兴趣的同学进一步探讨。
类似地，对属性文件及语法制导翻译，并行编译的内容，以及形式语言与自动机的知识点，采用点到为止的方式，仅提出相应的问题，不做细致分析讲解。
同时，由于编译原理的先导课程较多，如以C语言为源语言，汇编语言为机器代码为例进行课程分析，对涉及到的相关知识及内容应适当加以回顾，使学生能将精力集中放到编译技术的理解上，不因先导课程中知识点的不理解而影响对当前知识的掌握。
3 教学过程中的注意事项
编译原理课程是理论性强的课程，也比较抽象，如何让学生能够理解并运用其中的原理和技术，从而来提高编程能力呢？实例引用和与实践结合就是课程讲授中非常重要的两个方面。
（1）实例引用贯穿始终。如在编译过程概述中，提到编译过程的各个阶段，词法、语法及语义分析等概念，学生一时难以接受和理解。此时可举实例进行讲解，比如以赋值语句：area=pi*r^2为例，讲解如何将本条语句由源程序通过词法、语法等步骤，逐步转换成目标代码并加以执行的。从而使学生对整个编译过程有一个直观的印象。
同样，在中间代码生成阶段，举例说明是如何将三种基本结构的语句，如顺序结构语句（如赋值语句）、控制结构语句（如if…then， if…then…else语句）、循环结构语句（while和for语句）等，分别用具体的源语言程序来说明，讲解是如何利用语义分析技术将其翻译成中间代码（如三元式）的。
（2）与实践相结合。上面提到以实例来对相关的技术加深理解。而在实践应用方面，只有将理论与技术真正应用于实践，编译技术的学习才有意义。如在上机实习方面，可通过C语言构造一个小的编译系统。可以分别利用flex和bison等工具构造词法、语法、语义分析器，并在此基础上构造一个小的编译系统。使得词法分析可识别关键字、标识符以及各种符号，语法分析可进行语法的判断，语义分析器可进行一些数学运算，而构造的编译系统可以将C语言的一个子集翻译成汇编语言的形式。
4 小结
针对普通高校计算机专业及相关专业本科生，从教学目的、教学内容、教学中出现的问题三个方面对编译原理课程的教学进行了分析讨论。希望通过对这几个方面的讨论，可以使学生能够对编译过程有更深入的理解，并使其编程能力得到进一步的提高。
参考文献：
关键词：光码分多址技术 全光网络 波分复用
中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0061-02
全光网络（All Optical Network，AON），是指信号在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在，只是在进出网络时才进行电/光和光/电的转换。AON具有高速率、透明性、大容量、高抗干扰能力及高度灵活性等优点[1]，克服了传统电网络的瓶颈，将成为通信网向宽带与大容量发展的理想方案。AON是随着当今社会网络业务量和带宽的爆炸式增长而发展起来的。光码分多址（OCDMA） 技术是将CDMA技术与光纤通信技术相结合而产生的一种光域中的扩频通信技术[2]。1978年，E Marom等人[3]提出了在光处理中采用光纤延迟线技术，为OCDMA技术的发展从理论和实验上奠定了基础。近年来OCDMA技术有了巨大的突破和创新，从理论上和实验上取得了长足的发展。目前，全光网络面临着不同方面的安全问题，一旦被攻击，将会造成严重后果，因此，开展全光网络的安全性研究有着重要意义。
本文在介绍OCDMA系统结构及其关键技术的基础上，针对全光网络面临的安全问题，提出了采用OCDMA技术来增强全光网络安全性的方法。
1 OCDMA系统结构及其关键技术
OCDMA技术以光纤作为传输信道，利用高速光信息处理技术进行扩频和解扩，从而实现多址接入，信道共享[4]。典型简化的异步OCDMA系统模型如（图1）所示。
该模型主要由光脉冲发生器（OPG）、电光调制器（EOM）、编码器、星形耦合器、解码器、光门限装置和光电检测器构成。在发送端，由OPG产生的具有特定频率的光脉冲序列经过EOM对传送的数据信息进行调制。其中，在OPG的选择上，对于非相干扩时OCDMA，因为产生的光学码中“1”的数量非常稀疏，采用的光源必须具有高速（码片速率）、高功率的特点[5]，而且由于编/解码需要对信号进行非相干叠加，所以光源还必须具有较大的时间带宽（TB）积[6]，再通过编码器把原始数据中每一位“1”都编成伪随机脉冲序列。通过网络的分配和传输，经编码的信号到达用户接收端的解码器，被解码器以匹配滤波的方式解码。解码后的信号通过光电检测器，恢复为原始信号。OCDMA系统一般为无源星形结构，其中星形耦合器是网络中心，每个用户通过光纤或光无线媒质与之相连。
OCDMA的关键技术主要包括OCDMA的扩频码序列和光编/解码器，具体分类及各自特点如（表1）所示。
2 全光网络面临的安全问题
AON的数据处理传输都在光域内进行，由于全光网络与传统网络的区别，使得其安全隐患具有独特的表现，具体情况如（表2）所示。
3 基于OCDMA技术增强光传输安全性的方案
针对目前的WDM通信系统，可以利用OCDMA技术建立一个基于现有WDM网络安全单信道的安全通信系统，其传输示意图如（图2）所示。
基于OCDMA技术增强光传输安全性的方案包括两组信号，两组信号的波形分别是WDM的尖脉冲信号和OCDMA的宽脉冲信号，具体过程如下：（1）多信道的WDM信号，时域波形为尖脉冲。（2）基于OCDMA技术的安全信号，在对信号进行调制、非相干跳频编码、延时以及脉冲展宽等处理后，成为低强度宽脉冲的伪噪声信号。
两种不同波形的信号叠加后在公共光纤链路层中进行传输。接收端的解码器用来恢复OCDMA安全信号。该方法由于信号的加密（跳频编码）以及把信号藏于噪声背景之下，增加了侦听和破解安全信号的难度，因为只有了解相应编/解码器的结构才可能窃取信号，因此，系统的保密性增加，光传输的安全性增强。由此可以看出，基于OCDMA技术增强光传输安全性，需要大容量和优良相关性的地址码集合以及可灵活调协的编/解码器。
4 结语
本文针对AON的安全问题，提出了基于OCDMA的解决方案，利用OCDMA安全信号与WDM信号波形的不同，通过跳频编码来增加侦听和破解安全信号的难度，从而增强光传输的安全性。该技术得以推广使用的前提是需要大容量和优良相关性的地址码集合以及研究可灵活调协的编/解码器。该方法在提高光传输安全性措施方面提供了参考。
参考文献
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关键词：视频传输 率失真 码率控制 缓冲器
1 引 言
随着视频编码技术在媒体存储、视频点播、监控系统等诸多领域中越来越多的广泛应用，一系列视频编码标准被提出并应用于实际，像ISO/IEC的MPEG-1/2/4，H.261，H.263等，这些标准对码流的语法结构进行了规定，而码率控制的具体算法则大多是开放的，算法的性能直接影响视频通信的质量，作为提高视频编码图像质量的一项关键技术，码率控制技术的发展已引起人们的广泛关注[1]。
码率控制的作用是保证编码比特的合理分配，以适应网络传输或媒体存储等应用的需求，按照输出比特率是否恒定可分为CBR和VBR两种。设计码率控制算法除了能够避免溢出，还能够提供每帧图像更好的视频质量，而且可以避免视频质量的过大波动。这里主要是针对在CBR信道下传输压缩码流时的码率控制技术现状的研究。
2 码率控制问题基本描述
码率控制是视频编码的重要组成部分。一般来讲，它的实现过程包括比特分配、量化系数计算和缓冲器控制等部分。比特流经常要通过有限带宽的通信信道进行传输，而编码器会产生可变码流，所以有必要在编码器和信道之间设置视频缓冲器来平滑编码过程中的比特流波动，避免缓冲器出现上溢或下溢，设置合适的码率控制算法是必需的。
码率控制问题的解决可以归结为对其进行公式化的过程，通常有两种不同的失真准则可用来度量公式化的码率控制问题 ，一是最小化GOP内平均失真；二是最小化GOP内的失真变化。
3 基于DCT视频编码器的码率控制技术
目前，大部分的码率控制技术都是适用于基于DCT视频编码器的，而码率控制中的关键问题是估计或模型化视频编码器的码率-失真(R-D)行为。采用率失真技术的目的是防止缓冲器溢出并最大化视频质量。基于DCT视频编码器的R-D行为由它的码率-量化(R-Q)与失真-量化(D-Q)函数来描述，R-Q与D-Q函数统称为R-D函数。根据码率失真函数自变量的不同，将基于DCT视频编码器的码率控制技术分为q域码率控制技术和ρ域码率控制技术[2]。
4 基于小波视频编码器的码率控制技术
小波编码器具有非常优秀的编码性能，在静止图像压缩中已被广泛应用。小波编码器不仅能提供更好的图像主观质量，而且还具有嵌入式特性。嵌入式编码器能提供更好的率失真折衷，它可以在码流的任何点处截取编码比特流而没有明显的可感知的失真。对于嵌入式视频编码器的一个简单码率控制机制就是为每个I帧、P帧和B帧分配固定的比特数，然而该简单机制并不能获得最优的R-D性能。
5 精细粒度可分级视频编码的码率分配算法
由于网络视频应用的飞速发展和网络带宽的时变特性，快速的码率分配和比特流截断技术对于视频流传输十分重要。以DCT为基础的精细的可伸缩性( FGS)视频编码已经被MPEG-4 作为流式应用的标准而采纳， FGS方案能够灵活地适应网络带宽的波动。利用FGS编码可产生一个可分级的比特流，其基本层旨在适应最低的网络带宽要求，而FGS增强层由于采用了位平面编码技术，可根据需要在任意比特位置截断，并且解码的视频质量与用于解码的比特数成正比。它把增强层可用的比特数平均地分给各帧 。由于这种方法没有考虑各帧图像的率失真特性。使得接收端解码的视频质量存在很大波动[3]。
6 未来展望
确定合适的编码参数以便在某固定信道码率下获得最优的解码视频质量是人们设计码率控制算法的根本宗旨。尽管已经出现了许多有效的码率控制方案，但人们对于视频编码图像质量的要求却越来越高，使得码率控制方法有待进一步发展和完善，未来码率控制技术将会得到进一步的发展。
(1)更加精确的率失真模型
码率控制中的关键问题是估计或模型化视频编码器的率失真模型，现有文献中已经提出一些率失真模型 ，但这些模型通常假定信源服从高斯分布或拉普拉斯分布，当实际视频不满足假设条件时，模型的准确性就会受到影响，并进一步导致算法性能的下降。有必要提出更加精确的率失真模型，使其适合多种视频编码器，并能准确地反映出实际的视频序列的率失真特性。
(2)对场景切换的处理
在实时视频应用场合，视频序列的复杂度是不断变化的。为了适应视频序列中出现场景切换的情况，出现了动态调整GOP大小的方法和检测场景变换的方法，对发生场景变换的图像进行特殊处理。但这些方法通常不够准确，并且计算复杂度也很大。因此能够提出更加准确的场景检测方法及给发生场景变换的图像分配合适的比特数是项非常有意义的工作。
(3)基于小波视频编码器的码率控制算法
对小波视频编码器的码率控制算法要比基于DCT视频编码器的码率控制方法相对简单一些，更便于调节。相对于MPEG的码率控制研究，针对小波视频编码器的码率控制研究数量还非常少，随着小波变换在视频编码和视频信息传输方面的应用，这方面的工作将成为一个研究热点。
(4)面向精细粒度可分级视频编码的码率分配
算法视频编码的最初目标是为了在给定的码率下达到最优的解码质量，然而由于近几年Internet上视频服务的增加，使得视频编码的目标除了追求最佳的视频质量外还越来越注重视频编码的可伸缩性。设计适合各种精细粒度可分级视频编码方案的码率控制算法，在基本层与增强层间划分比特数，在增强层合理地分配比特数，使其既能达到可分级的要求又能获得更令人满意的视频效果是有待解决的具有重要研究价值的问题。
(5)低比特率下的实际通信应用的码率控制算法
在通信网络上设计多媒体应用的主要挑战是如何传输最小的多媒体流给用户[4]。视频会议、在线点播等实际通信应用都要求低码率下具有低延迟及低复杂度的码率控制技术。基于拉格朗日最优化的方法已经存在于大量的文献中，但这些算法的复杂度一般都很高。简化这些算法复杂度，使其适应实时低比特率下的实时通信应用，具有很高的理论和商业价值。
参考文献
【1】沈兰荪，视频编码与低速率传输.电子工业出版社，2001年
【2】Iain E. G. Richardson. H.264/MPEG-4 Part White Paper-Inter Prediction.2004.3
关键词：音频压缩编码；MPEG-1标准；杜比AC技术
中图分类号：TP37 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)15-30852-02
Digital Audio Compression Coding Technology Research
ZHANG Xue-feng,ZHANG Yao-jun,PAN Yun
(Xinyang agricultral college,Xinyang 464000,China)
Abstract:An audible signal and text, graph, picture,cartoon, video frequency is one of important multimedia characteristic. This paper commences from the basic characteristic of voice, introducing a relevant audio to compress coding of knowledge and technique parameter, and discussed development present condition and foreground of digital audio, introduced MPEG-1 audio standard and Dolby AC technology.
Key words:audio compression coding;MPEG-1 audio standard;Dolby AC technology
1 引言
对于多媒体计算机系统需要需要解决的关键问题之一就是要使计算机能实时地综合处理声、文、图信息，然而由于数字化的声音,图像等媒体数据量非常大，要实时地传输和处理这些数据就必须对其进行压缩编码。
2 声音的基本特征
自然界的声音极其复杂，一般来说声音是由空气中分子的振动而产生的，可近似地看成是一种随时间变化的周期性的函数，通常用模拟的连续正弦波形描述声波的形状，基线是测量模拟信号的基准点，振幅表示声音信号的强弱程度，声波的频率反映出声音的音调。由于计算机只能处理和记录二进制的数字信号，必须对声音信号数字化，数字音频才能够像文字和图形信息一样进行存储、检索、编辑和其他处理。通常我们采用脉冲编码调制(PCM)技术对模拟信号进行采样，量化，编码转化成数字信号。
3 音频信号编码的基础
采用数字音频获取声音文件的方法最突出的问题就是信息量大，音频信息文件在未压缩的情况下所需存储空间的计算公式为：
存储容量（字节）＝采样频率×采样精度／8×声道数×时间
以CD为例，其采样率为44.1KHz，量化精度为16比特，则一分钟的立体声音频信号约占10M字节的存储容量，也就是说一张CD唱盘的容量只有一小时左右。
研究表明，直接采取PCM码流进行存储和传输存在着相当大的冗余，因此可以对音频信号进行压缩编码。统计分析结果也说明，在语音信号中主要包括时域冗余和频域冗余。另外考虑到人的听觉机理特征，也能对语音信号进行压缩。对于音频的压缩理论的研究，是从人耳的听感系统开始的，首先第一个特点是人耳对各频率的灵敏度是不同的，在2K-4K频段，很低的电平人耳就能听到，其他频段时，要相对高一点的电平才能听到，这就是说在听觉阈值以下的电平可以去掉，相当于压缩了数据。第二个特点就是频率之间的掩蔽效应，其实就是指人耳接收信号时，不同频率之间的相互干扰。当电平高的频率点和电平相对较低的频率点同时出现时，电平低的频率点的声音将听不到。因为人耳的灵敏度不一样，所以不同频率点的掩蔽程度是不一样的。低于掩蔽阈值的的信号将不再编码，高于掩蔽阈值的信号将重新分配量化比特值进行压缩，这是MPEG能得到较高的压缩比又能保证音质的重要原因。第三个特点是短暂掩蔽效应，指在一个强信号之前或之后的弱信号也将被遮蔽掉。这样利用人耳的感觉特性，对数据流本身进行压缩，做到既能降低码流又能通过科学的方法提高码流的效率，而又不影响音质本身。由此可见，音频编码的目的就在于压缩数据，通常数据压缩会造成音频质量的下降和计算量的增加。
4 音频信号的压缩编码算法
4.1 基本原理
如同数字通信系统一样，在多媒体计算机系统中声音信号被编码成二进制数字序列，经传输和存储，最后由解码器将二进制编码恢复成原始的声音信号。如图所示。
设计声音压缩编码系统考虑的因素有输入声音信号的特点、传输速率及存储容量的限制、对输出重构声音的质量要求以及系统的可实现性极其代价。因此在实施数据压缩时，要在音频质量、数据量、计算复杂度三方面进行考虑。最简单的数字编码方法就是对声音信号做直接的数模(A/D)转换。
4.2 音频信号的编码分类
从方法上看，声音信号的编码方式大致可分为三大类，即波形编码方法、分析合成方法和混合编码方法。
波形编码方法要求重构的声音信号的各个样本尽可能地接近于原始声音的采样值。这种方法的编码信息是声音的波形，编码率在9.6Kbps~64Kkps之间，属中宽带编码，重构的声音质量较高。但波形编码易受量化噪声影响，进一步降低编码率也较困难。典型的波形编码技术有PCM、ADPCM、APC（自适应预测编码）、SBC（子带编码）、ATC（自适应变换编码）。这里，前三中属于时域方式，后两种属于频域方式。波形编码的算法简单，易于实现，可获得高质量的语音。
参数编码方法通过建立起声音信号的产生模型，将声音信号用模型参数来表示，再对参数进行编码，在声音播放时根据参数重建声音信号。参数编码法算法复杂，计算量大，压缩率高，但还原声音的质量不高。
混合型编码是将波形编码的高质量与参数编码的低数据速率结合起来的一种新型编码方法。
由此可见，编码的作用其一就是采用一定的格式来记录数字数据，其二就是采用一定的算法来压缩数字数据以减少贮存空间和提高传输效率。压缩算法包括有损压缩和无损压缩。有损压缩指解压后数据不能完全复原,会丢失一部分信息，压缩编码的基本指标之一就是压缩比，它通常小于一。压缩越多，信息丢失越多，信号还原后失真越大。根据不同的应用应该选用不同的压缩编码方法。前面我们讲的波形编码方法，分析合成方法以及混合编码方法都是属于有损压缩。
4.3 音频信号压缩编码编码质量评估
音频的质量与其频率范围有关，音频信号的频带越宽，所包含的音频信号分量越丰富，音质越好，根据频率范围的不同可以将音频分为电话语音级\调幅广播级\调频广播级和宽带音频级等四个质量等级。国际标准确定音频编码的数据速率在128Kbps以下。声音重构的质量跟编码的数据速率及编码算法有关。评估数字波形编码系统时，可以用信号/量化噪声比(SNR)作为准则，信噪比越大，声音质量越好。但是音频系统的最终准则应该是人耳听觉上的准则。然而，这种听觉上的准则很难客观量化。现在最常见的音频质量评估法是主观评估法。
主观评估标准是以平均主观平分(MOS)标准来度量,它分为5(优)\4(良)\3(中)\2(差)\1(劣)五个等级。一般频率达到7kHz可评为5分；对于符合长途通信的高质量语音，MOS可评4分；当语音质量有所下降，但尚不致妨碍正常通信时，MOS可评3.5分。
声音重构质量不但与编码数据有关，还与编码算法有关。一般地说，声音重构质量随数据速率减小而减低。
5 音频压缩编码的现状及发展趋势
自从1937年A.H.Reeves提出脉冲编码调制(PCM)以来，音频压缩编码技术已有60余年的发展历史。尤其近20年随着计算机和微电子技术的发展语音编码技术得到飞速发展。
在音频压缩标准化方面取得巨大成功的是MPEG-1音频（ISO/IEC11172-3）。MPEG-1按复杂程度规定了三种模式即层Ⅰ、层Ⅱ（即Musicam，又称MP2）、层Ⅲ（又称MP3）。目前广泛使用的VCD的音频压缩方案为层Ⅰ。层Ⅱ（Musicam掩蔽模式通用子带集成编码与多路复用）复杂度属于中等，广泛应用于数字音频广播、数字演播室等数字音频专业的制作、交流、存储和传送。层Ⅲ是综合Musicam和Aspec(自适应谱分析听觉熵编码) 的优点提出的混合压缩技术，MP3的复杂度最高，编码不利于实时传输，在低码率下有高品质的音质。MPEG-1的压缩编码采用子带压缩技术。子带编码的基本思想是将信号分解为若干子频带内的分量之和，然后对各子带分量根据其不同的分布特性采取不同的压缩策略。具体压缩过程：首先，将输入的PCM数字声音信号通过时频映射实现子带分割，将宽带音频信号分成32个子频带。同时，通过快速傅里叶变换（FFT）运算，对信号进行频谱分析，得出各子带的掩蔽特性。由于掩蔽特性的存在，减少了对量化比特率的要求，这样，不同的子带可以分配不同的量化比特数。另外加上CRC校验码，就可以得到标准的MPEG码流。在解码端进行相反过程即可输出原PCM码流。可以说MPEG-1标准的制订方式决定了它的成功, 这一思路甚至也影响到MPEG-2和MPEG-4音频标准的制订。
随着技术的不断进步和生活水准的不断提高，原有的立体声形式已不能满足受众对声音节目的欣赏要求，具有更强定位能力和空间效果的三维声音技术得到蓬勃发展。而在三维声音技术中最具代表性的就是多声道环绕声技术。更准确地说，环绕声应该是一种声音恢复形式，其新技术的含量实际表现在随着这种形式发展起来的一些数字压缩标准上。Dolby AC-3技术是由美国杜比实验室主要针对环绕声开发的一种音频压缩技术。在5.1声道的条件下，可将码率压缩至384kbps，压缩比约为10：1。它将特殊的心理音响知识，人耳效应的最新研究成果与先进的数码信号处理技术结合起来，形成这种“数字多声道音频处理技术”。Dolby AC-3最初是针对影院系统开发的，现在在影院系统，HDTV，消费类电子产品(如LD、DVD)以及卫星广播等方面也得到普遍应用，目前已成为应用最为广泛的环绕声压缩技术之一。
6 结束语
当今社会是个数字化社会,音频信号的数字化传输是通信的发展方向之一，数字化广播高清数字电视，伴音多媒体网络通信， 正在全球范围内逐步得到开展，数字音频技术也成为目前应用最为广泛的技术之一。本文从声音的基本特征出发，对数字音频压缩编码知识作了相关介绍, 我们可以看出各种不同的压缩技术，其算法的复杂程度（包括时间复杂度和空间复杂度）、音频质量、算法效率（即压缩比例），以及编解码延时等都有很大的不同，应该根据不同的场合去选择不同的压缩算法，最后讨论了数字音频编码的发展现状与前景。
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关键词：成像系统；数据；SAR图像；统计特性；图像压缩
中图分类号：TN391文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012) 04-0896-04
Review of Investigation on SAR Image Compression Techniques
LIU Jian, CHENG Ying-lei
(Telecommunication Engineering Institute, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)
Abstract: The amount of SAR image information has been growing exponentially with the fast development of the spacebore and airbore SAR imaging system, which makes tremendous difficulties for the data collection, storage and transmission during application of the SAR imaging system. In order to overcome the image storage and transfer difficulties，effective image compression techniques have to be adopted. In this paper, the SAR image compression techniques with new advances in the world have been elaborated and summarized in four methods: (1)vector quantization, (2)wavelet transform, (3)content-based coding, (4)compressed sensing. Based on the analysis, statistical property and essential attributes of the SAR image information, we pointed out the main problems in different methods, and the development trends of the SAR image compression algorithm are prospected.
Key words: imaging system; data; SAR image; statistic property; image compression
1概述
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)因具有全天候，全天时对地球表面进行观察的能力以及不受天气、光照等条件的限制和空间分辨率高的特点，使得SAR在民用和军事方面发挥着越来越大的作用。自从50年代Wiley首次提出SAR的概念以来，SAR技术不断发展，许多新概念的提出，如运动补偿、自聚焦、聚束照射、多视处理、逆SAR(ISAR)和干涉SAR等不但完善了SAR技术，而且扩展了它的应用范围。纵观国外合成孔径雷（SAR）的发展过程可以看出，合成孔径雷达（SAR）已经开始经历单波段向多波段、单极化向多极化、固定人射角向多人射角、单工作模式向多工作模式的逐渐发展，天线也经历了固定波束视角、机械扫描、一维电扫描及二维相控阵的发展过程[1]。SAR系统获得的数据量是巨大的，美国SAR地面处理系统ASF(Alaska SAR Facility)每天处理的SAR数据为9600MB[2]，早在1991年发射的ERS-1卫星的星载SAR数据率已经达到105Mb／s，机载和星载SAR系统都产生大量的遥感数据，通常SAR的数据传输率为每秒数百兆比特，并且随着国内外合成孔径雷达（SAR）的不断发展，分辨率的不断提高，星载、机载雷达的不断出现，这无论是对大容量存储还是高速传输都提出了巨大挑战，因此研究SAR图像的高效压缩具有重要意义。
与光学图像不同，SAR数据具有高的动态范围、固有斑点噪声、像素相关性小和纹理边缘处具有重要的高频率成分等特性，经典的图像压缩算法并不适应于SAR图像，对SAR图像进行压缩是十分困难的。目前尚未有一种通用的高效SAR图像压缩算法，这便促使当前寻求对SAR图像高效压缩的形势更加迫切。
2 SAR图像的统计特征及其特点
图像的统计特性对压缩编码是十分重要的，因为从数据本身来说，实现数据压缩的本质在于对数据统计冗余的压缩。SAR图像的特征可以由均值、方差、最大值、最小值和相关系数等统计特征来简单描述。其中均值主要反映了SAR图像幅值中直流分量的大小；方差主要体现了SAR图像中内容的活动性；最大值和最小值描述了SAR图像的动态范围。
与光学图像不同，SAR图像服从特定的统计特性，通常说来，单视SAR幅度图像服从瑞利分布,而多视图像服从2N个自由度的Γ分布。同时由于受到乘性相干斑噪声的干扰，使得SAR图像中相邻像素的相关性降低[3],因此相比一般的光学图像，其特点十分显著。
3 SAR图像的压缩编码概述
根据编码方法的不同图像编码技术可分为“第一代”图像编码和“第二代”图像编码的概念，“第一代”图像编码包括熵编码，预测编码，变换编码以及矢量量化编码，是以信息论为理论基础，旨在去除图像数据中统计冗余的一类编码技术。但是，“第一代”图像编码在去除冗余信息的能力已经接近极限，基于SAR图像的上述特点，采用“第一代”的图像压缩方法对SAR图像的压缩是十分困难的，其压缩比不高。“第二代”图像压缩编码包括子带编码，分形编码，小波变换，模型基编码和神经网络等。它并不局限于信息论框架，其充分利用人的视觉生理心理和图像信源的各种特征，因此获得了较高的压缩比。针对SAR图像的特点，近20年来，学者们提出了许多针对SAR图像的压缩方法，它们大多都是对不同编码技术的改进与结合，如基于矢量量化、SAR图像内容、小波变换、压缩感知等SAR图像压缩方法，这些方法都在SAR图像压缩方面展现出一定优势，并且可以根据需要灵活运用于图像的编码过程中，以便提高编码效率和性能。
3.1基于矢量量化编码的SAR图像压缩
矢量量化（VQ）是标量量化的推广，其基本思想是利用像素之间的相关性将输入数据划分为若干组，在量化时以组为单位进行量化，效率较标量量化有显著提高。SAR图像像素之间相关性比较弱，但考虑到矢量量化在信源弱相关的条件下，也能取得比较好 的压缩效果，因此将矢量量化用于SAR图像压缩中取得了一定进展，矢量量化算法已被建议用于SAR图像压缩[5]。针对适量量化算法中码书自适应性不强的特点，文献[6]提出了一种更为高效的新型自适应LBG矢量量化算法,该算法在LBG算法码书中利用点到线的垂线关系基础上进行了改进,进一步的自适应化迭代进而获得了更小的残差，并应用于干涉高光谱图像的无损压缩中，压缩性能有了显著提高。邓云凯[7]提出了一种基于改进矢量量化的SAR图像压缩算法，针对SAR图像纹理丰富，容易受到斑点噪声影响的特点，改进算法将区域整体图像信息从量化空间中分离出来，只对主要是纹理信息的剩余信息进行量化而且删除了每次聚类后含有最少矢量的胞腔。该算法有效的减少了量化空间大小，使生成码字分布更加合理，不仅提高了SAR图像整体压缩效果，同时在斑点噪声抑制方面做出了有益的工作。
但是矢量量化编码技术一个缺点是其复杂度大，并且随着维数的增加呈指数级增加，严重影响高维的矢量量化器的实现。以码书的训练为例，其码书形成过程是非常耗时的，不适应于实时性要求较高的应用。而且码书并不具有通用性，因此，虽然人们提出了许多矢量量化编码技术，但是并未广泛的应用到实际的系统之中。
3.2基于小波的SAR图像压缩
小波变换是变换编码的一种，与傅立叶等变换不同，小波变换具有良好的时频特性，通过伸缩和平移可以对图像进行多尺度分析，能有效的提取图像中的内容，因此在图像编码中得到广泛应用。随着小波包技术、多小波技术、嵌入式小波零树图像编码（EWZ）技术、分层小波树集合分割算法（SPIHT）技术的相继出现，小波图像压缩被认为是当前最有发展前途的图像压缩算之一。JPEG2000于2000年被确定为静态图像的新一代编码标准,其中最大改进是用小波变换代替余弦变换。以小波变换为基础，发展了多种针对SAR图像的压缩算法，文献[8][9]研究使用JPEG2000对SAR图像进行压缩，并针对SAR图像的特点对算法进行相应的调整和优化，其基本思想是在使用JPEG2000对SAR图像进行压缩之前，首先使用滤波器对图像进行平滑处理，减少噪声的影响，这种方法取得了较好的效果。基于分层树的集合划分（Set Partitioning In Hierarachical Trees,SPIHT）算法也是小波变换压缩编码的典型应用，文献[10]给出了利用改进SPIHT算法实现对SAR图像的压缩，运用了统计方法对小波系数按其幅值分布区间进行重排，并设计阈值对重要比特进行优先传送。文献[11]提出了一种基于提升格式小波的SPIHT图像压缩算法,该算法采用Daubechies9/ 7双正交小波的提升格式进行小波变换,然后采用SPIHT算法对变换系数进行编码,可实现任意码率的压缩，对SAR图像实现任意码率的压缩也具有一定指导意义。
为了有效改善小波变换在图像方向性信息方面表示的不足，有学者提出了Contourlet和Bandelet两种变换[12][13]，它们具有多分辨率、局部化和方向性等特征，能很好地刻画图像轮廓和纹理，所以在新一代图像压缩中常与小波变换结合使用。文献[14]提出了一种基于Bandelet和SPIHT算法的压缩方法，文献[15]将第二代Bandelet变换应用到SAR图像压缩上，在bpp值较高的情况下，提高了SAR图像的压缩性能。文献[16][17]研究了基于小波的Contourlet变换，采用传统的张量积小波变换取代其中的拉普拉斯金字塔式变换可获得非冗余的变换形式，然后用方向滤波器组把高频子带分解为多个方向子带，之后对每个方向子带进行Bandelet变换,从而更稀疏表示了图像的边缘和纹理，达到压缩的目的，这对具有丰富纹理特性的SAR图像压缩也具有借鉴意义。
但是小波变换依然存在发展的空间。首先对同一幅图像,使用不同小波基进行图像压缩,效果往往是不同的，如何选择最优的小波基将成为图像压缩成为难点。其次小波图像压缩还远远没有充分利用人眼视觉特性,进一步将人眼视觉特性应用到小波压缩编码中,可更深层次地发掘图像压缩编码的潜力。
3.3基于内容的SAR图像压缩
SAR图像具有极低的相关性，这就导致传统的以去除图像相关性为目标的压缩技术在对SAR图像进行处理时很难在压缩性能上获得突破，因此，新的基于图像内容的压缩方法得到了广泛关注。其基本思想是首先对图像进行分割，分离出目标区域和背景区域，针对不同的区域采用不同的压缩方法，以达到高效压缩的目的，其流程图如图2所示。在基于SAR图像内容的压缩算法中，文献[18]使用自动目标识别算法对目标区域进行检测，并采用子带编码和矢量量化编码为目标区域分配更多的比特，取得了较好的效果。文献[19]对SAR图像使用自动目标识别方法进行分割，并产生目标区域和背景区域，对背景区域进行高倍率有损的压缩，而对目标区域使用无损的压缩，从而使SAR图像得到高效的压缩。
但是基于内容的图像压缩要求寻找到较好的图像分割算法，而当前针对SAR图像的目标自动检测方法也处于发展阶段，没有较通用的算法。因此，将高效图像分割算法与图像压缩算法合理的结合在一起是基于内容的SAR图像压缩方法必须面对的问题。
3.4压缩感知在图像压缩方面的应用
自Donoho、Candes以及Tao等人提出压缩感知（Compressive
Sensing，CS）理论[21][22][23]以来，它便在信号、图像压缩方面起到重要作用。与通常的数据采样定理不同，该理论提出可以用远远少于传统采样定理所需的采样点数或观测点数恢复出原信号或图像， 它将信号的采样、压缩及编码合并在了同一步骤中，在采样的过程中直接提取信号的少量重要信息，并用它们来重构图像。文献[24]分别选取了10K、25K、20K、25K个采样值对Lena图进行压缩，达到了较好的效果。压缩感知算法正处于蓬勃的发展阶段，已在SAR图像成像前的压缩处理中取得了成果，但是针对SAR图像的压缩感知研究仍处于起步阶段，还未能达到其他压缩方法的效果。
4结束语
近几年，国家加大了对机载和星载SAR的研制计划，使得SAR在民用和军事方面发挥着越来越大的作用，现已有可观的SAR系统投入运行，而这些又对SAR图像的传输和存储提出了更高的要求。国内外研究者针对SAR图像提出了许多应用理论，但对其的研究还不够系统、不够细致，没有形成系统的体系。而当前尚未建立起对SAR图像压缩编码系统的性能评估的系统的指标，而是单纯的将光学图像压缩编码的评价指标直接套用于SAR图像，这仍有待于进一步解决。单一的理论并不能彻底的解决SAR图像压缩的瓶颈，在单个理论发展的同时，只有将不同的压缩方法合理的结合在一起，才能在SAR图像压缩中取得更大的进展，目前已有学者将小波理论与分形理论结合在一起，或将小波理论与矢量量化技术结合在一起。值得指出的是，基于内容的SAR图像压缩可以根据实际情况的需要，自适应的选择压缩的方法，这样有利于结合不同编码技术的优点，将会成为未来SAR图像研究的热点。随着感所感知理论的出现，大量研究者已将它运用到信号和图像的压缩中，关于SAR图像的基于压缩感知理论的研究虽然起步不久，但随着对其研究的深入，也必将在SAR图像的压缩史上添上一笔。
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关键词:编译程序;教学改革;对象式程序设计;Java
1引言
编译原理课程是高校计算机类专业的重要基础和骨干课程。编译原理对计算机专业的学生的重要性与高等数学对理科学生的重要性几乎可以相提并论。同时,由于这门课程涉及其他多门课程的知识,使得它成为大学阶段中最难学的课程之一。
从表面上看,编译程序是将高级语言源程序翻译成低级语言程序,但编译程序构造的基本原理和技术也广泛应用于一般软件的设计和实现,其中的设计思想、算法、思维方式和技术都可能会对学生今后的职业发展产生比较大的影响。
当今,程序设计已经基本上从传统的过程式转向对象式,并且正在从对象式转向组件型。这其实是程序设计范型的变迁,是在计算机技术背景下认识世界的观点的变化:过程式将完成事务看成是一系列的步骤,而对象式却将世界看成是由一系列对象组成的,这些对象之间交互合作完成特定的事务。从过程式到对象式,有着质的变化,而非一般的修改和完善,由此带来了语言(算法描述工具)的变化。编程语言影响思维,面向对象的思维方法又促进了编程语言的发展。
目前,程序设计的一些后继课程,如数据结构等都进行了同步跟进,出现了诸如用C++或Java描述的数据结构教材。但编译原理课程却没有及时跟进,上述改变基本上没有反映到编译原理课程中。这门课程近20年来基本上没有大的变化,教学内容仍然是基于过程式语言展开的,编译算法和模型描述是用PASCAL语言或者C语言。虽然个别教材加入了少量关于对象式语言编译技术的内容,那也是稍加点缀而已,作用不大。这就造成了一种奇怪的现象:对象式语言已经成了高校计算机教学的主流语言,社会上大量使用的也是对象式语言,而我们的编译原理教学仍然沿袭旧的一套。这种“状态”严重地脱离了计算机技术的发展和社会的实际需要,因此需要进行“调态”,其根本做法是“转型”,即将本课程的讨论对象从过程式语言转到对象式语言。
国外近年关于编译原理方面的新教材已经有了重要改变,不再连篇累牍地讨论那些已经过时的内容,增加了许多新的内容。其中一个重大改变是出现了用对象式语言描述编译算法和教学模型的编译原理教材,如:用Java语言描述的编译原理教材,且其教学模型为MiniJava。
这种改变也涉及到课程上机实践。众所周知,编译原理课程的学术性和实践性都很强:学术性是这门课程的生命所在,实践性是这门课程的活力所在。因而本课程的上机实践也要作同步调整。
2课程内容围绕对象式语言展开
研究程序设计语言的语法描述需要有文法理论的支持,老教材中文法、词法分析和语法分析部分内容基本上不需要作什么变动。词法分析主要依赖有穷状态自动机理论,语法分析主要讲述LL方法和LR方法,其他方法略做介绍即可,无需展开讨论。LL方法和LR方法含盖了许多分析技术,理论性和应用性都很强,完全可以代表主流技术。
重要的就是研究对象和教学模型的改变。首先,研究对象将从过程式程序设计语言转到对象式程序设计语言(当然还可以兼顾过程式),例如Java、C++等,围绕实现这类语言的编译实现技术展开讨论。对象式程序设计语言的要素是封装、继承、多态性,在编译实现时都必须仔细考虑。其次,涉及到对象式程序设计语言编译程序教学的模型选择问题。目前传统的教材选择的教学模型有PL/0、TiniC等。实践证明,围绕某个模型展开编译设计技术的讨论,效果是比较好的。课程研究对象和教学模型的改变涉及到调整的章节主要有语法分析、语义分析、代码生成、符号表管理、存贮分配等方面。
一旦我们讨论的模型发生变化,这些章节的内容就要作很大调整。如对象式语言的作用域规则、语言动态特性、模块化封装(类)、类的继承、多态性的实现等,都需要具体的技术来实现,这些都要反映在教材和教学中。
就课程中关于代码生成内容来看,目前Java编译程序生成Java虚拟机(JVM)代码,C#生成MSIL虚拟机代码。这两个虚拟机作为教学模型来说可能比较复杂了一些,在教学中可以选定一个简单的子集;或者在PL/0虚拟机上适当增加一些指令代码,以便于代码生成、存贮分配等部分的讲解。
实践证明,作为教学模型,在教材上提供一个小型语言的编译程序供学生分析和研究,非常有利于加深对基本原理的理解和掌握。这个小型编译程序可以比较小但应该能够说明一些基本问题,例如传统的编译原理课程中选择PL/0编译程序作为教学模型,就收到了比较好的教学效果。在对象式程序设计语言编译原理课程中选择Object-pl/0或者MiniJava作为教学模型是比较恰当的。前者是在传统的PL/0语言上增加类,补充封装、继承、多态性之语言成分得到的;后者是对Java语言进行适当简化得到的,其主要语法描述如图1所示。
图1MiniJava语法
编译原理课程可以围绕此模型展开讨论。国外已经有这类教材出现,并且不少大学已经开始使用。
3用对象式语言描述编译算法和教学模型
本课程中各类编译算法都应该伴随着教学模型的变化,改用对象式语言来描述,如用Java语言描述或者用C++语言描述。其中一个重大的变化是教学模型如MiniJava或Object-pl/0要用对象式语言实现,也就是提出了教学模型的面向对象构造问题,这就比较好地将讨论对象和描述讨论对象的语言统一起来了。国外有的教材就选择了用Java描述MiniJava编译程序。编译程序是一个重要的中大型软件,传统的编译程序大都是用PASCAL、C等语言描述的(参见图2)。像编译程序这样的中大型程序如何用类这个工具来进行分解,其实是对学生的对象式程序设计能力的一个重要检验。学习用对象式语言来描述编译程序,学生可能会受到一次严格的对象式语言程序设计训练,编译程序如何用类这个工具进行分解,这些类(对象)如何合作完成编译任务,都需要较好的对象式程序设计基础。图3是一个程序设计语言文法的面向对象表示。
传统的编译程序构造主要存在如下一些问题:
(1)传统编译程序试图通过将编译程序根据功能模块分解,而使整个编译程序的复杂性降低。这种方法虽然在一定程度上简化了编译过程。但为了处理大型、复杂且多变的编译程序,仅仅将它按照功能分解成词法分析、语法分析、语义处理和代码生成几个阶段是远远不够的。
(2)传统的编译程序构造中,编译的每个阶段依然是大型、复杂的,且每个阶段内部依然存在复杂的联系,这对编译程序的可维护性没有实际上的改变,反而造成维护困难。
(3)虽然传统的编译程序构造有着丰富的理论基础,也有一些工具诸如Lex、Yacc等,但对一个具体的编译程序的构造仍然要从最基本的描述开始。传统的编译程序构造的功能分解方法缺乏支持复用的良好机制。
总之,过程式程序设计范式存在的问题在编译程序设计中广泛存在。而用对象式程序设计语言来描述编译程序,则对象式程序设计范式带来的好处基本上都能够得到。具体主要表现在:
(1)编译程序效率高。由于面向对象的编译程序构造采用的是语法树构造法,可以得到上下文相关信息,并根据上下文进行语法树的优化,所以生成的代码效率高。
(2)复用方便。由于语法类和具体的语法结构一一对应,所以在复用语法结构时,可以直接得到能被复用的语法类,不需要经过查找过程。
(3)修改方便。由于面向对象方法中的封装和多态等技术的实现,语义处理方法中所用到的数据都是局部数据,因此要做语义修改时,只要继承相应的语法类,并且重载相应的语义处理方法即可,需修改的内容较之传统方法要少。
(4)有利于构造编译程序类库,使得编译程序的构造能够大量复用已有的类,这是更高层次上的复用。
4课程实验的设计
计算机学科是一门技术学科,它虽然有一定的科学的成分,但工程技术的成分更多一些,因此需要加强动手能力的培养。编译原理课程除了注重它的原理性,还必须注重其实践性。学习这门课程时,学生对编译的理解往往只停留在书本的概念上,而不知道怎样把编译理论应用到实际的编译程序设计的实践中。另外,有些学校只将教学内容锁定在文法、词法分析(有穷状态自动机)、语法分析(LL、LR文法)上,以应付学生考研的需要。这些做法使得学生很难掌握这门课程的精髓。
图2传统的编译程序功能分解
图3程序设计语言文法的面向对象表示
编译系统可能是所有软件系统中最复杂的系统之一,通过本课程实践环节的教学,还可以帮助学生掌握一些大、中型软件设计的技术和技巧,提高学生面向对象软件开发的综合能力。
传统的编译原理课程往往要求学生自己实现一个词法分析程序;实现一个基于递归子程序递归下降分析程序或基于预测分析表的语法分析程序;为某虚拟机(例如PL/0虚拟机)生成代码;对教学模型(例如PL/0)进行扩充,写出完整的编译程序等。且在此过程中学生可以借助词法分析自动生成程序Lex和语法分析自动生成程序Yacc进行有关实验。我们要求学生通过对教学模型的分析,能够在机器上动手实现一个小的编译系统,以加深对编译整个过程的一致性、连贯性、整体性的理解。
一旦我们的讨论对象改变为对象式语言,则其编译程序语法和词法分析的自动生成不能再采用Lex、Yacc这类工具了,需要改用JavaCC(JavaCompilerCompiler)或SableCC等,它们都能生成Java语言代码;或者使用Jikespg(Jikespasergernerator),它生成C++代码。
我们初步制定了本课程的实践环节,它主要分四个层次:
(1)借助JavaCC或SableCC等工具让学生自动生成小语言的词法分析和语法分析程序。这个实验的目的是教会学生关于词法分析和语法分析的自动生成,同时弄清这些工具生成出来的代码的程序结构,特别是面向对象的类结构。
(2)为上面生成的语法树添加语义动作,完成生成代码的工作。这个实验的目的是让学生理解如何在抽象语法树上添加语义动作,理解为虚拟机生成代码的知识。
(3)扩展教学模型,如MiniJava,为其增加一些语言成分,如有关语句等,然后为其构造完整的编译程序。这一实验让学生把握编译的总体,弄清各部分之间的关系。
(4)逐步构造面向对象的编译程序类库,使得“编写”编译程序逐步走向“组装”编译程序。
5结束语
