平滑技术范文

平滑技术范文（精选10篇）

平滑技术 第1篇

一幅图像在获取和传输等过程中,会受到各种各样的噪声干扰。图像噪声来自多方面,有系统外部的干扰,如电磁波或经电源串进系统内部而引起的外部噪声,也有来自系统内部的干扰,如摄像机的热噪声,电器的机械运动而产生的抖动噪声等。这些噪声干扰使图像退化,质量下降。表现为图像模糊,特征淹没,对图像分析不利。图像的平滑是一种实用的数字图像处理技术,主要目的是为了减少噪声。一个较好的平滑处理方法应该既能消除图像噪声,又不使图像边缘轮廓和线条变模糊,这就是研究数字图像平滑处理要追求的目标。一般情况下,减少噪声的方法可以在空间域进行处理。可以用中值滤波、非等值加权平均法、高斯平滑等方法来减少噪声。因此可以采用各种形式的滤波器减少噪声。本文将对上述方法作一些探讨。

2 各种平滑算法原理和实验结果

2.1 中值滤波

中值滤波是指设定一个n乘n的奇数窗口,当窗口在空间域中按逐个像素滑动平移过程中,将窗口内的像素灰度值按大小顺序排列,以中间的一个值(中值)替代窗口中心的像素灰度值。是一种常用的非线性的空间域图像处理方法。主要应用去除滤除椒盐噪声、滤除细线条、滤除各种脉冲噪声(即各种大的短暂的正负干扰)。中值滤波的突出特点是可显著抑制尖脉冲噪声,又不使图像的边缘和细节发生显著退化。与邻域平均滤波比较,保持边缘的效果更好。

综上实验结果可以看出,中值滤波在平滑时可以很好地保持图像的细节,是一种很常用的平滑算法。在具体的图像平滑时要根据具体的情况来选择模版形状和大小。

2.2 非等值加权平均法

非等值加权平均法也称领域加权平均法:对各个像素做平滑卷积的模板的权值不是预先给出的,而是根据被处理像素的邻域像素与之灰度相近程度而定。若接近,则赋予较大权值;若与之灰度相差较远(超过给定阈值),则权值较小。设(m,n)表示以点(x,y)为中心的邻域点则:其中T为一给定阈值,判定邻域像素点与中心像素其他点是否相近。非等值加权平均法实验结果如图2所示。

2.3 高斯平滑

高斯平滑就是将每个像素的灰度值用其领域的加权平均值代替。该算法简单,能够有效去除高斯噪声。

二维高斯函数的表达式为:

高斯函数是单值函数。这表明高斯滤波器用像素邻域的加权均值来替代该点的像素值,而每一邻域像素点权值是随该点与中心点的距离单调增减的。

在高斯滤波器的设计中,高斯函数的最佳逼近由二项式展开的系数决定。由高斯函数的可分离性得到,二维高斯滤波器能用2个一维高斯滤波器逐次卷积来实现,一个沿水平方向,一个沿垂直方向。实际上,这种运算可以通过使用单个一维高斯模板,对两次卷积之间的图像和最后卷积的结果图像进行转置来完成。

对较大的滤波器,二项式展开系数对大多数计算机来说都太多,但是,任意大的高斯滤波器都能通过重复使用小的高斯滤波器来实现。设计高斯滤波器的另一途径是直接从离散高斯分布中计算模板值。求出模板中的权值系数,规范化系数为。高斯平滑滤波实验结果如图3所示。

由图3中几组图像的效果比较可以看出在平滑尺度为1不变时,随着模板由3x3变为5x5,平滑的效果明显变好,图像的整体亮度也有所提高,更接近原图了(对比图3b和图3d)。同理在保持平滑尺度为2不变时,模板为55时的效果比3x3的也要好得多(对比图3c和图3e)。同时将这前后两组比较,很明显,平滑尺度为2的效果又比为1时要好得多。但是随着平滑尺度的增加,尤其是模板大小的增大,平滑所需要的时间也更长了。因此在实际应用中要权衡两者,对不同图像采用不同的参数。

3 结语

在进行数字图像处理研究的过程中,图像处理的本质就是应用数学。图像处理的过程为:(1)像数字化,按顺序取出每个点的像素值;(2)代入事先建立的数学函数,求出期望值;(3)将处理后的像素值按顺序排好,重新显示出图像。在数字图像处理中最为关键的是如何建立数学模型,这是图像处理的核心步骤。随着数字图像处理的广泛应用,一些在人工智能、控制领域中成熟或前沿的数学模型如:神经网络、模糊数学、自适应控制等相关技术在数字图像处理中逐渐采用,其目的就是使建立的图像处理数学模型效率更高、性能更好。

由于图像受到干扰而产生噪声的原因是多方面的,在对一幅图像进行平滑处理前,必须仔细分析其产生噪声的原因.选择合适的平滑方法,才能既消除图像噪声,又不使图像边缘轮廓或线条变模糊,经过这样的处理后,图像更符合人的视觉特性。

参考文献

[1]冈萨雷斯.数字图像处理.2版.电子工业出版社,2007,12.

网络平滑升级的秘籍 第2篇

7个问题要解决

许继集团的网络升级有如下几个方面需要解决，事实上，这些问题同样广泛存在于其他网络升级项目中。

1．线路

由于部分二级交换机的位置相对于旧网络二级交换机的位置有所变动，并且部分双绞线老化严重，需要重新布线。原有的光纤为多模光纤，考虑到网络发展需要，所有光纤全部重新铺设，改为单模光纤。

2．网上邻居访问

网上邻居之间的访问是局域网中非常重要的网络服务，为了使得不同VLAN内的计算机通过网上邻居相互访问，必须启用WINS服务器。

3．DHCP配置和IP地址分配

新网络采用动态分配IP地址方式，需要建立DHCP服务器进行客户端IP地址管理。考虑的因素有：每个VLAN的IP地址数量（即VLAN的大小）、保留IP地址（交换机和服务器用）和不分配地址、地址租约时间和作用域（DNS服务器地址、WINS服务器地址、网关地址等）。

4．应用服务器的配置

由于服务器对所有客户端计算机提供服务，必须合理规划服务器的重新配置，具体包括服务器的网络接入方式、服务器所在VLAN、服务器网络配置（对外服务和对内服务）及防火墙对服务器的管理等。

5．交换机的配置

必须合理分配交换机的端口，合理配置交换机，百分之百的考虑完善交换机的配置，不得遗漏任何问题。具体可包括：根据规划创建IPVLAN，分配端口，配置IP地址，同时要给VLAN取一个好记的名字，便于管理；创建IPXVLAN，分配IPX地址，保证IPX的正常访问；在每台路由交换机上除了默认路由外，添加指向其他路由交换机的静态路由，以减少路由跳数；为每个VLAN指定DHCP服务器地址，保证客户端能从DHCP服务器获取IP地址；做访问限制，对需要限制访问的网段制定访问规则。

6．网络切换

网络切换是最困难的问题，切换过程中必须保证不能中断已切换和未切换的网络，具体包括：服务器的切换、切换完毕和未切换的网络之间的连通、切换完毕和未切换的网络与服务器之间的连通问题等。

7．切换过程中的IP地址冲突

由于旧网络的IP地址在整个10.100.0.0/16段内配置，切换后的网络如果也是在10.100.0.0/16段中，切换过程中可能会出现已切换的网络和未切换的网络的IP地址冲突，或者出现VLAN互相交叉、路由不通等故障，所以新网络必须与旧网络在不同的IP段内。

7种措施需落实

分析了原有网络系统的症结所在和网络改造过程可能碰到的问题，结合目前的网络技术，提出网络升级改造的解决方案，网络方案设计和实施注重以下几个方面。

1．整理现有网络系统

对网络划分VLAN、 重新规划IP地址分配、统计各部门交换机及HUB的个数、标记需要调整和更换的设备（主要指HUB）、运行的操作系统情况等。

2．网络改造技术方案设计

充分考虑系统切换技术难点并提出解决方案，也一定要标记出系统切换过程中注意事项。

3．改造和整理现有布线系统

主要包括中心机房改造、网络主干光纤线路改造及干路双绞线线路改造等。

4．新网络的安装和连通测试

在安装新网络设备和进行新网络连通测试时，原有网络不进行改变，按旧方式正常运行。这一步对原有网络无影响，网络应用正常进行。

5．新旧网络互联

在新旧网络互联时，尽量不改变原有旧网络设置。对新网络、旧网络的通信测试，保证新旧网络正常工作。这一步网络调试主要在新网络上进行，对原有网络有一定影响，但网络应用正常进行。

6．规范网络服务器的分类

按应用对服务器进行归类，把应用相似的服务器规划到相同的VLAN中。

7．网络客户端的改变

这一步把整个网络划分成很多个小的部分，每次进行一个部分的改变并迁移到新网络中去。每个部分在调试时只影响到自己有关的部分，其他部分仍然可以正常工作。如果出现问题，可以马上切换回旧网络中，恢复原状，这样可以有效保证网络正常运行。

VLAN划分4项注意

项目中VLAN的划分一直是广大用户普遍关心的问题，同时也是一个相对复杂的问题，许继集团在VLAN的划分方面注意了下面4点，效果不错。

1．IP地址的使用

由于旧网络的IP地址采用了保留地址中的“10.100.0.0/16”段，为了在网络切换过程中不与旧网络的IP地址发生冲突，实现平滑切换，因此，改造后网络的IP地址采用保留地址中的“10.10.0.0/16”段，所有部门的IP地址段都包含在此范围内。

2．VLAN的划分原则

主要遵循部门统一原则，原则上同一部门的计算机划分在同一VLAN内，由于有的部门跨交换机分布，因此VLAN的划分也要跨交换机划分，这部分网络使用了Trunk技术。对于部分不太明确的部门，在暂时无法确定位置的情况下，按端口划分VLAN。根据应用系统使用的网络协议的不同，把VLAN划分为2类。网络主要使用的是TCP/IP协议，所以IP协议VLAN为主要方式。由于集团部分应用是在Netware系统下运行的，使用的是IPX协议，因此同样对网络划分了IPXVLAN。

3．IP VLAN的划分方法

VLAN的划分原则上采用部门统一原则，为了合理分配IP地址，对IP地址进行分段时采用了变长子网掩码方法，使得不同部门的IP段大小不同，但是必须满足5年内可能的IP地址需求量。

4．IPX VLAN的划分方法

由于IPX服务使用的比较少，因此IPX VLAN的划分采用相对独立的方式，即不按部门划分VLAN，而是把每台二级交换机的所有以太网端口划分到同一个IPVLAN中。

8个细节要谨慎

在网络改造切换过程中，必须考虑新旧网络切换过程中平滑切换问题。因此，必须使网络切换方案尽量完善，充分考虑各种问题，避免或者尽量减少新旧网络切换过程中网络中断的时间，达到网络平滑切换的目的。事实上，网络切换是整个项目的关键，许继集团网络改造与切换的基本过程如下。

1．网络IP地址分配采用动态IP地址分配方式。建立DHCP服务器和WINS服务器，根据VLAN的规划方案配置好相关的内容。除了改造后的VLAN配置信息外，还要临时增加一个旧网络的VLAN分配方案，以供未切换部分临时使用。

2．采用通知、网站和广播3种发布的方式通知到每台设备。通知所有部门，除了服务器需要固定的IP地址以外，其他的设备全部更改为动态获得IP地址和WINS服务器地址。由于未经改造的设备与服务器同属于一个VLAN。可以直接获得网络配置的相关信息。而已经改造过的设备，通过对新交换机的配置，自动寻找DHCP服务器，获得网络配置的相关信息。工作站通过在WINS服务器中注册，使得不同VLAN之间的工作站可以通过计算机名字相互访问。

3．按照网络规划方案对新核心交换机和二级交换机进行配置。除了在新骨干交换机上配置规划的网络配置信息外，另外单独把新核心交换机的几个网络端口划分到同一临时VLAN中，临时VLAN的IP段范围为旧网络的地址段，10.100.0.0/16段中未被旧网络静态段使用的IP地址段，供未切换到位的旧网络使用。

4．保证线路连接正常。进行骨干交换机和二级交换机的线路连接工作，测试新线路以及二级交换机与骨干交换机的配置，保证骨干交换机和二级交换机之间通信正常，并测试工作站的网络情况。

5．核心交换机的切换。将旧网络的核心交换机接入到新网络的核心交换机之上划分的临时VLAN的端口中。为了保证新旧网络之间带宽，分别对2台核心交换机进行双端口绑定，实现200Mbps带宽。

6．服务器的切换。将DHCP等服务器转移到新的骨干交换机，连接端口位于临时VLAN中。

7．部门业务的切换。逐步按照各个部门进行网络切换工作。

8．更改服务器的网络配置。更改服务器的网络配置，将所有服务器迁移到新网络规划的VLAN中。

通过以上步骤，顺利实现了新旧网络的平滑切换，没有出现任何网络中断现象，保证了网络的正常运转，成功完成了许继集团网络升级改造工作。

3大纪律细体会

改造旧网络必须保证现有的网络应用不能中断，保证网络服务正常运行，因此，在改造企业网络时应注意以下3个方面。

1． 旧网络的信息统计

在规划、设计网络改造方案之前，要统计出旧网络的应用现状、提供的网络服务、网络的管理方式、网络的线路状况等。

2． 规划、设计网络改造方案

必须考虑到各个方面，包括如何划分VLAN、新旧网络的IP地址分配方式、网络采用何种管理方式、客户端如何配置、设备如何分布以及线路如何改造等。要充分考虑到如何解决网络改造过程中可能碰到的问题，尤其要考虑服务器的管理，因为网络改造过程中服务器要同时为两部分网络提供服务。一个完善的网络改造方案是成功实现网络改造的基础。

3． 网络改造的实施

网络改造进程要逐步实施，不要一下全面展开。实施前除了要调通整个网络链路外，还要分别在新旧两部分网络上测试所有的网络应用，保证所有网络服务能够正常运行，一切正常后便可以对新旧网络进行切换，还要保证如果切换过程中出现问题能够顺利地切换回旧网络。

总之，只要充分考虑到网络改造过程中可能碰到的各种问题，就能设计出一个完善、最优的网络升级改造方案，就能顺利地完成计算机网络的升级改造工作。

－作者地址：河南省许昌市许继大道38号许继集团信息中心，461000

背景资料

平滑自适应视频播放技术的研究 第3篇

关键词：无线视频流,自适应媒体播放,线性调整,服务质量

0 引言

无线网络中视频通信的主要问题是网络中视频数据包的传输延迟及其抖动。用户收到初始视频包后,无线视频终端将开始播放该视频。通常,视频帧之间的播放时间间隔是固定的,每个视频包都有自己的预定播放时刻,视频包必须在它预定的播放时刻之前到达播放终端,才能保证播放的连续性。为了解决无线信道状态变化引起的视频数据包延迟及其抖动对接收视频质量的影响,可在视频终端设置缓冲机制[1],可以平滑延迟抖动,保证播放的连续性,拉长视频包的传输时间和它的预定播放最后期限之间的时间间隔,降低丢包率,提高视频质量。

但是,缓冲区的引入也会带来一些问题。一方面,不断增大的缓冲会带来更大的缓冲延迟;另一方面,由于网络状况的影响,缓冲区的下溢概率会随着缓冲的增大而减小。自适应媒体播放AMP技术可缓解上述问题。它依据网络状况动态调节视频帧播放的时间间隔,可以保证在一定下溢概率的条件下减小缓冲延迟,增强视频终端缓冲的自适应能力,为用户提供更好的服务质量(Qo S)[2]。

通常,AMP算法是根据缓冲区的占用度来触发的。实施方法大多通过设定一个缓冲区门限来表明缓冲区是否处于“满”状态来调节播放速率[3,4]。如果超过这个门限值就触发调节器;否则,调节器不动作。该门限值的大小对算法性能有很大影响:如果门限值太小,会导致在缓冲区并不太满的时候进行一些不必要的调节,缓冲区的状态不断波动,最终导致视频播放的速率也不断波动,用户体验质量下降;反之,如果门限值太大,控制算法的响应时间缩短,导致缓冲上溢的概率增加。此外,该门限值还与网络的状态有关。网络状况差的时候门限值设小一些,而网络状况好的时候门限值设得大一些。但是,网络的状况通常比较难以预测,特别是无线网络。因此,如何根据网络状况预估视频包的接收速率,预测缓冲区的波动,并在调整期内使得播放速率的变化最平滑,是提高用户体验质量的关键[5]。

针对以上问题,本文提出基于安全区域的平滑自适应视频播放算法SAO-AMP。算法采用缓冲区的占用度和缓冲区的波动程度为触发条件,通过预估视频包的接收速率来获得缓冲区的预期波动情况,最平滑地调整播放速率。同时,算法还对缓冲区的占用程度进行控制,使之总处在安全区域内,减小了缓冲区的上、下溢概率,提高视频的播放质量。

1 系统模型

本文采用如图1所示的系统模型。此模型主要包括三部分:视频流服务器、无线信道和视频客户端。

图1 系统模型

图1中,视频服务器以固定帧率R(30 frame/s)发送视频帧,无线信道采用三状态Markov模型来描述。Markov模型中的信道状态用Si(i=0,1,2)表示,丢包率γ(Si)是信道状态Si的函数。为简单计,设三种状态下的丢包率满足:

在视频应用中,有研究表明播放速率变化幅度≤25%,人眼感觉不到[6]。因此,在实验中我们将丢包率γ(Si)限定在0.2以内。

2 基于安全区域的平滑AMP算法SAO-AMP

系统一直监视接收缓冲区的占用度,如果达到需要控制器的触发条件,系统会触发播放速度调节器,采用相应算法来调节播放速度。如果视频序列的接收速率与播放速率大致相等,则缓冲区的占用度基本稳定在某个值。但实际中,由于接收速率的波动,缓冲区的占用度也随之波动,从而需要自适应地调整接收端的播放速率。本文提出了基于安全区域的平滑AMP算法,记为SAO-AMP。该算法触发速率调整的条件不仅仅是基于缓冲区的占用度,还要参考缓冲区的波动幅度。波动幅度定义为当前缓冲区的占用度与设定的缓冲区参考占用度之间的差值。

参考占用度的初始值通常设为缓冲区大小的一半。在PA调整过程中,这个参考值会不断更新,更新为当前的缓冲区占用度,如图2所示。从图中可以看出,在t1、t2和t3时刻,参考占用度的值被不断更新为当前缓冲区占用度,且在t3时刻,即便此时缓冲区没有出现下溢,PA调整也被触发,因为此时缓冲区占用度的波动超过了预定值。

图2 缓冲区参考占用度的更新过程

当PA调整触发后,需要确定两个参数的取值:1)播放速率调整的最终目标值;2)速率调整的速度快慢值。播放速率的最终目标值由系统的预估接收速率决定,播放速率调整的快慢由预期变化值决定[10,12]。

为了进一步分析缓冲区的占用度,并参考文献[10,12],设缓冲区的大小为2M,那么缓冲区占用度处在缓冲区大小的1/2处时,缓冲区的上、下溢概率都是最低的。本文为缓冲区设定一个“安全区域”,如图3所示。当缓冲区占用度位于[M-τ,M+τ]范围内时,认为缓冲区处在安全区域,τ是设定的缓冲区占用度的波动门限值。而[0,τ]和[2M-τ,2M]是缓冲区最容易发生上、下溢的区域,也是需要避免出现的“不安全区域”。

图3 缓冲区的安全区域

2.1 预估接收速率RRR

如果不考虑丢包,接收时间间隔等于发送时间间隔Is。如果出现了丢包,则接收间隔大于发送间隔。为简单计,假设一个视频帧被封装到一个数据包中。设p(k)为一个视频包k次重传请求后成功传输的概率,接收间隔为I,则平均接收时间间隔E{I}可由下式计算:

其中,E{·}是数学期望算子,γ(Si)是总的丢包率。

设当前缓冲区波动为c,|c|≥τ,两次PA调整的时间间隔为s。假设时间s内,终端已经播放了z帧视频,则时间s内接收到的视频帧数为z+c。时间间隔s和平均接收时间间隔E{I}之间必须满足:

给定s、z和c,可以得到平均接收时间间隔E{I}的近似值,则可设定目标播放间隔I'为

2.2 预期变化值

为了避免播放间隔的突然变化对缓冲区占用度波动的影响,需要在播放质量和缓冲区溢出两个方面做出权衡,平滑地调整播放速率[11]。本文采用一个预期变化值来控制播放速率调整的速度。这个预期变化值不是指缓冲区占用的预期值,而是缓冲区的预期波动。设当前缓冲区占用度为L,则预期变化值C由下式确定:

当缓冲区占用度L≥M+τ,缓冲区下溢的概率很小,此时缓冲区的预期占用度设定为M-τ,这样可保证C≥2τ,调整结束后缓冲区占用度不会偏离M太多,处于安全区域。

当缓冲区占用度L≤M-τ,缓冲区下溢的概率很大,此时预期变化值|C|≤2τ,这样在本次PA调整期间有可能再次触发PA调整,需要重新设定缓冲区的预期占用度。也就是说,缓冲区的预期占用度可能会需要多次调整才会达到预定值L-τ。同样,调整结束后缓冲区占用度不会偏离M太多,处于安全区域。

当缓冲区占用度在M附近时,预期变化值设定为-2τ。

2.3 调整期的设定

预估接收速率和预期变化值确定后,需要确定速率调整期。速率调整期由目标播放间隔I'和预期变化值C来决定。

假设给定了调整期T,播放间隔从I0调整到I',采用如下线性调整函数进行播放间隔的调整:

其中,t是时间变量,t0是当前时刻,It是t时刻的播放间隔,T是调整期。当前时刻t0的播放间隔I0为:

其中,I0-是t0时刻前的播放间隔,ΔT是固定的时间间隔(本文设定为1 ms)。按照式(6)将播放间隔在调整期内从I0线性调整到I',使播放间隔的波动最小,从而达到播放间隔的平滑改变。

3 SAO-AMP算法实现及结果分析

3.1 SAO-AMP实现

在Windows XP操作系统下,用C语言编程实现了面向安全区域的平滑播放算法SAO-AMP,算法流程如图4所示,主要由以下三个模块构成:

1)视频包/帧处理模块。该模块主要是对接收到的视频包进行一些预处理,并存入缓冲区。

2)视频播放控制模块。视频播放控制模块主要是控制视频帧的播放,视频帧的播放间隔来自SAO-AMP模块的输出ΔI。

3)SAO-AMP策略模块。SAO-AMP策略模块首先判断是否需要PA调整,然后通过对接收速率的预估,根据PA调整持续时间,计算播放间隔的调整值ΔI,PA调整结束。

图4 SAO-AMP算法流程图

算法的触发条件是本模块的执行条件。在视频播放前,流媒体终端需要预先缓冲一些视频数据,直到缓冲区占满50%才开始播放。系统始终监测视频包的接收速率和接收缓冲区的占用度,SAO-AMP算法根据缓冲区的占用度及其波动来触发播放调整策略。当前缓冲区处于不安全区域之外时,根据缓冲区的波动范围来决定是否进行PA调整:如波动范围不超过±τ时,不触发PA调整;否则触发PA调整。当前缓冲区处在如图3所示的不安全区域时,触发PA调整,即此时波动范围在±τ之间。

3.2 实验结果及分析

为了对播放算法的性能进行比较,本文依然采用文献[6]中的8组实验数据作为处理对象。算法的参数初始设置如表1所示。可得设定的缓冲区安全区域为[12,20],不安全区域为[0,4]和[28,32]。AMP算法的平滑度指标采用文献[4]中提出的短期标准波动σs参数。

表1 算法参数的初始设置

为了进行性能比较,实现了传统的基于缓冲区状态的AMP算法(记为SAMP)和本文的SAO-AMP算法。表2中给出了这两种算法的PA平均调整次数和帧丢失数。可以看出,在8组实验数据下,SAO-AMP算法的平均调整次数为5.375,而SAMP的平均调整次数为7.75,减少了30%;SAO-AMP算法的平均帧丢失数为34帧,而SAMP的平均帧丢失数为48帧,减少了29%。

表2 PA调整次数和帧丢失数比较

在表3中,给出第1组实验数据下PA调整的具体过程。其中,MRI是平均接收时间间隔。实验时间共81.49 s,起始时刻为0。从起始时刻0到1.63 s这个阶段,两个算法都未进行PA调整;从1.63 s到81.49 s这段时间,SAMP和SAO-AMP算法分别进行了6次和3次PA调整。

表3 根据MRI进行的PA调整

两种算法的第一次PA调整,以及调整后的缓冲区占用度和调整后的播放间隔如表3所示。SAMP算法中,在1.63 s时,缓冲区占用度的波动超过了设定的±4范围,则SAMP算法在1.63 s时触发第一次PA调整;第一次调整后的播放间隔为39.92 ms,本次调整间隔T为2.82-1.63=1.19 s。SAO-AMP算法中,1.63 s时,缓冲区占用度的波动超过了设定的±4范围,且当前缓冲区占用度为11,处于不安全区域,则SAO-AMP算法也触发PA调整;第一次调整后的播放间隔为39.97 ms,本次调整间隔T为3.21-1.63=1.58 s。

为了更直观地表示SAMP和SAO-AMP两种算法的PA调整过程,以及PA调整过程中缓冲区的占用度和播放间隔的变化,采用图形表示,如图5所示。

图5 PA调整中缓冲区占用度和播放间隔的变化

从图5可以看出,在时间t=1.6 s时,信道状态的变化导致缓冲区占用度有较大的波动,此时SAMP和SAO-AMP算法都在1.6 s触发了一次PA调整。SAO-AMP算法的触发条件是此时缓冲区占用度为11,超出了设定的安全区域[12,20]。在t=3 s时,SAO-AMP算法触发了第二次PA调整,因为此时缓冲区占用度为8,超出了设定的安全区域;在t=32 s时,触发第三次PA调整,因为此时缓冲区占用度为22,也超出了设定的安全区域。而在此期间,SAMP算法触发了6次PA调整。

在时间t趋近50 s时,信道状态突然变化,NS-2的仿真显示在t为46 s到50 s之间,出现几个连续丢包。SAMP算法经过前面6次PA调整后,此时缓冲区占用度为8,但波动范围没有超过门限值,所以SAMP算法没有反应,导致缓冲区下溢。而SAO-AMP算法在t=3.2 s时进行了一次PA调整,到t=50 s时,缓冲区占用度为23,经历t=50 s时信道状态突然变差,缓冲区占用度降为12,没有引起下溢。

4 结语

大多数自适应媒体播放算法都是根据缓冲区的占用度来触发算法来进行播放速率的调整,而没有考虑到无线网络的时变特性而导致缓冲区占用度的波动变化。本文提出了一种新的面向安全区域的平滑AMP算法,称为SAO-AMP算法。算法的触发条件不仅是缓冲区的占用度,还包括缓冲区的波动程度。算法为缓冲区设定了安全区域和不安全区域,缓冲区的占用度处在安全区域则缓冲区上、下溢的概率很低;反之,缓冲区占用度处在不安全区域时最容易发生上、下溢。实验结果表明,提出的SAO-AMP算法不仅能控制缓冲区占用程度的波动在某个范围内,还能控制缓冲区的占用程度总处在安全区域;不仅平滑了播放速率的变化,还减小了缓冲区的上、下溢概率,提高了视频的播放质量。

参考文献

[1]Stockhammer T,Jenkac H,Kuhn G.Streaming video over variable bitrate wireless channels[J].IEEE Transactions on Multimedia,2004,6(2):268-277.

[2]张辉帅,王劲林,朱小勇,等.基于多步下溢概率估计的自适应媒体播放算法[J].网络新媒体技术,2012,1(3):19-23.

[3]Chuang H C,Huang C Y,Chiang T H.Content-aware adaptive media playout controls for wireless video streaming[J].IEEE Transactions on Multimedia,2007,9(6):1273-1283.

[4]Li M,Lin T W,Cheng S H.Arrival process-controlled adaptive media playout with multiple thresholds for video streaming[J].Multimedia Systems,2012,18(5):391-407.

[5]陈瑞,焦良葆.基于延迟预测的自适应媒体播放算法[J].计算机工程,2009,35(24):225-228.

[6]Jian Yang,Han Hu,Hong Sheng,et al.Online Buffer Fullness Estimation Aided Adaptive Media Playout for Video Streaming[J].IEEETransactions on Multimedia,2011,13(5):1141-1153.

[7]李洪炎.移动视频QoS关键技术的研究[D].华南理工大学,2012.

[8]陈景良.实时移动视频网络自适应QoS技术研究[D].华南理工大学,2014.

[9]陈勇斌.网络视频自适应传输技术研究与应用[D].西南交通大学,2011.

[10]刘国英,章云,陈泓屺.H.264视频码流自适应传输的研究与实现[J].广东工业大学学报,2013,30(4):83-87.

[11]Zhu H Y,Wang S Y,He K Y.Research on Adaptive Transmission of H.264 Video Stream and QoS Guarantee Based on SIP[R].2012Fourth International Conference on Computational and Information Sciences,2012:41-44.

纸张平滑度误判两例 第4篇

一是适当增加印刷压力，以弥补因纸面粗糙压印时接触不良而产生的墨色发花情况；二是采用“浅墨厚印”工艺进行印刷，即将油墨的色相适当调浅一些，印刷时适当加大墨量，既能使印刷色相符合要求，又能使印品墨色饱和；三是在正式印刷前先印一层光油，改善纸张表面状况。

但是，在实际生产中出现的一些质量问题，表面上看似乎是由于纸张平滑度差造成的，但实际上可能并非如此。在此列举两个例子。

前两年，曾经有人拿着两个印样来找笔者，这两个印样采用相同定量的铜版纸（只是生产厂家不同）、同一台设备印刷，而且印的是同一个活件（四色网目调图像），结果一个印出来墨色发花，另一个却效果良好。当时笔者判定印刷效果不好的纸张平滑度不好，但他说测过这两种纸张的平滑度，印刷效果不好的纸张平滑度反倒略高。后来笔者反复思考后，怀疑问题出在印刷表面粗糙度（PPS）上，即纸张在压力作用下发生弹性形变时的平整度，胶印中只有当纸张PPS≤2μm时，才足以保证转移到纸面的墨膜厚度是均匀的。所以笔者分析，虽然印刷效果不好的纸张平滑度较高，但其表面粗糙度PPS较高，在压力作用下的弹性形变能力不如另一种纸张，转移到其上的墨层均匀性就较差。

平滑技术 第5篇

关键词：卫星导航,局域差分,载波平滑,码伪距

0 引言

卫星导航单点定位在水平与垂直方向上的定位精度在95%的时间里能分别达到约10m和20m, 这远未达到航空导航等一些应用系统对米级内定位精度的要求。为提高定位精度, 减小测量误差是有效的措施之一, 而局域差分技术是一种应用广泛地降低卫星导航系统中各种测量误差的方法。

1 局域差分原理

局域差分的基本工作原理主要是依据卫星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时与对流层延时所具有的空间相关性和时间相关性这一事实。对于处于同一地域内的不同接收机, 它们对卫星的测量值中所包含的上述4种误差成分近似相等或者高度相关。一般的, 地面站的接收机的位置是精确得知的, 作为基准接收机。通过基准接收机可以得到能降低测量误差的差分修正量, 地面站将差分修正量播发给机载接收机, 机载接收机可以利用差分修正量来校正同一颗卫星的测量值, 从而提高机载接收机的测量和定位精度。

为了在差分系统中得到更高的伪距测量精度, 可以将测量精度跟高的载波相位测量值加入到伪距测量中, 即载波平滑码伪距技术。在差分系统中, 地面站接收机和机载接收机都可以使用这种技术, 下面讨论载波平滑技术在地面站接收机和机载接收机的使用方法。

2 地面系统载波平滑技术

地面系统主要处理产生差分校正量, 计算差分校正值的第一步是使用载波相位观测量的变化值平滑码观测量。载波相位平滑用于减小粗测伪距中的快变误差, 如接收机噪声引起的高频误差。基本原理为对于每个信道的观测量进行滤波:

式 (1) 中, N=τ/T, τ为平滑滤波时间常数, 通常取100s, T为原始观测量的采样间隔, 通常为0.5s。ρm, n (k) 和准m, n (k) 为k时刻接收机m对卫星n的码和载波相位观测量。ρs, m, n (k) 为k时刻接收机m对卫星n的平滑码伪距。

滤波中假设卫星是连续被接收机跟踪的。如果接收机失去卫星的锁定时, 滤波器需要被重置。

3 用户接收机载波平滑技术

用户接收机也需对接收的测量值进行载波平滑。目前, 码载波的漂移率达到0.01m/s, 平滑滤波器的输出需要在初始化200s内达到小于0.1m的误差, 同下述滤波器的稳态响应有关:

式 (2) 和式 (3) 中, Pn是载波平滑的伪距 (m) , Pn-1是前一时刻载波平滑伪距 (m) , Pproj是映射的伪距 (m) , ρn是原始伪距测量值 (码回路载波驱动, 1阶或高阶, 单边噪声带宽大于或者等于0.125Hz) , λ是波长 (m) , 准n是累积的载波相位测量值 (弧度) , 准n-1是前一时刻累积的载波相位测量值 (弧度) , 以及α是滤波权重函数 (最小单位) , 等于采样点与100s时间常数的比值, α是滤波权重函数 (最小单位) , 等于采样点与100s时间常数的比值。

需要注意的是用户载波平滑滤波器和地面载波平滑滤波器都是用来匹配从而避免由电离层差异引起的相关误差。平滑可以同时同捕获过程一起执行, 这样可以更快得到平滑值。

4 实验结果

本文将上述方法分别引用于地面系统卫导接收机和用户卫导接收机, 通过试验对比了有载波平滑算法和无载波平滑算法的定位精度, 定位误差曲线图如图1和图2所示。图1是无平滑算法定位误差曲线, 图2是有平滑算法定位误差曲线。从图中可以看出, 无载波平滑算法时, 定位误差在1m范围内, 且抖动较大, 而应用载波平滑算法后, 定位误差在0.3m范围内, 相对无载波平滑算法抖动小, 且较为平滑。通过对试验数据的统计, 无载波平滑算法时定位误差的方差为0.52m, 而有载波平滑算法时定位误差的方差仅为0.13m。有载波平滑算法的定位精度较无载波平滑算法提高了75%。

5 结论

通过对载波平滑码伪距方法和实验结果的分析可知, 载波平滑码伪距能够有效的降低卫导接收机的定位误差。在局域差分系统中, 地面系统和用户系统同时使用载波平滑技术能极大的提高用户系统的定位精度, 通过实验的分析, 用户系统的定位精度可提高75%。

参考文献

[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].电子工业出版社, 2011.

[2]PRATAP MISHA, PER ENGE.Global Positioning System:Signals, Measurements, and Performance[M].Lincolm, Massachusells:Ganga Jamuna Press, 2001.

[3]刘瑞华, 杨兆宁, 詹先龙.北斗系统载波相位平滑伪距研究[J].中国民航大学学报, 2012, 30 (3) :28-31.

[4]常志巧, 郝金明, 李军正.载波相位平滑伪距及其在差分定位中的应用[J].海洋测绘, 2008, 29 (3) :21-23.

[5]Jay A, Farrell, Givargis TD.Barth M J.Real-time differential carrier phase GPS-aided INS[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2000, 8 (4) :709-721.

平滑技术 第6篇

无线电测向定位是广播电视监测系统的重要功能, 通过测向天线、接收机以及相关的信号处理设备, 运用不同测向机制和算法对来波信号进行测量和处理, 根据算法处理结果获取来波方向并测定被测无线电台的所在方位和地理位置。

基于阵列信号处理的测向算法是无线电测向的核心技术, 优良的测向算法可以快速准确的计算测向天线接收信号的示向度、仰角等信息, 并对信号发射源进行精确定位。类似于时域信号的傅里叶谱估计方法, 对于空域信号的谱估计算法自上世纪七十年代以来得到了很大的发展, 其中最具代表性的是1979年R.O.Schmidt提出的MUSIC算法[1], 该算法通过对阵列接收数据的特征值进行分解, 将阵列接收数据分为信号子空间和噪声子空间, 利用两个子空间的正交特性使空间谱图上显示出尖锐的峰值, 从而实现来波方向的精确估计。=

1991年美国Unisys国防公司推出了船载短波测向系统, 1994年美国Watkins-Johnson公司推出了WJ-9010短波测向设备, 2003年德国R&S公司也推出了具有超分辨能力的测向系统。这些系统都验证了空间谱估计测向的超分辨能力, 并且具有较强的多信号测向能力。国内某高校在20世纪90年代对空间谱估计的测向技术进行了系统的算法理论研究、硬件设计试验, 建立了一套天线阵为8阵元的超短波测向实验系统, 实验效果能够基本满足短波测向的功能需求[2,3]。2000年左右, 某军工厂又研制了一套基于MUSIC算法的短波空间谱估计测向系统, 是国内首套实际应用的空间谱估计测向系统, 该系统各项技术指标很高, 实际应用效果也非常好。随着无线电监测技术的发展, 基于智能天线和空间谱估计的新型测向体制将会得到广泛的应用, 因此有必要对基于空间谱估计的测向定位算法进行深入研究。

多径干扰一直是信源定位技术的主要制约因素。由于短波信号的特性复杂多变, 在接收频带内往往存在其它的干扰信号, 目前的空间谱估计算法对于这种相干信号的DOA估计问题尚不能有效解决, 因此有必要对相干信号的空间谱估计算法进行深入研究并加以改进。

二、基于MUSIC算法的DOA估计

如图1所示, 以M元等距线阵为例, 如果阵列上有K个入射信号s1 (t) , s2 (t) , , sK (t) 则M元阵列所接收的输入信号可写为以下向量形式:

其中:阵列接收的输入信号, s (t) 是来波入射信号;n (t) 是加性噪声信号;是第k个来波信号的方向矢量。

输入信号的协方差矩阵Rxx可以表示为:

假设Rxx的特征值从大到小排列为λ1, λ2, , λM, 则λ1, λ2, , λM对应的特征向量q1, q2, , qM, 属于信号子空间, λK+1, λK+2, , λM所对应的特征向量qK+1, qK+2, , qM属于噪声子空间, 将对应于噪声的特征向量构成矩阵:

当入射信号方位角为θ时, 根据信号和噪声子空间的正交特性, 有

因此, MUSIC空间谱定义为[1]:

根据上式, 在未知来波信号方向的情况下, 可以在360°的平面空间进行扫描, 由于在θ达到来波方向时, 上式中分母几乎为零, 空间谱上会出现尖峰, 空间谱的各个峰值对应的角度就是各入射信号的波达方向θk。

三、空间平滑技术

MUSIC算法需要满足入射信号彼此非相关这一条件, 保证信源的协方差矩阵是满秩的, 这是进行MUSIC法对阵列接收信号的协方差矩阵进行特征分解的基础。对于彼此相干或者高度相关的多个入射信号, 例如当同一信号的几个多径分量以不同方向到达阵列的情况, MUSIC算法将无法有效工作[4]。通过空间平滑预处理的方式来修正输入信号的协方差矩阵, 可以使MUSIC算法得以有效应用。

3.1前向空间平滑技术

前向空间平滑是将M个阵元的均匀线阵按图2的方法划分为p个子阵, 由m个阵元组成一个子阵, M=p+m-1, 信号源为K个。

各个子阵的输出矢量分别为:

对于第l个子阵有:

第l个子阵的数据协方差矩阵为:

式中Am (θ) =[am (θ1) , ......am (θN) ], 是第一个子阵接收信号的导向矢量矩阵, sR为第一个子阵接收信号的协方差矩阵, sR=E{ssH}。

对所划分的各子阵的协方差矩阵求均值, 来获得一个修正的协方差矩阵, 这种空间预处理的方法就是前向平滑技术[5]:

通过在空间上的前向平滑预处理, 只要满足p≥K, 无论阵列的输入信号是否相干, Rf都是满秩的, 都可应用MUSIC算法对其进行特征分解。

采用MATLAB对是否采用前向空间平滑技术的MUSIC算法进行仿真, 入射信号及其采样的基本参数如表1所示, 其中信号s3为信号s1的2倍, 这两个信号相位相同, 为典型的相干信号。仿真中采用9阵元的均匀线阵, 阵元间距为半个波长 (0.6m) , 前向空间平滑将阵列划分为相互重叠的5个子阵, 每个子阵由相邻的5个阵元组成, 阵列接收信号为入射信号加高斯白噪声。仿真中对是否采用前向空间平滑技术的结果进行了对比。

图3表示入射信号为s1和s2时, 由于两个入射信号彼此非相干, 因此是否采用前向空间平滑技术都能在空间谱图上分辨出两个信号不同的方位角。图4表示入射信号为s1和s3时, 由于两个入射信号彼此相干, 在空间谱图上不采用空间平滑技术的MUSIC算法已经完全无法分辨入射信号波达方向, 而采用前向空间平滑技术的MUSIC算法则能清晰地分辨出两个信号不同的方位角。

3.2前/后向空间平滑技术

和前向空间平滑类似, 后向空间平滑将天线阵元按图5所示来划分。

各子阵输出矢量为:

第l个子阵的数据矢量为:

比较前向平滑和后向平滑的子阵接收数据, 后向平滑的第p-l+1个子阵的数据矢量和前向平滑的第l个子阵的数据矢量可按下式进行变换:

第p-l+1个子阵的输入数据协方差矩阵为:

各个子阵列输入数据协方差矩阵的平均值为:

上式得到的为后向空间平滑的协方差矩阵。

再对前向、后向两种空间平滑方法所得到的输入数据协方差矩阵取平均:

即前/后向空间平滑的协方差矩阵[5]。

采用MATLAB对是否采用前/后向空间平滑技术的MUSIC算法进行仿真, 入射信号及其采样的基本参数如表1所示, 仿真中仍然采用9阵元的均匀线阵, 阵元间距为半个波长 (0.6m) , 前向空间平滑和后向空间平滑分别将阵列划分为相互重叠的5个前向子阵和5个后向子阵, 每个子阵由相邻的5个阵元组成, 阵列接收信号为入射信号加高斯白噪声。仿真中对是否采用前/后向空间平滑技术的结果进行了对比。

图6表示入射信号为s1和s2时, 由于两个入射信号彼此非相干, 因此是否采用前/后向空间平滑技术都能在空间谱图上分辨出两个信号不同的方位角。图7表示入射信号为s1和s3时, 两个入射信号彼此相干, 在空间谱图上不采用空间平滑技术的MUSIC算法已经完全无法分辨入射信号波达方向, 而采用前/后向空间平滑技术的MUSIC算法则能清晰地分辨出两个信号不同的方位角。

另外, 对于相干信号的DOA估计, 采用前向空间平滑和前/后向空间平滑技术的原理相同, 都是为了保证对于相干信号采用MUSIC算法时能有一个满秩的协方差矩阵, 但是采用前/后向空间平滑技术从理论上来说更能保证这一条件, 只是增加了运用MUSIC算法进行DOA估计的计算量。

四、总结

MUSIC空间谱估计的局限性在于对相干信号无法处理, 而空间平滑技术能够使入射相干信号的特征值矩阵满秩, 从而拓展了MUSIC空间谱估计算法的应用范围, 本文对空间平滑技术的仿真结果证明了这一点。需要指出的是, 空间平滑技术是基于等距线阵的阵列结构, 对于均匀圆阵由于阵列流型不满足范德蒙结构, 需要先将其变换成模式空间的虚拟均匀线阵, 再应用空间平滑技术。

参考文献

[1]R.O.Schmidt.Multiple emitter location and signal parameter estimation[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1986, 34 (3) :267-280

[2]司伟建, 吴迪, 陈涛.基于部分重合信号的空间谱估计新方法[J].吉林大学学报 (工学版) .2014, (2) :490-496.

[3]王利平, 吴长奇.空间谱估计中非同步采样误差补偿方法研究[J].信号处理.2012, (9) :1321-1326.

[4]肖先赐.阵列信号处理在电子对抗中的应用[J].电子对抗.2004, (1) :1-7.

平滑技术 第7篇

插补算法是实现被控设备精确运行的基础, 他的作用是依据相关数据通过一定方法求出各个轴的分量, 最终实现精确的运动轨迹。所以运动控制系统中, 插补算法对系统系能起着非常关键的作用。或者说插补技术是, 已知运行曲线的一些数据, 通过一定的计算方法让数据点密化。插补方法常见的有直线插补法、圆弧插补法, 其他复杂的插补算法都是以它为基础。

运动控制系统中, 速度平滑技术的优劣也会对插补算法的效果产生影响。运动控制系统插补过程中的速度平滑技术, 本质就是执行电机的加减速控制技术。在控制系统的插补过程中, 速度控制技术非常重要, 电机能否快速启停、能否迅速达到预设速度、速度调整算法的效率都会影响到插补执行的精准度[1]。

常见的算法模型有直线控制算法、指数控制算法。另外还可以利用三角函数构造出控制曲线, 这种控制方法使得速度、加速度以及位移均连续, 减弱了对机床的柔性冲击。尽管三角函数加减控制法可以实现更加平滑, 但因为计算复杂, 在控制前须对数据进行处理、将算法数据存放在内存中通过查表实现。三角函数控制算法的缺点是插补周期长, 加工速度慢。本文研究了T型算法控制、S型算法控制及其实现方法[2]。

2 T型算法分析

T型加减速算法的数学模型表达式为: V (t) =V (0) +A*T (1)

T型算法主要分为三个阶段:第一阶段是均匀加速阶段。V0是初始的运行速度, Vm是最大的运行速度。但是, 有时因为目标的位移量太短, 不一定非得有匀速阶段, 所以在第一阶段应根据已经走的位移量、目标位移量计算是否有匀速阶段;第二阶段是匀速阶段。加速度大小为零, 保持最大速度匀速运动。在第二阶段中应根据走过的位移量、目标位移量计算匀速的步数、并预测何时减速, 并在最后进入减速的阶段;第三阶段是均匀减速阶段。其运动过程和第一阶段完全相反, 期间将依据走过的减速步数和计算的减速步数比较从而决定是否退出。

程序设计相关函数和数据结构设计如表1:

3 S型算法分析

因为T型曲线算法的加速度不是连续的, 加减速在执行机构启动、结束时因加速度的突变会产生一定冲击, 所以不适合于高精度的数控系统。而采用S型加减速算法可以解决冲击问题。

S算法曲线的加减速过程一共分为七阶段:加加速阶段、匀加速阶段、减减速阶段、匀速阶段、减减速阶段、匀减速阶段、加减速阶段。为了方便算法数据的处理, 可以让S曲线对称。

第一阶段:加加速的阶段, 最高的速度是V1, 加加速度大小是J, 加速度大小从0 匀加速上升到Am。

第二阶段:匀加速的阶段, 最低速度大小是V1、最高速度大小是V2, 加速度大小是Am。

第三阶段:减加速的阶段, 加加速度大小是-J、最低速度大小是V2、最高速度大小是Vmax, 加速度大小是从Am匀减速直到0。

第四阶段:匀速的阶段, 以最大速度Vmax匀速运行。第五、六、七阶段与一、二、三阶段是相反对称的过程, 这里不加以描述。

从上面的分析知道, 加速度没有突变现象, 是均匀在变化的, 所以采用S型加减速算法能够消除对执行电机的冲击。位移是速度积分的结果, 速度是加速度积分的结果, 加速度是加加速度积分的结果, 所以最终能够推导出S型曲线算法的加速度、速度计算公式。

S加减速算法缺点是由于加加速度不连续因而柔性不太好, 加减速过程通过分段连续实现更加复杂。而采用数学构造法产生的曲线进行改进, 能够使系统柔性更好的同时还能够用数学公式表示, 而且程序容易实现。

程序设计相关函数列表和数据结构如表2:

4 总结

控制系统除了对插补算法有一定要求, 对执行机构速度控制的精准度要求也非常高。为了提高执行机构的效率和精度, 本文研究了速度控制中的T型曲线控制、S型曲线控制模型, 并最终在软件上实现, 从而提高了运动控制系统的精准度。T型曲线是实际运用中最普遍的方法, 存在加减速突变, 适合于低端系统。 采用S型算法实现较难, 但是可以减少电机的启动冲击, 适合于要求较高的系统。S加减速算法缺点是由于加加速度不连续因而柔性不太好, 加减速过程通过分段连续实现更加复杂。而采用数学构造法产生的曲线进行改进, 能够使系统柔性更好的同时还能够用数学公式表示, 而且程序容易实现。

摘要：插补算法和速度控制是运动控制系统的核心, 控制系统除了对插补算法有一定要求, 对执行机构速度控制的精准度要求也非常高。为了提高执行机构的效率和精度, 本文研究了速度控制中的T型曲线控制、S型曲线控制模型, 并最终在软件上实现, 从而提高了运动控制系统的精准度。

关键词：插补算法,平滑处理,速度控制

参考文献

[1]张志强, 汪文津, 王太勇.基于开放式计算机数控系统的插补软件模块开发[J].机床与液压, 2010 (20) .

平滑技术 第8篇

在运动控制系统中, 为避免电机在启停或加工突变时发生冲击、失步、超程和振荡现象, 不仅要求能对运动坐标轴的运动轨迹进行控制, 还必须对运动速度实现加减速控制, 以保证加工件的精度和表面质量、减少刀具磨损、提高加工效率。因此加减速控制在加工中占有非常重要的环节。常见的加减速控制方法有:梯形加减速、指数加减速和S形加减速。

本研究主要介绍梯形加减速算法和S形加减速算法。

1 加减速算法研究及特性分析

在加减速控制中有前加减速控制和后加减速控制两种方法。前加减速控制一般放在插补器的前面、插补预处理的后面, 后加减速控制一般放在插补器的后面、位控的前面[1], 如图1所示。

1.1 梯形曲线原理

梯形加减速是加减速控制方法中最为简单的一种, 也是最常用的一种。速度在加减速的过程中按照线性规律变化, 如图2所示。

由图2可知, 梯形加减速可以分为3个部分:

(1) Ⅰ区属于电机加速过程, fl为电机初始速度, fh为电机所运行的最大速度, 加速度为常数。

(2) 在Ⅱ区, 加速度为零, 电机以最大速度做匀速运动。

(3) Ⅲ区为电机减速过程, 其运动过程和加速过程相反。

标准的梯形曲线是完整的, 但是电机可能达不到最大速度, 这样就没有了Ⅱ区, 形成了三角形曲线, 当电机的初始速度大于最大速度时, 电机只做匀速运动[2]。

1.2 S曲线原理

1.2.1 原理

一般情况下, S曲线的加减速过程可以分为7个阶段, 如图3所示, 分别为加加速阶段、匀加速阶段、减减速阶段、匀速阶段、减减速阶段、匀减速阶段、加减速阶段。为了方便编程和处理数据, 假设S曲线是对称的, 因此只需要对S曲线的加速段进行分析即可[3]。

其中, fl, fh分别为电机的初始频率和最大频率;Amax, J分别为最大加速度和加加速。为了简化模型, 假设T1=T3=T5=T7=a/J, 因此S曲线加速阶段的速度计算推导如下[4]:

(1) 加加速阶段。

由数学关系可知, a=df/dt=Jt, f=∫undefinedundefined。即此阶段的瞬时速度和最大速度为:

undefined

(2) 匀加速阶段。

因为f (t) =f (t1) +Amaxt, Amax=JT1, 此阶段的瞬时速度和最大速度为:

undefined

(3) 减加速阶段。

由图3可知:a=df/dt=Jt, f=∫undefinedundefined, 即此阶段的瞬时速度和最大速度为:

undefined

1.2.2 讨论

在实际运行过程中, 7个阶段不可能完全运行, 所以根据不同情况分类讨论, 由运行时间划分, 假设运行时间为t, 则[5]:

(1) 当T1=0, 即当T1

(2) 当T2=0, 即当T1≥t, t>T2时, 加速过程没有匀加速阶段, S形曲线就变成了三角形, 此时加速过程时间最长。

(3) 当每个阶段的时间都不为零时, 就要根据电机的性能和要求来确定时间值。实际上采用S曲线的目的就是为了使电机运行时避免产生冲击、失步和振荡。但在实际应用中, 对加速和减速过程的时间要求以越短越好。因此, 在确定时间段时, 如果只从时间的长短和电机的性能来考虑, 在确定被控对象稳定运行的情况下, T2时间越长, 加速过程所需要的时间就越短[6]。

1.3 S型速度曲线改进

传统的基于7个阶段的S曲线加减速控制算法中, 虽然保证了系统的柔性[7]、加速度的连续性, 但是却增加了计算量, 程序实现复杂, 考虑问题比较多。为了减少计算量, 本研究把7个阶段改为5个阶段来计算。即加减速过程由加加速、减加速、匀速、加减速和减减速组成。

2 两种速度控制算法实现

两种曲线控制伺服电机的原理为:上位机发送速度控制曲线命令到DSP, DSP判断控制曲线的类型, 然后调用相应的函数, 把速度、位置送到脉冲发生器中以控制电机。

2.1 梯形曲线实现

如图2所示, 对于连续的曲线, 本研究采用离散方法逼近理想曲线, 速度分为多档, 速度划分采用建表的思想。

(1) 以定长脉冲为例, 梯形加减速控制流程图如图4所示。

图中, STATE=1, 2, 3分别表示加速阶段, 匀速阶段和减速阶段;GetCurPosition () , WritePgmFifo () 分别表示写脉冲和读脉冲函数[8]。

(2) 建表。

所谓建表是把每个阶段计算的离散速度和位置值放在相应的数组里, 每发出一次脉冲就从相应的表中调用下一组数据。

2.2 S曲线实现

S曲线实现原理和梯形相似, 但是S曲线的加速度易变, 需要对加速度进行离散化, 在此基础上实现速度离散化。

同样以定长脉冲为例, 梯形加减速控制流程图如图5所示。

由于S形曲线的加、减速阶段是对称的, 只需实现加速阶段, 其程序流程图如图6所示。

3 实验仿真结果

本实验采用的软件平台是VC++6.0和CCS3.1, 硬件平台是运动控制实验系统, 控制芯片为基于DSP与FPGA的运动控制卡。实验参数如表1所示。

此外, 系统采样周期为10 ms, PID参数设定为Kp=3, Ki=0, Kd=0。

实验结果如图7～图10所示 (1代表规划曲线;2代表仿真曲线) 。

由实验结果可知:

(1) 梯形曲线是电机运动中应用最普遍、也是最简单的速度控制曲线, 它的算法简单易行, 实现方便, 但不能保证系统的柔性, 在加减速启动和结束时存在加减速突变, 产生冲击, 只适合一些要求不高的数控系统, 在插补中应用较广泛。

(2) S形曲线弥补了梯形曲线的不足, 它通过对启动阶段 (即高速阶段) 的加速度衰减, 来保证电机性能的充分发挥和减小启动冲击。但是其算法比较复杂, 实现起来难度较大, 适合要求比较高的数控。

4 结束语

运动平滑处理技术在运动控制系统的作用不可估量, 直接影响产品加工质量的好坏, 本研究就两种算法的特点以及实现手法作了详尽的介绍, 实验结果也直观地显现了各个算法的优缺点。

参考文献

[1]关美华.数控技术[M].成都:西南交通大学出版社, 2003.

[2]刘建伟.基于DSP的运动控制卡的软件设计[D].广东:广东工业大学计算机学院, 2008.

[3]SHI Xv-guang, XV Bo-gong.Design and Imple-menTationof S-shape Acceleration/deceleration Algorithm based onRounding Error Compensation Tactic[C]//Proceedings ofthe 7thWorld Congress on Intelligent Control and Aotoma-tion.Chongqing:[s.n.], 2008:7913-7915.

[4]CAO W G, CHANG Q X.A kind of arithmetic having the-function of“look ahead”in smoothly controlling[J].Mod-ular Mach.Tools Auto Mach.Tech., 2005 (9) :56-59.

[5]张华宇, 王孚懋, 徐方全.S形曲线加减速算法的研究[J].现代制造技术与装备, 2006 (2) :21-22.

[6]赵魏.数控系统的插补算法及加减速控制方法的研究[D].天津:天津大学机械工程学院, 2004.

[7]曾义芳.DSP基础知识及系列芯片[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2006.

内镜下切除食管平滑肌瘤12例 第9篇

doi:10.3969/j.issn.1007-614x.2012.02.058

平滑肌瘤是食管最常见的良性肿瘤，既往多年来用外科手术治疗，但因为食管外科手术仍然有相当高的手术死亡率和并發症发生率，因而随着内镜技术的发展，越来越多的食管平滑肌瘤患者已接受了内镜下切除术。对12例平滑肌瘤(直径＜2.0cm)行内镜下黏膜切除术治疗，取得很好效果。

资料与方法

本组患者12例，均为内镜检查发现食管平滑肌瘤。诊断依据为食管腔内半球形、椭圆形隆起，表面光滑，可见血管网，色泽与周围黏膜一致。用活检钳触诊可在黏膜下滑动。切除标本回收送病理组织学检查证实为平滑肌瘤。肿瘤所在部位：中段6例，中下段交界区4例，下段2例，距门齿22～37cm，隆起直径0.5～2.0cm，其中＜1.0cm 5例，1.0～2.0cm 7例，均为单发。

治疗方法：方法有两种，1种采用内镜黏膜切除术(EMR)，在病灶所在黏膜下层注射1:20000肾上腺素生理盐水2～6ml，见病灶较前隆起明显后将圈套器置于平滑肌瘤基底部，收紧圈套器钢丝，用ERBE通以高频电流，强度为80W分次凝切，切下病变后创面无渗血，病变以三爪钳钳住后随镜取出，此法切除5例。第2种方法是用内镜前端透明帽吸引法黏膜切除术(EMRC)。对7例基底宽大，圈套不易套住者，病灶黏膜下注射1:20000肾上腺素生理盐水后镜端连接透明帽(斜面)，将圈套器盘于透明帽内，将透明帽前端对准病灶，负压吸引，将肌瘤吸入透明帽内，缓慢收紧圈套器，保持收紧状态，随后吹气，从透明帽内释放出被套牢的肌瘤，抬高圈套器使之远离食管管壁，然后高频电凝、电切，将病变组织切下。

结 果

12例食管平滑肌瘤全部切除，标本镜端负压吸引或透明帽负压吸引或三爪钳钳住后随镜退出，创面无穿孔和大出血，渗血3例，经反复局部喷洒冰冻稀释的去甲肾上腺素盐水冲洗后，无渗血后退镜，1例患者，因创面较大且深，即予3枚长臂止血夹夹闭创面，以防穿孔。术后冷流质饮食2天，抑酸、保护胃黏膜治疗。全部患者4周后复查胃镜见食管创面已愈合，半年后复查胃镜平滑肌瘤无复发。

讨 论

食管平滑肌瘤可分起源于黏膜肌层和固有肌层两种，内镜检查时若闭合的活检钳能将其推动则表示病变的基底部较浅，位于黏膜肌层，一般在2cm以下，可内镜下切除，属内镜切除适应证，反之，则说明病变较深，位于固有肌层，不宜行高频电切除，为非适应证，否则易导致穿孔^[1]。确定平滑肌瘤来源于黏膜肌层还是固有肌层，目前多采用超声内镜检查能清楚病灶的起源。与单纯圈套高频电切相比，采用内镜黏膜切除术切除肌瘤时，对肌瘤所在基底的黏膜下层注射生理盐水，如黏膜肌层来源的平滑肌瘤，常随注射的生理盐水而隆起，如来源于固有肌层，则无此隆起征^[2]。这点也是判断是否适合内镜下电切的指征之一。此外，在肌瘤深侧注射稀释的肾上腺素盐水，既将肌瘤的深层组织隔开，又收缩血管，有助于减少穿孔及出血的发生。对于部分基底宽大套圈器不易套住的肌瘤可用镜端透明帽吸引法，如同套扎曲张静脉样，就可在肿瘤的基底部用圈套器将其套紧，得以切除。但应注意吸引时负压不宜过大，否则容易将固有肌层组织吸入，增加切除危险性^[3]。

总之，来源于黏膜肌层的，直径<2cm的食管平滑肌瘤予内镜下切除是完全可以的。

参考文献

1 李建英,于皆平,罗和生,等.上消化道平滑肌肿瘤内镜诊治［J］.中华消化内镜杂志,2002,19(2):95.

2 龚均,张平,郭晓丹,等.食管平滑肌瘤内镜下切除3例报告［J］.中国内镜杂志,2002,8(8):48.

3 陈树龙,朱建新,周丹,等.镜端透明帽吸引法黏膜切除术的应用［J］.临床消化病杂志,2001,13(5):203.

平滑技术 第10篇

1 材料与方法

1.1 试剂与药品

HEPES液:NaCl 144 mmol/L, KCl 5.8 mmol/L, MgCl21.2 mmol/L, CaCl2 2.5 mmol/L, HEPES 5 mmol/L, Glucose (NaOH调节pH 7.4) 10 mmol/L。分离液:NaCl 60 mmol/L, Na-Glutamate 85 mmol/L, KCl 5.6 mmol/L, MgCl22 mmol/L, Glucose 10 mmol/L, HEPES (NaOH调节pH 7.4) 10 mmol/L。酶液1为含木瓜蛋白酶 (Sigma) 0.5mg/mL, 二硫苏糖醇 (DTT, Sigma) 1 mg/mL的分离液。酶液2为含胶原酶F (Sigma) 0.7 mg/mL, 胶原酶H (Sigma) 0.3 mg/mL和0.1 mmol/L CaCl2的分离液。全细胞膜片钳记录的浴液:NaCl 145 mmol/L, KCl 6 mmol/L, MgC123 mmol/L HEPES 5 mmol/L, Glucose (NaOH调节pH 7.36) 5 mmol/L。电极内液:K-Asparate 110 mmol/L, KCl 20 mmol/L, Na2ATP 3 mmol/L, MgCl23 mmol/L, HEPES 10 mmol/L, EGTA (KOH调节pH 7.2) 10 mmol/L。

1.2 单个冠状动脉平滑肌细胞的分离

雄性SD大鼠, 体重200 g～250 g。断头处死、放血, 迅速打开胸腔, 取出心脏置于4 ℃通氧的HEPES液中。立体显微镜下小心分离冠状动脉左前降支, 将其剪成长约1 mm～2 mm的小段, 置于0 ℃分离液中10 min后置入酶液1中, 37 ℃水浴消化25 min后, 移入酶液2中37 ℃水浴消化10 min。用吸管轻轻吸出酶液, 保留血管段, 沿管壁缓慢加入 0 ℃分离液冲洗 2次或3 次以终止消化。用光滑的细头吸管轻轻吹打即可得到大量长形或梭形的单个平滑肌细胞。将分离好的细胞悬液置于 4 ℃冰箱中, 选择边缘清晰的细胞8 h内完成膜片钳实验。

1.3 全细胞膜片钳实验

1.3.1 细胞贴壁

将一滴细胞悬液滴于倒置显微镜实验台上的标本槽内 (容量约1 mL) 的盖玻片上。静置20 min使细胞贴壁后用浴液灌流以除去细胞分离液对通道电流的影响, 室温 (20 ℃～24 ℃) 下进行膜片钳实验。

1.3.2 电极制备

实验用玻璃电极由外径1.5 mm的玻璃毛细管经微电极拉制器 (PP-830, Narishige, 日本) 于实验前拉制。电极尖端经热抛光。充以高钾电极内液后的电极入水后电阻为5 MΩ～8MΩ。

1.3.3 全细胞记录状态的形成

膜片钳操作按照EPC-10 (HEKA, 德国) 膜片钳放大器操作手册要求进行。在细胞贴附式 (on-cell) 模式下给予轻微正压使电极入水。给予测试脉冲 (5 mV, 5 ms的方波) , 检查电极尖端阻抗及观察封接形成过程。校正基线后利用三维推进器使电极尖端靠近细胞。当电极与细胞表面接触后可见测试脉冲减小。放掉正压, 略施负压持续吸引使电极与细胞逐步形成高阻封接 (封接电阻大于2 GΩ) , 即细胞贴附式。进行快电容 (C-fast) 补偿后给予电脉冲 (ZAP) 破膜形成全细胞记录模式。进行慢电容 (C-slow) 补偿和串联电阻 (Rs) 补偿。在电压钳下, 将膜电位钳制在-70 mV, 给予一系列阶跃方波脉冲 (-60 mV～+60 mV, step=10 mV, 时长500 ms) 刺激, 观察记录钾电流。一般选用串联电阻小于12 MΩ的细胞在获得全细胞模式2 min～3 min后开始进行记录。本实验漏电流未减除。

1.3.4 数据处理

实验数据采集、记录和分析均使用Pulse v8.67 (HEKA, 德国) 软件。低通滤波为2.9 kHz, 采样频率2 kHz。

1.4 统计学处理

计量资料用均数±标准差$(\overline{x}\pm s)$表示。用SPSS 11.0进行重复测量的方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 大鼠冠状动脉平滑肌细胞形态

用两步法急性酶分离可得到大量单个细动脉平滑肌细胞, 细胞种类单一, 细胞呈长形、椭圆形或梭形, 极少呈圆形, 易于分辨。台盼蓝染色成活率高。细胞轮廓清晰, 细胞膜光滑而完整、贴壁较快。在分离后的8 h～10 h内, 细胞活性好, 完全可满足实验需要。

2.2 大鼠冠状动脉平滑肌细胞电压依赖性钾电流 (Kv电流) 电生理特性

在本实验条件下, 分离所得大鼠冠状动脉平滑肌细胞易于形成高阻封接 (成功率约67%) 。平均串联阻抗为11.37 MΩ±1.96 MΩ;膜电容为16.63 pF±1.27 pF。

电极内液中不含Ca2+, 而加入Ca2+络合剂EGTA (10 mmol/L) , 最大限度地减小Ca2+激活钾通道的作用。在此条件下记录的电流在膜电位正于-40 mV时被激活, 500 ms内无明显失活 (图1A) 。细胞内用CsCl (130 mmol/L) 取代K-Asparate 和KC1后, 该电流几乎完全消失 (n=4, 图1B) , 说明该电流主要成分为钾离子。4-AP对该电流有明显抑制作用。+60 mV, 3 mmol/L 4-AP使电流密度从17.11 pA/pF±1.1 pA/pF减少到5.43 pA/pF±0.98 pA/pF (n=11, P<0.01, 图1C) 。以上特征提示该电流为Kv电流[2]。

3 讨 论

分离得到独立完整、表面光滑、存活时间长的单个平滑肌细胞是膜片钳全细胞记录技术成功的关键。酶分离法自Kono等[3]首先报道以来, 不少作者[4,5,6] 在酶的选用、酶浓度、酶消化时间等方面作了尝试, 经不断改进, 越来越显示出它的优越性, 但仍有不尽如人意之处。我们建立的急性分离方法是参照文献[7]经过改进实现的。本方法操作简单, 分离过程短, 从取材到获得单细胞仅需要约1 h, 获得的细胞数量多, 成活率高, 成活时间可达到20 h以上。该法还主要具有下面几方面优势:本实验只需在 37 ℃恒温水浴箱内进行, 实验过程简单。所需酶易购买, 用量少, 消化时间短。同培养平滑肌细胞相比, 分离的细胞不受生长过程中多因素影响, 可随时分离使用。

Kv是影响细胞膜静息电位的主要钾通道, 对平滑肌细胞电生理调控具有重要意义, 在血管、食道等多种平滑肌中均有分布[8,9,10,11]。本研究通过改进分离技术, 建立了大鼠冠状动脉平滑肌细胞急性酶分离法, 并成功记录到其Kv电流。

在用此方法分离动脉血管平滑肌细胞的实际操作过程中, 需要注意以下问题:分离血管和细胞的液体最好新鲜配制, 或配好后分装, 放置在-20 ℃冰箱内保存, 使用前调定pH值。消化时温度控制在36.5 ℃～37 ℃, 以保证消化酶发挥最好的活性。在用胶原酶消化时, 要时刻注意观察血管的消化程度, 一般情况下消化10 min已经足够, 但有时可能需要延长或者缩短消化时间。酶的不同来源及放置时间及气温变化均对酶活性有一定影响。应注意严格控制酶的用量、酶消化时间温度, 这些条件均是分离成功的关键。酶的用量过大可导致细胞膜上的通道蛋白质变性受损, 通道活性改变。延长酶消化时虽然可以获得更多的细胞, 但同时细胞膜容易受损, 时间过长导致细胞膜不完整, 难以形成高阻封接, 破膜形成全细胞后也易脱落, 且通道活性极差。而消化时间短, 细胞数量少, 质量也差。