非线性技术

非线性技术（精选11篇）

非线性技术 篇1

人们的日常生活越来越离不开电视了,信息的来源也主要靠电视,所以保证电视的质量才能更好的更好的服务民众。从历史的角度来说,线性的编辑在电视的素材制作方面不能做到一一的对应,存在一定的脱节,而非线性的编辑能够使得质量得到保证,画面清晰。还可以进行相应的画面的调制,按照自己的意愿合理的配备画面的大小,使得满足人们的需求。

非线性存在的特点

非线性主要是进行对文字视频的管理,它的制作原理与计算机处理数据的原理是一样的,能够进行一定的实时的处理。所以非线性的应用越来越实用化,更多的运用于调制、改动、对画面进行调速,也还会保证其质量的高保证,这是传统的线性编辑无法比拟的。而今我国非线性的编辑系统已经朝着微型化、集成化方向发展了,更多的融入了科技的元素,能够与更多的设备进行兼容的匹配,达到资源共享的目的。从硬件的方面考虑,由于光盘主要的是平面检索的功能,方便于确定地址。所以在光盘工作时,只要没有摩擦,没有损坏就不会对其质量有影响。对素材的整理过程中,只要确定其长短就能按照相应的循序进行拼接,制作出精美的素材表,也就可以很方便的进行编辑。

在电视新闻的录制中的运用

信息采集的多样化,使得编辑变得更加的困难了,要把素材更多的融入到画面当中去,达到形声动貌就得更多的依赖对非线性的编辑的运用,通过合理的安排与组合,制作出图文并茂的画面来达到冲击视觉的效果,而然在这个过程中也得注意一些特殊的环节。

1.新闻素材的选取

其实我们所看到的视频是由不同的帧组合在一起的,只是在频率方面适应了人眼的要求,在视觉上觉得是连续播放的。所以要做到连续性就得做好画面的切换,掌握这种内在的规律,进行调整,使之连贯。电视新闻作为一种传播的媒介,要重点突出画面所表现的效果,从一个庞大的素材库中,不断地精选,不断的选取小镜头然后在进行扩大,就成为了呈现在人们眼中的实事新闻。

例如,一个新闻的播出时间是2分钟,那么就会有20分钟的素材需要进行编辑与处理,在把握了新闻主要观点的事实上,了解各个画面的环节,然后选定适合的5分钟素材来拼接,根据顺序的发展,把握背景、环节,完成这些工作后就完成了一个整体的效果制作

2.各个镜头的拼接

镜头的切换要做到缓和的过渡,不能显得太过突兀。在这个过程中要遵循几点原则。一要是做到静态场景与动态场景的分开。二是要寻求一个中间点做到动与静的结合。这个中间点的选取可以移动镜头来达到。第三点就是要做到整体的和谐,相同的画面很容易引起视觉上的疲劳,大小场景、动静画面、不同视角的切换要做到合理,不然很难保证视频的播放质量。四就是要有一个主题,素材要选取要以服务这个主题为中心。最后要做好连接点的选取,过程要与过程相互对应,使画面流畅。

3.处理方式单一

对一些跳跃性很强的画面,例如抢镜、抓拍的镜头因为时间的短暂,使得素材所需要的材料较少,就不能进行重复的编辑,只能采用慢镜头的方式,但这样也只能有有限次的应用,不然会影响播放质量。

4.对场景画面的转切

对于动作片,有许多的地方需要用到特效,特技不能既要做到与实际相结合又要不能太复杂,太复杂就脱离了实际,反而起到了反作用,影响事先的效果。建议尽量回归真实,图片需要特效时也只能运用简单的特效,还有就是对色彩的处理要与环境相一致。

5.字幕大小的设定

小到mp3大到电脑都需要文字进行辅助,字幕在传递信息这一块至关重要,也能进行国与国之间的文化交流。字幕的效果在于给新闻增加了一定的内涵,起到很好的传播作用。字幕的处理方式多种多样,有强调式的,叠加式的、缩放式的,各种效果的合理运用会起到画龙点睛的奇效,更别说是图片的下方进行文字的解释说明。非线性的编辑程序容纳了许多字幕元素,能充分的满足观众的视觉体验。

结束语

非线性编辑技术经历了一个长足的发展,做到了技术与画面的统一,当然也得使其在工作人员内熟练的掌握,把更多成熟的技术运用到飞编辑新闻当中来。许多孩子的梦想就是从电视新闻开始的,所以给画面插上想象的翅膀更多的融入到生活当中去,让观众享受一场场视觉的盛宴。

摘要：科技的高度发展促进了世界的进步,尤其是对现代人类影响最大的计算机,更是成为了很多人无法离开的东西。就拿电视这一方面来说,它的编辑方式也从线性过渡到了非线性的编辑,非线性的优点就是摆脱了传统技术的束缚,在视频的质量、清晰度上面有了很大了提高,特别要提到的是在制作时可以进行重复的改写与编辑,为非线性的的编辑技术提供了基础。

非线性技术 篇2

2.1制作校园新闻节目和电视专题片

前者要求较高的`制作效率，突出电视新闻的时效性，后者要求节目有一定的技术含量和艺术表现力。

校园新闻节目主要面向校内师生，在宣传教育、提供教学科研信息方面都起到积极的作用，同时也是向外界展现本校的一个良好平台。制作时先要根据新闻主题进行节目策划与拍摄，然后将视音频素材采集到非线性编辑系统中，进行镜头的组接、切换和字幕的添加等，再由播音员对照画面进行配音。节目制作完成后，可以输出为Mpeg-2格式做成DVD光盘，经校园闭路电视系统播出，或者输出为rm、wmv格式到校内新闻网上，供师生点播观看。为提高工作效率，可以选用新闻制作专用非编系统，其工作界面友好，操作简单，只含有少量的实时特效和实时字幕，剪切、串编速度快。对于时间性强、工作量大的新闻制作，则可以配备低成本、高效率的电视新闻制播网络，全数字状态有利于实现素材资源共享，既降低了设备的使用成本，又提高了新闻节目的制作质量和工作效率。

高校的电视专题片包括对学校、院系、师生以及大型活动的报道，为了方便节目的修改和再编辑，在节目录制过程中最好将同期录音、解说和音乐等分声道录制。制作电视专题片对特效的运用较多，但要遵从于内容的需要，还要考虑画面之间的相互关系，并注意转换方向和持续时间，防止无目的的滥用。例如，淡出淡入通常用来表示一个比较完整的段落结束和另一大段落的开始;叠画通常用来表示时间的流逝，连接回忆、想象等回叙段落。除此而外对素材本身的操作往往体现在亮度、对比度、色彩、抠像效果等的调节中。电视片头是电视专题片中特效运用最容易出彩的部分，运用软件的多视频轨、强大的视音频特效和字幕制作功能，能够制作出富有视觉冲击力的效果。

2.2开发教学资源，包括教学课件和电视教材

教学资源是数字化教学环境的重要组成部分。信息技术环境下数字化学习方式能促进学习者对知识的整合与建构，其本质是非线性的学习方式。传统教学资源按教学大纲、知识点顺序进行编排，而数字化的学习资源在内容上普遍具有非系统性、拖拉式知识传递的特点，要支持学习者非线性学习模式就必须开发相应的教学资源。

现代教育技术许多影视资料都可以在非线性编辑系统上进行剪辑制成教学课件，化抽象为形象，大大降低了学生对理论的理解难度。在各个学科的教学课件制作上，非线性编辑系统以其强大的特技功能、数百种视频、音频滤镜、多种转换效果、多种字幕效果和字幕叠加功能，使创作者教学设计的思想能够自如地表达，大大提高了课件制作的质量。比如讲授地球引力时，会讲到物体下落的实例，这时可以运用非线性编辑系统的倒放效果处理使物体从下垂直往上飞，这一特效可以激发学生学习热情。在进行课件设计时首先要设计好脚本，要综合考虑用户界面、教学内容及音视频画面的配合问题，尽量开发具有交互式性能好、可操作性强、界面较为活泼的多媒体教学软件。

电视教材是根据课程教学大纲的要求编制的一种视听教材，能从多维度传递教学信息。考虑到当代学生知识领域宽的特点，同时考虑到教材的生动性，编制者完全可以将大量具有辅助教学功能的外景、动画及要点提示等各种视听素材嵌入到虚拟电视屏幕中，并与教师讲授同步推进，其教学效果将明显改观。通过非线性编辑系统处理的镜头既兼顾了电视教材的教学性，又突出了电视教材的生动性、活泼性和可视性，给学生耳目一新的感觉，并留下深刻印象，也为电视教材的制作带来空前方便、灵活的制作手段。

2.3录制精品课程

精品课程的录制既要体现教师授课的个性特点，又要体现课堂的互动性，还要反映课件内容，因此最好采用3个机位进行拍摄。在拍摄过程中，可能会出现诸多的干扰，如环境噪音、教师口误等现象，因此需要进行后期编辑。精品课程录像节目中的主角是教师，而教师授课的声音是该节目的主要元素，所以在编辑时，既要遵循电视节目制作的方法和规律，又要牢牢把握声音这一主线。精品课程录像中最常用的特技有：切、淡入淡出、叠画、划变等，以保证镜头过渡舒缓流畅。图像编辑一般不需要过多的剪辑和特技处理，尽可能保持课堂教学的原貌，有利于教师对课堂教学进行全方位教学研究。另外根据课程实际要求对画面增加图片、音乐、字幕等，穿插不同的表现形式，丰富画面内容，烘托气氛，渲染情绪。在符合科学的教学方法的基础上，充分调动学生的学习积极性。为了保证精品课程录像在网络上能够按需收看和任意播放，需要将其输出为ASF、rm、wmv和QuickTime等流媒体格式。

非线性技术 篇3

关键词：非线性编辑技术 教学应用

非线性编辑系统作为一个强而有力的现代教育技术设备发展至今，随着技术日臻成熟，设备日渐完善，已经在众多领域得到日益广泛和深入的应用。舞蹈是以视觉为主的艺术门类，形象式教学，如何更便捷、高效的制作舞蹈教学视频和舞蹈比赛专题片，如何更好地将现代科技应用于现代课堂教学，努力开发教学资源，已成为我国现阶段舞蹈教学发展的焦点问题。现代教育技术就是要运用一切现代化的教育技术手段和方法，来提高学生的学习兴趣和教育教学质量，而非线性编辑技术就是其中一个力量装备，推动现代舞蹈教学的循序发展。

一、非线性编辑技术的基本概念

非线性编辑技术是一门集合电视技术和计算机技术的综合性技术，是集网络技术、数据编码技术、数字图像处理技术、数字存储技术、计算机图形技术、音频技术为一体的高科技产物，是在影像编辑系统数字化技术发展过程中应运而生的。它可以利用计算机以数字化方式进行记录，存储所有的数字化文件，进行反复更新和编辑视频，使任何片段都可以立即观看并随时即刻任意修改。这是之前的传统方法无法想象和比拟的。随着现代信息技术的发展和计算机应用视频编辑技术，越来越多的被大众所熟知和认可，非线性编辑这门技术也越来越普及，已成为视频编辑中一门重要的新技术。非线性编辑技术所有工作都通过计算机来完成，不再借助其它大量的外部设备，可以瞬间实现对素材的调用，突破单一的数码编辑限，简捷方便。

目前，我国普遍采用的视频格式为PAL格式，采用帧的速率为25帧/秒，利用非线性编辑技术，按照文件存储性能优化的要求，可以将影音文件存放在一块硬盘上。主要工作流程可以分为三个步骤完成，以舞蹈作品为例：第一，根据教学需要，利用不同软件将所采集的丰富的影音素材、生动图片转换为数字信号输入到电脑中，或者将视频等文件存储进电脑中，完成素材采集和输入工作。第二，对已输入的文件进行组接和剪辑，完成特效处理，如字幕、解说、动画等。通过编辑工作使作品具有较强的艺术效果和感染力。通常为了表现作品的完整性，可以添加片头和结尾字幕。第三，将已经编辑好的作品生成并按照需要的方式完成输出，比如网络分享，刻录为光盘等。通过非线性编辑技术完成的作品，能够达到连贯流畅、作品意向清晰，主题明确，并且具有艺术效果的舞蹈影视作品，这样的作品富有美感、生动形象，既能够充分吸引观赏者的注意力，使学习者一目了然，同时还可以为观赏者留下深刻的印象，便于学习。总的来说非线性编辑技术能够在不破坏影音视频各个片段独立性的基础上，保证作品的完整性，努力实现表现手段的多样性，从而制作出优质的作品。

二、非线性编辑技术的特点

非线性编辑技术是对传统设备的高度集成，能够将影音图像制作能力提高到一个新层次。它不仅具有高速、方便、快捷、高效的编辑方法，还具备信号质量好、节约投资强和制作水平高的优势。非线性编辑技术利用计算机数字化记录所有存储的数字化文件反反复复的更新和编辑，使得任何影音片段都可以立即观看并随时任意修改，并可将剪辑、切换而生成的完整视频回放到相关设备或转移到录像带上。从本质上讲，非线性编辑系统的功能是传统方法无法想象和完成的。工作程序大量节约，编辑周期大量缩短，使用设备大量缩减。并且可以随时加入和删除素材任其自然。可以随心所欲的进行多样式、花色翻新的自由组合，随时调动，使作品丰富多彩。非线性编辑技术相对线性编辑技术而言还具有寿命长和便于升级等优点。

非线性编辑技术与计算机处理其他数据文件一样，在微机软件编辑环境中能随时随地、反复多次对影音进行编辑和处理。哪怕是任意剪辑修改和复制调动画面的顺序，都不会引起画面质量的改变和下降，因而克服传统设备的致命弱点，非线性编辑技术设备体积小，功能高效，更易于联网形成网络资源共享。

三、非线性编辑技术在舞蹈教学中的具体应用

舞蹈是由肢体语言表达的艺术形式，舞蹈教学也不同于其他艺术门类。在现代化的教学技术中，为了使舞蹈教学视频更加流畅清晰、使舞蹈资料保存更加长久完好，为舞蹈教学提供更直观的影响资料，非线性编辑技术可以充分实现。经过非线性编辑技术将前期录制的视频信息进行技术处理，如剪切去掉冗杂部分，利用转场特技等。而且能够同时加配解说词和字幕等技术手段，适用于各种教学活动。

1.应用于舞蹈教学交流大型专题活动节目制作

制作舞蹈教学或者比赛使用的节目，对影像设备有很高的要求。不仅要突出技术含量，也要呈现出一定的艺术表现力。舞蹈教学视频主要是面对师生，在提供教学科研信息方面能够起到积极作用，同时也可成为向外界展现本校实力的一个良好平台。制作大型学术交流活动视频时可根据节目主体和题材进行策划和拍摄，再将素材采集到非线性编辑系统中，利用非线性编辑技术进行镜头组接、切换字幕添加，并能够加入主持人后期对照画面进行配音。当节目制作完成后，输出为Mpeg-2格式制作成光盘便于播出或输出，供师生们观看学习。为进一步提高工作效率，也可选用专用非线性编辑技术，剪切和串编速度较快，工作界面操作简单明了。尤其面对时间紧、工作任务重和工作量大的节目制作，既能提高制作质量和工作效率，又可以降低制作使用成本，实现资源共享。舞蹈教学交流大型专题活动节目，例如校庆演出或毕业晚会演出等，通常还包括对校园、各系、学科、师生情况和活动过程的报道，为了方便对视频的修改和再编辑，在录制过程中，利用非线性编辑技术可将同期录音、解说和音乐分声道进行录制。这类节目运用特效较多，需要注意到对节目内容的多方考虑和遵从内容需求，以及各个画面之间的衔接关系。合理运用非线性编辑技术，多视频轨道、强大的影音特效和后期字幕制作等功能，可以制作出富有视觉冲击力效果的、精彩的舞蹈教学节目。

2.应用于舞蹈教学资源的开发

舞蹈教学资源是目前数字化时代教学环境的重要组成部分，信息化环境下进行数字化学习有利于促进师生对知识的整合、建构。包括舞蹈教学课件的制作。应用非线性编辑技术，开发相应的教学资源，开启非系统性、化抽象为形象的自主教学模式，能够降低学习者对舞蹈理论的理解难度。在现代教育技术中，非线性编辑技术在舞蹈教学课件制作上，能够大幅度提高课件制作质量，运用多功能手段，以其强大的特技功能、多种转换效果、数百种影音滤镜效果，可以让教师教学理念和教学设计思想表现自如。比如制作中国古代舞蹈发展史的教学课件，其中有很多书本上无法呈现或学生无法理解的知识点，可以利用非线性编辑系统数百种视频画面帮助教师物象化书本中那些意象化的知识，利用特效可以激发出学生的学习热情。非线性编辑技术能够帮助教师做好课件设计，交互式性能好，可操作性较强，教师可自由发挥想象力，开发出多媒体教学课件。教学课件是根据教学大纲要求而制作出的一种视听教材，可以从多维度传递出教学信息，考虑到教材要具有生动性才能满足当代学生知识领域宽需求，非线性编辑技术能将外景、动画及要点提示等各种影音素材置入微机中，并且和教师讲授同步推进，从而大幅度提高教学效果，改变知识传授方法，突出现代教学的生动性、可视性，带给学生耳目一新的感受和深刻印象。

3.应用于舞蹈教学中的特殊视频

舞蹈教学环节有一项叫做精品课。精品课的制作是既要体现出教师授课的个性特点，又要体现出课堂的师生互动性，精确地反映出课件的内容。对此，非线性编辑技术需要采用3个机位进行拍摄。在制作过程中，可以对画面中出现的各种干扰情况进行后期编辑，诸如教师口误和课堂环境噪音等。应用非线性编辑叠画、划变、换切等技术特技可以使舞蹈精品课视频既保持课堂教学的原貌，同时有利于教师之后对课堂教学再次进行全面深入的教学研究。非线性编辑技术制作的作品，镜头过渡舒缓流畅，不需要再经过过多的编辑和特技处理，能够丰富展现教学课堂画面内容，烘托气氛、充分调动出学生的学习积极性，而且能够保证在网络上随时随地按需进行观看和播放。

综上所述。非线性编辑技术的功能将在现代舞蹈教育技术中具有广泛的应用前景，并且将随着未来的教育思想和理论发展，以及信息技术的飞速发展得到更加广泛的应用和深入，发挥更大的作用。

参考文献：

[1]赵道强.数码摄像与视频编辑108招[M].中国铁道出版社，2007.

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[5]皮特斯，王汝义等译.Flash ActionScript 3.0动画教程[M].人民邮电出版社，2008.

[6]左明章，刘震. 非线性编辑原理与技术[M]. 清华大学出版社，2008.

非线性技术 篇4

非线性编辑是相对于传统的线性编辑而言的一种影视编辑技术。非线性编辑是基于计算机和多媒体技术的数字化影视编辑制作手段,集录像、编辑、特技、动画、字幕、同步、切换、调音、播出等多种功能于一体,几乎所有的工作都通过计算机软件来完成。用户只需通过鼠标和键盘操作就可以实现对音/视频的编辑。相比而言,传统的线性编辑多次录制、剪辑、添加特效与字幕等操作后,画面质量会变得越来越差。非线性编辑在计算机中对音/视频拷贝多少次,信号质量将是始终如一的。非线性编辑系统集录制、编辑、动画等多种功能于一身,可以不按照时间顺序编辑,非常方便地对素材进行预览、查找、定位、复制、剪切、粘贴、设置出点入点等,具有丰富的特技功能,还可以充分发挥编辑人员的创造力和想象力。目前,绝大多数的电视电影制作机构都采用了非线性编辑系统。

2 非线性编辑软件Edius6简介

Edius是日本Canopus公司生产的一款非线性编辑软件,专门为广播和后期制作而设计,特别针对新式、无带化视频记录和存储设备。早期Edius推出过多个版本,如Edius2.5、Edius3、Edius4、Edius5等,Edius6目前成为业界广泛使用的强大的多格式非编平台,获得了IBC2010最佳产品奖。在荷兰阿姆斯特丹举行的IBC2010展会上,Edius6被评为最具创新和智能的产品之一。Edius6提供的新增功能优化了工作流程,提高了速度;同时,支持所有业界使用的主流编解码器,而且不同编码格式在时间线上混编时也不需要转码。Edius6界面布局合理、操作简单,有着丰富的视频滤镜与转场特技,专业的广播级色彩校正。高画质支持和高时性特点使Edius6非常适用于电视台、影视制作单位、影像出版和教育等多种机构。

3 Edius6视频编辑的基本步骤

3.1 启动Edius6

启动Edius6双击桌面快捷方式图标或者用鼠标单击:“开始”一“程序”一“Edius”一“Edius6”,启动Edius6软件。如首次启动会弹出一个文件夹设置的对话框,用户可以根据对话框提示向导进行相关路径设置。该对话框只有在第一次安装Edius6后首次启动才会出现。启动Edius6后首先出现的是“初始化工程”对话框,一般情况下选择新建一个工程。弹出的工程设置是使用Edius6最基本也是最重要的设置,在这个地方最特别需要注意的是视频预设、帧尺寸、视频宽高比、帧速率等设置。设置好点击确定就进入软件编辑的界面了。

3.2 获取素材

获取素材的方法通常是采集外部素材和导入外部素材。目前,在采用无带摄录越来越流行的视频摄录方式下,采集素材相对少用,获取无素材可以直接通过导入外部素材将计算机硬盘上的音/视频素材导入到Edius6的素材库中,以备编辑使用。

3.3 窗口和时间线编辑

窗口和时间线是Edius6组织和编辑音视频素材的主要界面。双击素材库上的素材,将会在素材显示窗口中显示该素材,用户可以在素材显示窗口中浏览素材,设置入点、出点、插入素材等操作。按鼠标拖动素材库中的素材到时间线窗口的相应素材轨道上,便可在时间线中对素材进行各种编辑操作。

3.4 特效使用

特效面板中提供了丰富的视频滤镜、转场、字幕混合和键特效。用鼠标选定并拖动特效到时间线窗口中为素材添加特效。部分特效提供了设置特效各项参数的功能,用户可以根据需要设置所添加特效的参数,以达到理想效果。

3.5 添加字幕

Edius6提供了内置的QuickTitler字幕,并在时间线上提供了专门的字幕轨道,用户可以直接在轨道到上创建字幕。QuickTitler字幕界面中用户可以设置字幕的类型、字体、字号、颜色、行字间距、对齐方式等;同时,提供了各种字幕样式。此外,Edius6支持多种字幕软件的混合编辑使用,如Titlemotion pro字幕软件和雷特公司出品的传奇字幕等都可以被Edius6直接调用,可以制作效果多样的字幕类型。

3.6 输出成品

节目编辑的最终目的是生成成品,Edius6支持了多种视频格式的输出。用户可以直接将节目输出到磁带或者输出成为各种格式的视频文件。单击“文件”菜单栏下边的“输出”,在其下一级菜单中选择需要的选项进行影视成品输出,完成影视非线性编辑全过程。

4 结语

非线性编辑技术的应用涉及理论与实践两个部分,编辑技术需要非线性编辑理论的指导。多专研非编理论知识,理论联系实践,多做案例,才会不断提高个人的编辑技术水平。

摘要：随着影像技术的数字化及DV的流行与普及,影视编辑技术逐渐受到人们的关注。本文以Edius6非线性视频编辑技术为例,介绍非线性编辑技术的相关知识和基本方法。

关键词：影视,非线性编辑,视频编辑

参考文献

[1]马建党.Edius6视频处理实用教程[M].西安:西北工业大学出版社,2011.

[2]孙英.非线编软件Premiere的应用[J].工程技术,2013(11).

非线性技术 篇5

【关键词】线性网络编码；网络编码

【中图分类号】TN919.3+1【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0096-01

1、引言

网络编码是一种基于网络本身而诞生的编码技术，这种技术出现的初衷是为了解决日益拥堵的互联网流通问题。人类信息时代的开启，使互联网成为改变人类社会最积极的动力之一。但互联网的使用和发展受到客观环境的限制，包括硬件和软件在内的客观工具的完备与否，都决定了互联网能在多大程度上发挥作用。自本世纪初开始，陆续有学者提出了网络编码的理念，希望通过网络编码的方式解决互联网拥堵的问题，提高互联网使用效率。这一概念的提出，立刻引起诸多学者和科研机构的高度关注。目前通过网络编码技术解决互联网拥堵问题已经成为国内外学界的共识，国外多所著名大学或是科研机构都已展开了网络编码的开拓性研究，如MIT、哈佛大学、多伦多大学和微软实验室等。

2、网络编码研究现状

早在上世纪五十年代，就有学者提出，通信网络端对端的最大信息流是由网络有向图的最小分割决定的，但传统路由器的存储转发模式难以达到最大流最小分割定理的上界。根据传统的理论，网络节点只是对收到的信息进行存储和转发，扮演着转发器的角色，但是从信息理论的观点来说，没有理由让节点只能进行存储转发，可以让节点对多条输入边上收到的信息进行一定的线性或非线性操作（编码），然后再发送出去，这样起着编码器的作用，网络编码正是由此思想产生的，在接收节点上，通过一定的运算，译出信源所发的信息。

本世纪初，学者R.Ahlswdee 等人发表的一篇名为“网络信息流”的文章中提出了网络编码的概念，作者提出，对于已知的网络流图，从发点到收点的流量的最大值小于或等于任何一个割切的容量，而网络编码提出了一个组播传输，信源为S，接收节点集合为无穷，那么可达最高组播速率C。而如果采用传统传输方法，可能无法达到最高组播速率。事实上，近年来对于网络编码的实证性研究也充分证明了这一点，这也从另一个方面佐证了网络编码在客观上的可行性。此外，在R Ahlswede 等人提出网络编码这一概念不久，又有学者证明了目前的网络编码技术已经能够达到网络组播的条件，同时，还用实验证明了存在着基于网络特性的组播方式的线性网络编码。随后的研究深入到了随机网络编码的研究中，Medard等人曾提出如拓展网络编码使用范围的想法，并通过代数计算框架给出了可行的路径。而随机网络编码的出现则更将非线性研究和网络编码研究融为一体，提高了网络编码研究的理论深度[1]。

目前，对网络编码的研究主要以国外的科研机构和大学研究机构为主导，其研究领域已经足够深入，研究框架得到了初步的建立，国内对于网络编码的研究尚处于起步阶段，在实际运用中也不是很多。

3 、基于线性网络编码技术的网络编码研究

网络编码之所以得到众多学者和科研机构的高度关注，不仅在于其手段和理念上的程度比较新，更体现在其独特的功用上。一般来说，通过网络编码技术，科研使组播传输速率达到最大，从而拓展了网络容量的上限，这对于目前拥堵的互联网通道而言是极为重要的；其次，它还可以节省网络带宽资源消耗，正是通过线性编码技术，提高了网络节点的使用效率和功用，减少了网络资源的消耗；另外，网络编码技术还能均衡网络负载，平衡繁忙的网络线路与相对宽 松的网络线路之间的差异，提高网络的鲁棒性。

3.1 网络编码的分类

网络编码可以分为线性网络编码和非线性网络编码两种，前者是研究的重心。在组播和非组播网络传播体系中，网络编码也有不错的应用。组播传输技术指在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接，如果一个发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也只需复制一份的相同数据包，它提高了数据传送效率，网络编码与组播传输技术的综合，减少了骨干网络出现拥塞的可能性。目前，在组播网络传输中使用的网络编码技术一般有代数构造方式和多项式时间算法两种处理方法，在实际运算中我们需要根据实际情况而定[2]。

3.2 基于现行网络编码技术的网络编码

（1）线性网络编码原理

网络编码技术看似复杂，其原理其实不难，以线性网络编码的编码译码原理为例，其基本思想就是在编码时根据每个节点的每个相邻链路对的局部编码标量，得到每个节点的局部编码矩阵，将局部编码标量和局部编码矩阵的线性组合，得到关于每条链路的全局编码向量，在此基础上，得到实行网络编码后各条连接线路的具体编码信息。在译码时，需要考虑的是译码矩阵，这需要将所有节点受到的全部信息加衣汇总，并对信息进行分析处理，从而译出信源节点所存储和收发的全部信息。综上所述，线性编码的思路其实还是比较简洁的，一般只要确定了局部编译矩阵，便可以确定全局编码向量，然后通过对破译矩阵的运用，剖析信源节点发出的信息，从而实现网络通信中信息的收发。线性网络编码技术提高了网络运行的安全性，提高了网络的总体容量，具有较高的可行性。

（2）网络编码的线性多播性质

在向量空间的一组元素，如果其中没有向量可表示成有限个其他向量的线性组合，则称为线性无关，反之称为线性相关。有向无环网络中，对于任何非信源节点T，输入链路为n，均存在由其所有输入链路d的全局编码向量fS*1集合组成的向量空间vs*n。若n≥s，则vs*n秩的最大值为s。已知全局编码向量均是从s个标准基的线性组合的，所以，向量空间vs*n的每个列向量均是s个标准基的线性组合，所以vs*n的秩为s。在有向无环网络中，对于非信源节点T，当其最大数据流大于等于网络信息输入信息量时，其所有输入链路全局编码向量所生成的向量空间的秩为网络输入信息量，即向量空间中线性无关的全局编码向量的个数为网络信息输入量。

4、结束语

网络编码是近年来兴起的一个新的研究领域，由于其在解决网络拥堵，克服传统网络传输模式方面具有较高的优越性，正在引起人们越来越多的重视。但随着对网络编码研究的深入，一些问题也随着浮出水面，需要得到重视并有待进一步解决。其中包括了网络编码在传输速率、负载消耗、负载均衡、鲁棒性等方面带来的收益需要进行更加深入的研究，而且网络编码需要网络路由器具有编码功能，且现有路由算法、传输协议等需要改变和更新；此外，基于网络编码的差错控制是一种新的差错控制思想，可以为将来的研究提供更多的借鉴。在可以预见的将来，网络编码必然是一种能得到广泛应用与推广的互联网革新力量，将会对整个网络世界的发展产生深远的影响。

参考文献

[1] 吴艳，杨有龙，刘三阳.基于网络流矩阵求解网络最大流[J].系统工程，2007

非线性技术 篇6

1 非线性编辑系统的优越性和局限性

1.1 非线性编辑系统的优越性

2011年我院电视节目制作教室组建了由十三台单机组成的非线性编辑系统。其中十二台学生机, 一台教师机。单机的非线性编辑系统是在一台配备相应的视音频处理卡的计算机 (PC机) 上, 安装了非线性编辑软件, 对存储在大容量硬盘中经过压缩的数字视音频素材进行非线性编辑及特技制作。这一系统的优势在于可以对存储在硬盘中的素材进行随意快速的剪辑, 多通道的特技制作且图象质量不受损失, 并可运用第三方软件进行复杂的特技制作。

现在以磁盘存储为基础的非线性编辑系统克服了传统的线性编辑的缺点。在低端 (学生机) , 以PC为核心的多媒体技术日趋成熟, 这类多媒体技术是以PC作为硬件平台运行合成的软件, 如SOFTIMAGE/DS、PREMIERE、EDIT等。对于划像、叠画、飞像等一些简单特技可以实时生成, 在制作复杂特技时则需要CPU运算生成。因此, 在剪接合成方面有了很大的便利: (1) 可以不考虑镜头的先后次序, 先把素材采集到阵列硬盘中, 然后再挑选每一个镜头, 决定镜头的长短。 (2) 挑选后的镜头可以在时间线上任意调换先后次序。 (3) 接下来的工作就是在镜头与镜头之间制作特技效果, 叠加字幕等, 其效果声、音乐和语言则在声音轨上进行合成。 (4) 在生成音视工程文件, 输出节目时, 素材节目的存储方式, 可以选择有损压缩或是无损压缩。

在高端 (教师机) , 以S G I工作站为硬件平台, 运行F L A M E、SMOKE等高档的多媒体软件。其制作节目的方法与低挡的多媒体软件基本相似, 但其强大的特效功能, 接近于实时的生成速度却是一般多媒体软件所不能比拟的。

另外, 由于非线性编辑制作实际上是学生在一台计算机上进行的, 所以我们使用计算机网络将十二台单机 (学生机) 连接起来, 与一台拥有大容量存储器的数据服务器 (教师机代理) 联接在一起。数据服务器与可以用几倍速进行数字视音频数据输出输入的数字录象机相连, 集中进行视音频数据的输入输出处理。各台非线性编辑制作单机 (学生机) 通过高速以太网从服务器读取所需的素材, 完成各自的制作任务。或者几台非线性编辑制作单机 (学生机) 可以读取同一素材, 进行协同制作, 实现资源共享, 形成规模效应, 提高使用效率。

1.2 非线性编辑系统的局限性

虽然非线性编辑系统给电视制作和教学带来了极大的变革, 改变了电子编辑的传统理念, 但同时我们在教学中发现, 它也还有许多不尽人意的地方。

(1) 由于不同档次的多媒体所基于的软硬件平台不同, 阻碍了图象文件在不同档次多媒体之间的传输。这里主要指单机 (学生机) 信息传输。 (2) 由于网络传输速度不够快, 目前还不能做到视频数据的实时传输, 或者传输的费用过于昂贵。 (3) 虽然多媒体都有中文的字幕软件, 但是, 当需要制作大量中文字幕时, 制作的效率无法与传统制作方式相比。 (4) 低档多媒体的工作状况还不稳定, 死机、系统崩溃的现象时有发生。

2 非线性编辑系统的相关技术及应用

由于非线性编辑系统存在的上述局限性, 我们在组建教室时对其相关的技术进行了详细地分析和选择, 以克服其不足。现在经过了两年多的运行使用, 我们的非线性编辑系统工作稳定安全, 其教室已对全校开放。

2.1 合理选择传输媒体

传输媒体指数据在网络中传输的介质, 常用的通信介质有:双绞线、同轴电缆和光缆。在我院的非线性编辑系统视频网络中, 是双绞线和光缆的结合使用。双绞线用于学生机间10/100Mbps以太网的连接, 光缆用于服务器 (教师机代理) 与以太网的连接。

如果非线性编辑系统联接了多个教室, 在100Mbps以太网中传输距离超过了100m, 传输媒体应使用光缆, 而不能使用双绞线。在光缆的两端使用光收发器, 再通过较短的双绞线, 连接到网卡和Hub或Switch上。

使用Fibre Channel网络时, 当传输距离超过500m时, 需使用单模光纤或由另一个Switch作为中继设备, 从而达到延长站点距离的目的。

2.2 网络的稳定性和安全性的考虑

通常有如下几个方面的因素对系统的稳定性和安全性有比较大的影响。 (1) 单机的稳定性。指网络中单机 (学生机、教师机) 的安全性。在主机或主板、软件、网络的稳定性方面要进行很严格和长时间的测试。 (2) 共享硬盘的稳定性。共享素材硬盘是网络的核心, 共享硬盘的损坏意味着音视频素材的丢失。与共享硬盘阵列安全性相关的因素有阵列的容错功能、阵列控制器的质量、硬盘的质量以及阵列的设计工艺包括电源、风扇、机箱工艺、防震特性等。在节目制作网络中, 其系统对硬盘的速度、容量要求比较高, 可考虑使用非容错硬盘阵列。而在节目输出网络中, 考虑更多的是安全性, 所以通常会考虑使用容错硬盘阵列。 (3) _服务器数据的安全性。服务器负责的是网络系统的管理, 包括素材、节目、栏目、操作人员权限、生产、文稿等管理以及高压缩比素材存储, 所用的数据库都存放在服务器上, 所以一旦服务器崩溃, 整个系统的管理信息将会丢失。因此, 在安全性要求极高的系统中, 将采用服务器双机备份方案。

参考文献

[1]詹青龙.《非线性编辑网络的设计》, 中国电化教育.2012年第4期.

[2]王魁源.《实验用网络化非线性编辑系统的搭建》, 实验室研究与探索.2011年第2期.

非线性技术 篇7

关键词：非线性失真,预失真,记忆非线性多项式,正交振幅调制

1 引言

随着通信技术的迅猛发展和通信业务的多样化需求, 在频谱资源日趋紧张的情况下, 为提高频谱资源的利用率, 高阶的信号调制方式和传输技术被广泛应用。为此, 催生了如正交振幅调制 (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) 、正交相移键控 (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) 等各种高频谱利用率的数字传输技术, 这些新的传输技术和调制方式一般都具有非恒定包络、宽频带以及高峰均比等特点, 这将导致由功放非线性特性引起的带内畸变及带外干扰更加严重, 严重影响了通信质量和系统效率。因此, 现代通信技术对功率放大器的线性度提出了很高的要求, 为了保持功放的输入和输出之间的线性关系以前常用的方法是让功放工作在远离饱和点的线性区, 但是这种方法降低了功放的效率。然而, 随着移动通信技术的快速发展, 使通信频段变得更加拥挤, 为了尽可能提高频谱利用率, 必须提高信道的频谱利用率。因此功率放大器的线性度和效率之间就产生了一个很难调和的矛盾。实际上为了降低静态功耗, 获得较高的效率, 功率放大器通常需要工作在饱和点附近。采用低直流偏置导致功放在饱和点附近会表现出很强非线性的特性, 即输入和输出关系不再是线性关系。

窄带通信系统中, 功放的非线性会使信号产生失真, 但在宽带通信系统中, 不仅要考虑功放的非线性特性, 还须考虑其记忆效应。功放的非线性及记忆效应对通信信号产生的影响主要表现为信号星座图变化, 造成码间串扰, 增加误码率, 频谱再生, 对邻近信道造成干扰, 影响邻近信道的通信质量。目前主要是在发射端采用线性化技术来解决功放非线性特性及记忆效应对通信系统的影响等问题。传统的补偿技术是通过增大功率回退来使得功放工作在线性区域, 但该方法大大降低了工作效率和输出信噪比。因此, 完全靠功率回退无法满足宽带通信的要求。为了使功放既高效又线性地工作, 发展其他补偿技术成为迫切需求。

当前, 针对功放记忆非线性失真问题, 有很多线性化技术, 如负反馈法[1], 前馈法[2], 预失真法等。随着DSP技术的高速发展, 数字预失真技术成为国内外研究的主要方向。本文采用间接学习结构的基带数字预失真技术, 对基于32QAM调制信号的功放记忆非线性失真进行预失真补偿性能的分析, 利用记忆非线性多项式拟合预失真器, 收敛速度快, 自适应良好, 具有较好的发展前景。

2 有记忆非线性模型

在无记忆功放模型中, 通常不考虑功放的记忆效应, 一般适用于窄带通信。在无记忆功放模型中常见的有Saleh模型[3]、Rapp模型[4]和无记忆多项式模型等。随着传输带宽的增加, 功放体现出记忆效应, 因此传统的无记忆非线性模型无法很好的表示功放的传输特性。本文中拟考虑利用无记忆的Saleh模型串联线性时不变IIR滤波器的结构来表示有记忆的非线性失真, 结构框图如图1所示。

其中, Saleh模型的表达式为:

经过记忆模块后的输出表达式可以表示成:

由于Volterra级数模型求解复杂, 当仅考虑Volterra级数模型[5]的对角项时, 即可得到记忆多项式模型。记忆多项式模型结构简单, 参数易于求解, 在预失真方面得到了比较广泛的应用。记忆多项式模型的输入输出关系表达式为[6]:

式中K为非线性阶数;M为记忆深度。在数字基带预失真器构造中, 最经典的模型是记忆非线性多项式模型, 由于信号的偶次谐波通过滤波器的时候可以被消除, 所以只考虑奇数阶项。

3 基于间接学习的预失真补偿结构

3.1 间接学习结构

系统学习结构很大程度上决定了预失真系统的复杂度, 须根据具体情况选择学习结构。根据学习器训练方式不同, 可将学习结构分为直接学习结构和间接学习结构。两者的区别在于, 直接学习结构的差值e (n) 为输入信号x (n) 和反馈信号之差, 间接学习结构的差值e (n) 为预失真器处理之后的y (n) 和自适应算法处理之后的信号之差, 如图2所示, 信号经过功放放大后, 按线性归一化进入预失真器训练模块训练, 当与y (n) 的差值e (n) 收敛时, 得到预失真器的参数并传送给预失真器。间接学习结构采用的是后逆结构, 学习器在训练时, 对信号的参数敏感度降低, 对实时闭环系统和自适应算法要求不再苛刻。间接学习结构无需确定功放的模型而且能够自适应调整匹配功放增益的变化, 因此本文的数字预失真仿真平台中的学习结构采用间接学习结构。

其中, 预失真器的参数由自适应算法求解训练得出。自适应算法通常采用诸如LMS算法、递归最小二乘法RLS算法[7]等进行系数估计。LMS自适应算法就是根据估计误差的大小自动调节IIR滤波器的抽头系数, 使其代价函数最小的一种算法。最常用的滤波器设计准则是最小均方误差MMSE准则, 也就是使滤波器实际输出与期望相应之间的均方误差最小。LMS算法收敛速度很慢, 为了提高算法的收敛速度, RLS算法随之被提出。RLS算法收敛速度快, 效果好, 是现行比较普遍采用的一种自适应算法, 本文采用RLS算法[8]求解预失真器的参数。RLS不断更新的目的是使输出信号与期望信号在最小二乘意义上最匹配[9]。

3.2最小递归二乘Recursive Least Square (RLS) 自适应算法

RLS的代价函数为:

其中λ (0<λ<1) 被称为遗忘因子, 如果算法收敛, 那么ε (n) 将趋近于一个最小值, 这里令为零, 则可得:

其中Rx (n) 表示输入X (n) 的自相关矩阵, Rdx (n) 称为输入X (n) 和期望d (n) 的互相关矩阵。为了避免矩阵的求逆运算, 自相关矩阵的逆矩阵R-1x (n) 通过迭代方式得到:

k (n) 称为卡尔曼增益矢量。λn-i的物理意义是对各输入信号添加指数权, 越靠近当前时刻, 权值越大, 时刻越靠前, 权值越小, 这时算法能更好的反映当前时刻, 加强对非平稳信号的适应性。

4 仿真与分析

本文针对32QAM调制信号, 采用Saleh级联IIR滤波器为功放模型, 记忆多项式模型为预失真器模型, 采用递归最小二乘法RLS算法为自适应算法对参数进行提取。仿真符号数为500, 8倍上采样速率, 采用升余弦成型滤波器, 多项式非线性阶数为5, 记忆深度为2。

由于星座图仅是一个定性的评价标准, 在对功放预失真性能的评价标准中, 误差矢量幅度Error Vector Magnitude (EVM) 是比较综合反映预失真系统性能的一个定量指标, 用来衡量调制信号的幅度误差和相位误差。EVM的数学表达式为[10]:

其中yi是测试矢量信号, xi是原始参考信号。信号通过功放和接收机后, 解调出的星座图与原信号图相比发生了偏转和压缩扩展, 即偏离了原始位置, 这种偏离量可以用EVM来衡量。其示意图如图3所示。

图4为预失真前后功放输出的星座图比较, 在无预失真情况下, 星座图受到信道记忆性影响, 星座半径扩展, 星座点发生严重的发散, 干扰了信号的正确解调, 而经过预失真处理后的信号, 星座图矢量位置偏移不大, 矫正明显, 误差矢量幅度EVM改善达到了56.70%, 很好的抑制了非线性带来的影响。星座图很好的证明了预失真保持信号线性特性的有效性。经过仿真和星座图验证, 预失真处理后EVM值改善显著, 而EVM值的改善幅度又对自适应算法的记忆深度敏感, 通过增加记忆深度能够加大EVM的改善值。

从图5中可以看到, 无预失真情况下, 功放输出信号的功率谱发生明显的外扩, 严重干扰邻近信道。经过预失真处理后的信号功率谱密度很好的抑制了带外再生, 邻信道功率比 (Adjacent Channel Power Ratio) ACPR改善明显, 平均改善了2.89d B。经过仿真和功率谱密度图验证, 预失真处理有效改善ACPR, 而ACPR值的改善幅度又对自适应算法的非线性阶数敏感, 通过增加非线性阶数能够加大ACPR的改善值。

ACPR是用来衡量相邻频率信道中的干扰量或功率量的标准。ACPR常定义为邻频率信道 (或偏移量) 的发射功率和主信道发射功率之比。ACPR的计算公式如下:

式中的Padj (ω) 为邻信道的发射功率, Pch (ω) 为主信道的发射功率。功放的非线性会导致幅度失真、相位失真、谐波失真、互调失真和交调失真, 而这些失真导致对邻近信道的干扰。

由于信号和系统的特性, 对星座图和功率谱密度图的分析发现, EVM改善值对记忆深度敏感, 对非线性阶数不敏感;而ACPR改善值对非线性阶数敏感, 对记忆深度不敏感。所以我们针对此项特性专门进行了仿真, 结果表明, 如图6所示, 当非线性阶数为5, 记忆深度为2时, 保证算法复杂度的同时, 性能提升最好。

从图7中能明显看出, 在无任何预失真补偿的情况下, 功放的幅度-幅度特性不仅表现出非线性, 而且由于记忆效应的存在, 还呈现出严重的发散情况;类似地, 功放的幅度相位失真也呈现出记忆非线性失真;经过自适应预失真补偿后, 功放的幅度-幅度和幅度-相位特性得到明显的改善, 表现出较好的线性状况。经过预失真补偿后, 系统的线性性能保持的很好, 而且相位偏移失真不大, 而未预失真补偿的系统, 则非线性失真严重, 相位偏移大。

5 结论

本文针对高阶调制信号经过高功率放大器后, 会产生记忆非线性失真等问题, 基于32QAM信号, 研究了以记忆多项式为模型的预失真器, 并利用RLS自适应算法获取补偿参数, 通过非线性失真的优化指标EVM和ACPR确定了预失真器的记忆深度为2, 非线性阶数为5。仿真结果表明, 功放输出的32QAM信号星座图EVM改善值达到56.70%, 带外功率谱抑制平均提升了2.89d B, 有效的保持了信号的线性性能并抑制了信号的功率谱带外再生, 系统线性化性能非常理想, 验证了预失真的重要性和有效性。

参考文献

[1]Cress U, Held C, Kimmerle J.The Collective Knowledge of Social Tags:Direct and Indirect Influences on Navigation, Learning, and Information Processing[J].Computers&Education, 2013, 60 (1) :59-73.

[2]Hu J, Guo D.A Fast Convergence Digital Pre-Distortion of APSK Modulations based on Joint Algorithm[C]//IEEE International Conference on Information Science and Technology (ICIST) , Yangzhou, 2013:1308-1311.

[3]Saleh A A M, Salz J.Adaptive linearization of power amplifiers in digital radio systems[J].The Bell System Technical Journal, 1983, 62 (4) :1019-1033.

[4]Rapp C.Effects of HPA-nonlinearity on a 4-DPSK/OFDM-signal for a digital sound broadcasting signal[C].In ESA, Second European Conference on Satellite Communications (ECSC-2) p 179-184 (SEE N92-15210 06-32) .1991, 1:179-184.

[5]Zhu A, Draxler P J, Yan J J, et al.Open-loop digital predistorter for RF power amplifiers using dynamic deviation reduction-based Volterra series[J].Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 2008, 56 (7) :1524-1534.

[6]Bo L, Jian-hua G, Bo A.A novel polynomial model for power amplifiers digital pre-distortion[C].Wireless Communications, Networking and Mobile Computing, 2008.Wi COM'08.4th International Conference on.IEEE, 2008:1-3.

[7]Chen J T, Tsai H S, Chen Y K.The optimal RLS parameter tracking algorithm for a power amplifier feedforward linearizer[J].Circuits and Systems II:Analog and Digital Signal Processing, IEEE Transactions on, 1999, 46 (4) :464-468.

[8]强建龙.自适应数字预失真技术的研究[M].厦门:华侨大学, 2013.

[9]Singla R, Sharma S.Digital Pre-Distortion of Power Amplifiers Using Look-Up Table Method with Memory Effects for LTE Wireless Systems[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2012, 2012 (1) :1-8.

非线性技术 篇8

1 非线性的编辑技术特点

非线性的编辑过程首先就是要依赖于一个非线性的编辑系统进行和完成, 从硬件上来看, 一个非线性的编辑系统的组成有:视频卡、高速的AV硬盘、外围的设备、计算机、声卡以及专用的办卡。

为了实现对高档的数字录像机所拍摄的信号的直接处理, 有些非线性的编辑系统还带有数字接口, 数字接口是SDI的标准, 这样就能够保障数字视频输出和输入的质量以及效率。非线性的编辑系统中的视频卡主要是被用作输出和采集模拟的视频, 也就是D/A、A/D之间实时的转换进行承担。

从软件上来看, 非线性的编辑系统的组成有:二维动画的软件、图像处理的软件、非线性的编辑软件、三维动画的软件以及音频的处理软件等等, 这些软件都是外围软件, 计算机的硬件性能不断提高, 视频编辑的处理对于专用的器件依赖性也越来越小, 所以非线性的编辑系统的软件作用也就更加地突出[2]。

非线性的编辑主要是针对线性编辑来讲的, 也可以是相对线性的编辑来讲的, 非线性的编辑指的是在对影视节目的画面或者是顺序进行组接时, 可以以任意的顺序进行组接, 不用再按照顺序依次进行组接, 这种从上到下按照过程的前后顺序进行组接的影视节目的编辑方式已经被取缔了。非线性的编辑技术在编辑的方式上有了重大的突破, 对于线性编辑来讲, 非线性的编辑就更加方面和直观, 对于摄影的画面的顺序可以随意的编排, 或者是任意地打乱, 但是当在随意地对画面进行编排时, 又不会对已经编辑好的材料产生不良的影响, 在一些材料的选择上也可以做到随机抽取或者保存, 不用按照摄影的过程翻阅就能够找到想要找到的摄影材料的任意片段[3]。

非线性的数字编辑活动中, 视频的画面在活动呈现动态特点时, 视频画面其实是一个按照顺序进行编排和演练的静止画面, 但是人们可以通过影像的顺序、改变声音或者是持续的时间实现灵活转变, 非线性的数字编辑活动中, 还可以利用非线性的编辑技术沿着时间线被修剪、屏贴、删除、剪切、拷贝或者是插入, 这样就能够大大提高编辑的效率, 而且还能够为制作视频课件节省不必要的费用。

传统的录像带在编辑节目的过程中, 一般情况下, 材料的磁带会被磨损好多次, 因为教师在给学生上课的过程中很容易就用到, 机械的磨损似乎是稀松平常的事情, 而且没有办法避免。为了在视频课件中显示特技的效果, 还必须在处理视频课件时进行翻版, 每次翻版都会给视频课件的信号造成一定的困扰和损失。最后, 为了非线性的编辑技术的质量和效率有效, 就不能不对非线性的编辑画面进行搁置, 在编辑时被迫放弃一些必要的处理方法以及艺术构思[4]。但是在非线性的编辑系统中, 这种缺陷却并不存在, 而且不管是编辑还是处理, 信号的质量始终保持在原有的状态、所以非线性的编辑系统能够对节目带进行保障, 而且是对模拟视频的第二版的质量进行保证, 保证节目质量稳定与可持续发展。

2 利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作的优势

非线性的编辑系统为学校的教师在进行视频课件的制作时提供了便利, 也提供了技术条件和环境支持。

首先是利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作时, 能够提高图像的质量, 图像的精度也会变高。这主要是因为计算机可以随意地对数字进行处理和编辑, 还可以随便将录像的内容进行多次重复拷贝, 并且不会产生噪音污染, 而且失真性也不会有所增加。

其次就是利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作时, 编辑制作的效率非常高, 而且数据很容易就能够保存。因为非线性的编辑系统在计算机的平台上不断运行时, 音频、视频的存储介质就会由传统磁带进行存储的方式转变成利用硬盘实现存储的方式。这就使得教师在利用非线性的设备对视频课件进行编辑时, 传统录像机的挂带搜索就会变成计算机的鼠标就能够轻易拉动进行搜索, 这样既避免了录像机的磁头磨损还能够使速度变快。

另外, 在计算机上的声音和图像也会以不一样的文件格式在硬盘中进行存储。计算机可以对视频课件进行随意地存储和获取, 如果教师想在计算机中调用哪段视频课件时直接在计算机上找到相应的文件就能够实现目的了, 而且还能够大大地提高制作的效率。

然后, 就是视频课件素材的兼容性比较高, 视频课件的知识内容也会相应增加, 比如当你在非线性的编辑系统中对TGA、WAV、BMP、JPG、FLC不同格式文件进行存储时, 视频课件进行制作时就需要多样化的表现形式对不同素材进行调用, 这样就可以在非线性的系统中来实现。

再次, 就是制作的功能大大地增强。现在一套非线性的编辑系统就能够对录制、特技、编辑以及字幕等等多元化的功能进行集合。但是在非线性的编辑系统没有研究出来之前, 需要进行多版录制节目制作时, 如果不采用翻版前提下, 是不可能打乱顺序进行存储工作的, 这样以来, 编辑人员的想想空间和创作余地就会受到限制。

最后, 非线性的编辑系统提供YUV分量、符合、数字输出和输入的接口, 利用控制线就能够随意对这些录放的设备进行遥控, 同时还可以实现对各种录像机的处置, 控制台的控制也可以接受, 并且还能够兼容多种音频、视频设备等等。

3 利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作的策略

3.1 利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作时能够使视频的画面始终保持生动活泼

多媒体的视频课件在制作和设计中常出现的问题就是如何来表现画面的中心。比如说教师在多媒体的课堂上或者是虚拟的教室环境中, 为学生讲述某个章节的某个要点时, 要给学生提示, 教师的手势、表情都会给学生造成一定的影响, 而且会潜移默化地留下深刻印象, 这样看来, 就能够表明教室在讲课时, 整体的环境对于教学来讲是非常重要的。

但是我们如果按照传统做法, 在外景、人像以及字幕上对提示进行反复的切换时, 对学生听课时的注意力一定会造成不良的影响, 利用非线性的编辑系统对这组镜头进行处理时, 就能够提前把要点的提示和外景都存储到计算机网络中, 然后利用编辑软件就能够将画面、外景以及要点提示在电视机的屏幕当中显现, 教师就能够很轻松应用到教师环境当中。教师位置没有发生变化, 教室环境也还在, 电视内容却随着教师要讲授的内容发生的了转移。

3.2 设计分镜头的脚本时可以做到灵活

非线性的编辑系统是将多种功能集合在一起, 比如说:音乐音量、图像显现速度、素材前后的顺序都可以随便更换等等, 这些功能如果合理利用的话, 会给教师制作和设计视频课件和教授课程提供很大的便利。比如说:将计算机的动画、音乐、外景的图像以及相关字幕等等存储到硬盘上, 设置生成独立文件, 在进行镜头的剪辑时就可以按照自己的意愿将多组画面进行重新排列组合, 画面切换的顺序被打乱, 所要讲述的内容也就不一样, 所要表述的主旨含义也会变得不一样。

3.3 教学的实例被模拟, 画面有很强的真实感

学生独自理解抽象的画面是很困难的, 非线性的编辑技术有特技功能, 可以对画面进行有针对性地模拟, 并且还可以使画面有真实感, 抽象化的内容变得形象化, 比如说:教师将点、线、面、体进行有效组合时, 怎样使画面看上去具有层次感, 非线性的编辑系统就能够实现画面立体感的效果, 还能够使立体画面在学生面前展现, 学生就可以从不同的角度看待立体, 教学质量和教学的效果也会有所提高。

4 结语

非线性的编辑技术有自身的优势和特点, 它能够有效地帮助视频课件实现对画面和分镜头脚本的组织以及编排, 能够促进教育教学活动的正常开展, 多媒体的视频课件对教育教学活动产生了很大的影响, 非线性的编辑技术是在多媒体的技术基础上实现对多媒体的视频课件的改革和创新, 使教育教学活动更加符合时代和教育发展的需要。非线性的编辑技术被利用于多媒体的视频课件中, 在很大程度上依赖于计算机技术的进步和社会的发展, 随着社会的不断进步, 人们对于教育环境和条件已经有了更高的要求, 为了提高教学质量和效率, 利用非线性的编辑技术就能够促进教育教学活动的有序进行。

摘要：现如今许多学校在进行课堂教育教学时已经应用到非线性的编辑技术制作视频课件。多媒体技术已经在很多学校得到重视, 并且得到广泛地应用。多媒体的视频课件是教师为了使教育教学的内容更加生动、具体和形象, 利用计算机对音频、视频、动画、图像以及文字等等进行了不同程度的处理, 在计算机技术的辅助下, 教育教学的内容由枯燥的、单一的文字形式转变成动态的、具有立体感和画面感的视频和音频等等, 有助于教育教学活动的开展。本文主要讲述了非线性的编辑技术特点;利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作的优势;利用非线性的编辑技术对视频课件进行制作的策略。

关键词：非线性编辑技术,视频课件,制作,优势,策略

参考文献

[1]高峻.谈非线性编辑的应用特点[J].山东师范大学学报 (自然科学版) , 2009 (3) .

[2]冼俊峰, 赵小侠, 钟玉琢.多媒体技术的应用现状与发展趋势[J].广西广播电视大学学报, 2010 (3) .

[3]吴广春.多媒体在物理教学应用中存在的问题及对策[J].中学物理, 2011 (1) .

非线性技术 篇9

关键词：非线性布尔函数,查找表,并行化,适配

在对称密码算法中, 非线性布尔函数起着举足轻重的作用, 其实现效率直接决定密码算法的处理效率。非线性布尔函数的实现主要有基本逻辑运算组合实现、可编程的与-异或阵列和查找表3种方式实现。其中基本逻辑运算组合实现主要应用于通用处理器中, 通过多种基本运算组合, 可以实现任意形式的非线性布尔函数。可编程与-异或阵列[1,2]采取对阵列进行遍历的方式实现不同的布尔函数, 通过增加阵列的维度以适配更多变量的布尔函数。查找表[3,4]采取将真值表预存的方式实现布尔函数, 通过增加存储资源来适配更多变量的布尔函数, 也可以将高次布尔函数分解, 通过多级运算的方式实现。

可编程与-异或阵列和查找表的出现, 虽然在一定程度上缓解了非线性布尔函数实现效率低下的问题, 但针对密码算法中的非线性布尔函数, 以上两种方式均没有充分利用密码算法中非线性布尔函数的特点, 也未充分开发可编程与-异或阵列和查找表的并行性, 导致存储资源的利用率低, 适配能力不足。

本文通过对密码算法中的非线性布尔函数特点进行分析, 分别针对大与项少和小与项多的特点, 设计了并行化的查找表架构, 能够适配最大与项次数为6的非线性布尔函数;针对高次与项少的特点, 设计了专门的串行与运算, 可以适配任何次数的与项, 能够有效提升非线性布尔函数的实现效率。

1 非线性布尔函数特征分析

1.1 非线性布尔函数操作特征分析

分别从非线性布尔函数的状态序列长度、变量个数、与项最高次数以及与项个数等方面对密码算法中的非线性布尔函数操作特征进行了统计分析和总结归纳, 如表1[5,6,7]所示。

结合表1和非线性布尔函数多项式的表示形式, 可以得出密码算法中的非线性布尔函数具有以下几个特点:

(1) 状态序列长度, 即可能出现在非线性布尔函数中的所有变量个数, 不同算法中差异较大。

(2) 变量个数。非线性布尔函数状态序列较长, 并不是所有变量均参与非线性布尔函数的运算, 如在Grain128算法中, 参与运算的变量只有总变量的7.8%左右, 但变量位置比较分散。

(3) 与项次数。参与非线性布尔函数运算的与项次数差异较大。

(4) 与项个数。算法中的非线性布尔函数中出现的与项种类在变量可能组成的与项种类中所占比例较小。

(5) 与项之间关系。与项之间均为异或关系, 不同的与项中可能重复出现相同的变量, 与项之间的变量通常具有交叉或包含关系。

1.2 非线性布尔函数的分类

由图1可知, 密码算法中的非线性布尔函数具有参与运算的变量占所有变量比例小、变量位置分散、高次与项少、低次与项多的特点。将不同的变量组成的与项进行组合可以发现, 整个非线性布尔函数可以拆分为多个包含较少变量的非线性布尔函数 (少变量布尔函数) , 只是变量的表现形式和变量之间的组合不同。若对非线性布尔函数进行拆分, 则能够有效地减少实现介于低次与项和高次与项中间布尔函数消耗的资源, 降低路径延迟。需要针对少变量布尔函数的运算进行专门的设计。高次与项较少, 需设计专门的串行与电路实现。

与-异或阵列实现方式虽然不需要关心变量的形式, 但当与项较多时, 需要的配置信息量十分庞大, 极大地降低了实现的灵活性。查找表实现方式不需要关心变量的位置, 只需要考虑变量的个数, 且配置信息量较小, 比较适合实现少变量非线性布尔函数。只需将多个少变量布尔函数的结果相异或, 即可实现布尔函数中所有低次与项计算。但常见的非线性布尔函数实现方式不能支持多个布尔函数的同时输出, 造成了资源的浪费和性能的降低。基于此, 为充分开发设计的布尔函数架构的并行性, 将低次布尔函数中与项的种类分为两类, 并以此为基础, 研究低次与项的并行化实现架构:

(1) 无公共变量

无公共变量指的是各与项之间不存在公共变量, 与项之间相互独立。如日本的TOYOCRYPT-HS1算法中非线性布尔函数, 包含63个二次与项, 与项之间无公共变量。

(2) 有公共变量

有公共变量指的是各与项之间存在公共变量, 且公共变量的个数差异较大, 与项之间的公共变量差异也较大。如Grain80算法中滤波函数, 包含3个二次与项, 每两个与项之间都有一个相同的变量, 包含4个三次与项, 存在有两个共有变量的情况。

2 并行化非线性布尔函数实现架构

结合密码算法中非线性布尔函数中与项的特点, 分别针对布尔函数中不同与项的特点, 提出相应的布尔函数实现方式。

2.1 高次与项实现

密码算法中非线性布尔函数高次与项数量较少, 因此设计了专门的串行与电路实现, 如图1所示。可以通过控制序列C中1选择源序列S相应的数据, 将保留的数据进行相与, 即可得到高次与项的结果。当与项次数i大于N时, 可以将控制序列C中填充为全1, i (mod N) 不为0时, 最后一组控制序列不需要为全1, 按照实际需求进行配置。

2.2 低次与项实现

低次与项的布尔函数其与项之间的关系主要包含无公共变量、有公共变量2种, 分别对两类与项的实现进行了研究, 并在此基础上提出了改进的并行化实现架构。

2.2.1 无公共变量类与项实现

无公共变量类与项中各与项之间无化简的空间, 可以采用传统的查找表方式实现。由于与项的次数不固定, 因此对查找表实现方式进行了并行化设计, 以提高资源的利用率。

采用单一查找表方式实现变量数位n的非线性布尔函数需要的存储空间为2n, 即可以满足两个变量为n-1的布尔函数所需存储空间, 满足4个变量数为n-2的布尔函数所需存储空间, 依此类推可以满足2n-m个变量数为m的布尔函数所需存储空间。结合密码算法中布尔函数的特点, 本文以6为例, 对布尔函数的并行化设计进行分析。

通过分析在26存储空间上如何实现4变量、5变量、6变量函数, 提出了并行化布尔函数设计电路, 包含输入端口和配置端口, 通过不同的配置, 可以支持4个无公共变量的4变量布尔函数, 2个无公共变量的5变量布尔函数, 1个6变量的布尔函数, 如图2所示。可以充分利用电路中的存储资源, 尤其是当要实现的布尔函数具有变量个数多、与项次数低的特征时, 可以将布尔函数分别实现, 然后将函数的运算结果进行异或即可。

2.2.2 有公共变量类与项实现

无公共变量的并行化架构灵活性高, 实现布尔函数种类多, 但输入端口数较多, 不利于处理器中集成。密码算法的布尔函数中与项存在大量的公共变量, 若充分利用公共变量的特点, 则能够有效降低布尔函数实现中所需的端口。如以6变量布尔函数为例, 支持图2所具有的功能, 公共变量数为n (n<6) , 则输入端口数减少为19-3n。

基于此提出了具有2个公共变量的并行化架构, 如图3所示。以具有2个公共变量的6变量布尔函数的实现为例, 可以支持4组具有2个公用变量的4变量布尔函数, 分别为f (a, b, c, d) , f (a, b, g, h) , f (a, b, m, n) , f (a, b, p, q) ;支持2组具有2个公用变量的5变量布尔函数, 分别为f (a, b, c, d, e) , f (a, b, m, n, s) ;支持一个6变量布尔函数f (a, b, c, d, e, f) 。

2.2.3 改进的布尔函数的实现结构

具有2个公共变量并行化架构能够有效地减少输入端口的数量, 但不能减少存储资源的消耗。若能充分利用密码算法中非线性布尔函数具有0、1因子的特点, 可以有效地降低实现所需的资源消耗。基于此, 结合香农分解定理和低次与项具有公共变量的特点, 提出了改进的具有2个公共变量的并行化架构。

设存在函数f (x1, x2, …, xn) , xi∈{x1, x2, …, xn}:

fxi= (x1, x2, …, xi-1, 1, xi+1, …, xn) 为f (x1, x2, …, xn) 对xi的代数1因子;fxi= (x1, x2, …, xi-1, 0, xi+1, …, xn) 为f (x1, x2, …, xn) 对xi的代数0因子。

由式 (1) 可知, 当一个n变量布尔函数存在代数1、0因子时, n变量的布尔函数可以分解为n-1变量和n-2变量的两个非线性布尔函数, 从而可将一个n变量布尔函数所需的2n比特存储资源降少到2n-1+2n-2比特资源, 如图4所示并行化架构, 以具有2个公共变量的6变量布尔函数的实现为例, 可以同时支持3组具有2个公用变量的4变量布尔函数, 分别为f (a, b, c, d) , f (a, b, f, g) , f (a, b, m, n) ;支持具有一个公用变量的5变量布尔函数和一个4变量布尔函数, 分别为f (a, b, c, d, e) , f (a, b, m, n) ;支持一个具有代数0、1因子的6变量布尔函数f (a, b, c, d, e, f) 。

图4中的非线性布尔函数实现方式虽然有效降低了输入端口数和存储资源的占用, 但其支持的所有布尔函数均存在公共变量。为了在接口数量不变的情况下支持更多类型的布尔函数种类, 对图4进行了改进, 如图5所示, 可以支持支持3组具有2个公用变量的4变量布尔函数, 分别为f (a, b, c, d) , f (a, b, e, f) , f (a, b, g, h) ;支持无公用变量的5变量布尔函数和4变量布尔函数, 分别为f (a, b, c, d, i) , f (e, f, g, h) ;支持一个具有代数0、1因子的6变量布尔函数f (a, b, c, d, h, i) 。

3 函数适配与性能分析

为了验证所设计架构的正确性和高效性, 对密码算法中的非线性布尔函数进行了适配, 选取了grain-80算法中的非线性布尔函数。设初始的序列已经按照布尔函数的要求将变量进行排列:

如表2所示, 可以看出, 4种并行化架构都能高效地适配密码算法中的非线性布尔函数, 而密码算法中的非线性布尔函数具有代数0、1因子的特征比较明显, 两种改进的非线性布尔函数架构就可以很好地满足密码算法中布尔函数的需求, 最高处理速度可以达到1.02GHz, 资源占用是其他实现方式的75%。由于其端口数和存储资源占用均较小, 特别适合集成到专用的密码处理器中。

说明:--表示不适合统计相关参数

结果表明, 本文设计的非线性布尔函数并行化架构有效满足了密码算法中非线性布尔函数的特点, 不仅可以灵活地适配密码算法中的非线性布尔函数, 同时具有较高的处理性能。

通过分析密码算法中非线性布尔函数的特点, 对布尔函数中与项进行分类;针对不同类别的与项, 提出了相应的并行化布尔函数实现架构。在此基础上, 结合香农定理, 提出了改进的并行化非线性布尔函数实现架构, 能够在较少的输入端口和资源占用情况下灵活适配密码算法中的非线性布尔函数。

下一步需要针对不同应用场景下非线性布尔函数的特点, 设计相应的并行化架构, 提高不同场景下非线性布尔函数的处理速度。

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非线性电子元件的线性处理及应用 篇10

一、基本半导体器件的非线性问题

1.晶体二极管

图1给出了晶体二极管的电压——电流特性曲线,整条曲线BOD非常曲折,表明二极管是一种非线性器件。进一步观察发现,在正向特性段OAB,以及反向特性段OCD上,即把曲线分为两段来看,每一段呈现的非线性仍然显著。学生虽然在此前已经学习了电工基础课的直流电路部分,但对于这种非线性的导电特性,即电压与电流之间不再是欧姆定律所描述的那种正比例关系(U/I= R)。对于这个问题,笔者认为可以这样讲解:将二极管的电压电流特性曲线分为三部分,即导通段(AB部分)、截止段(AOC部分)、反向击穿段(CD部分)。截止段的电流可以忽略不计,二极管可看成开路;其它两段有个共同点,就是在局部范围内曲线都有接近直线的形状,即ΔU/ΔI近似为一常数。

2.晶体三极管

(1)如何让三极管工作在放大状态。三极管是一种电流控制型器件,图2为某三极管的输出特性曲线。假设曲线1对应的基极电流为零,则该曲线与UCE轴之间的区域为截止区,曲线10与IC轴之间的区域为饱和区,处在这两个区域之间的是放大区。由图可见,三极管工作在截止区时,IB≤0,IC≤ICEO,显然不具有电流放大作用;在饱和区的右侧边缘,所有的输出特性曲线全部重合在一起,也体现不出IB对IC的有效控制;只有在放大区时,每一个不同数值的IB,都会有一个不同数值的IC与之对应,且IB越大,IC也越大,充分体现了IB对IC的控制作用,即三极管此时具有电流放大作用。因此,在模拟电路中只要给发射结加上正向电压使IB>0,给集电结加反向电压使UCE>>UBE,即工作区远离纵轴和横轴,处于第一象限的腹地,则三极管各极电流满足IC =IB。三极管的放大条件,可以简单地概括成两句话:发射结正偏,集电结反偏。以上分析表明,只要合理设置三极管的工作电压,就能使三极管特性曲线中的线性部分得到充分运用,实现电流按比例放大,而非线性部分却被避开。

(2)如何提高三极管放大的线性度。这里的放大线性,是指三极管在放大状态下,交流电流放大系数的稳定性。影响值稳定性的因素主要有两个:环境温度的变化、三极管在动态时IC的大范围变化。

首先,环境温度变化的影响。当温度升高时,值将会增大,集电极电流静态值ICQ随之增大,从而导致电路的电压放大倍数也增大。在实际应用中,放大电路通过引入直流负反馈,实现静态工作点的稳定。

其次,值与IC变化的关系。在图2中,三极管相邻两条输出特性曲线的纵向间隔大小,反映了三极管值的大小。当三极管工作在曲线4到曲线6之间的区域时,曲线间隔较为均匀,即三极管的值为恒定值;在该区域以上及以下的部分,曲线间隔都显得更小。由此可以给出一定温度下的—IC关系图,如图3所示。为了充分发挥管子的放大能力,并保持值相对稳定,三极管的集电极静态工作电流应选为集电极最大允许电流ICM的一半左右,电路的动态范围也不宜过大。因此,为避免三极管的值产生较大波动,应使三极管的工作点变化范围尽量小一些,并根据放大电路输出动态范围的要求,选择电流容量合适的三极管。

二、放大电路中非线性问题的解决对策

图4是一个典型的共发射极放大电路,设输入电压为Ui,发射结上的交流电压降为Ube,基极电流的交流分量为ib,集电极电流的交流分量为ic,集—射间交流电压为Uce,输出交流电压为Uo。则交流信号的放大过程可分析如下:

1.Ui→Ube

Ui加在电容C1与三极管发射结构成的串联回路两端,带来又一个非线性问题:电容的容抗是与信号频率成反比的,因此Ube与Ui的关系将是一个与频率相关的复数函数,分析起来很复杂。其实,在选择电路元件参数时,已经提供了简化分析的可行性:对于频率高于1kHz的交流信号,电容C1的容抗远小于三极管发射结的交流等效电阻Rbe;若忽略C1上的交流压降,则Ube与Ui近似相等,即Ube≈Ui。

2.Ube→ib

如前所述,在合理设置三极管静态工件点的前提下,ib与Ube可认为符合正比例关系,三极管b、e间的交流阻抗Rbe为一常数,则ib=Ube/Rbe。

3.ib→ic

三极管在小信号放大状态下,工作点变化范围不大,其β值可看作常数,故ic=ib。

4.ic→Uce

根据KVL定律,有UCE=UCC-icRC;根据UCE=UCEQ+Uce,UCEQ=UCC-ICQRC,ic=ICQ+ ic,可推得Uce=-icRC。

5.Uce→Uo

与信号输入回路相比,电容C2的交流容抗小于C1;三极管集—射间的交流阻抗Rce远大于Rbe。因此,同样可以忽略C2的容抗,得出Uo=Uce。

将以上算式合并、化简,可得Uo=-RC/Rbe。

在上述五个分析步骤中,除第4步外,都进行了近似处理:第2步是对三极管的输入特性进行线性处理;第3步是对三极管的输出特性进行线性处理;第1、5步则是将耦合电容器看作短路,否则不仅要考虑分压问题,还要考虑相位上的影响,复杂程度将大大增加。

非线性技术 篇11

在伺服系统中, 要求系统输出快速、平稳且准确地跟踪设定点的变化, 即同时具有良好的瞬态性能和稳态精度。目前, 伺服系统中应用最广的是PID控制技术, 包括常规PID以及改进型PID[1,2], 如变参数PID, 非线性PID等等。PID控制的结构简单、容易实现, 但它是一种单自由度的控制, 具有内在的局限性, 难以兼顾快速响应与低超调之间的矛盾。

文献[3]提出一种复合非线性反馈 (composite nonlinear feedback, CNF) 控制技术, 其通过加入非线性反馈来动态改变闭环极点的阻尼, 从而实现快速响应且低超调。但文献[3]未考虑扰动因素的影响, 当存在扰动时, 其系统输出通常有稳态误差。文献[4,5]分别提出在CNF中嵌入积分控制和扰动补偿的方法来消除常值扰动的影响, 以提高稳态精度。文献[3,4,5]的设计都是在连续时间域, 其控制器必须离散化后才能在实际系统上应用, 而这种离散化需要很高的采样频率 (30倍于闭环带宽) , 否则实际控制性能将有较大偏差。文献[6]给出了在离散时间域上带积分的CNF控制方法。但由于积分控制造成系统瞬态性能对扰动或参考目标的变化过于敏感, 在实际应用中非常麻烦。此外, 由于扰动 (特别是变化的扰动, 如摩擦力) 的影响, 文献[6]的线性观测器的状态估计有时并不准确, 从而降低了实际控制性能。

本文在离散域CNF设计的基础上, 采用一种扩展状态观测器 (extended state observer, ESO) [7,8,9]同时对系统未知状态和扰动进行估计, 并用于扰动补偿。研究表明, 此控制方案 (称为自抗扰CNF) 可以实现理想的瞬态性能和稳态精度, 并且其性能对设定点和扰动的变化不敏感, 从而有利于实际应用和推广。

2 自抗扰CNF控制器的设计

考虑典型的电机伺服系统, 其对应的离散状态空间模型可表示为

式中:A, B, C是系数矩阵;x为系统状态变量;u为控制输入信号;y为受控且可测的系统输出;d为常值或慢变化的输入扰动。

控制设计的任务是使输出y快速准确地跟踪参考目标r。 本文采用的控制方案是复合非线性反馈 (CNF) 结合扩展状态观测器 (ESO) 。其中CNF控制器由两部分组成:一部分是常规的线性反馈控制律, 用来保证闭环系统具有较快的响应速度;另一部分是非线性反馈控制律, 它的作用随着系统输出接近目标值而变得越来越大, 通过逐步增大闭环系统的阻尼从而抑制由线性反馈部分造成的超调, 最终的受控系统达到对设定点快速平稳的跟踪。

2.1 CNF线性状态反馈控制律的设计

首先设计线性状态反馈控制律

uL (k) =Fx (k) +Gr (2)

其中, F的设计可以按极点配置算法, 使闭环系统矩阵A+BF的特征值都落在z平面单位圆内部以保证稳定性, 并且其对应的极点具有轻阻尼系数以保证闭环系统有较快的响应速度。参考目标r的加权系数G为

G=[C (I-A-BF) -1B]-1 (3)

式 (3) 可以保证系统在这个线性控制律作用下其稳态输出准确跟踪目标r。

2.2 CNF非线性反馈控制律的设计

选取一个正定的加权矩阵W∈Rn×n并求解以下离散Lyapunov方程

P= (A+BF) TP (A+BF) +W

得到一个正定矩阵P。这个矩阵P一定存在, 因为A+BF是稳定的。矩阵W的选择影响稳态 (输出逼近目标) 时的闭环极点位置。一般的选取原则是要使得稳态的闭环极点具有大的阻尼, 从而抑制超调、缩短调整时间。通常为简化设计, 可以取W为对角矩阵。

接着选取一个平滑的非线性函数ρ (k) ≤0, 使其绝对值随着跟踪误差|r-y|的减少而增大。

undefined||r-y (k) |-

|r-y (0) ||)

式中:β, λ都为非负的可调参数。

ρ (k) 的作用是逐步增大闭环系统极点的阻尼以减少超调, 其值将随着跟踪误差|r-y|的变化而从0逐步减少到-β (BTPB) -1 (2/π) arctan (λ|r-y (0) |) >-β (BTPB) -1。显然, ρ (k) 的大小主要由β决定, 而变化速率则取决于λ。系统稳定的条件之一是非线性函数ρ (k) 的取值必须有界, 而不能任意取值, 通常取0<β<2。

至此可得到CNF非线性反馈控制律为

uN (k) =ρ (k) Fn (x (k) -Ger) (4)

其中

Fn=BTP (A+BF) Ge= (I-A-BF) -1BG

2.3 状态和扰动观测器的设计

这里采用基于非线性跟踪微分器 (NTD) 的扩展状态观测器 (ESO) 来对未知的状态变量和扰动信号进行估计。非线性跟踪-微分器是由韩京清等人首先提出, 它能快速跟踪给定信号并提取高品质的微分信号。这种机构的出现打破了现代控制理论研究的束缚——“微分器物理不可实现”, 并成功地应用在信号滤波、参数估计和各种控制器的设计等领域[7,8,9]。这种技术克服了采用直接微分所带来的噪声放大, 以及常规状态观测器对系统模型参数的敏感性。扩展状态观测器 (ESO) 是对NTD的扩展, 它除了具有NTD的功能, 还能对扰动信号进行良好估计。无论是NTD, 还是其扩展ESO, 都不依赖于系统的精确数学模型, 即具有对系统参数的强适应性以及对噪声的强鲁棒性, 在控制领域中具有很高的应用价值。假定系统的模型可用一个积分链传递函数b/sn来表示, 则其离散形式的扩展状态观测器如下[8,9]:

undefined

式中:z1, …, zn, 是对系统状态的估计;zn+1则是对未知扰动的估值;T是离散采样时间;k表示第k次采样点;δ, α1, …, αn, β1, …, βn+1是非负的设计参数, 非线性函数fal (ε, α, δ) 被定义为

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2.4 最终的控制器

把上一步扩展状态观测器估计出来的状态变量用于CNF控制律并引入扰动补偿, 得到如下控制律:

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式 (6) 与观测器方程式 (5) 构成完整的控制器。

上面的设计虽然只考虑模型为积分链的伺服系统并假定扰动存在于输入通道 (扰动和控制输入对应同一矩阵B) , 但由于ESO的强鲁棒性, 其估计出来的扰动实际上是一个综合 (等价的) 扰动信号, 它不但包括输入扰动, 还包括所有可以被输入扰动等价匹配的输出扰动和内部结构扰动。相应地, 扰动补偿也是补偿了所有可匹配的扰动, 而不仅仅是输入扰动。对于不能匹配的扰动, 则通过控制环路的高增益来抑制。文中设计的控制器本质上是一种连续的增益调度控制器, 其在稳态 (输出接近目标) 时是高增益控制, 因而有较强的扰动抑制能力, 非匹配扰动的影响将在很大程度上被衰减。

3 在球杆系统定位控制中的应用

将设计的控制器应用到球杆系统的定位控制。采用某公司生产的GBB1004系列嵌入式数字控制球杆系统 (如图1所示) 。其执行系统采用直流伺服电机驱动, 通过控制电机轴的转角, 带动皮带轮转动, 通过传动机构实现对横杆角度的控制, 使小球在重力作用下沿横杆上的导轨滚动, 从而控制小球在横杆上的位置。这里将利用前面设计的控制器, 通过控制电机的转动, 使小球快速准确地定位在横杆上指定的位置。

通过对钢球滚动的动力学特性进行分析, 并引入适当的简化假设, 可得到球杆系统从电机转角θ (单位:rad) 到钢球位置Y (单位:m) 的传递函数模型如下[10]:

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其中undefined

式中, 小球的质量M=0.11 kg;球的半径R=0.015 m;重力加速度g=9.8 m/s2;横杆导轨长度L=0.4 m;皮带轮半径d=0.04 m;小球的转动惯量J=2 MR2/5。

代入参数值后计算得到:b=0.7。以上双积分传递函数忽略了球杆系统中的摩擦力及其他非线性特性, 这些因素会影响小球定位的准确性。

假定采样周期为T, 则可把球杆系统的模型转化为如式 (1) 所示的二阶离散状态空间模型, 其中:

undefined

其控制输入u为电机转角 (由于球杆系统伺服电机的响应速度相当快, 可以忽略角度θ对输入电压的响应时间常数, 从而直接把电机转角等同为控制输入信号) , 单位是rad, 且|u|≤1 rad;输出Y为钢球的位置, 可通过横杆导轨上的电位计进行测量, 单位是m, 其有效值为0≤Y≤0.4 m。

按照上一节的控制器设计步骤, 首先选定T=0.01 s。在设计CNF线性控制律时, 选取z平面单位圆内的一对共轭极点, 其对应的自然频率为0.3 Hz, 阻尼比为0.5, 从而得到:

F=[-5.028 1 -2.692 7] G=5.028 1

选择对角加权矩阵W=diag (1, 0.1) 并求解离散Lyapunov 方程, 得到:

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以及Fn=[0.098 2 0.071 3] Ge=[1]T

选取非线性函数ρ (k) 中的参数为β=1.2, λ=0.5, 得到:

ρ (k) =-1 512×arctan (0.5×||r-y (k) |-|r-y (0) ||)

按照式 (5) 扩展状态观测器 (ESO) 对应n=2时的情形, 选择:δ=0.05, α1=0.5, α2=0.6, β1=15, β2=25, β3=35。

最终的控制律为

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所设计的控制器通过Matlab的RTI实时界面在球杆系统上进行了定位实验。首先进行距离为0.1 m的定位控制。为保护设备和方便实验的连续进行, 把参考目标r设为从0.15～0.25 m的方波。相应的实验结果如图2所示。在图2中还同时显示了采用线性控制 (即去掉CNF中的非线性部分) +ESO扰动补偿, 以及纯粹的CNF控制 (不带ESO扰动补偿) 时的实验结果。显然, 只有采用CNF控制与ESO扰动补偿相结合 (自控扰CNF控制) 才能实现快速平稳与准确的定位性能。图3是所设计的控制器在0.2 m的定位实验结果 (把参考目标r设为从0.1～0.3 m的方波) , 采用的是相同的控制器参数值, 其定位性能还是令人满意的。由此可见所设计的控制器具有较好的性能鲁棒性。

应该指出:本次设计过程中, 需要选择CNF和ESO的设计参数;在整定这些参数时需要一些耐心, 然而只要能找到一组适当的参数, 往往很快就能调试得到性能较好的控制器;关于CNF控制器的设计, 目前已经开发了基于Matlab软件工具包 (分为连续和离散系统两个版本) , 可以支持整个设计过程, 该软件包可以从网址http://hdd.ece.nus.edu.sg/～bmchen免费下载。

4 结论

提出了一个基于复合非线性反馈 (CNF) 和扩展状态观测器 (ESO) 的自抗扰CNF控制系统设计方案。在球杆系统上进行了定位控制实验, 结果表明, 设计的控制系统可以实现快速、平稳和无静差的伺服定位, 并具有较好的性能鲁棒性。所提出的伺服控制方案具有较广的应用前景。

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