空域相关性范文

空域相关性范文（精选10篇）

空域相关性 第1篇

关键词：自适应隐写,最小化嵌入失真,小波系数,失真代价函数,网格码

0 引言

图像自适应隐写术利用图像自身内容特性,将秘密信息隐藏在图像中内容较为复杂的纹理和噪声区域,而基于失真代价函数的图像自适应隐写术则是目前图像自适应隐写术的主流方向,首先通过失真代价函数对每个像素的嵌入失真进行定义;然后通过特殊的自适应隐写编码方案(如网格码(Syndrome Trellis Code,STC[1]))对秘密信息进行嵌入,同时使得对图像引起的总体失真最小。

本文借鉴了WOW[2]和S-UNIWARD[3]中对图像进行方向滤波的思想,首先以一维高通、低通滤波器为工具构造方向滤波器(3个方向:水平、垂直、对角线);然后沿3个方向分别对图像进行方向滤波;最后根据小波系数与其邻域系数的相关性,对失真代价函数进行定义,并在此基础上提出了基于小波系数相关性的图像空域自适应隐写术。实验结果表明:本文的方法可以更好地抵抗常见的通用隐写分析,在安全性上相比HUGO[4]、WOW和S-UNIWARD有一定的提高。

1 基于小波系数相关性的图像空域自适应隐写术

1.1 小波系数相关性分析

无论是WOW算法还是S-UNIWARD算法,其都假定小波系数在不同方向上是独立的,且小波系数与系数之间也是相互独立的。这种假定忽略了图像经过小波处理后小波系数之间存在的相关性[5]。实际上大多数的自然图像经过小波变换后其系数之间都存在一定程度的相关性,当秘密信息嵌入到图像中时,图像小波系数之间的这种相关性也会发生变化。下面通过实验对其进行验证:

假设F(1)、F(2)、F(3)代表水平、垂直、对角线3个方向上的方向滤波器,X代表载体图像,图像大小为n1×n2,Y代表嵌入信息后的载密图像(载密图像Y由原始图像X经过LSB算法隐写得到)。

载体图像中像素(i,j)经过水平、垂直、对角线方向的滤波器处理后,假设其小波系数分别为Wu(1,)v(X)、Wu(2,)v(X)、Wu(3,)v(X),对小波系数之间的相关性定义如下:

水平方向:

垂直方向:

对角线方向(分为主对角线和副对角线):

则像素(i,j)处的小波系数与其邻域像素之间的总体相关性定义如下:

载密图像Y中像素(i,j)处的小波系数与其邻域像素之间的总体相关性计算公式和载体图像相同。经过实验,图像在嵌入秘密信息前后小波系数相关性的直方图如图1所示(为了便于观察,取载体图像和载密图像相同位置的16×16像素块进行对比,横坐标代表小波系数相关性的值,纵坐标代表相应小波系数相关性数值的数量)。

由图1可以看出,载体图像经过秘密信息隐写后,其小波系数之间的相关性也会发生比较明显的变化。从这个角度出发,本文以方向滤波器为工具,对载体图像进行方向滤波;然后根据小波系数与其邻域系数的相关性,对失真代价函数进行设计,提出了基于方向滤波器的图像空域自适应隐写术。

下面主要分失真代价函数设计、嵌入过程、提取过程三部分对该隐写算法进行介绍。

1.2 失真代价函数设计

一些参数定义如下:F(1)、F(2)、F(3)代表水平、垂直、对角线三个方向上的方向滤波器,L(H)表示一维小波分解低(高)通滤波器。X代表载体图像,图像大小为n1×n2,Y代表嵌入信息后的载密图像。定义图像的嵌入失真分以下3个步骤进行:

(1)构造方向滤波器

(2)对图像进行方向滤波

其中“*”表示卷积运算。

(3)定义图像总体的嵌入失真

其中,φ为恒定常量,其值大小由实验决定。(X)包含了小波系数(u,v)与其邻域字数之间的相关性(以像素在某一特定方向上与相邻像素之间小波系数的差值的绝对值之和来衡量),其计算过程见式(1)~式(3)。

对的计算过程如下:首先利用载体图像X对秘密信息m进行嵌入,得到载密图像Y;随后按照步骤(2)中构造的方向滤波器对载密图像Y进行方向滤波处理,最后按照步骤(3)中的公式(将载体图像X替换成载密图像Y)得到在具体的实验过程中可以利用LSB算法对秘密信息m进行嵌入,得到载密图像Y。

1.3 嵌入过程和提取过程

1.3.1 嵌入过程

根据1.2中对每个像素嵌入失真的定义,利用STC隐写编码方案对秘密信息进行嵌入。STC隐写编码方案的基本原理如下:

其中,H称为校验矩阵,由大小为h×w的子矩阵通过级联的方式拼接得到,且为发送者和接收者双方共享。参数h主要影响STC隐写编码的时间复杂度,其取值范围一般为:6≤h≤15。h的值越大,STC隐写编码的时间就越长,实验中将h设置为6。w的取值根据嵌入容量α决定。

STC隐写编码的嵌入过程以网格图的形式进行,其简要过程为:根据校验矩阵H和所要传递的秘密信息m,利用式(8)得到秘密信息m关于校验矩阵H的所有陪集y,且所有的y在网格图中均可以用一条路径表示;然后根据式(9),在所有的路径y中寻找与载体图像X具有最小汉明距离d(X,y)的码字,即为最终的载密图像Y。寻找码字Y的过程可以由维特比算法得到(转化为寻找最短路径问题)。

1.3.2 提取过程

接收方在收到载密图像Y后,根据和发送者共享的校验矩阵H,将式(8)中的y替换为Y,左乘校验矩阵H即可以得到秘密信息m。

2 实验仿真及分析

以伪随机数发生器产生的二元序列模拟所要传递的秘密信息m,实验所用图像库为BOSSbase1.01[6],该图像库中的图片1/2作为训练样本,1/2作为测试样本。通过集成分类器(Ensemble Classifier[7])在载体图像和载密图像之间进行训练和测试。采用空域富模型(Spatial Rich Model,SRM[8])特征对隐写算法进行安全性分析,衡量算法安全性的指标用EOOB表示,它是对最小总体检测错误率PE的无偏估计,其计算公式为:

其中,PFA表示错警率,PMD表示漏检率。EOOB的值越大,说明使用该隐写算法抵抗隐写分析的性能越强,安全性越高;反之,则说明其抵抗隐写分析的性能越差,安全性越弱。

2.1 滤波器种类选择

为确定合适的小波种类,以便更好地构造方向滤波器,本文对6种小波进行了实验研究,在嵌入率为0.4 bpp(bit/per pixel,位/每像素)、φ取值分别为1、3、5的条件下,检测每种小波抵抗SRM隐写分析特征的性能强弱,实验数据如表1所示。

从表1可以看出,在实验所用的6种小波中,当φ取值不同时,Daubechies 8小波均表现出了相对较好的抵抗SRM隐写分析的能力,因此本文将利用Daubechies8小波对方向滤波器组进行构造。

2.2 参数φ的确定

为确定合适的φ值,在实验中嵌入容量α的取值范围从0.05 bpp~0.50 bpp(其取值间隔为0.05),EOOB的值取到小数点后3位,实验数据如表2所示,实验数据反映到折线图如图2所示。

由表2和图2可以看出,在特定嵌入容量α的条件下,当φ的值为1时,EOOB的值最大,表明在该条件下算法抵抗SRM隐写分析特征的性能最好;当φ的值为负数时,EOOB的值急剧减小,甚至达到0,说明φ取负值时不利于算法抵抗SRM隐写分析。因此,本文中将φ的值设置为1。

2.3 本文算法的安全性分析

通过实验对比了本文方法与其他3种基于最小化嵌入失真原则的图像自适应空域隐写术(HUGO、WOW、S-UNIWARD)在抵抗34671维SRM特征隐写分析方面性能的强弱。一些参数定义如下:HUGO算法中,根据文献[4],参数T的选择为255;WOW算法中,根据文献[2],参数选择为:γ=1,σ=1,T=255;S-UNIWARD中,根据文献[9],将σ设置为2-6;本文算法将φ的值设置为1。4种自适应隐写算法抵抗SRM特征隐写分析的安全性对比如图3所示。

从图3中可以看出,在相同嵌入容量的条件下,本文算法抵抗SRM隐写分析特征的性能相对其他3种隐写算法(HUGO、WOW、S-UNIWARD)有较为明显的提升,说明利用本文算法对像素的嵌入失真进行定义时更为合理,且在进行秘密信息的嵌入时,本文算法能够将嵌入区域集中在沿各个方向都难以对其进行预测和隐写分析的纹理区域(如图4所示),因此相比其他3种隐写算法更能够有效地抵抗SRM特征隐写分析,从而有效地提高了隐写算法的安全性。

3 结论

本文根据图像小波系数与其邻域系数之间的相关性,设计了一种新的失真代价函数,并在此基础上提出了一种基于小波系数相关性的图像空域自适应隐写术,最后通过实验仿真检测其抵抗常用隐写分析的性能。实验结果表明,本文隐写算法能够将嵌入区域集中在图像内容较为复杂的纹理区域,且在抵抗SRM隐写分析性能上相比较于HUGO、WOW、S-UNIWARD有较明显的提升。

参考文献

[1]FILLER T,JUDAS J,FRIDRICH J.Minimizing add-itive distortion in steganography using syndrome-trellis codes[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2011,6(3):920-935.

[2]HOLUB V,FRIDRICH J.Designing steganographic distortion using directional filters[C].Proceedings of the IEEE International Workshop on Information Forensics and Security(WIFS),Tenerife,Spain,2012:234-239.

[3]HOLUB V,FRIDRICH J,DENEMARK T.Universal distortion function for steganography in an arbitrary domain[J].EURASIP Journal on Information Security,2014(1):1-13.

[4]PEVN Y'T,FILLER T,BAS P.Using high-dimensional image models to perform highly undetectable steganography[C].Proceedings of 12th In-ternational Workshop on Information Hiding,Calgary,Canada,2010,6387:161-177.

[5]张荣跃,倪江群,黄继武.基于小波域HMM模型的稳健多比特图像水印算法[J].软件学报,2005,16(7):1323-1332.

[6]BAS P,FILLER T,PEVN Y'T.“Break our steganographic system”:the ins and outs of organizing BOSS[C].Proceedings of the 12th International Workshop on Information Hiding,Calgary,Canada,2010:59-70.

[7]KODOVSKY J,FRIDRICH J,HOLUB V.Ensemble classifiers for steganalysis of digital media[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2012,7(2):432-444.

[8]FRIDRICH J,KODOVSKY J.Rich models for steganalysis of digital images[J].IEEE Transactions on Information Forensics and Security,2012,7(3):868-882.

加快低空空域管理改革 第2篇

每年全国两会，航空界代表们热议的话题之一就是“加快低空空域管理改革，加速我国通航产业发展”。

据中国航空器拥有者及驾驶员协会（AOPA）统计，截至2013年7月31日，中国已经有116个县级及以上城市在建或计划建设通用航空产业园区。近年来，我国每年新增通用飞机200多架，预计到2020年，年新增飞机需求量将达到800架左右，通航产业已经进入发展的快车道。

全国人大代表、中国航空工业集团副总经济师、中航通用飞机有限责任公司（下称“中航通飞”）董事长孟祥凯告诉《中国经济周刊》，关于呼吁加快低空空域管理改革的建议已经提了多年，近年来有了一定的发展，但是制约的瓶颈还很多，建议继续加快改革试点推广，开放更多低空空域。

全国政协委员、中国商飞公司副总经理吴光辉告诉《中国经济周刊》，他也曾经在两会后收到过相关部门给他的正面积极反馈。现在通航在各地形成了热点，而面临的问题是让更多的飞机飞起来、飞出去，还要提供一整套的配套服务。

通航产业发展遭遇天花板

孟祥凯表示，我国通航产业发展遭遇天花板，解决包括低空空域管理等系列瓶颈问题仍任重道远。

具体来说，2011年中国通航产业的增长速度为28.5%，但由于中国低空空域开放步伐远落后于通航发展速度的需要，包括配套措施不到位，国内通航旺盛的需求明显受到抑制。2012年，中国通航生产作业飞行时间仅51.7万小时，增长率只有2.8%；2013年通航飞行总量近60万小时，增长率仅5.6%。2014年民航局制定的通航飞行小时增长目标仍然是5.6%，远低于前几年两位数的发展速度。截至2013年底，中国已有178家通用航空运营公司，另外还有110多家正在筹建，且绝大部分企业处于亏损状态。2013年，民航局首次对通航企业补贴，额度达到6亿元，才缓解了亏损状态。

孟祥凯表示，中国的低空空域开放还不到位。目前，中国低空空域改革试点已扩大至“两大区七小区”，即沈阳、广州管制区，唐山、西安、青岛、杭州、宁波、昆明、重庆管制分区。但是目前大部分放开的是偏远地区，低空开放空域不能连接成片，大中城市周边的飞行仍受到极大限制，跨域低空飞行仍然较难。

天空开放是通航大发展的前提

作为中航通飞的领路人，面对空域开放后会给整个通用飞机市场带来的利好，孟祥凯经常被问到的问题之一就是：“空域开放是否进程太慢？”他表示，“我比你们都急，但还要一步一步慢慢来，天空不能乱”。

但不可否认的是天空开放是通用航空大发展的前提。中国民用航空局于2013年11月发布《通用航空飞行任务审批与管理规定》，将与国防、领土不相关的通用航空飞行任务的审批权让渡出来，从而在一定程度上简化了通航飞行的流程。

孟祥凯建议，加快出台《低空空域管理使用规定》等更多可操作性文件，划设更多的“报告空域”，并在空域结构划设上，将安全需求和通航需求匹配好，让通用飞机可以在更广阔的蓝天下翱翔。与此同时，在加快出台《低空空域管理使用规定》的基础上，在开放的低空空域（监视空域、报告空域）范围内，首先建立统一由民航主导的包括任务审批、计划申报等的管理体制。另一方面，迅速推进国家空管委低空飞行服务站的试点工作，适时推广，建成先进的低空监控系统，对低空飞行实施有效监控，保障飞行安全以及空域的充分利用。

通航井喷何时来？

如果空域放开后，中国的通用航空市场将会达到怎样的规模？

国外经验表明，通用航空产业投入产出比为1：10，技术转移比为1：16，就业带动比为1：12。美国通用航空产业一年的经济贡献为1500亿美元，拥有通用航空飞行器约22万架，通航产业可提供126.5万个就业岗位。而我国通航产业经济规模仅为100多亿人民币，各类从业人员不足2万人，通用航空飞行器只有1610架。有业内人士预测，未来10年我国通用飞机需求总价值达到155亿美元，通用航空产业发展空间巨大。

空域相关性 第3篇

关键词：空中交通管理,空域灵活使用,条件航路,临时隔离区域,仿真评估

0 引言

随着航空运输业的迅速发展, 空中交通越来越严重的拥挤状况, 有限空域资源与交通需求之间的矛盾日益突出, 造成大量航班延误, 带来巨额经济损失, 也增加了航空运输系统不安全事件的隐患。据预测[1], 到2025年全球航空运输量可达到目前的3倍, 提升航空运输系统的容量迫在眉睫。欧洲的SESAR (Single European Sky ATM Research) 项目[1]和美国的NextGen (Next Generation Air Transportation System) 项目[2]都提出在未来10~15年内建立至少能容纳3倍于当前空中交通量的航空运输系统, 其中空中交通资源的有效管理是一个重要方面。我国于2007年完成了《中国民航新一代空中交通管理系统发展总体框架》的制定工作[3], 并将其列入重要的研究议题。实现对空域资源的科学规划和有效评估, 是保证空中交通管理系统安全高效的前提和基础。

空域资源的规划与管理应遵循3大基本原则[4], 即主权性原则, 空域管理代表国家主权, 不容侵犯, 具有排他性;安全性原则, 在有效的空域管理体系下, 确保航空器的空中飞行安全;经济性原则, 科学地实施空域的管理, 空域资源不能被用户永久占用, 所有用户在满足空域使用需求后及时释放空域资源, 实现再次分配利用。由于民用航空的快速发展, 军用航空的新特点 (武器装备的更新换代、国内外局势的变化、军事训练和演习的需要等) 和空域资源利用率不高, 空域需求的矛盾进一步加剧, 空域规划与管理中一些弊端凸显, 如空域管理权相对独立、空域管理效能降低, 资源难以共享;空域划设不够合理;空域的使用不够合理;空域管理评估与审查制度不健全;空域管理数据信息系统不完善;军、民航协调效率不高等。目前, 将空域的灵活使用应用于空中交通规划管理是解决空域资源与交通持续增长的需求之间矛盾的较好方法。

作为空域的2类主要使用者, 军航和民航不仅在使用航空器机型、飞行性能、机动性等方面存在较大差异, 其运行也各不相同:民航遵照严格的飞行程序和规则, 通过流畅的空中交通获取航空安全和降低运行成本, 而军航出于领空守卫职责, 及实时“威胁分析与决策”的角色, 强调战术灵活性和机动性。随着国际形势的变化, 军事飞行频繁, 军、民航飞行冲突和空管的矛盾容易加剧, 飞行空域越来越复杂、对于空域资源需求越来越大。在军、民航协调下, 通过灵活使用空域资源, 有效开展空域容量, 实现空域有效利用。

世界范围军、民航飞行矛盾开始于二战结束, 为了适应不断增长的航空运输和空中交通服务的需求, 欧洲民航会议 (ECAC) 于1990年4月24日接受并颁布了航路 (en-route) 战略。为了实现ECAC航路战略的目标, 20世纪90年代初, 欧洲空中交通管制和谐与集成项目 (EATCHIP) 正式启动, 并在多个不同领域加以建设, 其中空域管理 (ASM) 是这项战略的关键因素之一。欧控空域战略主要包含空域管理和军/民合作的研发, 在全欧洲推广灵活使用空域概念, 并将灵活使用空域概念运用至低空空域和一些特殊的终端区, 最终形成较灵活的空域管理方法。为此, 欧洲航行安全组织先后颁布了“灵活使用空域概念”[5]和“灵活使用空域指导性文件”[6]等, 将灵活使用空域划分为战略级, 预战术级和战术级, 对于每个级别规范了具体的实施方法。

本文在借鉴国外灵活使用空域基本方法[7,8,9]的基础上, 根据国际民航组织的空域规划相关文件[10,11], 提出基于灵活使用空域的终端空域规划设计的基本方法, 并通过对上海终端空域的算例对比分析, 表明基于灵活使用的终端空域设计方法优于传统的终端空域规划方法。

1 基于灵活使用空域的终端空域规划设计和运行管理

1.1 空域灵活使用的条件航路和临时隔离区域

在现存的空域划分不能满足灵活空域管理的需求, 需要在现有空域的基础之上建立一些临时性的空域。临时性的空域是供军民联合使用的空域, 军航或者民航都可以向相关部门提出申请, 若出现冲突, 进行军、民航协调, 以求更加灵活和充分的使用空域, 并增加空域流量和容量。划设的临时空域可以是条件航路、临时隔离空域等。条件航路是一种非永久空中交通服务航路或这种航路的一部分, 它们只有在某些特定条件下才可计划和使用。临时隔离空域是具有确定尺寸的一个空域, 其中需要保留空域供特定用户在一个确定的时期内专用。

1.2 终端空域规划设计基本步骤

首先, 设计年限机场密集区域的飞行终端区的空中交通需求预测。根据终端区现有军、民航的机场布局、军、民航机场新建和扩建的总体需求, 以及军、民航对于空域的总体需求, 本文将改进“四阶段”模型法, 采集和统计军、民航历史流量数据, 根据流量数据预测设计年限该区域的空中交通需求。

其次, 基于未来军、民航对于空中交通的需求, 分析终端区空域结构业已存在和行将出现的问题。开发高密度机场终端区空中交通的仿真软件, 采用空中交通的仿真手段结合军民航专家座谈等方式分析管制区域空域使用现状, 指出未来该空域在军、民航的机场布局、运行方式、空域使用和军、民航协调机制等方面存在的问题和影响飞行安全和飞行容量的主要因素。

再次, 基于空域未来空域需求和空域现状问题分析基础上, 确定终端区未来空域规划方案。通过对于终端区空域现状的分析评估, 从定量和定性方面研究和制定科学的空域规划方法, 以便形成合理的终端区空域规划方案。完成终端区空域规划所需的研究工作包括:

1) 终端区航线网络的规划设计方法研究, 以及对终端区航线网络的规划设计。针对终端区多机场密集空域的航路飞行冲突位置, 根据专家评估和仿真评估结果, 通过增加临时航路、修改现有航线、进离场分离, 以及调整航线高度层等方法进行航路网络优化, 减少军、民航飞行冲突位置。

2) 飞行程序和导航设备优化配置方法研究, 以及对终端区飞行程序和导航设备优化配置。针对目前军、民航飞行程序的差异, 导航设备布局不合理等问题, 通过在优化导航设施布局, 优化飞行程序设计, 确保飞行安全和增大空域容量。

3) 终端区扇区优化设计方法研究, 以及对终端区空域的扇区优化设计。针对不同扇区管制工作负荷的较大差别, 扇区功能的复杂等问题, 通过扇区管制负荷均衡、动态扇区、进离场分离等方法, 保证优化的扇区管制员工作负荷均衡, 扇区功能单一, 军、民航空域使用的灵活性。

4) 综合各种因素通过定性分析, 提出并细化空管运行标准改进方案、终端区运行规程改进方案、信息共享方案、应用新航行技术方案、联合运行管理等方案。

最后, 空域性能的仿真验证。针对采用上述空域规划设计方法, 产生的各种终端区空域规划比选方案、可行的方案建议, 建立相对应的空中交通仿真模型。通过仿真实验的方式来分析各种方案的空域性能, 分析的指标有空域容量、安全性、经济性、环境污染物、延误、管制员工作负荷等。在对于终端区规划设计和对空域性能的仿真评估分析的基础上, 确定可行的终端空域规划设计方案。

2 算例分析

2.1 上海终端空域条件航路和临时隔离区域

根据对于上海终端空域2012年某天流量的预测, 可以得出2013年上海终端空域总的交通流量为793 945架次。据此对于该空域的航路网络优化的基础上, 建立条件航路和临时隔离区域, 图1是灵活使用空域条件下的航路方案, 此时空域中存在3个临时隔离空域, 分别是:临时隔离空域A、临时隔离空域B和临时隔离空域C。图中经过上述3个临时隔离空域, 建立了3条条件航路。上海终端空域根据每日空域需求确定第二级分配, 在第三级实时对民用或军用空域用户在要求时间激活。即在无空军活动情况下, 3个临时隔离区被释放时, 对应3条条件航路可用, 按需求进行激活。而在有空军活动情况下, 当上述3个临时隔离区被激活时, 则3条条件航路不可用, 恢复到方案3的空域航路网络结构和扇区结构。

2.2 扇区划分方案

在不改变现有的导航和管制系统的条件下, 根据2013年高峰时段的交通流, 确定管制负荷, 最终确定扇区划分结果, 设计上海终端空域分为7个扇区见图2。

2.3 方案仿真比较分析

建立上海终端区空中交通三维微观仿真模型, 模型的主要数据来源于上海终端空域的实际运行数据和对未来终端空域的合理预测所得的数据;然后对终端空域的飞机进离场全过程进行三维仿真, 模拟管制员的指令。

经过仿真产生的飞行轨迹表, 用VB+MAPX软件来显示飞机在空中的飞行情况, 模拟上海终端区的空域的运行动态;显示程序包括:飞机的飞行轨迹, 航班号, 高度, 机型, 见图3, 飞机按照预定的飞行路径飞行。

2.3.1 安全性分析

飞行安全与飞机间的间隔有着密切的联系, 为了保证飞行安全, 上海终端区将进场飞机间的间隔设为纵向间隔12km, 垂直间隔300m, 已经满足了ICAO和民航总局对飞行间隔的相关规定[10], 但由于上海终端区比较繁忙, 仍存在一些影响安全飞行的因素, 主要是交叉点过多以及进离场航路不分离, 因此通过航路结构的改进可以提升空域的飞行安全。对方案进行评估, 参数如表1所示:

次/h

2.3.2 延误时间分析

上海终端区的各扇区空中交通流量较大, 为满足相关运行标准及间隔规定, 需要实施一些必要的等待、引导或调速等, 这必将产生延误。为确定扇区延误, 本项目使用SIMMOD (airport and airspace simulation model) 对上海终端区进行仿真建模, 全程仿真终端空域中的飞机进离场运行。2013年的高峰小时流量的预测值为142架次/h。以下分别对3种方案以及现状空域按高峰小时流量进行30次仿真, 并对仿真结果进行统计分析。

min/架

由表2可见, 2013年方案的延误时间均小于15min, 能够满足中国民航局关于航班正常的要求。

2.3.3 工作负荷分析

上海空域的主要问题是航路结构不合理带来的管制员的工作任务繁重, 工作负荷过大。为此开发了空中交通微观仿真系统, 利用“DO-RATASK”方法来验证上海终端区扇区划分的合理性。该系统采用基于计算机仿真技术的空中交通仿真方法对终端空域中的飞机进离场全过程进行仿真, 并实现三维动态模拟运行, 模拟管制员的指令, 统计分析各个扇区管制员的工作负荷。空中交通微观仿真系统仿真分析的指标为小时管制工作负荷, 即1h内管制员指挥空中交通的工作负荷, 分析各个扇区的负荷是否满足“DO-RATASK”限制的管制员工作负荷。以上海终端区北向进场为例对划扇方案的高峰小时流量进行仿真, 并对仿真结果进行统计分析。分别对3种方案的2013年的高峰小时流量仿真30组数据, 各个扇区的管制工作负荷均值见表3。

s

对于该方案, 除7扇区外, 各扇区管制负荷均相当, 分布相对均衡。7扇区负责虹桥机场的低空部分, 虹桥机场的进离场均在其管制范围内, 且浦东机场的部分进场和离场也都经过7扇区, 故负荷值较高。各扇区的管制负荷均均小于2 880s, 满足“DORATASK”方法限制的管制员工作负荷。

2.3.4 经济性分析

根据文献[12], 能够对各方案的经济性进行比较, 利用数学模型对方案进行评价, 所得结果见表4。

2.3.5 环境污染分析

根据IATA数据[13]:民用飞机平均每燃烧100t燃油, 释放318.7tCO2, 2.112tNOx, 56kgCO及98kgSo2, 结合终端空域飞机进离场全过程的三维仿真数据得出的耗油量Wf, 可得2013年各方案终端区温室气体排放量见表5。

2.4 方案模拟机验证

通过模拟机验证, 结合2013年的高峰需求, 管制专家[14]给出了灵活使用空域方案的仿真验证结果:灵活使用空域方案是对现行限制做出优化调整后形成的方案, 依据地理原则划分扇区, 摆脱现行东西分立的限制, 将高低扇和内外扇的方式综合运用, 可以减少扇区内的管制工作负荷和减少移交工作负荷, 扇区划分方案和现有方案差异较小, 调配方法成熟完备, 易于掌握。通过调整扩大引导区使得空域的可利用范围增加, 可以更好的优化航路和飞行程序。总体而言灵活使用空域方案的安全性好, 扇区的管制工作负荷基本可以接受, 掌握新扇区比较简单。管制的灵活性高, 但是进离场没有彻底分离, 管制工作难度改善有限。

3 结语

机械：低空空域盛宴或将开启 第4篇

事件：近日媒体报道，国家空管委办公室副局长马欣在珠海航展期间透露，2010 年底启动的低空空域改革明年将在全国铺开，通用航空审批手续将大大简化。

政策有望在近期获得突破。根据报道，为配合明年将在全国铺开的低空空域改革，相关部门正着手制定低空空域管理使用规定和通用航空任务审批办法等具体措施。我国低空空域顶层设计层面的三大核心管理办法，包括低空空域划设规定、低空空域管理使用规定、通用航空任务审批办法等，其中前两者有望在年内出台。我们分析认为低空空域划设规定、低空空域管理使用规定出台后，将有望对通用航空行业发展起到有力引导与规范作用。

通用航空装备制造业将有望成为我国制造业转型与升级的重要落脚点。通用航空装备制造业属于高端制造业，同时，我国现在所处的经济发展阶段已经具备发展通用航空产业的条件，通用航空也在国内面临较大的市场；同时，通用航空业的产业链较长，对相关产业的带动性大，因而通用航空装备制造业将有望成为我国制造业转型与升级的重要落脚点。

政策如果出台后将有望对相关上市公司业绩产生显著拉动作用。据统计，截至2011 年，我国通用飞机只有1154 架，而美国有24 万架。预计未来十年，我国通用飞机增长量将超过1 万架，按单架飞机平均价格300 万元人民币计算，低空开放后，将撬动超过万亿元的飞机制造等相关市场。巨大市场机遇将有望显著拉动相关上市公司业绩。

空域内数字图像增强技术研究 第5篇

关键词：图像增强,线性变换,非线性变换,算子

在日常生活中, 人们获取信息的主要方式是通过视觉系统获得的, 有很多是从图像中得到的, 因此, 在人们生活和工作中, 数字图像的处理都有所应用。数字图像的增强是数字图像处理中非常重要的一个环节, 为图像的后期处理提供有力的保障[1,2]。目前, 对于数字图像的增强主要分为两大类, 一种是在空域内的处理, 一种是在频域内的处理。杜晓昕等人将智能仿生算法应用于图像增强技术中取得了较好的增强效果[3,4]。本文对空域处理方法中的灰度线性变换、灰度直方图、直方图信息的均衡化、空域变化中又分为平滑和锐化处理等技术进行了深入研究。

1 图像的点运算

图像的灰度变换是根据研究的需要按照一定的变换关系式对其中的中的每一个点的像素值进行变化, 来提高画面质量和清晰度, 所以又被称为点运算, 使用灰度处理函数:

经过变换后图像中的每一个点都被转换了, 在选择变换函数时要使得变化后的图像灰度动态范围增加, 使得图像画面更细腻, 更有利于识别。

1.1 图像的线性变化。

图像的灰度变换又分为线性和非线性, 在线性变换时可以设一维的线性变换函数为:

当a的值大于1是得到的图像的对比度就会得到加强, 反之减弱, 如果a的值等于1, 且b不等于0时, 图像的灰度值就会随b的变化而整体增强或者减弱;如果a的值小于0, 则会出现图像的反变换, 当a取-1时, b取225时, 图像的灰度值正好相反, 下面就来介绍这种线性变化中的特殊变化:求反变化

简单说就是将黑的变成白色, 白的变黑色;用下面的函数进行实现:

它的灰度值范围是[0, L-1], 这种处理被广泛的应用在医学图像增强中, 尤其是图像中黑色占主导的情况下。下面是对一副医学图像进行了处理。

图1是医学中乳腺X光片, 处理后的图像更有利于医生观察病灶所在, 使得医生很快速的对病情进行判断。

1.2 图像的非线性变换。

在图像处理过程中, 单纯的线性变换是不能满足人们的需求的, 在非线性变换中, 图像的灰度变换是按照亮度的变换来变换的, 经常使用的是伽马变化来进行图像增强, 实现伽马变换的函数是:

用函数表示如图2所示。

S代表的使图像的灰度值, γ是进入传感器的光强度, c和r是常数;在γ1时, 灰度级增高, 图像在正比函数上方, γ越小图越亮;反之, γ1时, 灰度级降低, 图像在正比函数下面, γ越大图越暗。

2 灰度直方图变换

直方图变换是把所有的像素灰度值进行统计和分级, 然后做成直方图形式, 简单的说就是把灰度级是1到10分为一级, 10到20的分为一级, 以此类推。在MATLAB中有相应的函数可以直接调用来提取图像的直方图信息。

图3是获取的直方图效果对比图。

直方图均衡化就是依靠某种函数变化, 将整个图像的灰度级都均匀分布, 这就使得图像的灰度的动态范围的到了增加, 将图片的对比度改善。

对图像的信息进行直方图的均衡化, 第一步要得到原图像的灰度的等级rk, 通过这些信息得到直方图的信息。

在式中rk是第k个灰度级, nk是其出现次数, N是总的像素数。然后把得到的数进行处理得到均衡化后的结果。

3 空域滤波增强

在图像的空域增强过程中, 它是应用某一个样式, 得到的每一个点的数值都在一个小范围内按这个样式变化的。

各种滤波变化根据处理目的可以化分为两种:一个是把图像的边缘变得平滑, 在平滑处理中又划分为线性的变换和非线性的变化, 主要适用于图像的模糊化处理以及降低噪声处理, 另一种是提高边界信息来锐化图像, 主要强调图像的细节信息。

在日常生活中, 会遇到很多的图像模糊现象, 这是因为在图像的传输过程中, 一部分信息都丢失了, 图像的锐化就是把图像的细节信息增强, 使图像的边缘更清晰。这种锐化也分为两种, 一种是一阶的微分方法, 另一种是二阶的微分算法。

在本文中对于一阶的采用的是索贝尔算子的处理方法, 而拉普拉斯用的是二阶的计算方法。他是把中心的值变为正数, 而周围的变为负数。

3.1 用拉普拉斯计算方法来处理。

拉普拉斯算子是将图像进行相应的函数变换, 对于一个图像的函数f (x, y) 进行拉普拉斯运算, 函数变换式是:

式中.Áf就是所求得拉普拉斯值。

对三组图像进行了处理, 效果图如4所示。拉普拉斯算子对图像的噪声很敏感, 但增强后会有失真这也是一大缺点。

3.2 索贝尔算子。

索贝尔算子是一种非线性的变换, 它是对于边缘算法的优化, 它是对所有像素点的统计, 可以获取边界点的方向, 它受到噪点对他的影响就很小。用下面的计算方法获取梯度的模板, 对图像进行索贝尔锐化和边缘提取, 对三组图像进行了变换如图5所示

4 结论

图像增强是把前期获得图片按照研究的需要, 运用前期设置的相关的算法, 把一些有用的信息加以突出, 使那些干扰或者无用的信息排除掉。图像的增强对于图像的处理有着很重要的意义。

参考文献

[1]王波.滤波算法在图像增强中的应用研究[J].计算机仿真, 2013, 28 (3) :16-18.

[2]王波.基于细胞膜优化的图像边缘检测算法研究[J].计算机仿真, 2013, 37 (6) :189-204.

[3]杜晓昕.基于人工鱼和细胞膜优化医学DR图像增强研究[J].微电子学与计算机, 2013, 30 (9) :82-85.

空域扇区运行状态评估 第6篇

国外的相关研究主要为以容量、流量的不平衡定义拥挤状态。美国的增强型流量管理系统 (enhanced traffic management system, ETMS) 采用交通需求大于扇区容量来判断拥挤状态[2];Wanke C等人基于需求与容量的不确定性, 提出了“拥挤风险”的概念[3];Bassan S等人通过设定车速和密度阈值来对高速公路交通拥挤进行判定[4]。这些研究以整点小时片段为时长, 对空中交通短时期内的变化无法准确描述。国内在如何判别空中交通拥挤及拥挤程度方面的研究还不够深入具体, 主要从不同角度提取与拥挤相关的指标, 然后进行综合评价。纪铮翔等人从交通需求、交通供给等方面定义了容量、流量、车度、饱和度等关键指标, 对道路交通运行状态进行评价[5]。姚玲从拥挤产生的原因及其后果建立了空中交通拥挤评价指标, 并采用动态综合评价方法对拥挤状态进行评价[6]。张建平针对空中交通流密度、运行安全性能、运行效率性能、管制员工作负荷等诸多运行品质因进行综合评价[7]。其中有关扇区拥挤的指标为:饱和度、速度、扇区面积、密度、管制员工作负荷等。这些研究对交通流运行状态进行整体评价, 不适合用于战术较强的短期交通管理。

综上所述, 现有的扇区运行指标主要基于交通流的基本参数———流量、速度、饱和度, 其中, 饱和度为流量与容量的比值, 流量与速度的比较等同于把饱和度作为直接反映扇区拥挤程度的度量值, 以整点小时片段为时长, 由于选择颗粒度较大, 无法描述空中交通流的短时变化特征, 因此, 提出了一种更详细的划分方法, 定义了流容比因子, 并以拥挤度反映扇区拥挤程度, 以15 min为时间步长, 评估扇区运行状态, 并在厦门1号扇区进行了验证。

1 指标建立与状态评估

1.1 拥挤度指标

空中交通拥挤是空中交通运行故障的一种直接表现。现有研究从交通拥挤发生的根本原因———交通需求和交通容量的不平衡出发, 具体定义为:某交通单元在某时段内的交通需求大于交通容量, 则定义此交通单元在此时段内的交通状态为拥挤, 否则, 为不拥挤。交通流参数中, 饱和度为交通需求与通行能力的比值, 在此定义下即饱和度大于1时, 扇区为拥挤, 否则, 为不拥挤。饱和度示意图如下:

以1 h计算某一天的饱和度如图1所示, 以15min计算某一天的饱和度如图2所示。从图中可以看出, 饱和度即柱状图的面积占容量线矩形的百分比, 常用的饱和度计算如图1, 仅能反应该时间段的总体流量, 不能体现局部时段的容量情况, 也无法描述交通流的短时变化。因此, 现以15 min为研究区间, 定义了三个描述流量与容量不同程度差值的流容比因子, 表征给定扇区的拥挤程度。

为了更加明确地描述扇区对航班的服务架次, 对扇区容量进行了重新说明:

稳定容量:给定的单位时间内, 在持续服务水平请求下, 扇区能够接受的最大航班架次。根据国际民航组织Doc9426提出的DORA方法, 当管制员工作负荷平均值达到峰值的80%时, 此时的航空器流量为扇区的容量值。在我国, 经常采用空管部门在长期运行过程中得到的经验值。

高峰容量:给定的单位时间内, 在不影响安全的服务水平下, 一个扇区能够接受的最航班架次。

剩余容量:在给定的时间段内, 介于稳定容量和高峰容量之间的总航班架次。即高峰容量与稳定容量之间的差值乘以该段时间包含的单位时间数。

然后, 根据容量和流量之间的特征关系, 定义表述不同状态的流容比因子:

占有因子:对于给定的时间段, 没有超过扇区稳定容量的飞机架次占该段时间内扇区正在飞行的航班总架次的百分比。可描述为:没有超出容量的柱状图累积面积占持续容量线线矩阵面积的百分比。如图3所示。

计算公式如下

式 (1) 中, ;OF为占有因子;SC为稳定容量;PC为高峰容量;RC为剩余容量;Qt为单位时间流量。Qof为低于稳定容量的航班架次。

溢出因子:对于给定的时间段, 扇区内超出稳定容量但未达到高峰容量的航班架次占剩余容量的百分比。可描述为:高峰容量和持续容量之间的柱状图累积面积占高峰容量和持续容量矩阵面积的百分比。如图4所示。

计算公式如下:

式 (2) 中,

Ov F为溢出因子;Qovf为介于高峰容量和稳定容量的航班架次。

饱和因子SF:在给定时间段内, 超过高峰容量的时间单元占该时间段内的总时间单元的百分比。如图3所示。

计算公式如下:

式 (3) 中, ;SF为饱和因子;Ht为给定时间段内, 超出高峰容量的时间单元个数;Tt为给定时间段内, 时间单元个数的总和。

下面从理论性的角度, 对三个因子的取值和交通拥挤的关系进行分析。

(1) OF=100%, 表示该段时间内的航班架次一直等同于稳定容量, 扇区处于拥挤状态。

(2) Ov F>=50%, 表示该段时间内航班架次有一半以上超出稳定容量, 扇区处于拥挤状态。

(3) SF>0, 表示该段时间内有单元时间的航班架次超出高峰容量, 扇区处于拥挤状态。

在对扇区进行对比评估时, 三个因子具有不同的优先顺序

即, 饱和因子优先级最高, 占有因子次之, 溢出因子最次。

基于以上定义, 参考国外研究成果和管制员的经验判断, 给出相关因子权重, 确定拥挤度指标

式 (5) 中, C为拥挤度。

1.2 运行效率指标

为了进一步把握扇区的运行状态, 需要考虑扇区特征对航班飞行的影响因素。本文采用扇区运行效率作为辅助指标。扇区运行效率是指在某一扇区在现有的空域资源、技术、人员、设备等投入下能够为空域用户提供的服务水平。通过咨询专家意见, 考虑数据获取的困难, 剔除不易操作因素, 经凝练确定如下指标。

扇区保障架次:在给定时间内, 扇区能够保障的正常运行的航班架次。

相邻扇区数量:与该扇区有交通流交互的扇区个数;

平均飞行时间:在给定的时间内, 平均每架航班在扇区的停留时间, s。

由于各评价指标所代表的物理涵义不同, 故首先将实际数据进行标准化处理。

然后根据历史数据和专家经验得到权值

式 (6) 中, E为运行效率;SC为扇区保障架次/稳定容量;Col为相邻扇区数量;MFT为平均飞行时间。

1.3 扇区运行状态诊断图的建立

为了实现对扇区运行状态的评价, 判断某些扇区或扇区的某些时刻交通运行是否良好, 本文拟采用二维坐标系的方法, 建立状态诊断图, 对该扇区 (时段) 在毗邻扇区 (时段) 的相对状态进行分析对比。

以Y坐标代表某扇区 (时段) 对应的拥挤度, 表征扇区内交通流量和扇区容量之间的相对关系。X坐标代表了扇区 (时段) 的运行效率, 表征在扇区的复杂特征下可以提供的服务水平。因此, 某一扇区 (时段) 在该诊断图中的位置是相比较其他扇区 (时段) 来定的, 表示该扇区 (时段) 与毗邻扇区 (时段) 的相对运行状态。如图6所示。

综上所述, 该图表示的是若干个扇区 (时段) 的相对运行状态, 从中选取一个运行状态较为良好的点, 以该点作为参考将诊断图分为四个象限。认为在该点右下方拥挤度较低而运行效率较高的扇区 (时段) 运行状态良好。在不考虑空管设备和人员技术的情况下, 假定所有的扇区都可以达到同等运行状态水平。按照运行状态水平和可以提高的程度定义为A、B、C、D四个等级。具体分析如下:

(1) 左上方象限的扇区 (时段) 拥挤度较高, 运行效率较低。即1象限的问题是扇区拥挤程度较高, 需要采取措施提高扇区容量。定义等级为B级;

(2) 右上方象限的扇区 (时段) 拥挤度较高, 运行效率较高, 即表示2象限的问题是扇区已经没有冗余在现有基础上提高扇区容量, 需要对空域扇区进行规划调整。定义等级为C级;

(3) 左下方象限的扇区 (时段) 拥挤度较低, 运行效率较低。即4象限的问题是空域资源相对闲置, 并没有被充分利用, 可以用来平衡其他的拥挤扇区 (时段) 。定义等级为D级;

(4) 右下方象限的扇区 (时段) 拥挤度较低、运行效率较高。即3象限的扇区行状态良好, 在目前情况下, 不需要与其他扇区 (时段) 进行调整。定义等级为A级。

2 厦门扇区的算例分析

根据扇区运行状态评价方法, 可以得到扇区运行状态评价的的两个应用, 即不同扇区的对比评估和不同时段的对比评估。下面以厦门1号扇区运行状态为例, 选取2013年10月1日~2013年10月7日每日8:00~20:00每15 min为评价对象。由于在时刻对比中的扇区特征的相同性, 故第二个指标只采用平均飞行时间来作为效率参考, 利用诊断图对扇区运行等级进行评估。

2.1 拥挤度指标计算

通过整理实际的运行数据, 统计出每天的5 2组扇区流量值, 1 0月1日部分数统计数据如下:

已知厦门1号扇区公布容量为11架次/15 min, 高峰容量为14架次/15 min。计算容流比因子。

由公式 (1) 计算占有因子

由公式 (2) 计算溢出因子

由公式 (3) 计算饱和因子

计算结果如表1所示。

根据计算出的容流比因子, 按照公式 (4) 给出的权重, 计算拥挤度C指标。如表2所示。

2.2 运行效率计算

对同一扇区, 由于扇区特征等影响因素相同, 在本例计算中不予考虑, 故可以平均飞行时间MFT来代表效率水平。计算结果如表3所示。

2.3 诊断图建立并评估

根据以上数据, 建立厦门1号扇区10月1日到7日的状态诊断图。如图7所示。

图7中所示, 将诊断图划分为四个象限。10月1日运行状态等级为B, 表示当天扇区拥挤程度较高, 运行效率较低, 可以考虑提高容量值来提高运行状态水平;10月2日、10月4日和10月5日运行状态等级为C, 表示当天该扇区拥挤度较高, 运行效率较高, 扇区资源利用接近饱和, 无法在扇区原有规划上提高运行水平;10月3日、10月6日、10月7日运行状态等级为D, 表示当天扇区拥挤度较低, 运行效率较低, 空域资源相对浪费。该评估结果与实际运行状况基本一致。

3 结论

1) 本文首次将拥挤的研究在容量与流量对比的基础上进行纵向深入, 建立了占有因子、溢出因子、饱和因子三个描述性指标, 更加准确地表征了扇区的运行状态, 最后将该方法试用到厦门扇区, 得到了很好的验证。

2) 基于航空器的运行数据, 将相互关联的扇区 (时段) 进行对比评估, 找到运行状态等级较差的扇区 (时段) , 为空中交通管理部分针对拥堵情况进行空域规划或运行管理提供数据支持, 同时为优化航班时刻提供参考。

3) 由于作者的知识水平和数据获取的有限, 本文存在诸多不足之处。比如, 没能对相关扇区进行实例分析, 只完成了相关时段的验证;也没有考虑高峰时段连续出现加重管制员工作负荷, 而事实上该因素也会对扇区拥挤产生影响, 希望在以后的研究中, 得到完善。

参考文献

[1] 顾诵芬.全球航空业.上海:上海交通大学出版社, 2009:375Gu S F.The global airline industry.Shanghai:Shanghai Jiaotong University Press, 2009:375

[2] Volpe National Transportation Systems Center.Enhanced Traffic Management System (ETMS) Functional Description.U.S.Dept of Transportation, Cambridge, MA, 1999

[3] Wanke C, Song L, Zobell S, et al.Probabilistic congestion management.Proceedings of the 6th Europe-USA ATM Seminar, Baltimore, 2005

[4] Bassan S, Faghri A, Polus A.Experimental investigation of spatial breakdown evolution on congested freeways.Civil Engineering and Environmental Systems, 2007;24 (4) :261—274

[5] 姜桂艳, 江龙晖, 王江锋.城市快速路交通拥挤识别方法.交通运输工程学报, 2006;6 (3) :87—91Jiang G Y, Jiang L H, Wang J F.Identification method of urban expressway traffic congestion.Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2006;6 (3) :87—91

[6] 闫少华, 姚玲, 赵嶷飞.空中交通拥挤评价方法探讨.交通运输工程与信息学报, 2009;7 (1) 11—16Yan S H, Yao L, Zhao Y F.Research on the methods of air traffic congestion measures.Journal of Transportation Engineering and Information, 2009;7 (1) :11—16

对自适应空域滤波的干扰研究 第7篇

阵列信号处理的两个主要研究分支是自适应空域滤波和空间谱估计,它们之间由于其内在的联系,相互促进、互为补充。自适应空域滤波,也称为自适应波束形成,是根据接收准则自动地调节天线阵元加权系数的幅度和相位,使得代价函数最小,使系统达到该准则下的最佳接收效果[1,2]。

通常情况下,运用自适应波束形成技术能得到很好的接收性能。但当空间谱估计估计出的参数如信源数目、波达方向出现错误或期望信号与干扰信号相干,将导致自适应空域滤波的能力大大下降。

1 统计最优波束形成

自适应空域滤波的核心是对空间干扰环境作出反应,实现有用信号的有效接收。对有用信号的有效接收包括两个方面:一是使阵列方向图主瓣对准期望信号方向;二是对干扰进行有效抑制。其实质为统计最优波束形成[3,4]。统计最优波束形成是一种分析工具,它为自适应空域滤波提供了理论依据。

统计最优波束形成问题是在某一准则下寻找最优权适量。以最小噪声方差(MNV)准则为例,考虑远场的一个期望信号和P个干扰信号入射到由N个阵元组成的某阵列上,则阵列接收信号可表示为:

式中:S(t)为期望信号和干扰信号的空间信号矢量;N(t)为噪声数据矢量;A为导向矢量矩阵,且:

式中:a(θi),i=0,1,,P分别表示为信号和干扰的导向矢量。设信号,干扰,噪声之间互不相关,阵列接收信号的相关矩阵为:

式中:σn2为噪声功率;RS为信号复包络的相关矩阵。

设W=[w1,w2,,wN]T为自适应阵列天线的权矢量,y(t)=WHX(t)为阵列天线的输出。

MNV准则波束形成器代价函数和线性约束条件分别为:

用拉格朗日乘子法求解式(4),得到:

式(5)表示的最优波束形成器即为最小方差吴失真响应(MVDR)波束形成器,也叫Capon波束形成器。

这时相应的最小输出功率为:

假设天线阵采用16元均匀线阵,阵元间距为半个波长,期望信号在0°方向,两个干扰信号方向为-30°和40°,两个干扰信号和期望信号之间互不相干。其最优波束方向图如图1所示。可见,最优波束形成器能有效地抑制干扰。

2 对自适应空域滤波的相干干扰

以上对自适应空域滤波的性能分析是有前提条件的,即需要预先知道期望信号的波达方向,并假设干扰信号和期望信号之间互不相干,但在实际情况中这两个条件并不能满足。信号源的波达方向需要估计得到,如果估计误差较大则空域滤波的性能将下降;干扰信号和期望信号之间可能相干,也会导致空域滤波性能下降。

2.1 相干干扰对信号源数估计的影响

在波达方向估计技术中,大部分算法均需要知道入射信号数。在实际应用场合,信号源数往往是一个未知数,需要先估计信号源的数目,然后再估计波达方向[5,6]。用信息论准则来估计信号源数目时,如果信号源相干,则无法正确估计信号源数,从而不能获取正确的波达方向[7]。

假设采用8阵元的均匀线阵,信号源由一个期望信号和三个干扰信号组成,且信号之间互不相干,其入射方向分别为-10°,5°,30°和50°,噪声为白噪声,快拍数为200,阵元间距为半波长,独立实验100次。仿真结果如图2所示。

当30°方向干扰信号与期望信号相干,其他条件不变时,仿真结果如图3所示。

比较图2和图3可知,相干信号对信号源数的正确估计影响很大。当估计的信号源数与真实的信号源数不一致时,空间谱曲线中的峰值个数与实际源数不相同,会对真实信号的估计产生严重的影响。

假设采用8阵元的均匀线阵,三个不相干入射信号的入射方向分别为-10°,0°和30°,快拍数为100,则信号源数不同时MUSIC算法的谱如图4所示。

从图4可以看出当NXP时,图中的谱峰个数比P多。从仿真可以知道,只有正确地估计信号源数才能有效的获取波达方向。

2.2 相干干扰对波达方向估计的影响

当信号源相干时其数学表现为:相干信号源间只差一个复常数[8]。假设有n个相干源,即:

这里s0(t)可以称为生成信源,因为它生成了入射到阵列上的n个相干信号源。将式(7)代入式(1)可得相干信号源模型:

式中ρ是由一系列复常数组成的n1维矢量。

由数学模型可知,当信号源完全相干时,阵列接收的数据协方差矩阵的秩降为1,显然这会导致信号子空间的维数小于信号源数,某些相干源的导向矢量与噪声子空间不完全正交,从而无法正确估计信号源的波达方向[9,10]。

假设采用8阵元的均匀线阵,三个互不相干入射信号的入射方向分别为-30°,10°和25°,快拍数为100,则MUSIC算法的谱如图5所示。

当入射方向为10°和25°的信号源相干时,MUSIC算法的谱如图6所示。

从图6可知,当信号源相干时,不能正确估计来波方向。

2.3 相干干扰环境下的最优波束形成

以MVDR波束形成器为例,将相关矩阵R写成谱分解形式:

相关矩阵的逆为:

由于λ1≫σn,所以1λ1≪1σn,相关矩阵逆近似为:

将式(11)代入式(5)得:

因为对称阵的特征矢量正交,所以:

式中i=2,3,⋯,N,所以期望信号的输出增益约为0。

但由约束条件可知,WHopta(θ0)=1,所以相干干扰方向总的增益WHopt(A-a(θ0))=-1。这说明在相干干扰环境下期望信号和干扰信号幅度相等,相位相反,出现信号相消现象。

假设天线阵采用16元均匀线阵,阵元间距为半个波长,期望信号在0°方向,一个非相干干扰信号方向为-30°,一个相干干扰信号方向为40°。其最优波束方向图如图7所示。

由图7可以看出,在非相干干扰方向干扰信号得到了很好的抑制,在相干干扰方向和期望信号方向出现了峰值,这与理论推导相符。

3 结语

在自适应空域滤波理论的推导过程中,假设了信号源之间相互独立,波达方向已知等条件。但在实际情况中这些条件并不一定满足,人为干扰及多径效应导致信号源之间相干;波达方向需要估计得到,而估计总是有误差的。本文正是从这两方面出发,研究了相干干扰对自适应空域滤波性能的影响。

摘要：自适应空域滤波通过波束控制,能有效地抑制空间干扰、增强有用信号。但在相干干扰环境中,其接收性能大大下降。从理论上推导了相干干扰能使信号源数估计成功概率下降、波达方向估计出现偏差、波束形成性能降低,并通过仿真实验进行了验证。

关键词：自适应空域滤波,相干干扰,信号源数,波达方向

参考文献

[1]王永良,丁前军,李荣锋.自适应阵列处理[M].北京:清华大学出版社,2009.

[2]王永良,陈辉,彭应宁,等.空间谱估计理论与算法[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]周围,周正中,张德民.相干多径环境下自适应阵列的性能改进[J].电波科学学报,2007,22(3):419-424.

[4]薛冰心,张友益.对自适应调零技术的干扰研究[J].舰船电子对抗,2012,35(3):10-13.

[5]钟峰,宋文爱,李妍.阵列信号源数估计方法研究[J].微计算机信息,2010,26(2):148-149.

[6]邹洲.信号个数估计和波束形成技术研究[D].成都:电子科技大学,2007.

[7]戴凌燕.自适应波束形成技术应用基础研究[D].长沙:国防科学技术大学,2009.

[8]王永芳,谈展中.相干干扰对基于特征空间分解算法性能的影响[J].中国空间科学技术,2007(2):47-54.

[9]杨莘元,陈四根,郝敬涛.相干条件下自适应波束形成性能研究[J].通信学报,2004,25(5):566-569.

由失忆到空域:解读黄兴国雕塑 第8篇

探索黄兴国的视觉表达行迹,不难发现,至少有来自四个方面的元素构成了其视觉表达特质:一、身体叙事成为其视觉叙事主线;二、删繁就简去形象化;三、坏画是一种境界;四、走出雕塑。沿着这四个方面去体察阅读黄兴国,你才能真正走近他的雕塑,去洞悉并分享他那多彩而又激情的艺术人生。

一、身体叙事成为其视觉叙事主线

从黄兴国不同时段的视觉表达来看,他并没有多余的题材,有的只是围绕身体而进行的视觉表达,身体的纯粹、直白似乎和黄兴国的性格有着多重吻合。生活中的黄兴国为人热情、大方豪爽,做人做事讲究干净利落,绝不拖泥带水。他把这种性格带入他的艺术中,才使阅读者得以一睹他的真情与流动、他的思想与才情、他的交游与师承。无论是《失忆》《隐迹》,还是《遁形》与《空域》,他都把自我的哲思与思考贯穿其间。从这几个不同系列的表达间,阅读者不仅能随着黄兴国的视觉思维转换而转换,而且能够伴随着这个中国当代雕塑的亲历者、参与者体察到中国当代雕塑的发展进程,从中不难发现,在中国当代社会结构转型的过程中,中国当代雕塑不可避免地能游离社会、政治、经济、文化结构之外,它必须置身其间去改变自身的状况以适应急变的社会和急变的现实。自此,黄兴国有着清醒的思考,他既没有深陷题材决定论的迷局中,又能远离意识形态的纷扰,难能可贵的是他又自觉与市场保持着一种疏离。由此,才能留下如此之多的关于身体的雕塑,而对身体的表达,更能彰显一个雕塑家的手头“活”的高下,而黄兴国并未陶醉在“技”的酷炫中,而是以一种对当代社会和艺术人生的敏锐判断去彰显一个视觉知识分子的文化立场。这才让阅读者能认识并激赏他那独立的精神,自由的表达境遇和神情与真情的流动。由此,阅读者亦可感知到他的《失忆》和《空域》所带来的那种不苟同,不随波逐流,及由内而外散发出的情韵和生命的本真状态。

二、删繁就简去形象化

从黄兴国的《失忆》系列始,一个颇耐人寻味的问题就是,为什么黄兴国的雕塑都是有形体,但没有具体形象,特别是头部和面部特征。这从《隐迹》和《遁形》系列中仍带有这种有形体无具体五官特征的特点,直至《空域》,头部完全去掉,有的只是包裹身体的材料和身体躯干。其实黄兴国在走的是一条删繁就简,逐渐去形象的艺术之路。熟悉黄兴国的人都知道,黄兴国的艺术基本功不可谓不扎实,但在最能体现其基本功的五官部分,他却有意隐藏起那种超酷炫、令人啧啧称奇的技艺,因为头部五官具象的描述,会消弱阅读者对身体的关注,而身体、躯干及身体躯干所散发出的那种质朴与生动,才是其刻意为之,或欲调动观者观看的欲望潜能。而隐去头部五官特征的雕像又有着一种不可名状的神秘与离奇,甚至又充满着种种禅意和空灵与虚空。因为生活中的确存在看清又看不清,是又不是的人和事及是是非非。但看清与看不清似乎已不重要,重要的是回归身体,黄兴国才可以真正放飞想象,奔放激情,释放思考,也只有回归身体,他才得以和这个纷纭变幻的社会现实保持一种疏离。因为透过身体的表达,我们看到一种人性的挣扎,看到一种边缘人群的痛苦与迷茫,看到一种力求挣脱束缚困境的努力与希望。黄兴国的雕塑艺术发展之路恰恰如他的《失忆》《空域》一般,他一方面亟需逃离现实主义、现代主义的羁绊,挣与扎,束缚与解脱,刚硬与柔和的对抗,都折射出黄兴国的一种生存困境。当其终于得以从现实主义、现代主义的枷锁中逃离时,不期然,后现代主义、当代艺术又扑面而来,使其面对突如其来的当代艺术之迅猛思潮,猝不及防,焦虑、困惑、无聊、无奈的境遇不可避免地会折射在他的雕塑间。至此,《空域》阶段,黄兴国似乎并没有寻找到有效的表达方式,但孤寂的情怀,炽热的追求和坚持不懈的努力,必然会为其开启艺术新的航程。

三、坏画是一种境界

近期的《隐迹》和水墨系列,让阅读者清晰地洞悉到黄兴国的一种“策略”。虽说黄兴国大学期间是学国画专业的,但其水墨和《隐迹》却没有时下流行的国画范儿,有的只是一种粗率的表达,奔放的用笔与用墨。这其实牵涉到当代艺术的一个问题,即“坏画”。“坏画”并不是真正的画不好,或不会画,而是有意把技术去掉,回到学艺术的初始阶段,放弃基本功技巧。这其实既是一种“阴谋”,又是一种境界,这无疑为黄兴国的艺术赋予了当代艺术的特质。仅从材料上,黄兴国依然没有选择国画所惯常用的宣纸,视觉表达上依然延续身体叙事。但报纸的选择,却又加强了其视觉表达的观念性。比如,有张水墨上面的字依稀可以辨识得很清楚:“建筑方案评审潜规则”“中国可能成为最大的建筑浪费”。其实黄兴国画什么、怎么画、画得是好是坏都变得不重要,但报纸上的依稀可辨的字迹却有着一种无声的力量。它是声讨,又是质疑,更是凸显了一个视觉知识分子的历史责任使命和文化担当。很显然,如果是在宣纸上进行表达,必然导致你会对他的用笔、用墨进行品评,依据也会是惯常的认知,它就不会产生这种批判的锋芒与力量。所以这既是“坏画”带来的一种思考,更是黄兴国尝试进入当代艺术领域的努力,这也为他日后从雕塑中出走而走向多元的表达路径提供了基础支撑。

四、走出雕塑

如果说黄兴国只是个雕塑家似乎略显偏执,因为黄兴国的确不仅仅只做雕塑,丝网印、水墨都带给人们一种不一样的黄兴国。其实艺术之路走到这个阶段的黄兴国,已经不再被单一材料和单一的叙事模式所困扰。多年的艺术实践及艺术在场的历练,也使黄兴国更少了些青春时期的激愤,有的只是随年龄增长阅历丰富而来的智慧与圆融。他有着一种随心所欲不逾矩的才情,他以旺盛的创作激情投入到当代艺术的探索与实验中。如果说《失忆》时期是其风格初始阶段,那么透过《遁形》《隐迹》直至《空域》,我们看到了黄兴国视觉思考不断聚焦的历程。他把身体叙事作为和社会相碰撞相融合的视觉利器,正是这些身体躯干,才散发出其思想的光斑。在其碎片化的表达中,阅读者透过黄兴国多元的视觉叙事路径,看到黄兴国一步步摆脱生活与艺术的困境,逐渐建构起自我的思想结构。可以说,他的艺术是自我精神深度的耕耘,走出雕塑的黄兴国将会为阅读者带来更多的视觉的惊奇与期盼!

空域相关性 第9篇

几点判断

根据笔者长期的调研和研究，认为当前的中国通航产业发展既有有利的一面，也有不利的一面，主要表现如下：

产业发展形势不可逆转

自从《意见》颁布后，国家各有关部门按照《意见》明确的“三个阶段，十年时间”的战略步骤在逐步实施规划这一历史任务，遵照国家空管委前任主任张德江的指示，秉承“三个有利于”的原则（有利于通用航空事业发展、有利于航空制造业发展、有利于综合交通体系发展），在全国一南一北两个飞行管制区和其他七个飞行管制分区展开试点工作，相继出台各类配套政策，从产业布局、财政补贴、航空制造等方面给予扶持。

从试点的情况看，虽然各地区改革进程有所不同，但用户的反应却非常相似，他们都对低空空域管理改革充满期待，对加快改革进程热情不减。

其中，大型国企的表现非常突出，以中航工业集团为代表的国内航空制造业巨头在全国乃至全球的产业布局正在加速；各地方政府也从不熟悉产业环境，到认真研究产业规律，并紧抓经济发展转型机遇，开始主导推动产业的发展，很多地方政府成立了低空空域改革领导小组、军地联席会议或者地方通用航空产业协会等，一些通用航空联盟和航空俱乐部等非政府组织也纷纷成立。

由于军民航相关部门在简化审批程序和减少行政干预等方面的积极作为，再加上大国企的标杆作用，及地方政府的支持，各地的通航公司如雨后春笋般涌现，社会公众期望自由飞翔的愿望也日益迫切，民间推动改革的动力有增无减。

从以上分析看，通用航空产业的发展形势不可阻挡，未来的低空空域管理改革只会加快，不会退缩，时代进步、科技发展以及公众意志也会倒逼管理部门做出更进一步的开放动作。

低空管理政策有待完善

从现状看，我国迈出了空域实施分类管理的关键一步，率先在低空空域范围内实施了分类管理，将低空空域划设为管制、监视和报告空域三大类，采用了管制和报备的不同管理方式，体现了有所为、有所不为的管理理念。但由于改革是摸着石头过河，难免会出现一些这样或者那样的问题，主要表现为三个方面。

一是低空空域的划设方法还比较粗放。从试点地区的现状看，各个地区的低空空域划设标准尺度掌握不尽相同，空域形状大小各异，管制空域过多过大，监视和报告空域过少过小，且呈零星、孤立分布状，尚未连成片。如此，必然需要划设低空航线才能连接三类不同空域，但同时这也带来了新的问题，意味着今后更多飞机都要经过低空航线来回穿梭。这样一来，低空飞行极容易受到航线流量的瓶颈制约，加之低空空域四周有民航管制指挥的航路航线，它们就象一堵围墙隔断了通用飞机的来回穿越。此外，随着着陆点或机场增多，会导致一些点对点的飞行也必须绕道而行，否则就需要划设更多的低空航线用于衔接，致使低空空域管理又陷入航线管理的困局，最终导致通用航空快速便捷的交通特性又会大打折扣。因此，从某种意义上讲，依靠划设低空航线来连接不同空域，犹如在新款衣服上打补丁，治标不治本，只能解决一时之困，非长远之计。

二是通用飞机的空域准入条件尚未明确。按照目前的制度安排，三类不同空域对机载设备有着不同要求，管制空域要求航空器必须具备监管所要求的机载定位设备和可靠的地空通信设备，而监视空域和报告空域对机载设备的配置要求相对较低，只要确保能“看得见”和“联得上”即可。若是按照目前的空域划分方法，很多低空飞行可能需要不断地转换空域才能进入监视或报告空域，这样一来，即使在报告空域飞行的航空器也需要按管制空域的机载设备要求进行配置，否则无法进行空域的转换，但这样肯定需要增加额外的成本，不利于通航发展。当前，我国进口和国产机型的机载设备配置多种多样，尽快出台空域准入条件有利于加强航空器的监管和产业健康发展。

三是空域使用实施灵活机制，三类空域的性质可以根据实际情况相互转变，这样做，虽然提高了效率，但是为通航用户提供空域性质变化的信息操作起来还是有难度的，且由于不同空域的基础设施建设标准不一，因此不利于合理布局，而全部按照管制空域的设备标准进行部署建设又不符合现实条件。

基于上述分析，笔者认为，低空管理政策仍有待进一步完善。

机场建设审批事关全局

通用航空发展离不开基础环境的支撑。所谓基础环境，通俗的讲是四大条件——“天、地、人、机”，即空域、机场、从业人员、飞机。

当前，“地”这一环节仍有待改善，通用机场建设的审批规定仍处于酝酿之中，目前政府尚未正式颁布适用全国的通用机场建设审批规定，通用机场的审批程序仍套用运输机场的审批程序，由国务院和中央军委联合审批。这一套程序要求标准高、手续复杂、周期长、涉及部门多，与通用航空发展特点不相适应，致使很多想从事通用航空产业的人士望而却步。

行业管理标准有待完善

运输航空和通用航空是民用航空的两翼，国外航空发达国家通常是在通用航空高度发达的基础上发展了运输航空，而我国的情况恰好相反，运输航空长期占据主导地位，因此涉及运输航空的政策相对完善，而涉及通用航空的政策则一度滞后。随着经济和社会的全面发展，通用航空出现了较大的需求，但适应通用航空发展的政策还未及时跟上，由于套用运输航空的标准，要求过高、标准过严，一定程度上阻碍了通航发展。例如通航从业人员资格培训标准参照运输航空标准，培训难度增加、成本增高，人员成长周期加长；通用机场保障设施套用运输航空机场标准执行，有的小通用机场也要求配备消防车，有的甚至要求建设地下油库；通用飞机加油不按所加油量收费，而按出勤次数收费；在运输机场过夜的停机费按大飞机标准收取；通用航空管理机构和人员设置太少，担负职责太多等，均不适应通航发展的需要。

国际形势值得关注

2013年11月27日，美国总统奥巴马签署小飞机复兴法案，这对于美国通航界来说是个利好消息，法案要求美国联邦航空局采用新的认证标准，改革飞机认证程序，降低认证成本，促进美国通用小飞机升级改造，这对提升美国通用飞机制造水平和安全性有着重要意义，也必将大大增强美国通航在世界范围内的竞争力。

然而，这对于我国刚刚起步的通用航空产业来说则是一把双刃剑，笔者认为，美国这个时候颁布这个法案，是有他的战略考虑的，其表面上是为振兴美国制造业，但深层意图是在让更多美国通航企业能够进入中国市场竞争，因为中国是当今世界最大且最具潜力的航空市场。

美国的这个战略考虑，与当年阻挠“运十”项目如出一辙。今天历史又一次重现，不得不引起我们的警惕！美国一向严格的FAA认证体系，突然降低门槛，必将令我们本已脆弱的通航产业又一次面临“狼来了”的不利局势。当前，我国的CAAC适航认证体系，几乎照搬美国的规章，这令我国本来起步就晚的航空制造业举步维艰。然而，当拿来主义尚未完全熟练掌握之时，别人的新规则又来了，我们又要跟着变，于是总落后于人，总受制于人。

在规则制定方面，如果我们选择追随式发展，那将很难产生自主创新体系。

其他问题

除了以上提到的问题，从试点地区调研的情况看，还有很多其他问题有待解决。比如，目前，我国涉及通用航空的法律法规体系还很欠缺，通用航空的管理存在多头分散管理的现象，通用航空联合执法体系还不顺畅，难以有效形成合力，刺激市场快速发展。军民航的行业管理信息分割，互不共享，造成多头重复报送相关信息，审批手续繁琐。此外，通用航空基础设施建设未跟上，对空指挥和基于ADS-B的接收站尚未完全展开建设，通用航空飞行服务站运行、建设模式尚未定型；低空航图全部面世还存有困难；通用航空文化氛围尚未形成。当前，通航经营以传统业务为主，形式单一，市场化消费型业务有待拓展，且军民航的收费标准居高不下成为行业潜规则，通航用户敢怒不敢言。

对策建议

针对以上提到的问题，笔者认为应有针对性地落实解决办法：

一是科学划设低空空域范围。首先从航图上划出限制区，并将之作为禁用区域，在飞行繁忙地区，管制空域划设应限定在以机场起降范围为半径的一定区域内，因为飞机皆是经起降地带起飞，当飞机飞至起降范围以外时，飞行高度大多都在海拔1000米以上了。机场起降范围以外的空域都可以划设为监视和报告空域，从而使监视和报告空域连接成片，而航路航线下方4000米以下可以释放出来，按监视空域管理，供通用飞机长途飞行和穿越使用。

二是明确所有航空器进入低空空域的标准，并安装基于北斗卫星的机载导航定位设备，确保所有低空飞行器处于空管监管之下。

三是通过信息化手段实现军民航管理信息共享。各主管部门可通过信息化平台独立进行行业管理，并实现信息共享，形成密切配合、齐抓共管的管理格局，解决审批手续繁琐问题。

四是从法规层面区分空防安全和公共安全，为通航发展提供宽松空域环境。通用航空发展必须要从安全出发，不能一味蛮干，但也不能因为怕出事就束缚行业发展，通用航空飞行涉及的公共安全与空防安全是两个不同领域，一个是危害公共安全，一个是危害国家安全。涉及公共安全时，应尝试探索利用警用航空器进行查证或由政府向地方购买服务，租用或指定通航公司完成查证识别任务，改变当前用军事手段对付非军事目标的困惑局面，从而释放更多的管制空域供通用航空用户使用；涉及空防安全时，应加强空管部门、执法部门和指挥警戒系统的联动应急处置机制的建立，确保遇有航空器威胁肇事危及空防安全时能迅速做出反应。

空域相关性 第10篇

扩频是一种新型的通信方式, 具有抗干扰、抗噪音、抗多径衰落、低功率谱密度、保密性好等许多优点。直接序列扩频作为最常用的扩频技术, 应用到数字图像水印技术中, 可以显著增强系统的稳健性和安全性。扩频技术理论基础是信息论和抗干扰理论。在信息论中香农有如下重要表示公式:

其中C表示信道的极限信息传输速率, W为信道带宽, S/N为信噪比。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同信噪比和带宽之间的关系。

在干扰环境里, S/N<<1, 所以 (1) 式就可以变形为:

由式 (2) 可以看出, 对任意给定的信噪比, 只要增加用于传输信息的带宽, 理论上就可以增加在信道中无误差传输的信息率。在一个干扰远大于信号的系统中, 只要将欲传输的信息先用某种方式扩展其频谱, 再把接收的扩频信号的频谱变换到原始信息带宽, 就可以大大提高信噪比。

直接序列扩频就是这样一种扩频技术, 它利用伪随机序列对编码序列对被传输信号进行频谱扩展。通常情况下采用m序列作为编码序列。m序列具有良好的自相关特性, 因此可以用来可靠地检测和恢复水印信息。从水印信息的安全性考虑, m序列周期越长, 对其破解就越困难。为了便于调制和解调水印信息, 将m序列元素由{0, 1}映射为{-1, 1}, 同时能够保证水印信息的均匀性同时不影响图像的平均亮度。

2 水印的嵌入

嵌入过程在空域里是通过修改帧像素来完成的。对每一个独立的帧算法都是相同的, 所有的帧都嵌入相同的水印信息。水印嵌入的过程如图1所示。第1步是将mn的原始水印W (i, j) ∈{0, 1}映射到W (i, j) ∈{-1, 1}。第2步是每一个水印比特W (i, j) 分别扩展到大小为crxcry的块B中, 扩展后的水印Ws (x, y) 如下所示:

crx和cry如下定义:。Fwidth和Fheigth是指视频帧的大小。

此处扩展的目的是向大小为crxcry的原始视频帧块中加入1比特的信息冗余。扩频水印Ws和视频帧具有同样的大小。块B (NB=crx*cry) 中的样本数表征了扩频的片码率。

结果水印Ws用一个局部的调整因子λ (x, y) >0和缩放因子α>0来进行放大, 然后再用一个二维的二进制伪随机序列PN (x, y) ∈{-1, 1}进行调制, 这是为扩频服务的。

最后, 调制信号将扩频水印添加到原来的视频帧以获得水印帧。整体嵌入过程可以表示为如下形式:

这里, Fk (x, y) 和FkW (x, y) 分别表示原来和嵌入水印后的kth的像素值。二维伪随机序列代表了部分密钥, 它具有视频帧尺寸大小的矩阵形式。由于伪随机序列的嘈杂性, 扩频水印也表现为类似噪音的信号, 从而难以发现、定位和操作。局部调整因子λ (x, y) 取决于视频帧的一些特性。值得注意的是, 人类视觉系统 (HVS) 对平滑区域嵌入水印造成的视觉差别要比边缘区域更为敏感。这意味着λk (x, y) 应具有较小的值, 在平滑区域用较低的水印强度, 在边缘区域用较高的水印强度。本方案里λk (x, y) 的值是通过计算原始帧里一个22不重叠的像素块得到的, 如公式 (5) 所示:

这里, 是块H里像素的平均值。缩放因子α是为调整水印的整体强度和它的鲁棒性服务。整个嵌入过程的输出是带有水印的视频。

3 水印检测

水印检测或提取是基于空域相关性原则的, 过程的进行不需要原始视频。水印可以从任意一个视频帧中检测或提取, 因为每一个视频帧都嵌入了相同的水印信息。水印检测过程如图2所示。

首先, 将水印视频帧FW在空域里以22为单位, 按照下面公式进行逐块预处理。

这里, 表示22块里帧像素的平均值。预处理的目的是分离并删除视频帧本身的主要分量, 减少水印信号和视频帧之间的干扰。下一步, 对预处理得到的水印视频帧进行解调, 例如乘以在嵌入过程中使用的二维伪随机序列。解调之后是为大小为crxcry的相关窗口里的每一个嵌入的比特求和, 它可以表示为以下的形式:

相关和CS (i, j) 由两组Σ组成, 分别表示预处理帧 (过滤) 和过滤水印信号。理想情况下, 第一组Σ应当减小为0。这是可以实现的, 例如用相应标记的帧减去原始帧。预处理操作对类似噪音的水印信号影响不大, 因此相关和就单用过滤水印信号的部分来表示。最终CS (i, j) 约为:

这里的是指给定窗口调节因子的平均值。

然后, 隐藏的水印比特就可以以下面的公式用相关和的sgn值来表示了。

这里表示通过相关和重现所有隐藏的水印比特后提取出的水印。

4 实验结果

实验的目的是验证水印的隐蔽性, 以及在遭受有意或无意的攻击时水印的鲁棒性。同时, 嵌入水印前后视频在视角效果上的变化也是评价的一个方面。

试验中使用的是320*240分辨率的视频和一个32*24的二进制水印标识。嵌入水印前后的视频中同一帧的效果如图3所示。

此处测试了三种对水印的有意攻击, 包括帧删除、帧交换和帧平均。简单的帧删除意味着从水印序列里删除一个或多个水印帧, 帧交换是两个或多个连续帧的顺序改变, 平均攻击是指计算两个或者三个连续的帧, 然后它们被平均帧所替代。在缩放因子分别为0.5、0.75和1的情况下, 水印信息在任意一种攻击下均能被完全正确提取出来。

这里将视频数据的有损压缩作为无意攻击的测试, 视频编码有多种不同的类型, 包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和MJPEG。测试时的数据比特率MPEG-1为1.4Mbps, MPEG-2为4Mbps, MPEG-4为700KMbps, 动态JPEG (MJPEG) 属于第一种视频编码算法, 它为每一个视频帧单独进行JPEG压缩。MJPEG的压缩层次由品质系数来给定, 这里使用=85%。表1中的数据表示的是在不同的攻击类型和缩放因子, 能正确提取水印信息的比例。

测试结果表明, 虽然高的缩放因子会增强鲁棒性, 但水印造成的视觉质量退化现象会更为明显, 且峰值信噪比更低。

5 结束语

本文提出了一种新的基于扩频技术的视频水印方案。实验结果表明, 该水印方案对很多种攻击都具有很强的鲁棒性。该水印方案的另外一个主要优点是在提取水印的时候不需要未加水印的原始视频序列, 在应对可以造成水印检测器不同步的恶意攻击时, 也具有较强的鲁棒性。

参考文献

[1]周熠, 蒋天发.图像数字水印技术[J].武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) , 2003 (5) .

[2]谢希仁.计算机网络 (第四版) [M].北京:电子工业出版社, 2003.

[3]周利军, 周源华.基于直接序列扩频码的图像空间域水印技术[J].软件学报, 2002 (2) .