混合网络数字电视（共8篇）
混合网络数字电视 篇1
1 研究背景
随着广播电视网络数字化、信息化和双向化的改造, 广播电视与互联网技术的结合, 广电行业正在向新的业务运营模式转变。因此, 基于数字广播与宽带混合网络环境的电视系统应运而生。在欧洲, 广播宽带混合型电视 (Hybrid Broadcast/Broadband TV, HBBTV) 得到了各界的大力支持, 在中国智能电视发展的浪潮中, 混合广播与宽带网络环境下的数字电视也逐渐走进用户的生活[1]。混合网络环境下的数字电视涉及了广播和宽带两个技术领域, 能够同时连接到两个平行网络通道。通过广播连接, 混合终端可以接收标准视音频信号、应用数据和信令等广播内容;通过宽带接口连接到互联网, 混合终端还可以同应用服务器通信, 接收应用数据和点播的节目等内容[2]。
混合终端连接到互联网与应用服务器的交互主要依赖通信协议, 而双方的通信必须建立在实现相同协议的基础上。终端设备及服务器的开发者有可能会对标准的协议有不同的理解, 这将导致同一协议会有不同的实现, 甚至可能出现完全错误的协议实现, 因此对协议实现的一致性进行判断, 即协议测试就显得尤为重要[3]。
本文研究的数字电视交互协议测试系统为混合网络环境下的数字电视提供了一种协议测试的方法, 由于本文研究的混合网络环境下的数字电视交互协议 (以下简称“交互协议”) 仍处在项目研究阶段, 并不是公开的协议, 因此本文不涉及具体协议格式及内容, 仅依据协议测试理论描述交互协议测试系统的设计与实现。
2 协议测试理论
协议测试是依据标准的协议对某个协议的实现进行测试, 评价该协议实现或被测系统与所对应的标准协议是否相一致的所有测试活动全过程。协议测试是黑盒测试, 不需要考虑被测协议实现或被测系统的内部结构和开发实现, 只需要通过其输入和输出来判断协议的实现是否正确。国际标准化组织ISO在20世纪90年代制定了一套标准ISO/IEC 9646[4], 它制定了一种方法, 用于测试某一声称实现了ISO协议的产品与标准协议的一致性, 该标准为协议测试系统的设计与实现提供了基本的思路和方法。协议一致性测试的流程包括测试生成、测试实现和测试执行这3个阶段, 如图1所示。
测试生成是为一个给定的协议生成独立于所有其他协议实现的抽象测试集 (Abstract Test Suite, ATS) 。测试实现是依据协议实现一致性声明 (Protocol Implementation Conformance Statement, PICS) 和协议实现额外信息 (Protocol Implementation extra Information Statement, PIXIT) 从ATS中选取适当的测试用例, 并根据PIXIT提供的信息量化这些测试用例, 产生参数化的可执行测试用例集。测试执行包括被测实现 (Implementation Under Test, IUT) 的PICS分析和测试用例的执行, IUT可以是被测系统或协议实现, 也可以是被测系统的一部分, IUT的PICS分析是分析该协议实现一致性声明与标准的要求是否一致;测试用例的执行是通过运行测试用例, 来观察IUT的输出或响应, 判定IUT与标准要求是否相一致[5,6]。
3 数字电视协议测试系统架构
通过对混合网络环境下的数字电视系统的交互流程及交互协议的分析, 明确了本次测试的测试目标, 即验证IUT对数字电视交互协议实现的一致性, 并为此设计了数字电视协议测试系统。数字电视协议测试系统分为4个部分:测试客户端、测试服务器、监听服务器和数据库, 如图2所示。测试客户端通过IUT选择模块与IUT交互, 生成测试用例集, 客户端将待执行的测试用例提交给测试服务器;服务器按照测试用例列表顺序执行测试用例, 判定测试结果, 将结果返回客户端, 呈现在客户端界面上。客户端呈现的测试结果包括测试执行过程中实时输出的数据包解析日志和每条测试用例的判定结果[7]。监听服务器是在网络层抓取被测系统的交互数据包, 辅助测试服务器执行测试。整个测试过程中, 从生成测试用例到最后结果输出, 数据库负责全部数据的写入、查询、删除和更新。由于本文研究的交互协议属于应用层协议, 测试的交互是通过以太网在此基础上定义了应用层通信实体, 因此测试系统不需要实现该交互协议, 只要存在以太网链路接口即可[8]。
在系统设计的前期, 需要仔细研究交互协议报文的结构和参数, 因为每个测试用例中的被测协议不同, 对应被测的数据包也不同, 监听服务器会按照测试用例的要求, 获取报头参数符合对应被测协议的数据包, 因此测试用例的设计是否合理是整个测试系统正常运行的关键。
1) 测试客户端
测试客户端由IUT选择、测试用例显示、结果输出这3个模块组成。IUT选择模块用于测试人员选择被测协议, 测试系统开始测试时, IUT选择模块将测试人员选择的测试协议集信息提供给测试服务器加载;测试用例显示模块用于显示测试人员选择的测试用例集, 以及每个测试用例的描述和测试步骤;结果输出模块用于实时地将测试服务器返回的日志信息输出到测试运行界面, 并在测试结束后打印输出完整的测试结果。
2) 测试服务器
测试服务器是测试系统重要的组成部分, 它运行于测试系统的后台, 即对于测试人员来说是透明的, 其架构如图3所示。测试服务器主要接收来自客户端的测试执行要求以及测试用例列表, 根据测试用例列表加载测试用例并执行, 在测试开始时启动监听服务器, 接收其抓取的被测系统交互数据包, 并将数据包存储到数据库中;协议解析模块按照协议标准解析数据包, 进行测试结果判定, 并实时将判定结果返回测试客户端。
3) 监听服务器
监听服务器的主要功能是获取被测系统交互过程中的网络数据包, 并将符合被测协议的数据包过滤出来, 发送到数据库中。测试人员在测试客户端点击测试开始时, 客户端开始执行测试用例, 同时在后台开启监听服务器, 监听程序按照测试用例的要求抓取被测系统交互过程中的全部数据包, 存储到数据库中的指定位置。
4) 数据库
数据库是测试系统中重要的存储部分, 测试执行过程中抓取的交互数据包、实时的执行结果都存储在数据库中, 供测试客户端调用。数据库的开发使用My SQL, 本系统中使用的表包括:测试用例表、测试数据包信息表、测试过程时间记录表、被测设备记录表、标准协议存储表和测试结果信息表。测试用例表用于存储封装标准的测试用例参数;测试数据包信息表用于存储监听服务器获取的数据报文;标准协议存储表用于存储标准的测试协议报头和报文参数;客户端将测试数据包信息表中的数据解析后, 同协议一致性比对表中的报文进行比对, 来进行结果判定, 并将测试判定的结果存储到测试结果信息表中。
4 数字电视协议测试系统的实现
按照上述设计的系统架构, 在Windows平台上实现了整个测试系统, 搭建了交互式测试平台。其中, 测试客户端由Javascript和HTML编写, 向用户呈现测试运行和测试结果界面;测试服务器主要由C#语言编写, 读取数据库的数据并且解析包中信息, 进而对其分析输出协议测试结果;监听服务器使用Java语言编写, 获得交互过程中的数据包, 将获取的数据存入数据库;数据库使用My SQL, 存储交互数据包及测试过程中的全部数据。
本文选取了市场上在售的一款混合网络终端, 对数字电视基本交互协议进行了测试验证。按照图4所示拓扑图连接测试平台与被测系统, 通过交换机汇聚通信链路, 被测服务器和终端与测试平台连接到了同一个局域网中。
进入测试平台, 填写被测设备信息后, 就进入测试客户端界面, 如图5所示。界面左侧是IUT选择界面, 测试人员可以通过勾选被测协议, 生成被测用例列表;测试界面的右上角有测试开始、测试停止、保存三个按钮, 分别控制测试过程的开始、结束和保存测试结果。界面右侧上部分显示测试用例信息, 包括测试用例名称、用例描述和被测设备型号, 右侧下部分实时输出测试用例的结果。测试用例结果包括详细测试结果、被选项测试结果和测试结果概况, 由Tab控件展示在页面上, 测试开始后, 详细测试结果实时输出全部的测试日志, 包括测试时间、收发数据信息、解析数据信息、判定结果信息;被选项测试结果是当点击左侧某测试用例时, 单独显示该项用例的日志信息;测试用例概况仅显示已完成测试项目的判定结果, 并不输出其他过程数据。
测试服务器运行于后台, 为实现客户端功能而执行数据分析和逻辑运算, 监听服务器的监听程序需要部署在被测系统中, 获取被测系统的交互数据包, 二者均无界面展示。监听程序获取到数据包后, 由测试服务器的解析模块按照协议的报文格式解析出每个数据包的含义, 由此判定该数据包是否符合每个测试用例的结果要求, 即是否满足该项协议实现的一致性。由于不同协议的报文格式不同, 每项测试用例的解析内容也就不尽相同, 而报文解析需要严格按照交互协议的报文格式来进行, 因此完成全部测试项解析功能的解析模块是系统实现的难点所在[9]。
测试平台按照测试用例顺序执行测试后, 测试结束。点击右上角保存按钮, 生成测试结果报告, 由于协议测试的日志比较长, 报告篇幅较大, 因此仅附上报告首页, 如图6所示。报告详细记录了测试内容、被测设备型号、测试起止时间、测试结果概况和测试详细结果。测试结果概况输出每一测试项目的判定结果, 测试结果若为通过, 则输出绿色字体, 测试结果若为失败, 则输出红色字体。详细测试结果中记录了每一项测试用例的日志信息, 测试失败的用例也可以从中找出问题所在, 便于被测设备的开发研究人员修改其设备功能。
5 总结与展望
混合网络环境下的数字电视除了具有传统机顶盒的广播功能之外, 还可以通过实现标准化的交互协议来开展各类交互业务, 符合广播电视行业未来发展的需要, 可以将电视广播和宽带业务无缝地结合在一起。与此同时, 如何判定各终端厂商生产的终端具有相同的协议实现, 可以互相通信就显得尤为重要[10]。
本文根据协议测试原理, 在Windows平台设计并实现了混合网络环境下的数字电视协议测试系统, 提供了一种验证被测终端与服务器之间交互是否符合一致性的检测方法, 能够为今后混合终端的研发及测试提供借鉴。在系统实现的过程中发现, 被测系统大部分是基于Linux系统实现的, 但考虑到未来的发展趋势, 基于Windows系统的交互终端也会占有一定的市场份额, 甚至会有根据不同场景定制的基于Unix系统的交互终端, 因此提高本文测试系统的可扩展性和可移植性是下一步的工作重点。一种提高扩展性的思路是, 按照本文系统设计的架构, 开发适配不同平台的监听程序, 这样在未来的测试中, 根据不同操作系统选择不同平台的监听程序即可。
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混合网络数字电视 篇2
【关键词】混合光源；电视演播室；布光；色温；光比；案例
文章编号：10.3969/j.issn.1674-8239.2014.05.005
【Abstract】The practical method of lighting distribution was discussed under hybrid light conditions in television.
【Key Words】hybrid light source； TV studio； lighting； color temperature； light ratio； case
随着广播电视和通信技术的日臻成熟，电视观众对节目内容、品质及时效性的要求不断提高，广电媒体之间的竞争加剧，来自互联网媒体的挑战也日益严峻，电视作为实时信息传播手段的功能正日益受到重视，广播电视机构在对重大突发事件、大型活动及重要体育赛事等的现场报道中，也越来越多地采用现场直播、转播的方式。由此，也给在各类现场即非常规演播场所的灯光设计提出了更高的要求。在实践中，由于直播、转播环境与条件的限制，节目组往往会在非常规演播场所遇到各种问题，例如：节目现场存在混合光源色温不统一，或室外阳光过强且随时间推移有明显变化（导致光比过大）等。这些问题需要灯光设计人员在短时间内解决，以保证照明达到节目要求的理想效果。
笔者在20多年的电视灯光设计实践中，对非常规演播场所的用光有过较多摸索并积累了一定经验，本文拟就混合光源环境下的实用型布光方案进行粗浅探讨，供同行参考。
1 混合光源环境布光概述
在通常情况下，由于拍摄环境和条件的限制，电视的现场直播或转播录制需要在混合光源环境下进行（新闻采访）。所谓混合光源环境，是指有色温各异的不同光源照明的环境，光源的组合可以是自然光（6 000 K）、日光灯（4 800 K）、白炽灯（3 000 K）、摄像灯（3 200 K）及其他任意可能的照明方式组合。事实上，光源的不同会使色温存在很大差异。例如，以5 600 K调整白平衡时，颜色偏红的灯光的色温相对较低，而以3 200 K调整白平衡时，偏蓝光的色温则相对较高。混合光源的直播或录播环境对灯光师的色温把握能力提出了较高要求。
尽管实践中的布光问题会因演播场所的不同而千差万别，但常言道万变不离其宗，只要把握灯光为节目服务的宗旨，大多数问题都可以用类似的方法加以解决。通常，在制订具体的布光策略之前，首先要用专业的色温测光表确定现场的色温差异程度；然后，据此决定以哪一种光源作为主导光源，这一决定将影响到用光方案所采用的基本色温。在针对该主导光源进行白平衡设定之后，可请摄像师利用广角摄像功能对现场试拍并在监视器中查看结果，找出其他颜色的次要光源可能存在的问题，并以此为依据确定是否需要保留、修改或取消这些次要光源，并制订出相应的方案。
2 基本布光策略
在实践中，笔者主要采用两种方式来对色平衡存在冲突的混合光源进行校正处理：一是在不改变各种光源色温的情况下对它们加以利用；二是通过改变一种或多种光源的色温来改善照明，包括采用加装色温纸，遮盖或关闭取消一种或多种光源等。需要说明的是，在室内环境下最常见的三种光源分别是窗外射入的自然光、室内原有的日光灯照明以及专业的卤素摄像灯。以此为前提，可以采取分别对应于上述两种方式的两项基本布光策略。
2.1 相得益彰地利用多种光源
如果采访或拍摄现场原有的日光灯质量较高，其色温应该能够接近于从窗外射入的自然光。在这种情况下，可以考虑把窗外的自然光作为主光源（以5 600 K调整白平衡），而以室内的日光灯作为补充光源。如果天花板上的日光灯在拍摄对象身上产生阴影，则可以尝试用银色反光板对着窗口来反射自然光，以增加补光量。如果拍摄现场允许把反光板放置在不太远的地方，其效果会更好。然后再考虑用亮度适当的卤素灯为拍摄对象提供背后照明，这会给其身上投下一抹温暖的亮色。这种策略是在不对三种光源进行色温改变的情况下，使它们巧妙地合而为一。
2.2 对一种或多种光源进行改进
最常见、最简单的做法是用色温纸加在摄像灯上以增高其色温，或直接利用高色温灯具（镝灯5 600 K），使之与窗外自然光和天花板上的日光灯色温相匹配。当然，为了得到合适的光比，也可以设法增强或减弱自然光和头顶日光灯的强度，以达到与室内照明灯具亮度的统一，但这么做的难度相对来说会大一些。而减弱自然光的一个经济、简便的方法是，给玻璃窗贴上类似汽车玻璃上的那种遮光薄膜，例如，笔者参与设计的上海世博会中央电视台现场演播室最初灯光方案曾一度打算采用这种办法。不过，有时候对室内日光灯采用薄膜遮蔽操作起来会比较困难，在成本许可的情况下，不如直接更换符合要求的灯具来得省时、便捷。
2.3 光比的控制
在混合光源演播场所的布光实践中，光比的控制也是一个必须加以重视的问题，尤其是对于在日光条件下演播时间较长的节目。因为随着太阳自东向西的升降运动，变化的日光强度会对演播现场的照度产生很大影响。此外，变化的阳光对拍摄现场背景物体的照射亮度也会反过来对拍摄对象产生影响。为了达到拍摄任务所要求的效果，笔者常采取两种方法来控制正常的光比：一是在拍摄对象脸部照度无法改变的情况下，通过调整背景照明亮度来实现；二是在背景亮度无法改变的情况下，通过调整拍摄对象的脸部照度来实现。当然，最理想的情况是可以同时进行上述两个方面的调整。
3 上海世博会中央电视台浦东演播室布光案例
下面以笔者参与设计的2010年上海世博会中央电视台浦东演播室布光方案为例，对上文论及的混合光源环境下的布光要点作进一步诠释。该演播室是四周均为落地玻璃的全透明混合光源演播室（见图1）。当时，中央电视台对前方提出的转播要求是以中国馆为主背景进行全天候直播，而且每天在直播过程中还要变换两到三个背景。这一要求对于灯光设计组来说无疑是一个极大的挑战：每天早上日出后，阳光就会透过落地玻璃照射到整个演播室中，使演播室里的人和物的形象都产生了剪影效果。当时，在演播室里曾用测光表测得照度超过上万勒克斯。在这样的条件下，利用传统的增强大功率灯具进行照明，来提高主持人面部的照度，以达到与背景的正常光比的方法，其难度很大。
针对白天演播室内自然光强烈的情况，灯光设计组最初设想，在主持人身后的背景玻璃墙上贴一层比摄像机取景画面稍大的薄膜，来达到减弱背景自然光强度的目的（这种类似汽车太阳膜的遮光膜有深浅之分，使用时可根据当时演播场所需光照条件加以选择）。而在阳光过于强烈而导致演播室主背景亮度过高时，还可考虑在已贴膜的情况下再在玻璃上加挂一层黑纱，可把外面的自然光亮度降低一半以上。在进行这两项操作之后，再适当增加一些照明灯具（镝灯），便可比较容易地实现演播所要求的光比。即便由于天气阴晴变化导致自然光亮度的不同，也可以通过加减黑纱来对光比作出调整。
但这种方案最后还是被否定了。这是因为，如果采用该方案，那么，在白天光照条件下的布光问题解决后，又会出现夜间布光的问题。浦东演播室要承担全天候的演播任务，而在需要进行晚间直播的情况下，由于主持人身后玻璃贴了一层薄膜，其所处的背景会显得格外黑，尤其是在演播室外景观照明不够亮的情况下（见图2），会给观众产生主持人在漆黑背景下演播的错觉。但是考虑第二天演播室的需要，已经贴上的薄膜又不可能揭除。这就给灯光设计团队出了一个难题。设计团队通过查阅技术资料和借鉴国外的一些经验，利用偏振膜最终解决了这个问题。
偏振膜对入射光具有控制透过光亮的功能。利用这一原理，在演播室的玻璃窗前加装了偏振膜，同时在摄像机的镜头前加装偏振镜，从而可以通过旋转摄像机镜头前的偏振镜来调整主持人背景的亮度。利用偏振技术在不改变人物脸部照度的情况下改变了背景的亮度，从而达到满意的白天拍摄效果。为了满足夜间拍摄的要求，在实际操作中给演播室天花板安装了滑轨，把偏振膜用亚克力板加装起来并用钢丝吊挂在滑轨上。亚克力板的自重非常轻，特别是其透明度和透光度如同玻璃一样，根本不会影响画面的质量。白天时可以把它们推出来利用偏振技术来进行光度调节，晚上再把它们推走，露出玻璃窗，并摘掉摄像机前的偏振镜，再根据背景景观照明的亮度调整演播室里灯光的照度。由此顺利完成了演播室全天候转播任务的布光工作。
综上所述，在混合光源环境下的布光设计中，可以通过巧妙利用演播场所的自然光、固有日光灯照明及专业卤素摄像灯照明的结合来达到满意的色温，而且还可以在较为严苛的混合光源环境下，灯光设计者根据演播要求，采用各种物理及光学手段对光源的亮度和灯具的照度予以增减，得到满意的光比，从而实现播出所需的灯光效果。
作者简介：
朱海涛，1986年进入中央电视台，1995年毕业于北京广播学院新闻学系，现任央视技术制作中心灯光设计师。长期从事新闻、综艺、体育等报道的灯光设计工作。曾全程参与央视多届春晚（1987年～1997年）、北京亚运会、香港回归、北京奥运会、上海世博会等重大报道的灯光设计，尤其擅长大型演出及实况演播的现场灯光支持。主持央视雅典奥运会、第11届全运会等大型报道，及《开心辞典》、《大风车》、《正大综艺》等栏目的灯光设计工作。其中，首届中韩歌会获中国广播电视学会（现名中国广播电视协会）全国电视灯光评比综合文艺三等奖。
数字图像中混合噪声的滤波 篇3
由于在图像中椒盐噪声为灰度值极大或极小的点, 表现为纯黑或纯白的点, 高斯噪声为零均值高斯分布的噪声。两种噪声有着明显的区别, 所以在滤波的过程中, 应先对二者进行区分, 再分别进行滤除是较为有效的方法。
1.1 中值滤波算法分析及改进
针对椒盐噪声, 传统的中值滤波方法在低噪声率的情况下有较好的滤波效果, 但缺点是对所有像素点采取统一的处理方法, 在滤除噪声的同时, 也改变了信号点的灰度值, 造成图像的模糊。理想的滤波方法是先对噪声点进行检测, 再只对可能的噪声点进行处理, 而对信号点不进行处理, 使其灰度值保持不变。
通过设定阈值α, 先将噪声点的大致范围确定在[0, α]和[255-α, 255]之间, 再对可能的噪声点进行判断和滤除。
由于椒盐噪声的灰度值表现为极大或极小, 所以在设定阈值α后, 椒盐噪声点和高斯噪声点将区别开来。高斯噪声点暂且被当作信号点处理。在滤除完椒盐噪声后, 再对高斯噪声进行滤除。
1.2 均值滤波算法分析及改进
传统的均值滤波算法是将像素点的灰度值用其周围一定范围内所有像素点灰度值的平均值代替。其优点是算法简单, 对高斯噪声有较好的平滑作用。但该方法的主要缺点是在图像的边缘和细节处, 模板越大, 噪声抑制效果越好, 但同时画面模糊也更加严重。
因此, 要保持图像的清晰, 希望在进行平滑处理的同时, 检测出图像的边界, 然后只对噪声部分进行平滑处理。文中采用的对称近邻均值滤波算法, 算法仍然简单, 且对图像的边缘细节保护上有了很大的提高。
2 算法实现
2.1 改进中值滤波算法实现
设[xij]为一幅图像 (其中i, j表示各点的位置) , W[xi, j]表示对[xij]中的点取窗口操作 (一般取为 (2N+1) × (2N+1) ) , med (W[xij]) 为对W[xi, j]中的所有点取中值, yij为滤波输出值, N为噪声点, S为信号点。
Step1: 设定阈值α
Step2: 设定图像白椒盐噪声的灰度范围为[255-α, 255], 黑椒盐噪声的灰度范围为[0, α]
Step3:如果窗口范围内的中心像素xij在[255-α, 255]或[0, α]范围内, 并且xij为窗口范围内的最大值或最小值, 那么xij点视为噪声点, 输出灰度值用med (W[xij]) 代替, 否则输出原值。
即当xij∈[255-α, 255]或xij∈[0, α]时,
undefined
输出值yij为:
undefined
Step4:如果窗口范围内的中心像素xij不在[255-α, 255]或[0, α]范围内, 则输出原值。
2.2 对称近邻均值滤波算法实现
Step1:以待处理像素f (x, y) 为中心, 构造一个 (2N+1) × (2N+1) 的模板, 这 (2N+1) × (2N+1) 个像素, 除中心点之外, 可以构成2N· (N+1) 对点, 坐标为 (x-i, y-i) 及 (x+i, y+j) (i, j=1, 2, …, N) , 如构造的模板图1中的p, q, m, n。
Step2:获得对称点之后, 在每一对对称点中选择一个灰度值与f (x, y) 接近的点。
Step3:将2N· (N+1) 个选择点的灰度值替代原灰度值作为处理结果。如例1所示。
undefined
例1 处理结果
找到12对对称点为:
(fm (1, 1) , fm (5, 5) ) = (1, 8)
(fm (1, 2) , fm (5, 4) ) = (3, 6)
(fm (1, 3) , fm (5, 3) ) = (2, 7)
(fm (1, 4) , fm (5, 2) ) = (3, 5)
(fm (1, 5) , fm (5, 1) ) = (2, 5)
(fm (2, 1) , fm (4, 5) ) = (1, 8)
(fm (2, 2) , fm (4, 4) ) = (2, 6)
(fm (2, 3) , fm (4, 3) ) = (1, 6)
(fm (2, 4) , fm (4, 2) ) = (4, 2)
(fm (2, 5) , fm (4, 1) ) = (3, 5)
(fm (3, 1) , fm (3, 5) ) = (1, 4)
(fm (3, 2) , fm (3, 4) ) = (2, 3)
在这12对点中, 找出与f (3, 3) =18灰度值相近的点为[3,4,5,6,7,8];求均值得undefined (取整) 。可以看到, 噪声点得到了抑制。
3 仿真结果分析
采用256×256的一幅Lena图像为例, 如图2所示。加入p=20%的椒盐噪声、δ=10的高斯噪声后的图像如图3所示。用本文算法分别和传统中值滤波、均值滤波做比较, 如图4所示。 (第一步窗口取3×3, 第二步取5×5) 。
由图5可以看出, 对于图像中的混合噪声, 中值滤波和均值滤波的效果都十分模糊, 并且不能完全消除椒盐噪声对图像的影响。本文算法在经过第一步滤波之后, 椒盐噪声基本被全部滤除, 再进行第二步后, 高斯噪声也得到了有效的抑制。
4 性能分析
表1给出了Lena图像分别加入p=20%的椒盐噪声、δ=10的高斯噪声以及二者混合的图像经中值滤波、均值滤波和本文混合滤波后图像输出的归一化均方误差 (NMSE) 。NMSE由如下定义得到:
undefined
式中, x (i, j) , y (i, j) 为未受污染的原始图像和滤波后输出图像。NMSE值越小, 则滤波效果越好。
由于本文滤波算法是分成两步进行, 当图像中只含有椒盐噪声或高斯噪声时, 只对图像进行相应的滤除椒盐噪声或高斯噪声操作, 可以避免不必要的模糊现象发生。从表1可以看出, 在单独滤除椒盐噪声和高斯噪声的效果上, 本文的滤波算法均好于传统的均值滤波和中值滤波, 并且对图像中的混合噪声也有很强的抑制作用。
5 结束语
文中提出了一种针对图像中混合噪声的滤除算法。通过分析椒盐噪声和高斯噪声的特点, 先将二者进行区分, 再分别滤除。仿真结果表明, 本文提出的算法计算简单, 在单独滤除椒盐噪声、高斯噪声或是二者的混合噪声时, 都有较好的滤波效果。
摘要：中值滤波法主要用来抑制椒盐噪声, 均值滤波法主要用来抑制高斯噪声。当数字图像中即有椒盐噪声又有高斯噪声时, 两种方法均无法达到令人满意的效果。提出了一种混合噪声的滤波方法。首先通过设定阈值, 将椒盐噪声和高斯噪声加以区分。然后先对椒盐噪声使用改进了的中值滤波方法进行滤波, 之后使用近邻域均值滤波法对高斯噪声进行滤波。仿真结果表明, 文中提出的混合去噪声算法计算简单, 对数字图像中存在的混合噪声有较好的滤波效果。
关键词：混合滤波,椒盐噪声,高斯噪声,混合噪声
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混合网络数字电视 篇4
大同数字电视平台初建于2006年底, 当时采用ASI接口标准选择设备, 搭建了包括卫星接收、编码、调制、ASI矩阵在内的节目处理系统以及BOSS、CA、EPG、股票、数据广播、VOD等相对完善的增值业务、后台支撑系统, 同时进行了双向网络的全市覆盖, 并在一年之内完成数字电视的整体平移。7年时间过去, 随着设备老化, 节目增加、用户增加以及增值业务对内容需求的增强, 原来的ASI架构诸多缺陷逐步显现出来。节目调度受设备物理连接限制, 频点使用不灵活。尤其是TS流切换矩阵作为系统的核心设备管理复杂, 故障影响面大, 备份成本太高而且主备板卡切换时要中断播出。原有平台还存在多厂家产品组成信号处理链路, 网管软件对第三方设备管理能力不足的致命缺陷。长期的不间断运行导致各类设备故障率高、返修频繁, 而国外设备维修周期、采购周期又太长。当前IP架构技术已经成熟, 其结构简单、内容调度方便、安全可靠的优势相比更加明显。为此, 2012年初大同数字电视公司 (以下简称“我公司”) 适时调整了前端架构和设备的使用, 组成IP/ASI混合节目传输平台, 并用返修回来的设备加上部分新购的国产设备组成清流ASI测试平台传输44套重要节目, 作为主平台的备份。结合几年来运行中的经验教训, 我公司在混合平台中采用多种灵活有效的备份策略, 经过一年多的运行, 表现良好, 希望在今后的安全播出实践中能达到预期的效果。
1节目传输平台整体架构
作为中小城市的数字电视前端, 我公司2013年首次搭建平台级备份。原因在于:首先, 用户基数的增加、网络覆盖范围的扩大、节目量的增加使得前端停播影响巨大, 不可忽视;其次, 返修设备的数量、返修频率成倍增加, 其可靠性难以完全保证。新架构IP平台投入运行后退出系统的设备可得到最恰当的利用, 一是业务测试、技术培训, 二是作为主用平台的应急备份。主、备平台的切换, 包括主平台中的所有关键环节的主、备设备的切换使用。使用原则是故障发生时先切换备份保证传输不中断, 在系统传输稳定之后再择时排查故障、定位设备并送厂返修。测试平台、主平台及二者共用部分的备份切换结构如图1所示。
1.1主平台IP、ASI混合结构
根据国家广电总局62号文《广播电视安全播出管理规定》“技术系统分级配置”、“配置完整有效的容灾系统, 保证特殊情况下主要节目安全播出”及有线电视前端二级保障要求、重要节目的分类、分级保障管理等要求, 对重要节目采取双机热备自动冗余的传输配置。取出中央台节目、本省节目、本市节目及高清节目、中数传媒40套付费节目, 共80套节目, 采用IP架构入网传输。其余节目保持原来的ASI架构, 取消ASI矩阵改用设备冷备方式, N+1备份, ASI架构输出的射频节目与IPQAM信号混合后进入光分配网络下行传输。替换下来的旧设备修好后能用的, 组成测试平台作备用系统。其中ASI矩阵因为故障频繁影响整个系统节目码流调配, 且维护、恢复操作复杂, 故障处理过程中易造成长时间节目停播, 决定完全放弃使用。原设计中保留下来的ASI接口设备在去掉ASI矩阵后靠人工切换, 手动导入参数、变更线缆连接, 实际操作中更可靠。但前端节目处理系统中同时有多套软、硬件网管系统存在, 对于网络管理员无疑提出更高要求。比如, 哈雷设备NMX网络管理软件就需要两个版本, 两台独立的服务器, 分别管理主平台的两种架构。另外, 为防止系统崩溃而完全独立存在的测试平台, 以及主平台中ASI架构中新增的第三方厂家设备等。
1.2 IP平台
硬件层面, 核心交换机Cisco3750双机冗余热备, 考虑到参数配置复杂、设备更新采购时间长等因素, 需另外冷备一台。复用器Prostream1000、IPQAM BNSG9000都采用双机, 并分别冷备主要板卡2~3块;中央四台、中央NEWS频道卫星接收机双备份, 采用SOCKET备份策略。中央二、七、十、十一、十二套节目流的卫星接收机同样采用双机SOCKET备份方式。另外冷备了5台Proview7000卫星接收机 (双IP输出+4ASI输出) 、3台Scopus3100双ASI输出卫星接收解密器, 均按照10+2配置。中央一、山西卫视、EPG、广告流分别经TS流切换器和TS流分配器输入两台互备的复用器Prostream1000的ASI输入端口。其中中央一套、山西卫视都取卫星、省网光缆干线信号作信源, 中央一套另外还取广电国家干线信号作主用信号。EPG、广告播发服务器分别采用两台软硬件配置完全相同的服务器热备份、手动切换;IP信号源中只有单IP输出的接收机, 其Gbe端口输出信号先进入Cisco2960交换机进行汇聚, 再分别进入两台核心交换机Cisco3750作为主、备复用器的信号源。复用器输出采用Slate方式由彩条信号作为故障节目的垫播。两台IPQAM的RF输出用RF切换器做二选一, 防止设备故障时两台设备同时输出产生的同频干扰。
双IP输出的卫星接收机以及本地节目编码器, 其输出端口都设置为镜像输出, 主、备Gbe端口同时输出IP格式视音频信号。复用器输入、输出IP端口中, 主口工作, 备口处于静默状态, 一旦发现主口接收不到信号备口自动启动。主备复用器之间采用哈雷“握手协议” (HHP) , 备机时刻自动检测主机工作状态, 一旦主机无法启动或无法从核心交换机提取节目源, 则备机自动启用, 接替主机工作。两台调制器BNSG9000之间同样使用HHP协议, 通过相互检测工作状态来实现无缝切换。复用器、调制器主备端口、主备设备的切换启动优先顺序为:主机主口、主机备口、备机主口、备机备口。IP架构中核心交换机、复用器、调制器的连接如图2所示。
IP架构中两台IPQAM的备份切换设计结构如图3所示。IP架构中单、双Gbe接口输出接收机的使用, 如图4所示。
在信源方面, 借助特定的地理条件做了多重保障:卫星接收天线在水平相距80m、高差近25m的两个平台上分别安装了主、备后馈式天线共12面, 以4.5m口径为主, 提供卫星信号接收能力;同时通过山西省网光缆干线及中国有线国家干线网西北环取得中央一、二、七、十、十一、十二及中央三、五、六、八、新闻、少儿等节目, 在保证省台7套自办节目安全传输的情况下, 还为山西卫视及央视主要节目提供了地面光缆路由双向自愈环结构的信源安全保障。
在前端平台服务器时钟同步方面, NTP时钟服务器进行了双系统独立冗余备份, 充分考虑了时钟源稳定性, 采用我国自主研发的北斗导航卫星系统与GPS两套信号接收、处理系统互备的方式, 加上高稳晶振守时单元, 共同向所有网络服务器提供精确的基准时钟同步信号。系统内各服务器操作系统中分别配置3个NTP服务器IP地址, 按照主、备、辅的优先级从时钟服务器提取同步信号。NTP时钟服务器的独立冗余备份结构如图5所示。
而在软件层面, IP架构的传输系统主要应用了组播技术、SOCKET备份、SLATE备份, 以及HHP。其中组播技术采用D类组播地址, 包转发基于源地址。同一台设备的两个IP格式输出节目流使用同一个组播地址, 相应的两个物理Gbe端口因为向两台对应的核心交换机分别提供信号, 所以分别配置不同的视频IP地址。在复用器中经码流复用处理后的传输流可以给同样的内容配置不同的组播地址, 例如加扰后的和未加扰的, 便于测试及经由复用器向其他应用提供内容。
组播技术的优点之一就是使用方便。对一个音视频节目流只指定它的信源地址而不指定目的地, 不指定接收对象。同一内容可传输至不同的对象, 数据流在每一条链路上最多仅有一份, 不会造成网络资源的浪费, 方便调试, 而不像ASI格式需要为每一个点对点的传输都配置一条物理传输线缆。尤其是可以穿越WLAN, 在同一交换网络或广播域内, 组播是可达的, 方便在不同网段的子网之间灵活使用。发送端和接收端不需要在相同的网段内, 不需要在交换机、路由器中专门进行特殊配置, 维护更简单。组播技术支持的哈雷网管SOCKET备份能力使重要节目的备份切换得以更简单地实现。在接口方面, SOCKET要求设置为镜像备份、作为节目源层面的互备信号的两个流同属IP格式, PID、内容完全一致, 并且由同一台复用器的同一块IP板卡的同一个Gbe端口输入;哈雷NMX网管软件的SLATE垫播策略, 提高了对节目的管理能力。
SLATE备份方式在复用器输出环节配置, 用相同或不同格式的信号为一套或多套节目做信号输出故障时的垫播, 比如彩条信号的垫播使用。HHP在两台互备的服务器之间启用, 备机时刻自动检测主机工作状态, 一旦主机无法启动或无法从核心交换机提取信号, 则备机自动启用并接替主机工作。通过这种时刻相互检测工作状态来实现主备机的无缝切换。
2存在的问题及设备升级、更新、维护要点
IP架构结构简单, 设备间连线少、连线类型单一, 全部采用五类线RG45头的连接方式。前端信号处理系统所有类型设备都采用双机热备的配置, 加上HHP协议的采用和SOCKET、SLATE备份策略的支持, 系统安全性得到更进一步保证。但相对ASI架构来说, IP系统同样存在二者共性的缺点和这一架构特有的缺陷。因此还需要在以下几方面进行补充完善。
1.网管服务器的备份。过于集中的设备管理、信号调度管理, 使得系统所有功能都依赖于NMX网管软件, 一旦网管服务器误动作可能造成无法想象的后果。一次不明原因的条件触发曾经引起全网所有设备参数自动卸载、IP平台所有节目停播。日常播出工作中须保持网管监控界面的24小时开启, 不定期巡检设备告警。操作界面则用密码管理, 一般不打开, 防止偶然因素导致的服务器误动作。同时为避免网管服务器硬件故障导致配置失控, 还需要冷备一台网管软件及版本一致、参数相同、硬件完全相同的服务器。
2.测试的相对复杂。组播流的测试与码流分析需要指定其组播地址, 需要查找核对系统规划, 不像ASI接口只要线缆、接头完好, 连接正常就能读出各项指标。
3.使用中要注意定期进行主备机之间的切换, 轮流使用, 确保备品、备件的可用性和备份机制的有效性。设备更换 (冷备份方式) 后标签要及时更新, 主备切换后 (热备份方式) 备份机要重新指定、冗余策略要重新配置。增加、减少设备、改变设备型号、变更设备间连线等等操作, 在系统结构变更后资料要及时更新, 同时尽快组织技术维护人员熟悉情况, 便于故障时准确判断迅速定位;技术培训要制度化、常态化, 及时通报系统、设备、端口、连线层面各种变更, 让维护人员及时了解整个数字前端的最新状态;适时考虑第三层备份能力, 利用国干、省网已有的或自己建设异地灾备系统。如借力国家干线网西北环的双路由环网自愈能力备份中央电视台主要信号、借助山西省网北干线在建双路由SDH环传送省台7套自办节目和100多套清流数字电视信号。省网两条不同路由传送的信号在机房分别经各自OTN子框、板卡处理, 复用、调制, 再二选一切换后作为我们前端平台的备用信号。如图6所示。
4.设备升级。前端数字电视平台设备安装调试后投入正式运行近6年时间, 一直处于24小时不间断运行状态, 目前已经进入全面的维护、检修期, 故障频繁, 而且随着节目增多、业务扩展, 需要处理的数据量成倍增长, 对设备计算能力、运行速度有更高要求, 大量陈旧设备、服务器等亟需升级、更新。但是随着近几年国际性专业公司兼并重组趋势加剧, 许多产品有的停产, 有的只提供更高档次的产品, 备件更换困难, 维修成本太高甚至无法维修, 升级的目标产品价格成倍、十几倍增长。这种情况下只能在软件厂家提供的硬件兼容性测试合格列表中选择运算能力满足要求且价格能够接受的厂家、型号来采购。升级时要考虑产品的采购周期;采购时要考虑新产品将来的维修周期, 考虑售后服务的便利性。为保证运行的稳定性要一次性配齐主、备机。
5.更换下来的旧设备应合理利用。随着旧设备逐步退出主用平台, 由N+1备份变为1+1备份, 逐步增加新设备的采购;不便管理的, 转入测试、备份平台使用。新业务开发过程的测试和日常业务培训, 以及系统级的备份, 都是需要的。定期的厂家软硬件巡检时一定要安排对主、备设备都进行检查, 实践证明, 这些考虑对保障安全播出十分必要。
6.根据设备重要性分级备份。有些设备比如节目加扰部分, 不一定非要双机热备, 特殊情况下也可以清流播出以应急。前提是能够确保设备在短时内可以得到修复, 或新设备采购周期不长不会对正常运营造成太大影响。
3结束语
ASI/IP混合架构的数字电视前端信号处理系统充分利用大同在国家广电干线网中独有的区位优势和省网节目平台的异地灾备功能, 合理利旧, 建成备份平台并引入稳定的备份信源。通过启用IP技术支持的SOCKET、SLATE备份策略与哈雷网管提供的HHP检测切换功能, 做到了平台级、设备级、端口级多层次冗余备份, 为前端安全播出打下良好技术基础。配合细致、规范的日常巡检、维护、培训, 在管理上落实到位, 未来的安全播出工作一定会更上一个新台阶。
参考文献
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混合网络数字电视 篇5
近年来,数字物理混合仿真技术越来越广泛地应用于电力电子和电力系统领域,是研究分析由大规模电力电子器件构成换流器的交直流混合电力系统的有效手段。数字物理混合仿真又称硬件在环(HIL)仿真,其结合了实时数字仿真和动态物理模拟仿真的优点,既可以对大规模复杂电网进行实时数字仿真,也可以对含大规模电力电子器件开关快速动作的换流器进行精确模拟,大大提高了仿真的效率和仿真的性能[1,2]。
国内外学者已将数模混合仿真技术广泛应用于继电保护系统开发测试[3,4]、功率变换器控制器[5]及电能质量调节器[6]等电力电子换流器开发设计中,这类系统中数字仿真侧和物理模拟侧之间交互的信号都在低功率水平,称为控制信号硬件在环(CHIL)仿真。对于数字侧与物理侧既有信号流,又有功率流的数模混合仿真[7,8,9,10,11],需要转换设备和适当的功率放大器等接口装置,这类系统仿真称为功率连接型硬件在环(PHIL)仿真。文献[12]为了研究实际同步发电机与模拟电力系统之间的相互作用,开发了一套实验室测试装置;文献[13]建立了一个1 MW的风力发电机机舱测试平台;文献[14]将一个2.5 MW变速电动机驱动器与实际电力系统相连,通过与仿真系统连接的可变电压源集成驱动,实现了数字物理混合仿真。PHIL仿真技术因其具有的优点,将在未来电力系统分析研究中发挥重要作用。但与相对成熟的CHIL仿真技术相比,PHIL也有许多新的问题需要解决。在PHIL仿真过程中,由于功率接口引入的误差,如时间延迟、畸变等,给仿真系统的稳定性和精确性带来了系列问题[15,16,17]。为了使PHIL仿真技术更有效地应用于电力系统分析研究中,需要采用合适的接口算法和控制方法提高其性能。
接口算法是PHIL仿真系统的关键,针对不同研究对象,采取合适的接口算法,可以有效提高PHIL仿真系统的稳定性和精确性[18,19,20]。很多专家学者已对其进行了深入的研究,截至目前,接口算法主要有以下5类[21,22,23]:理想变压器模型(ITM)算法、部分电路复制(PCD)算法、阻尼阻抗法(DIM)、时变一阶近似(TFA)算法、输电线路模型(TLM)算法。ITM算法是最传统、实施起来最方便的一种接口算法,已被应用于各领域PHIL仿真研究中[24,25,26]。PCD算法也被成功应用于大型电路仿真软件SPICE中[27]。文献[7,8,9,10]采用基于行波理论的输电线路模型法实现了高压直流输电系统数字物理混合仿真。但不同接口算法在保证PHIL仿真系统稳定性与精确性方面各有优缺点,如何根据实际仿真系统设计接口算法是目前需要解决的难点问题。
本文在分析功率接口所带来的稳定性和精确性问题的基础上,对各类算法的基本原理、优缺点以及改进算法进行了分析;对比分析了各类算法的特性及其适用领域,并通过仿真验证了常用接口算法的稳定性和精确性性能。最后根据现有算法的问题与不足,结合当前电力系统仿真技术的新需求,对接口算法需要解决的关键技术问题和发展趋势进行了展望。
1 PHIL仿真系统的结构原理及存在的问题
PHIL仿真系统主要由数字仿真系统(DSS)、物理仿真系统(PSS)和功率接口3个子系统构成,其具体结构如图1所示。
DSS子系统通常为大规模的交流系统,运行于实时数字仿真器中。在仿真运行过程中,数字仿真器在每个积分步长内需要完成外部信号的采集、模型的实时求解以及对PSS子系统进行激励等功能。PSS子系统主要包括按一定模拟比缩小了的物理模型,以实现对实际系统中电气元件的精确模拟。
功率接口子系统连接DSS和PSS子系统,实现两个子系统间的能量和信息交换。主要由接口硬件装置和接口算法两部分组成。其中,接口硬件装置包括数模转换器、模数转换器、四象限功率放大器和电压/电流互感器等装置。功率放大器通常为大功率电压源变换器,在分析研究时,通常将其等效为延迟环节和受控电压源的组合。数模转换器将DSS侧的数字信号转换为模拟信号,经功率放大器放大后传递到PSS侧,以驱动物理模型正常工作。但此过程中,如果在tk时刻,功率放大器引入了误差ε,则在物理侧会产生相应的系统电流误差Δi2,以电压型ITM算法为例进行推导如下:
式中:Δv2为接口装置产生的电压误差量;ZH为物理侧的等效阻抗。
相应误差量将被电流互感器采集,经模数转换后,反馈回实时数字仿真系统,参与下一仿真系统状态的求解,结合式(2)和式(3)计算可得其在数字侧电压v1中所产生的误差。
式中:uS为DSS子系统电源电压;Δv1为数字侧电压误差量;i1为数字侧电流;ZS为数字侧的等效阻抗。
以此循环下去,若ZS/ZH>1,该误差量将被不断放大,最终导致系统失去稳定,此即接口稳定性问题。此外,由于接口延时和互感器噪声等的存在导致PHIL仿真系统与原始系统难以保持一致,此即接口精确性问题。因此,功率接口的引入导致了PHIL仿真系统稳定性和精确性问题,而接口算法具有传输信号处理的功能,其对于PHIL系统的仿真特性有着至关重要的作用。
2 接口算法
2.1 ITM算法
ITM算法是PHIL仿真技术最早采用和最易实现的方法。根据被放大信号的类型,该算法分为电流型ITM算法和电压型ITM算法,其结构如附录A图A1所示。
ITM算法是以电路中的替代定理为理论依据,以常用的电压型ITM算法为例,其数字侧采用受控电流源来等效模拟物理侧电路,控制电流是实际物理侧电流互感器的量测电流经模数转换后得到的;物理侧采用受控电压源来等效模拟数字侧电路,其控制电压是数字侧电压经数模转换和功率放大器放大后的结果。在考虑各环节总延时的情况下,可得ITM算法的等效开环传递函数为:
式中:td为接口延时。
根据奈奎斯特稳定判据,可知电压型ITM算法稳定的充要条件为:
ITM算法的优点在于其原理简单,且易于实现。其缺点在于接口稳定性取决于ZS和ZH的大小关系,在实际系统中,ZS和ZH的值可能是变化的,致使其稳定性较差,在一定程度上限制了该算法的应用;同时,由接口延时所产生的仿真误差会在每个仿真步长内进行累加,将对仿真的精确性产生影响。针对该算法存在的不足,衍生出诸多改进的ITM算法。
2.1.1 稳定性改进算法
1)增加电感(HIA)法
对于电压型ITM算法,根据其稳定性判据,文献[28]中提出在物理侧串联接入一个电抗器LADD来提高功率接口的稳定性,这是最简单易行的方法,其LADD的最小值应大于L*ADD(系统稳定的临界附加值),以此来保证接口的稳定性。但由于附加的电抗器会影响仿真的精确性,因此需要选取合适的电感值。
2)反馈电流滤波(FCF)法
文献[29]中采用FCF法有效改善了接口的稳定性,其核心思想是将物理侧实测电流经过适当的滤波器反馈回数字侧,通过这样的处理,改变了开环传递函数,并可通过修改滤波器参数来折中满足功率接口稳定性和精确性的要求。但实际仿真中,该滤波器的参数选取较复杂,还未形成完善的设计方案。
3)多速率分区(MRP)法
基于现代实时计算系统的体系结构,文献[30]提出了MRP法,对不同的子系统采用不同的积分步长来模拟仿真。通常将仿真系统分成多个不同采样速率的子系统,主要分为慢速采样子系统和快速采样子系统,其分区原则取决于网络的拓扑结构及其组成元件。PHIL系统的仿真特性与积分步长密切相关,积分步长越小,其仿真效果越好,但受到实时仿真器计算能力的限制,快速采样子系统的规模有限,只能尽可能多地包含原系统网络,以此来保证系统的稳定性与精确性。实际仿真时,也常采用MRP和FCF相结合的ITM接口算法。
4)切换算法
为了保证系统在各种工况下都能满足稳定性要求,文献[31]提出了改进的ITM切换算法。主要是根据电压型ITM算法和电流型ITM算法的稳定判据正好互补的特性,在电压型(或电流型)ITM算法难以满足系统稳定的要求时,切换到电流型(或电压型)ITM算法的系统,以保证系统的安全稳定运行。该算法的核心问题是如何确定算法的切换条件,目前还没有统一的衡量指标。
2.1.2 精确性改进算法
1)时间延迟补偿法
针对接口延时所导致的仿真结果精确性问题,文献[32]根据交流信号的时移等价于固定频率下相移的原理,提出了一种在反馈电流中增加时间延迟补偿的方法。该方法实现过程主要分为以下三个步骤:首先,对物理侧采集的电流进行傅里叶分解,将其分解至13次谐波;其次,把每次谐波都进行一个相应的相移;最后,将补偿后的电流反馈回数字仿真系统中。该补偿方法的不足是它假定系统的基频是固定的,但当系统频率变化时,可能会产生误差。此外,当接口连接的是瞬态变化的系统,其就不能正常工作,这是因为该方法无法预测系统的运行状态。
文献[33]对上述算法进行了进一步的改进,其时间延时补偿过程与前述方法相似,不同之处在于补偿对象是实时数字仿真侧的电压信号,且采用的是实测的频率,有效避免了系统频率变化所带来的误差。但仍存在不适用于瞬态变化系统的问题,同时也受到傅里叶计算时间的限制,无法实现对所有谐波进行处理。为了提高该方法的精确性,应在保证实时仿真的同时尽可能多地对谐波进行补偿。
2)附加接口滤波器法
文献[34]在分析影响PHIL仿真精确性因素的基础上,提出在数字侧和物理侧附加接口滤波器的改进算法,该算法是利用高通滤波器在低频区呈现高阻抗、在高频区呈现电阻性能的特性来提高仿真的精确性,具体表现为频率的补偿和对噪声的免疫,同时也提高了接口的稳定性。但其只是改善了仿真的精度,并没有完全消除时间延迟所带来的误差。
2.2 PCD算法
PCD算法最早是由R.Kuffel等人提出的,其思想源于稀疏技术,该方法先将原始电路划分为多个子电路,再利用迭代法求解,其接口等值电路见附录A图A2。原始电路中的连接阻抗ZSH被同时连接在了数字侧和物理侧[35]。
PCD算法的开环传递函数为:
分析可知,对于一个电阻性网络,PCD算法稳定性要高于ITM算法,这主要是由于它可以很容易地实现GOL_PCD的幅值小于1。若该算法在指定应用中是收敛的,则可通过足够多的迭代次数来保证其精确性,但在实时应用中,每个积分步长只能进行一次迭代,因此每次迭代的误差应尽可能的小,即ZSH的值要尽可能大于ZS和ZH,以提高系统的仿真精度。
PCD算法相比于ITM算法具有较高的稳定性,但由于在实际应用中很难实现ZSH的值大于ZS和ZH,导致其仿真精度较低,限制了该算法的推广应用。
2.3 DIM
DIM在电压型ITM算法和PCD算法的基础上,增加了一个阻尼阻抗Z*,结合了两者的优势,呈现出较好的精确性和稳定性特性。采用该算法的PHIL仿真等值电路见附录A图A3。分析可知,当Z*=0时,ZSH和Z*间的节点电压v*(t)=v1(t),DIM变成了PCD算法;当Z*趋于无穷大时,相当于开路,数字仿真系统中流过的电流就等于i1(t),DIM转化为ITM算法。因此,根据Z*的取值,可使其接口稳定性介于PCD算法和ITM算法之间。该算法的开环传递函数为:
由式(7)可知,当Z*=ZH时,GOL_DIM=0,PHIL仿真系统是绝对稳定的,同时一个积分步长内所产生的仿真误差也不会传递到下一个积分步长中,有效提高了仿真的精确性。因此,在已知物理侧结构参数的情况下,DIM在稳定性和精确性方面都优于其他接口算法。
由于硬件侧不是理想模型,获取ZH的精确值并不容易,且其值也可能是变化的,因此,如何实现物理侧等效阻抗的实时跟踪是一个关键问题,专家学者们也相继提出了DIM的改进算法,主要包括以下3种。
1)阻抗匹配法
针对DIM存在的问题,有学者提出了利用物理侧电压电流有效值实现在线更新Z*的改进算法[18],但该算法只适用于物理侧是阻性负载,其应用局限性较大。因此,文献[36,37,38]中采用分别计算等效电阻R*和等效电感L*的方法对其进行改进,通过获取物理侧电压电流的基频有效值和相角差来求解出R*和L*,进而实现负荷的动态阻抗匹配,提高仿真的精确性和稳定性。然而,该算法是在假设系统频率不变的基础上实现的,当系统频率变化时,获得的L*值是不精确的,且当物理侧是未知的有源系统时,该算法便不再适用。
2)宽频带系统识别法
为了实现DIM阻抗的实时匹配,宽频带系统辨识技术被应用于DIM算法中[39]。该改进算法主要是通过在功率放大器中注入白噪声扰动,得到小信号响应,再利用互相关分析方法求出宽频带估计阻抗,最后采用最小二乘法拟合得出实时更新的阻尼阻抗Z*,从而保证动态和瞬态条件下接口的稳定性,并有效提高仿真的精确性。然而,该算法具体实施应用非常困难,其实用性有待进一步验证。
3)SDIM-ITM接口算法
文献[40]提出了简化阻尼阻抗算法(SDIM)和ITM相结合的新型接口算法,其中SDIM采用戴维南等值模型实现Z*的实时跟踪[41]。该算法的实时数字仿真系统中有两套相同的子系统,分别采用SDIM接口和ITM接口。仿真过程中物理侧只由ITM接口进行激励,而由SDIM接口所连接的子系统提供数字仿真结果,有效结合了SDIM和ITM的优点,具有良好的仿真效果。但由于其在数字仿真系统中有两套子系统,占用计算资源较大,限制了该方法在大规模系统仿真中的应用。
2.4 TFA算法
TFA算法是在假定物理侧系统可简化等效为一阶线性系统(RC或RL系统)的基础上提出的[42,43]。其主要是利用历史仿真数据,在仿真过程中求解物理侧模型的系数并进行在线更新,进而实现在数字仿真侧修正接口所带来的误差。其接口等值电路如附录A图A4所示。以RL系统为例,对TFA的基本原理进行分析。
假设其物理侧满足式(8)的等式约束。
式中:a和b为未知系数;i2和v2分别为物理侧电流和电压。
对其进行梯形近似并整理可得:
式中:α和β为未知系数,可通过式(10)得到。
进而可根据上一仿真步长中的电压v1(k-1)和电流i2(k-1),近似求出物理侧电流i2(k),反馈回数字仿真侧,通过反复迭代,最终实现对仿真误差的修正。
TFA算法本质上是一种预测算法,不适用于非线性系统和高频系统。此外,该算法还存在以下缺点:1当电压和电流变化缓慢时,可能会导致矩阵奇异,严重时会导致振荡;2稳定性较差;3对噪声非常敏感,在实际应用中可能难以满足精确性的要求。因此,TFA算法难以实际应用。
2.5 TLM算法
TLM算法是将数字侧和物理侧间的连接电感或电容按TLM来处理,然后再根据分布参数传输线路Bergeron等效模型对其进行计算[44,45]。其接口等值电路见附录A图A5。其中,Zeq为L/τ或τ/C,为线路特性阻抗,τ为线路行波传输时间,L和C分别为单位长度电感和电容,在PHIL仿真中,其值应大于等于接口延时td,以实现对td的精确补偿,保证仿真的精确性。
由于TLM算法是严格基于梯形近似法实现的,其稳定性较好。同时,利用等效TLM算法实现数字侧和物理侧的解耦较为方便,且易实现,已被广泛应用于电力系统仿真领域中。但该算法也存在一定缺陷,在仿真过程中,td可能会随着负载状态或信号频率变化而改变,τ为固定值时将会降低仿真的精确性。Zeq的数值依赖于解耦元件,只要仿真系统发生变化,Zeq也会跟着改变,其灵活性较差。此外,其对连接线路长度也有严格要求,限制了该方法的应用领域。
针对短线路连接系统,根据线路行波传输时间τ由其传播速度v和传播距离l决定的原理,文献[46,47,48,49]采用了如下解决方案。
1)通过增加线路长度l来满足时序要求,但同时也增加了系统损耗。
2)在不改变线路长度的情况下,增加单位长度电感L或电容C,达到使τ增加的目的,同时在接口中进行相应补偿,保证仿真系统暂稳态特性保持不变,但实现起来较复杂。
3)利用原仿真系统中的无功特性元件进行解耦,无需附加C或L,简化了操作,但是适用领域有限。
3 接口算法的对比分析
各类接口算法在PHIL仿真中具有不同的仿真性能,结合国内外相关研究成果,分别从算法稳定性、仿真精确性以及实施难易度方面对5类算法进行对比,结果如表1所示。表中,☆越多表示性能越好。
通过对不同算法特性的对比分析,可得如下结论:1由于TFA算法的低稳定性和PCD算法的低精确性导致两者难以被推广应用,逐渐淡出接口算法的研究领域;2通过合理选择电压型ITM算法或电流型ITM算法,可使其在不同系统研究中具有良好的特性,但由于稳定性相对较差,限制了其在非线性系统中的应用;3TLM算法凭借其自身的延时补偿性能,有效提高了仿真系统的精确性,但由于其灵活性低,在非线性系统研究中性能较差,且实现起来较复杂,使其应用具有一定的局限性;4在实现阻抗实时匹配的基础上,DIM的特性要明显优于其他算法,但对于硬件侧未知或结构复杂的仿真系统,其阻抗匹配方法需要进一步的研究。
结合第2节的分析和上述综合比较,可以看出,ITM算法、TLM算法和DIM仿真特性较好,是目前PHIL仿真系统中具有应用前景的三类接口算法。因此,本文对其进行仿真对比分析,进一步验证三类算法的有效性及其适用性。
3.1 ITM算法、TLM算法和DIM的仿真分析
为了有效地分析ITM算法、TLM算法和DIM的稳定性和精确性,在PSCAD/EMTDC中搭建了如图2所示的简单系统模型,其DSS和PSS之间分别采用电压源型ITM算法、TLM算法与阻抗实时匹配的DIM接口连接。仿真步长为20μs,仿真时间为2s,硬件延时均为100μs,具体仿真参数如下:数字侧等效电源US为10kV,物理侧等效电源UH为4kV,数字侧等效电阻RS和电感LS分别为5Ω和0.01 H,物理侧等效电阻RH和电感LH分别为10Ω和0.012H,线路连接电感LSH为0.001H。
3.1.1 稳定性对比分析
为了验证物理侧参数变化后,三类接口算法的稳定特性,在系统运行1s时,改变其物理侧阻抗,使其电阻和电感都增加至原来的1.5倍,1.3s时,都减小为原来的50%,进而得出参考系统与ITM算法、TLM算法、DIM接口系统数字侧电压的对比波形如图3所示。
由图3可以看出,当物理侧阻抗在运行过程中发生变化时,TLM和DIM算法可以保证系统安全稳定运行,而当物理侧阻抗小于数字侧阻抗时,ITM接口系统失去稳定,与前述稳定性分析结果一致。
3.1.2 精确性对比分析
PHIL仿真系统的稳定性是全局的,而其精确性却是局部的,这是由于经过接口算法的处理,DSS与PSS将呈现不同的仿真精度,为此本文将对两子系统分别进行精确性对比分析,并同时考虑了PSS为线性系统和非线性系统两种情况。
1)PSS为线性系统
采用上述系统仿真参数,在稳定运行基础之上对比分析DSS侧的电压波形以及PSS侧的电流波形,并以参考系统为标准,结合式(11)对其进行绝对误差分析,仿真结果如图4和图5所示。
式中:X为对比变量;Xorig为参考系统变量。
通过对比分析可知:对于DSS子系统而言,DIM算法相比于其他接口算法具有较高的仿真精度,TLM算法的精确性也要优于ITM算法;而对于PSS子系统,由于TLM算法具有延时补偿特性,其仿真精度要高于其他算法,并且相位超前,因此仿真精度受接口延时影响较大,可通过延时补偿控制方法来提高PHIL系统的仿真精确性;ITM算法精确性略高于DIM,与之前仿真精度的理论分析基本一致。
2)PSS为非线性系统
在图2系统物理侧添加一个二极管后进行仿真,可得PSS非线性系统情况下,三种接口算法精确性对比结果如图6所示。
对仿真结果分析可知,TLM算法受非线性系统的影响较大,其DSS侧电压发生了畸变,仿真精确性较差;ITM算法和DIM算法则几乎不受非线性系统的影响,仿真特性与PSS为线性系统时基本相同。
综合上述分析,在实现阻抗实时匹配情况下,DIM相比于ITM算法和TLM算法具有较高的稳定裕度和仿真精度,更加适用于物理侧阻抗参数时变或非线性的系统。
4 结语
接口算法直接制约了PHIL仿真系统的性能,是数字物理混合仿真系统中需要解决的关键问题之一。本文在分析PHIL仿真系统结构及其接口问题的基础上,对接口算法基本原理、各类算法的研究现状及其优缺点进行了叙述和总结,对比分析了各类算法的特性;从分析结果可以得出,ITM算法、TLM算法、DIM具有较好的应用前景。ITM算法接口稳定性较差,TLM算法在非线性系统中仿真精度低,实现过程复杂,DIM的阻抗实时匹配较困难,是各类算法应用需要解决的关键问题。
针对PHIL仿真系统的全新特征及其发展需求,未来接口算法研究的发展趋势主要包含以下几个方向:1对于不同研究系统,根据实际物理系统已知的结构参数求取其等效阻抗或利用参数辨识技术获取未知系统阻抗参数来实现DIM阻抗的实时匹配是亟待突破的难题;2随着实时数字仿真系统运算能力和速度的不断提高,将SDIM-ITM接口算法应用于大系统仿真是一个可行的方案;3TLM算法实现较为复杂,如何将接口集成化、模块化是TLM算法需要解决的关键技术;4接口硬件装置参数对仿真效果有较大影响,如何根据系统信息设计选取低输出阻抗、宽频带和延时小的接口硬件装置或调整接口电路参数提高仿真性能是研究的重点;5研究开发可以同时保证PHIL仿真稳定性和精确性,且不受物理侧参数影响的接口算法具有重要的研究意义。
数字科技馆中混合现实技术的应用 篇6
关键词：数字科技馆,混合现实技术,应用
近几年, 在我国提倡的科教兴国战略方针中, 以提升民众的科学文化素养为根本, 将科普知识推广到千家万户。在科学技术不断发展的新局势下, 新知识的发现层出不穷, 如今仅依靠简单的科普推广手段很难对民众实现新知识的普及。因此科普推广工作需要进行改革, 科普推广形式需要进行创新。基于此, 混合现实技术的提出很大程度的满足民众对新知识的认识。在科普知识的推广过程中, 合理使用混合现实技术不但能让广大民众切身感受到新知识, 而且还能提升民众的认知能力。因此这也和“既方便学习新知识, 又能切身体验”的数字科技馆建设理念相吻合。
1 混合现实技术概述
1.1 混合现实技术的涵义
所谓的混合现实技术是根据虚拟现实和增强现实演变而来的, 它们技术特征之间存在着一定的联系。美国多伦多大学工程学院的Paul Milgram教授对混合现实技术 (Mixed Reality, 简称MR) 是这样解释的:混合现实技术就是将我们的真实环境和虚拟环境共同呈现在一个画面中。除此之外, 他还对“真实--虚拟连续集” (reality-virtuality continuum) 进行了定义, 把真实环境和虚拟环境看做两个极点, 然后再和轴线中间的增强现实 (也叫作扩展现实) 与增强虚拟组成一个体系, 这个体系就叫做混合现实体系。但是混合现实能够满足虚拟连续极值中的每一部分。换种角度来看, 混合现实技术可以推动现实环境和媒体之间的发展。有些人一直认为混合现实和增强现实是一个意思, 然而并非如此, 对于增强现实来讲只是注重虚拟技术服务的真实性。相对来说, 在混合现实中的现实环境与虚拟环境拥有相同的地位, 不论是把现实环境引入到虚拟环境中, 还是将虚拟环境引入到真实环境中, 这些操作都是正确的。除此之外, 混合现实所采用的系统还能有效解决虚拟物体和现实物体之间的矛盾关系。
1.2 混合现实技术的特点
(1) 真实性:在传统的虚拟现实展示技术中, 混合现实技术的特点就是具有一定的仿真性、真实感及身临其境的现场感。对于虚拟现实而言, 它只能依靠电脑来营造出一个虚拟环境, 但是混合现实技术可以有效的将虚拟环境和真实环境融合在一起, 从而致使民众切身感受到不一样的环境, 从中也能让民众获得不一样的感官刺激。
(2) 构想性:构想性在混合现实技术中“不但能够营造出一个逼真的环境, 而且还能根据人们的想象力建立起一个不现实或者绝不会发生的虚拟环境”。这种技术的使用范围极其宽广, 在科学技术不断发展的今天, 随着多媒体技术的不断创新, 计算机技术的不断发展, 现实混合技术也随之演变出多种技术手段。把目前仅有增强现实、虚拟现实等技术取长补短相互融合在一起, 就可以创新出新的混合现实技术手段。先进的科学技术也给混合现实技术的创新奠定了一定的基础。
(3) 实时互动性:混合现实技术把以往的虚拟现实展示手段和过去的实物展示技术融合在一起, 就好比在计算机虚拟环境和现实环境之间建立起了一条纽带, 从而使得广大消费者行走于虚拟与现实环境中间。这样以来可以优化以往的静态展示的信息传递的单一性, 使得人们的信息交流更加的灵活自由。
2 混合现实系统的基本构成
混合现实技术是从虚拟现实的层面上演变而来的, 其各种硬件部分和虚拟现实技术中的硬件如出一辙, 它们之间存在一定的共性。混合现实体系是利用计算机构建起各种虚拟的东西、文字及图片等信息, 随后再将这些信息引用到消费者能看到的现实物体之上。这样以来就能为消费者提供诸多与现实环境相关的信息资料, 从而提升了消费者对现实环境的认知度, 这个过程的关键点在于显示与相关的注册流程。所以说, 头戴显示仪 (vr) 及方位追踪设备都是这种混合现实系统不可或缺的硬件设备。
每个混合现实系统的硬件设施分别是虚拟场景生成器、头戴显示仪、作用于消费者观察视线的头部调整设备、虚拟环境和真实环境所具有的定位装置及交互装置。虚拟环境的生成设备主要任务是虚拟环境的建模、管理、构建及其余硬件设施管理;头部姿态调整设备主要是跟踪用户的视线, 从而保证消费者的视线观察坐标和虚拟环境坐标相互对应;交互设施主要是消费者的感官度及环境改变进行调控的指令输出输入端, 上面所讲的几个功能和虚拟现实系统中的对应部分一致。
混合实现系统里的显示装置一般使用头戴显示仪 (HMD) 。一般头戴显示仪 (HMD) 分为两种类别, 其中一种是透光式HMD (Optical see-through) , 另一种是影像式HMD (Video see-through) 。一般情况下用户在使用透光式HMD时, 只能看到现实环境, 电脑只是把将要呈现的场景在整个显示仪上表现出来。而对于影像式的HMD来讲, 用户使用它不能看到现实中的环境, HMD中的摄像头将现实中的环境采集之后, 再与电脑中的虚拟影像相互结合之后呈现给用户。它与普通的虚拟现实系统属于同一类别, 其系统的图像处理设备在整个AR系统中发挥着重要的作用。其图像处理设备不仅包括几百美元的3D图形加速卡, 而且也涵盖了价值十几万美元的专用图形工作站。除此之外, 混合现实系统中的硬件设施还有人机交互装置, 例如数据手套、6D鼠标器、跟踪器、力反馈装置、语音识别及合成装置等, 这些设备的种类非常多, 其作用也不同。
3 现实混合技术在数字科技馆应用
3.1 应用实例
3.1.1 三维地图展项的应用
科技馆中的三维地图主要利用了地理信息系统、数据库管理、虚拟现实等技术, 就可以方便快捷的找到参观者要找的地方了。首先从外太空开始, 呈现在眼前的是一个转动的地球, 参观者可以通过一只手指在触摸屏上通过移动来转动观看地球的全貌。接着, 还可以点击羊城图标, 就可以看到广州市的全貌了。在这里, 参观者可以观摩广州城市的风光, 也同样可以通过一只手指移动屏幕来寻找我们自己的家园。看完了广州市的全局风光, 还可以通过下面的景点图标, 观看到广州的北京路、白云山麓湖、陈家祠、白鹅潭等各个著名景点。
3.1.2 模拟飞行展项的应用
模拟飞行展项由仿真计算机、视景系统、音响系统、运动系统、操作负载系统等组成。仿真计算机解算描述机载系统特性和飞行动力学的数学模型, 视景系统应用计算机图像实时生成技术, 产生座舱外的景象, 包括建筑物、机场与跑道、道路、灯光、田野、河流、地形地貌等, 视景系统可以模拟雨、雪、云、雾、能见度等气象条件, 以及白天、夜间的景象, 使体验者有身临其境的感觉。运动系统给体验者提供加速、过载等感觉。音响系统模拟发动机噪声、气流噪声等音响效果。模拟座舱具有与真实飞机座舱一样的布局, 其中仪表显示系统实时显示飞机的各种飞行参数和机载系统的运行状态。体验者在模拟座舱内根据窗外景象信息、舱内仪表显示信息, 通过驾驶杆、舵对飞机进行操纵, 操纵量经过转换输入仿真计算机, 解算飞行动力学数学模型, 获得相应的飞行速度、飞行高度等飞行参数, 更新窗外视景和仪表显示, 给体验者带来真实一样的感受。
3.1.3 数字剧场中的应用
这个剧场包含互动游戏和数字影片2个部分。参观者首先看到的在地上缓慢移动的原生态机械虫就是属于互动游戏部分。每一只机械虫代表着一种数字家庭相关的技术或产品。当参观者踩到飘移的机械虫时, 它就会显示它代表的技术名称, 并以光波的形式快速向墙面移动, 逐渐显现出数字城市概念的图形。当4面墙的图形完成时系统便自动进入下一精彩阶段——数字影片的播放。第二部分的数字影片以剧场墙面作为投影面进行影片的播放, 配合天花悬吊反光板反射效果给予观众沉浸感和强烈的视觉冲击。籍此以一种全新的方式向您讲述了什么是数字家庭、为什么要建立数字化家庭、数字化家庭对人类生活的影响、数字化生活包含哪些内容以及数字化手段在目前生活中的应用。由此可见, 混合现实技术中包含了计算机图形技术、仿真技术、建模技术、多媒体技术、人工智能技术、计算机技术、传感器技术等, “虚拟漫游”将有效的把混合现实技术带到了科普展示中, 以此推动了高科技科普场馆技术的发展。
3.2 应用完善
(1) 如果要向参观者介绍混合技术, 那么就需要建立起一个主题展览, 其主要为参观者介绍这种技术的发展过程、原理及使用形式, 以此让参观者更直接的了解到先进的科学技术。除此之外, 参观者还能对现实混合技术产生无限的遐想, 以此使得混合技术不断创新更好的服务于广大民众。如果把现实混合技术当做一种辅助方式, 那么将会提高信息的完整度, 参观者不光重视展品还将会被现实混合技术所吸引。基于此, 在制定展项时首先要判断能否应用现实混合技术, 该技术使用之后会对民众带来什么影响。 (2) 例如有些展项需要将虚拟图形与标识物品融合在一起, 如果把虚拟物品和其他真实物体相互结合, 由于其物品真实存在, 虚实相互结合, 这样将会产生不一样的效果。一般这里有两个问题值得重视, 其一标识物体要与真实物体叠加, 或者标识物用真实物体替代;其二虚拟物体与现实环境要有效结合, 给观众营造出一种逼真的画面感。 (3) 有效使用现实混合技术可视化这一特征, 营造出空间学习氛围, 使用三维视图来吸引参观者的眼球。比如, 某一学者发明出了一个能够提升学生基础化学的增强现实设备, 称作“增强化学反应”, 主要是对化学中的分子及分子反应进行建模。这就是一个典型的现实混合技术应用的案例, 把比较抽象且难以描述的分子形象的展示给学生。这和真实分子之间存在着一定的区别, 其中最大的优点就是不会损坏创造空间。这种虚拟的立体式物品与现实环境相互融合, 当学生融入到这种学习环境中, 就会产生极大的兴趣。同时对某一知识领域有一个系统性的学习, 进而提升学生的学习效率。
4 结语
从当前的发展形势来看, 现实混合技术的发展程度与现实混合技术的科普推广的效果, 直接影响用户的体验感受。由于现实混合技术的管理系统建立在云端架构, 其内容的更新速度极快, 这样以来更加方便民众学习新的知识。现实混合技术内容管理系统主要包括传统出版物、PC、移动终端、智能电视等, 这些都是互联网的进入端。这样可以建造起一个全新的数字化科技馆, 使用先进的科普方式对科普知识、科学精神及科学方法进行推广普及。
参考文献
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混合网络数字电视 篇7
2011年年末, 广电总局下发“限娱令”、“限广令”, 要求省级卫视减少娱乐节目增加公益性节目, 并对电视剧插播广告进行了限制。这无异于在湖心投入巨石, “‘限娱令’催生周播剧”、“‘限娱令’来了, 电视剧笑了”、“电视剧损失广告200亿”等分析性、猜测性新闻, 透露出广电总局新规对电视剧市场将产生的影响。
在高度商业化的美国电视产业中, 电视剧生产是产品核心竞争力所在, 但再好的产品都要受到销售的制约, 发行是联结控制整个电视产业的枢纽, 节目的交易和发行极其重要。美国电视产业主要分为三个环节:生产制作 (电视节目制作公司) , 分销和发行 (联播网, 辛迪加等) , 零售 (地方电视台或有线网络服务商) 。目前, 中国电视剧市场的竞争主要还集中在节目资源的争抢方面, 大剧、独播剧、首播剧乃至自制剧, 都是在上游环节占据优势, 而供应的其他环节, 则因为央视、省级卫视主导的竞争格局被结构性地弱化。
据说, 在颁发两份文件之后, 总局还将针对电视剧题材选择颁布《省级卫视电视剧播出管理意见》。可以说, 从生产到播出, 中国的电视剧市场都将进行洗牌、迎来新变化, 甚或会促使中国电视剧市场发展模式发生转型。
一、电视剧内容制作环节的结构性变化将加剧
2011年, 中国电视剧产量超过1.7万集, 但电视台的电视剧播出时间并没有相应地调整和增加, 每12部电视剧中只有一部在电视上播出, 电视剧在生产环节呈现出数量规模的饱和。但另一方面, 各大电视台对于精品剧都“抢着要”, 视频网站的优质剧目需求也在攀升。2012年, 在数量与质量的非均衡状态下, 电视剧的市场竞争将进一步被激化, 内容制作领域的产业化程度受到更广泛的关注。
1. 文化产业基金对影视剧的导向性投入增加
此前, 国家出台《文化产业振兴规划》以及多项推进文化体制改革的政策, 推动大批国有文化企业进入股份制改造进程。特别是《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》和十七届六中全会的召开, 明确提出“推动文化产业成为国民经济支柱性产业”。国家的宏观政策为投资影视产业创造了良好环境, 许多创投机构都将文化产业作为重点关注的领域。2009年10月, “电影第一股”华谊兄弟成功登陆创业板;2010年, “电视第一股”华策影视上市。
在财富效应的刺激下, 更多的私募股权基金涌入影视产业。2011年4月, 由建设银行发起的中国首只以广播、影视、出版行业为重点投资方向的文化产业基金——建银国际文化产业股权投资基金正式启动, 规模20亿元;4月, 腾讯公司正式设立影视投资基金, 规模为5亿元人民币, 主要投资电影、电视剧的制作项目和有成长性的影视制作公司;5月, 由中央财政注资引导的中国文化产业投资基金, 获得国家发改委的正式批复, 首期募集规模60亿元;7月, 无锡广电集团与华映资本共同成立无锡华映文化产业基金, 首期投资2亿元, 最终募资规模达10亿元。截至2011年, 针对影视剧进行创投的基金就有一壹影视文化投资基金、“铁池”文化产业投资基金、汇力星影投资基金、大摩华莱坞基金、凤凰文化产业基金、云锋基金等十几家。可以预见, 在资本的推动下, 中国电视剧的内容生产将步入快速发展期。
相对于电视平台的有限, 网络平台成为电视剧播出一个很好的突破口。图为搜狐、乐视、腾讯几大视频网站页面。
2. 网络视频等新媒体平台成为新加入的强劲对手
2011年的影视剧市场与众不同, 大量的“非知名非专业的写作爱好者”提供了优秀的影视剧本, 新媒体写作群体性参与推动了影视剧本市场的繁荣。以电广传媒的东家湖南卫视为例, 2011年三季度后播出的三部主打电视剧清一色改编自网络小说, 包括《步步惊心》、《千山暮雪》。
2011年, 视频网站通过超募资金 (如乐视网) 、IPO (如土豆网) 、私募融资 (如PPTV) 拥有了购买影视版权的能力, 相对于电视台的有限数量, 网络成为电视剧播出一个很好的突破口。公开信息显示, 刚播出的电视剧《后宫·甄女擐传》也出自网络小说, 乐视网以超过2000万元的总价购得该剧的独家网络播放权。同样根据网络小说改编的电视剧《浮沉》还未上映, 即被媒体公司以超过3000万元的价格购得独家网络播放权。
事实上, 电视剧在网络上的传播效果真的让人瞠目结舌, 《宫锁心玉》点击率破亿、《高手如林》点击率过亿、《步步惊心》点击率破亿、《永不磨灭的番号》网播过亿、《男人帮》点击率4天破亿、《倾世皇妃》点击率过3亿、翻拍自热门经典剧作的《新还珠格格》在腾讯视频的总播放量甚至达到了9亿……这些数据足以让各大视频网站在影视剧版权购买上加大砝码。
随着视频网站观众数量的增长和客户对其广告价值认知的增加, 网络视频广告在2011年增长提速, 据艾瑞咨询发布的2011年第三季度在线视频核心数据显示, 第三季度中国在线视频市场规模环比上涨30.9%, 同比增长96.7%, 连续三个季度同比增长保持在100%左右。可以预见, 视频网站将继续成为电视剧播出的重要渠道和终端, 对传统电视台构成强劲竞争。
3. 总局政策将成为电视剧市场转变的导引
在中国, 电视台需要担负政治宣传功能, 这往往造成电视剧等节目政策的非连续性。如何在政策与生产规划之间寻求一个平衡点, 是当下电视剧生产方所面临的一大难题。与成熟的美国市场不同, 中国电视市场结构的形成主要依据行政区划和区域经济实力, 整体上是央视——省级卫视——地面频道 (包括省级台) , 省级电视是东部高西部低。美国主要是“联播网——加盟台”、“有线频道——有线网络运营商”, 联播网和有线频道是构成美国电视产业发行环节的基础。美国六个全国性的无线电视网, 又称六大联播网, 其功能就如中国的综合频道 (省级卫视) , 数十个有线电视频道绝大多数是专业频道, 类似于中国的地面频道。
美国电视剧的生产是流水线模式, 情节设计——编剧汇成脚本——制片人和导演作前期筹备与拍摄——后期制作——发行播出, 这种生产流程配以灵活的边拍边播制, 有效降低了制作播出风险, 并有利于形成品牌效应, 为后续产品的营销打下良好基础。而在我国, 电视剧生产和播出都需要审批, 电视剧在播出前就已经是成品了, 电视剧生产整体上是一拨一拨推进, 制播具有明显的封闭性, 由此出现阶段性的同质化, 电视剧成为“快速消费品”。在总局2011年文件的背景下, 为确保收视, 各省级卫视将在自制剧、定制剧方面加大力度, 这将有可能拉动整个产业的制播模式转型。
4. 电视剧制作机构的非均衡状态将加剧
与大剧时代相对应, 电视剧制作机构呈现出比较严重的非均衡状态。中国电视剧制作机构2009年已经超过3000家, 但它们的生存方式不一。一些实力雄厚的制作机构如小马奔腾、鑫宝源, 与强势的央视、省台在剧目生产方面形成了越来越紧密的联盟关系, 大剧、独播剧多是为强势电视台定制的。大部分中小制作企业各自为政、分散独立, 难以成为强势台的合作目标, 又忽视或无法争取足够多的独立的城市台。总体看, 电视剧生产领域出现产能过剩、题材重复、投资泡沫、出口不力等问题。
此外, 有关统计数据表明, 目前, 影视制作机构获利平均仅有6%左右, 少数电视剧能达到40%的获利水平, 电视台仅以占制作成本20%左右的资金买进电视剧, 最后获利可达70%以上, 垄断的播出平台往往使电视剧制作方陷于被动。这直接导致了剧本创作乏力, 精品剧作难求, 原创力不足, 剧本粗制滥造, 电视剧产业的整体产能下降。
二、电视剧生产制作模式将更加多样化
作为中国电视隘口性、结构性的力量, 省级卫视一直是电视剧播出的主要平台。应对总局政策, 卫视将不得不改变电视剧的播出方式。2012年, 要立于不败之地, 卫视就必须强化自身品牌、开发新产业增长点, 提高剧目质量, 由各大卫视主导的自制剧、定制剧之争必将进一步升级。一线卫视在电视剧生产方面采取的措施, 将牵一发而动电视剧市场之全身, 对二三线省级卫视电视剧市场形成更大压力, 也将改变社会制作机构的生存发展方式, 把生产制作推到了比较激荡的变局之中。
1. 电视台向上游拓展为专业内容生产商
很长时期内, 参与电视剧生产的主要是央视, 央视拥有国际总公司、电视剧制作中心, 生产大剧也主要供应自己播出以获得比较优势。除湖南台在上世纪末就投入电视剧制作外, 省级台主要是购买社会机构生产的剧目。近几年来, 江苏台等实力派省台或参与投资大剧, 或成立公司专攻电视剧的生产和供应, 加大了掌控电视剧供应链的力度。江苏广电总台成立的幸福蓝海公司、湖南广电的电视剧制作中心、河南台的电影电视制作集团公司, 在电视剧生产播出方面表现突出, 如投资建立影视基地以增加吸引优秀剧目的机会, 电视台与制作机构联合投入电视剧生产以获得首播权, 加大自制剧的生产, 等等。
电视产业发达的美国却不同, 由于资本运作成熟, 电视市场结构相对稳固, 几大电视网和有线网占据了电视剧产业链的主要环节, 每家电视播出机构都有自己主创并生产的剧目, 这些自制剧首先和主要用来自己播出。比如, CBS有《犯罪现场》, FOX有《24小时》、《X档案》、《越狱》, ABC有《绝望的主妇》、《迷失》, NBC有《老友记》、《白宫群英》, 付费的有线电视网HBO有《六英尺下》、《欲望都市》, 特纳电视网有《THE CLOSER》。韩国又有所不同, 电视台KBS自己制作电视剧, 但社会制作机构也十分活跃, 有金钟鹤制作公司、CHOROKBAEM MEDIA公司、Eight集团等, 为电视台供应剧目。
目前, 我国参与电视剧生产的主要是湖南、江苏、浙江、安徽等少数几家省台, 由于中国电视尚未形成美国“联播网”和“有线台”这种结构, 省级卫视主要采取的是自制剧方式, 自己生产自己播出。2011年, 一线卫视纷纷在自制剧上加大投入, 欲使其成为本频道的拳头产品, 缩短了供应链的相关环节, 把产品开发、市场研究、营销推广连结起来, 在产业链上进行垂直整合。
电视台涉足自制剧市场, 除了看到自制剧“性价比超高”的商机, 版权、营销权和品牌及衍生经济利润都属于电视台, 还在于通过“观众参与编剧”、“主角海选”等模式, 拉动与观众互动。这种方式实际上是在打造核心竞争力, 强调以资源为基础从供应链上游进行控制。
其中值得一提的是江苏台, 2011年制作的《断刺》并非用于自己独播, 而是创历史之先河, 首播之后售卖给多家兄弟台联袂播出, 创造出强势的联合播出平台, 北京卫视更是将《断刺》作为三轮黄金档的主打剧, 并由此启动了一系列宣传类访谈及网络互动活动。另外, 《断刺》的网络播出情况也异常优秀, 截至11月在土豆网的播出总量已超过1亿3百多万, 稳居男性题材第一名。
2. 独立生产和代工定制将成为社会制作机构的生产方向
独立制作依然是社会制作机构的主要生存发展方式, 但各大电视台把重心越来越多地放在自制剧方面, 将逼使各大制作发行机构适度转型, 更多的将会成为一个和电视台更紧密的合作方, 或是直接成为电视台定制剧的“代工方”, 承包制作, 直接从制作环节挣钱。另一方面, 文化产业基金蜂拥进入影视剧生产领域, 对具有潜力的剧目和机构无疑是利好, 一旦获得基金资助, 社会制作机构在上游的议价能力将增强。
2012年, 为应对总局关于电视剧管理的规定, 各大省级卫视纷纷调整播出策略。湖南卫视开辟新的“730”剧场, 晚间的十点档剧场以独播剧和自制剧为主, 电视剧购买量增加30%到40%。江苏卫视将投入10亿元购买电视剧, 并将黄金档的电视剧播放量增加30%, 其中以打造独播剧为主。
独播剧这块蛋糕是社会制作机构可以切分的。在独播剧领域, 社会机构可以获得一定的比较优势, 制作方拥有较为丰富的内部资源基础, 对外部市场需求的把握也比较到位, 如果与电视台合作播出, 将在供应链管理方面占据一定的优势资源, 供应链各方之间可以形成可持续的合作关系, 拥有较大主动性和广阔的发展空间。
3. 次级省级电视台需要专注发展内容采购联盟
相比于央视和强势省级卫视主导的“大台+大剧”模式, 单个二三线省级卫视不易建立生产型组织机构以掌控电视剧上游资源, 又往往忽视与具有潜质的电视剧制作机构进行供应合作, 并且常常各自为政。面对强势卫视剧目投入加大的趋势, 二三线卫视及城市台的当务之急是化零为整, 成立采购联盟之类的组织, 聚合众家之力在优质剧目资源的购买上获取优势, 又可以在播出平台上形成合力。
前几年, 南京台牵头成立了江苏城市联合电视传媒有限公司, 构建了一个以公司制方式运作的联合购片实体。联合购片是将数家甚至十余家电视台的购片资金整合, 达到足以与省级台竞争的资本规模, 有效地保证了城市台对优质电视剧资源的获取, 如《仁者无敌》、《还君明珠》和《雪在烧》等剧目都为城市台创造了不错的收视成绩。但即使是购片联盟, 成员之间往往也因为主观认识不一、客观条件不齐等原因, 在利益分配上出现矛盾, 发生联盟成员拖欠款项的行为, 导致联盟解体。早年的润德剧场, 联合全国中心城市台形成联播网, 并在剧目生产环节投入雄厚资金, 但在播出《早春二月》等几部电视剧后, 因主体太多“官多发乱”而夭折。
还有一类做法, 是机构代理。如苏州的“联合媒体”, 采取公司化的运营策略, 经过多次协商、讨论、推荐、筛选, 授权专业的媒介广告公司苏州博瀚文化传媒有限公司作为联合媒体的运营实体, 其主要职能分为节目资源整合与广告经营两部分。这种方式, 也是二三线省级卫视可以考虑发展的。
三、围绕分销环节增强供应链管理
现代商业领域“掌握核心, 其余外包”的理念已发展到极致, 最终在信息技术的支持下, 催生出供应链管理的概念。供应链管理, 实际是企业之间的商务活动管理与企业内部商业流程的一体化管理, 在企业内部形成步调一致的价值观, 在企业之间建立一种同呼吸、共命运的战略合作同盟关系, 是一个长期的艰苦卓绝的工作。依靠自身, 只能赢得局部战争的胜利;依靠供应链, 才可能赢得全局的胜利。没有整个供应链上的胜利, 任何链条上的企业都不能持久获得成功。
在电视剧内容生产上, 美国几大电视机构都注重品质, 形成了品牌效应, 在中下游环节已经形成“联播网——加盟台”和“有线频道——有线网络运营商”并行的分销零售渠道, 发行零售已成为整个电视剧产业的枢纽。由节目制作公司组成的销售发行联盟“辛迪加”, 是又一重要的分销组织。辛迪加开始是由多个节目制作公司为避免恶意竞争而建立的节目销售和发行联盟, 是一种合作性的制片商联盟组织。随着美国电视节目市场扩张, 辛迪加成为联结整个分销体系的纽带、介于节目制作公司和电视播出机构之间一个新的分销系统。通过它交易的主要是播映权而不是版权, 版权仍由各节目制作公司所有, 辛迪加在美国电视节目交易的产业链中集分销人、集成商和谈判平台为一体。对于市场化、产业化程度加深的中国电视剧来说, 其做法不无启迪意义。
1.在电视台环境中健全电视剧供应与采购联盟机制
虽然制播分离日益推进, 但我国电视剧的制作、交易和播出市场尚未成熟和理性, 面对“大台+大制作机构”这样的运作模式, 处于供应链管理上游环节的中小型电视剧制作机构, 难以获得独立而持久的销售优势, 又不易形成供应联盟, 难以发挥集合资源的作用。作为播出平台, 一线卫视的自制剧、独播剧往往播出一次就入库, 没有充分挖掘价值, 二三线省级卫视和城市台则不易在下游获得强势和持续的购买优势。因此, 当前在剧目生产方面阶段性地出现比较严重的翻拍、克隆、跟风现象, 同质化的内容限制了资源创新, 也不利于细分和培育目标观众。
下一阶段, 电视剧供应链关系应该逐步完善, 这个过程不能忽略供应联盟与采购联盟的重要作用。从生产方看, 供应联盟有点类似于欧美发达国家的节目辛迪加。电视剧供应联盟可以由电视剧生产商结盟而成, 也可以由专业的代理公司负责, 有利于将电视剧节目集中起来, 然后同时向多家省级卫视或城市台售出某个剧目的播放权, 借此分摊制作成本, 这有利于独立的二三线省级卫视和城市电视台获得优秀的节目资源。
美国的电视产业发达, 每家电视播出机构都有自己主创的热门剧目, 如《豪斯医生》、《六英尺下》、《白宫群英》等。
需要指出的是, 当前中国电视剧产业整体弱小的一个重要原因在于, 电视台占据了利润的大部分, 中小制作企业与电视台的议价能力偏低。而在韩国, 政府规定电视台必须把电视剧广告4O%以上的收益用来投资电视剧, 我国每年电视剧广告总收益为300亿元左右, 可用来投入电视剧的经费却不到30亿元。由金钟鹤制作公司等31家连续剧制作公司组成了连续剧制作协会, 与电视台进行议价, 争取良好的制作环境, 在剧目供应方面也有所作为。在中国电视剧制作机构之间, 建立供应联盟也十分必要。
从播出方看, 采购联盟是目前弱势卫视需要大力发展的。不论是卫视之间的购剧联盟, 还是授权的专业公司, 在供应链采购时, 都需要执行“专家采购, 项目管理”的原则。在重视前期工作的前提下, 由专家对供应商的能力、竞争对手和市场的变化进行数据分析。在决策时采取项目管理的方法, 邀请专家、观众和内部高层人员, 形成跨部门团队, 对电视剧购买进行过程管理。
2. 着力建设科学合理的电视剧分销体系
以美国“联播网”为例, 一部受欢迎的电视剧进入“联播网”, 标准流程大约是这样:它们中的大多数首先在每年的9月至第二年的4月的映季中, 以每周固定时间播出一集的方式与观众见面, 每个映季的播出量在25集上下;比较受欢迎的节目还会在5月至8月的非映季期间, 在同一“联播网”上重播一次。一部戏如果能维持大约四个映季, 累积到100集左右, 就会成为辛迪加的复播节目, 被节目制作商以比首播低得多的价格、每周5集连续播放的方式卖给地方电视台和其他有需要的电视经营机构。之后, 一些节目还会打包销售到国外。这是一个很清晰的全国——地方——国外的流程, 极大限度地提高了电视剧的利用率。
我国电视剧的分销发行是薄弱环节。强势卫视斥巨资购买的独播剧或自制剧 (包括定制剧) , 为了获取垄断性收视, 基本上只在本台播出, 很少或较慢进入其他播出平台。一些规模较大的制作公司采用“自主发行”方式, 但因市场空间有限, 往往只能销售给强势卫视 (这也是一剧多台播放的因由) , 而后再无处发行, 或者低价卖给次级台作为二轮、三轮甚至多轮剧目。中小型的制作机构则是委托专业发行公司以买断或代理方式销售电视剧, 但因市场未成熟而停留在小规模、低效率的运营水平上。就单个主体而言, 二三线省级卫视和多数地市台无力支付独播剧、首播剧、热门剧的购买, 它们播出的是二轮、三轮甚至多轮剧目, 一些优秀剧目甚至被高层级电视台完全垄断。
幸而, 时代把视频网站历史性地推到了电视剧分销市场面前。技术的发展使得网络能够存储大量的影视剧, 播出流畅、点播收看、下载方便, 对年轻用户的粘性强, 潜在的广告市场价值巨大, 成为电视剧播出的又一重要渠道。目前, 搜狐、优酷等几家主要的视频网站, 通过购买正版影视剧播出获取广告收入。有的还拿独家网络播放权, 或自己播出, 或再向其他网络媒体分销 (同样通过贴片广告而不是内容收费) , 如搜狐视频2011年以3000万价格购得《新环珠格格》, 通过分销其视频点播共达4亿次。优酷2012年将推出22部独播剧及200部热播剧。此外, 网络在自制剧生产方面也进行了尝试, 《乌托邦办公室》、《泡芙小姐的钥匙》等来源于现实生活的故事, 引入了美剧的制作和播出模式——拍摄、制作、播出、营销等环节同步进行, 根据网友的反馈实时调整剧情走向。
在独播剧模式的带动下, 整个视频行业形成了一个良性发展循环:内容有竞争力, 吸引更多的观众, 观众再创造广告价值。艾瑞咨询认为, 优质内容是促进中国在线视频行业发展的基础, 未来随着内容的多元化发展, 中国在线视频行业的增长还将继续加快。这对于电视剧的分销来说, 无疑是一个利好。当然, 我们也需要警惕, 视频网站发展成为又一个中国电视结构体系, 避免体制性、结构性的电视剧资源流动的非均衡在视频网站身上重演。
电视台涉足自制剧市场, 除了看到自制剧“性价比超高”的商机, 版权、营销权和品牌及衍生经济利润都属于电视台, 还在于通过“观众参与编剧”、“主角海选”等模式, 拉动与观众互动。这种方式实际上是在打造核心竞争力, 强调以资源为基础从供应链上游进行控制。
电视剧供应联盟可以由电视剧生产商结盟而成, 也可以由专业的代理公司负责, 有利于将电视剧节目集中起来, 然后同时向多家省级卫视或城市台售出某个剧目的播放权, 借此分摊制作成本, 这有利于独立的二三线省级卫视和城市电视台获得优秀的节目资源。
混合网络数字电视 篇8
关键词：沥青混合料,数字图像,图像分割,区域生长
1 概述
图像分割就是指根据图像中像素的特性, 如灰度、颜色、纹理等, 把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程[1]。图像分割是图像处理成图分析的关键步骤, 在沥青混合料的数字图像处理过程中占据一个重要的位置。一方面, 它对骨料颗粒的特征测量影响特别重要, 是明晰表达目标的基础;另一方面, 图像分割通过对图像进行抽象表达, 对图像中感兴趣的目标进行表述, 提取目标特征, 对目标参数进行测量, 从而将原始图像转化为更为抽象、紧凑的数字表达形式, 这使得研究人员能够对图像进行更高层的分析以及理解。针对沥青混合料二维数字图像, 图像分割的主要目的是将粒径较大 (通常指粒径大于2.36 mm) 的粗骨料颗粒分离, 也就是以骨料颗粒为目标, 从沥青砂浆的背景中将其提取出来, 然后判断颗粒大小, 将骨料分割为粗骨料和细骨料, 在此基础上进一步分析需要的骨料面积级配、粒度分布、形状参数等。
图像中, 在不同区域的边界上的灰度正常都是不连续的, 区域的边界主要是因为灰度的阶跃变化, 利用这一特征, 可以寻找相邻像素颜色或灰度突变的算法, 利用灰度值的不连续以及相似特征对像素点进行分割。通常来说, 分割处理大致可以采用四种不同的原理来实现。。
1) 阈值分割方法。以自动或手动指定的阈值为界, 将物体目标与背景分离。
2) 基于区域的分割。把具有相似特性、特征的像素点划分提取到一起, 形成需要的物体或者区域。
3) 基于形态学的分割方法。用具有一定形态的结构元素去度量和提取图像中的对应形状以达到对图像分析的目的。
4) 边缘检测法。通过确定的边缘像素, 将具有相似特征的像素点连接到一起, 构成所需的边界[2]。
本文主要介绍基于区域的生长方法在沥青混合料数字图像处理中的应用。
2 采用基于区域的方法进行沥青混合料图像分割
典型的两种串行区域分割技术, 分裂合并以及区域生长, 它们将全处理过程进行多步骤分解, 按照既定顺序, 依次处理, 在已完成步骤处理结果的基础上进行判断, 从而确定后续步骤的处理。在实际应用过程中, 一般是将两种方法结合起来, 基于这种思想, 本文采用这种方法, 以求达到更好的分割效果。
2.1 区域生长方法的原理
区域生长, 顾名思义, 就是将具有相同特征的小区域或像素点集合生长成较大区域, 这些像素或者小区域满足人为指定的生长法则。通常来说, 是从一组“Seed” (即种子) 点开始, 形成满足一定需求的生长区域, 也就是通过法则判断, 将与种子点具有相似特征属性 (例如指定灰度、颜色等) 的区域或像素附加到种子上[3]。新的区域集合成功后, 将其看作新的种子点, 继续循环上述过程, 直到整个区域中再没有像素可以被包含进种子区域, 这样满足既定需求的一个区域就生长成功了[1]。
图1是区域生长一个简单的示例。图1a) 代表需分割的图像, 其中, 将标为深浅不同的灰色方块的两个种子像素1, 5设为生长种子, 采用的判断准则为:如果像素与种子像素的灰度值绝对相差小于门限P, 则将该像素包括进种子像素所在区域。令P=3时, 结果如图1b) 所示, 整幅图被较好地分成2个区域;图1c) 中, 设定P=1, 某些像素则无法进行判定;当P=6时, 如图1d) 所示, 整幅图像被分在同一个区域中了。
通过上述讨论, 在区域生长算法应用过程中, 有三个问题亟需解决:
1) 选取种子像素, 其要求是能够代表目标区域的属性特征;
2) 确定生长法则, 以便于算法能够将邻近像素纳入区域;
3) 制定停止条件, 避免算法进入无限死循环。
2.2 区域生长方法的实现
结合分裂合并以及区域生长这两种基础思想, 文章编制了分割算法, 具体来说, 就是先将获取的数字图像分裂成多个方形的局部区域, 然后在每个局部区域单独使用区域生长的算法来实现分割过程, 最后再将局部区域合并, 从而达到分割的目的。这样的优点在于可以在每个局部区域分别使用迭代法获取局部的最佳阈值实现分割, 降低图像整体灰度的不均匀化对分割产生的影响, 可以达到更好的分割效果;其缺点也是显而易见的, 增大了算法的复杂性及计算时间。
文中算法中实现分割的主体函数是:
其中, fg为分割完成图像;rgrow为函数名;f为待分割图像;x, y的作用是将图像f分块, 亦即在处理过程中将图像分成 (x×y) 个小图块;bwr为设定的种子灰度值, 即f中所有该值像素点都将成为种子像素;range为生长法则, 利用range函数来定义一个全局阈值, 用来判定目标像素是否与选定种子或连接种子足够相似。
当不再有像素满足种子区域包含的准则时, 生长区域的过程就会停止, 算法终止, 生长完成。
采用上述算法对沥青混合料数字图像进行处理, 其中初始图像如图2a) 所示, 分割之后图像如图2b) 所示。
图2a) 为利用数码相机获取的沥青混合料数字图像原始灰度图像;图2b) 为利用本文的区域生长算法获取的分割图像, 其中黑色部分为各粒径混合料颗粒;图2c) 为采用基于阈值的OTSU (最大类间方差) 方法获取的分割图像, 图片中白色部分为混合料颗粒。
最大类间方差方法是阈值分割方法中较为常用且具有较优异分割效果的分割方法[4], 故而我们将其作为比较对象。
从两幅图的对比中我们可以发现, 对于大粒径的颗粒, 两种算法都能很好的将其边缘识别并从背景中分割出来, 但是在大粒径表面上, OTSU算法更容易在颗粒表面产生细小的孔洞, 这样会对后面颗粒的特征识别产生较大的影响。在细小的颗粒识别分割方面, 区域生长算法明显要比OTSU算法效果更好。OTSU算法相比于区域算法, 计算时间大大减少, 对于精度要求不是很高的分割, 是比较实用的, 在实际使用过程中, 我们应该根据实际情况选用不同的算法。
3 结语
图像的正确分割是进行图像分析的前提, 本文描述了区域生长分割方法在沥青混合料图像处理过程中的应用, 在结合了基于区域的分割方法中的区域生长及分裂合并的思想的基础上, 编制了适用于沥青混合料图像分割的区域生长算法, 可以较好地将集料颗粒从背景中分离出来。并将分割效果与采用最大类间方差方法获取的分割图像进行对比, 结果表明在细小颗粒识别分割方面, 本文编制的区域生长算法具有明显优异的分割效果。
参考文献
[1]章毓晋.图象分割[M].北京:科学出版社, 2001.
[2]张慧玲.沥青混合料特征识别与评价系统研究[D].西安:长安大学, 2005.
[3]姚秋玲.基于数字图像处理技术的沥青混合料组成特性研究[D].西安:长安大学, 2004.