均衡处理（共6篇）
均衡处理 篇1
摘要：网络处理器是当前研究的热点, 由于对性能要求的不断提升, 采用并行组织结构已是大势所趋。对这种结构来说, 研究多个处理单元的负载均衡问题刻不容缓。本文详细介绍了多种负载均衡方法, 给出了网络处理器负载均衡的特点和性能度量标准, 提出了该领域进一步研究方向和基本思路。
关键词：网络处理器,负载均衡,流保序,哈希
1 引言
当前, 网络处理器因为同时具有GPP的灵活性和ASIC的执行效率, 可用于多种网络协议处理环境中并支持多种服务类型, 因而得到了广泛应用。目前高性能网络处理器在单芯片中嵌入多个处理单元 (Processor Element, PE) , 多个PE通常组织成并行结构。因此网络处理器的负载均衡问题也成为路由器性能提高的关键因素之一。
2 网络处理器负载均衡的特点及性能度量标准
2.1 特点
由于网络处理器的处理单元采用并行组织结构, 因此网络处理器中必须有一个报文调度器 (packet dispatcher) 来进行极其重要的报文分配。本文着重讨论报文分配机制, 并假定进入输出队列的报文都能无阻塞的被调度到交互网络。
根据网络的传输特性, 适合网络负载均衡的报文分配策略应该满足以下几个基本要求:
低开销、高效率、流保序。
2.2 性能度量标准
(1) 负载分配。从负载均衡的观点来看, 最重要的性能标准就是在多输出链路之间以时间为单位进行的字节分布。一个理想的系统, 负载应该按输出链路的速率比例进行分配。
(2) 队列长度。队列长度标准重视负载分布的差异, 在一个负载较轻的时间段的实际影响远远小于在一个负载较重的时间段的实际影响。一个好的报文分配算法可能不需要在任何时间都有完美的负载分配, 但是它应该能保持队列小且均衡。
(3) 非节约工作状态空闲时间。空闲时间能捕获非节约工作系统的倾斜度:空闲时间标准越长, 系统偏离节约工作越远, 负载均衡的效率也越低。
3 基于哈希的负载均衡方法
哈希已经被广泛地应用于索引和搜索中, 把哈希用于网络负载均衡也是大势所趋。
3.1 直接哈希
直接哈希是负载分配的简单形式。报文分配器将一个哈希函数应用于五元组的一组域, 并用哈希的结果选择输出链路。它执行起来非常简单不需要维持额外的状态。
3.1.1 目的地址哈希
最简单的是以输出链路数N为模对IP目的地址哈希, 用公式表示为:
在这个公式中, 如果N=2k, 那么我们就可以用目的地址的最后k位作为输出链路的索引。这种哈希函数已经被应用于路由器中。
3.1.2 目的地址折叠XOR哈希
折叠XOR已经被应用于许多哈希函数, 并且在其他的应用中已经表明能提供很好的性能, 用公式表示为:
Di代表目的地址的第i个八位字节。选择链路时这个方法利用了更多的IP地址位数
3.1.3 源和目的地址折叠XOR哈希。
这是对前面一种哈希函数的简单修改, 在计算中包括了源地址, 也就是说, XOR对源IP地址和目的IP地址都进行折叠运算。用公式表示为:
Si、Di分别代表源IP地址和目的IP地址的第i个八位字节。
3.1.4 网络校验和
在RFC791中提出的网络校验和算法计算相对简单, 是一个好的哈希函数。通常把五元组作为16位网络校验和计算的输入种子, 输出链路的索引从校验和的结果模N得出。用公式表示为:
i=CheckSum (5-tuple即五元组) mod N
3.1.5 CRC16
16位CRC (循环冗余校验和) 算法已经被作为负载均衡的可能方案提出, 虽然比上面提出的哈希函数复杂一些, CRC16已经在高速系统中被成功实现。在CRC16方案中, 流量分配器对五元组作用CRC16, 然后模N得到输出链路。用公式表示为:
3.1.6 HRW (highest random weight)
最高随机权重算法, 其分配策略是:由固定的函数根据负载请求对象的标识信息和每个处理器的编号, 计算当前负载映射到每个处理器的权重, 并对映射结果进行比较, 将当前负载请求分配给权重最大的处理器。用公式表示为:
权重计算算法可描述为:
3.2 基于表的哈希
直接哈希只能够把流量分成相等的数目分配给多输出路径。然而, 流量负载并不总是想要平均分配。基于表的哈希方法能够既流出流量分配的结果又流出负载配置状况。
基于表的哈希方法首先把流量分配成M个单元, 这M个单元根据分配表映射到N个输出链路, 如图1所示。改变M个单元到输出链路的分配, 一个可以按预先定义的比率分配, 一个可以通过调整分配表来协调流量分配性能。M与N的比率决定了调整的粒度。通常, M比N大1或2倍的数量级, 因此, 能够以一个相当好的粒度分配负载。注意当M=N时是一一对应的映射, 这时基于表的哈希变成了直接哈希。
有两种方法执行基于表的哈希。一种方法是设置N-1个极限, 极限用于把M个单元划分成N个部分。当一个报文到达时, 流量分配器计算哈希, 并将哈希的结果与N-1个极限相比较来确定输出链路, 如图3所示。例如, 我们想分配负载到比率2:1的两条链路上, 我们能简单的设置极限为M/3, 对每个到达的报文我们计算哈希值并与极限比较, 如果哈希值比M/3大, 报文被送给第一个链路, 否则, 报文被送给第二个链路。
另一种比较灵活的方法是将输出链路的索引与M个单元结合, 如图3所示。这种基于索引的方法比基于极限的方法需要更多的存储空间 (M个索引对N-1个极限) 。另一方面, 用基于索引的方法把哈希值映射给输出链路比较简单, 它能够对表进行直接查询, 而基于极限的方法则要将哈希值与N-1个极限进行比较。
既然M个单元中的每一个都能独立的被指派给N个输出链路, 基于索引的方法更加灵活。当负载分配被调整或有新的链路增加或关闭的时候, 对现有流量的调整将最小;相反, 基于极限的方法将引起极大数目的流改变他们的输出链路。例如, 假设有一个新的链路增加到现有的两条负载均衡的链路上, 如果链路平均分配流量, 1/2的流量将被重新分配给不同的输出链路, 而基于索引的方法仅仅1/3的流受到影响。输出链路重分配将潜在地引起被影响流的巨大瞬时报文重定序。
5 结束语
关于网络处理器负载均衡问题的进一步研究方向主要包括以下几个方面:
(1) 并行处理与流水作业的结合。
(2) 对报文进行分类处理。
(3) 保持负载均衡与开销的平衡。
总之, 网络处理器的负载均衡问题对网络处理器的性能提高有着至关重要的意义, 我们将对这一课题进行更加深入的研究。
参考文献
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均衡处理 篇2
新春开学，金溪县发生了两件新鲜事：已经调入金溪县职业中学的两名教师要求到农村浒湾中学任教；金溪县教育局电教馆、教研室的5位教师，相继向教育局递交了报告，主动要求到农村学校任教。
不同于其他地方，教师争相往城里跑，从2014年开始，推行县域内义务教育学校校长教师交流轮岗工作的金溪县，这两年来持续出现一股县城教师争相到农村交流轮岗的热潮。
三月暮春，记者来到昔日王安石笔下的“锦秀谷中春”――金溪，聆听了一组关于校长教师交流轮岗的故事。
村小来了一位特级教师
用翁志红自己的话来说，“2015年9月6日是人生中特别重要的一天，在县城小学工作了20年的我，第一次站在龚家小学的门口，同时惊于它的‘小’：一栋宿舍，两层教学楼，4个年级的初级小学，只有8个同事，200多个孩子。这一切对于我熟悉的县城学校来说还够不上一个年级……”
作为金溪县唯一的江西省特级教师，锦绣小学的翁志红到离县城40多公里的乡村小学交流轮岗，让小山村沸腾了，不少村民纷纷把到县城插班的孩子转回龚家小学。“现在我们农村村级小学也有了特级教师，我也不用花冤枉钱让孩子到城里读书了，一年下来可以省不少钱呢。”一村民说。
像翁志红一样，主动要求到农村边远山区学校教书的教师，金溪县这两年来涌现出了不少。2014年，全国优秀教师、金溪名师、仰山学校副校长杨华云在全县开启校长教师交流轮岗工作之初，便主动交流到陆坊乡石溪村级小学。在她的带动下，仰山学校其他几位校行政和骨干教师也“争”着和她一起来到石溪村级小学任教。现如今，石溪小学教学质量有了显著变化，生源出现回流现象。
从2014年开始，作为江西省“县域内义务教育学校校长教师交流轮岗”11个试点县（区）之一的金溪县，积极深化改革，努力创新机制，稳步推进全县的校长教师交流轮岗工作，两年来共交流轮岗校长教师388人，占全县符合校长教师交流轮岗总数的26.5%（省标准为10%），涉及交流轮岗学校135所，不仅在全县层面实现了城乡教育均衡发展，更创建了其他地区争先学习的“金溪模式”。
“金溪模式”从哪里来？带着疑问，记者来到了金溪县教育局。
“最关键是出台了好政策。”在金溪县教体局会议室，局长邱广文如数家珍地介绍起这两年该县在校长教师交流轮岗工作上的探索。“交流到农村的校长、教师除了每年享受2万元的下乡教津贴，全部按所在学校标准发放边远山区津补贴外，还享受政府给予的交通、住房、生活等专项经费补贴。对有行政职务的教师，交流轮岗到新的学校后，保留其职务待遇；参加交流轮岗的校长教师在职称评聘、评先评优和评选骨干教师、学科带头人中，同等条件予以优先考虑；每年安排部分空岗聘任指标，用于被交流轮岗到边远的中小学任教教师；对自愿到农村中小学支教3周年以上（含3周年）的教师，凡专业技术为中、高级职务评而未聘的，县政府按其聘任后应发工资标准予以发放津贴，3年期满后回原单位工作可享受该津贴待遇。” 邱广文拿出以县政府名义下发的《金溪县推进义务教育学校校长教师交流轮岗工作实施办法》介绍，同时县里还严格任职、参评、参聘资格。从2020年起，金溪县新任义务教育阶段学校校长应具有两年以上的农村学校或6年以上城区薄弱学校工作经历；义务教育学校校长教师，参评特级教师、省级以上的骨干教师、学科带头人等荣誉称号，必须有农村学校3年或城区薄弱学校6年工作经历。
金溪县还在管理上下功夫，不仅要求教育行政部门及学校建立校长教师交流轮岗资料档案，还对暂缓交流的和中途暂缓交流的做好登记，以便今后滚动延续交流轮岗。邱广文介绍说：“我们实施办法在界定交流对象的时候，明确了可以暂缓交流的6种特殊情况，凡是暂缓交流轮岗人员须出具相关证明，并在学校予以公示。单向交流轮岗人员实行流入学校和流出学校双重管理，并根据在交流轮岗期间的工作表现进行考核。”
“在这个过程中，我们把工作重点放在了校长和骨干教师上，坚决防止和克服把‘不好用’的教师‘发配’交流出去，以期达到以点促面的效果。”金溪县教体局副局长乐希杰介绍道。金溪县要求全县60多位获得县级以上“教师标兵”“金溪名师”“县管拔尖人才”“省市学科带头人”“省骨干教师”“省优秀教师”等荣誉称号的教师，都必须到农村中小学支教1年，原则上分3年下派，每年安排三分之一。“每年教师节，我们都会召开一个全县教师表彰大会，邀请优秀交流教师上台发言。去年一位骨干教师便在演讲中说，交流轮岗也是在做教育慈善，鼓励更多的教师为此做出自己的贡献。”
在正确的导向下，金溪县的教师纷纷主动参与到校长教师交流轮岗工作来，变“要我交流”到“我要交流”。这两年来，共选派43名“名师”“省学科带头人”“省骨干教师”等到农村9所学校交流。81名县城优秀教师或没有农村学校工作经历的教师主动交流到农村学校。
“有一种当英雄的感觉。”交流到双塘中学的‘金溪名师’谢自安说起自己参与交流的感受，脸上挂满职业幸福感。
重在培养农村学校的“造血”能力
2016年3月29日下午，金溪县琉璃中心小学显得特别热闹。全县80多名教师齐聚一堂，在聆听了县城名校锦绣小学“青蓝工程”“同上一堂课”导师团队展示的一堂音乐课后，与该校的校长、骨干教师一起评课、研讨，直至暮色四起。
“琉璃中心小学是我校的联盟校，下辖13所村小，共88位教师，70%的骨干教师孕育着希望，快速提升青年教师业务能力乃当务之急。为此，我们锦绣小学在和他们共建课题研究、同步课程研修的同时，重点加强‘青蓝工程’的管理，学校选拔部分富有教育教学经验的优秀教师和联盟校的青年教师结对，进行传帮带活动，并制订锦绣小学教育联盟‘青蓝工程’实施方案，明确双方职责，完善过程管理，对工作考核优秀的进行奖励，以此培养一批本土骨干教师，提升办学质量。”锦绣小学校长黎建红滔滔不绝地介绍。
所谓的“联盟校”，是金溪县实施校长教师交流轮岗工作的一个新的探索，以优质教育资源为龙头，采取“1+N”联合办学的方式，组建教育联盟。
“校长教师交流轮岗，不仅仅是单纯的‘输血’，而是重在培养农村学校的‘造血’能力。为更好地实现教育均衡，最初我县创建了7个城乡教育发展共同体，既依托联合体促进城乡教师双向交流与合作交流一体化，又使交流常态化，通过双方学校共生同建，联合办学，增强农村学校的自身整体造血功能，全面提升办学水平，从而从根本上化解城区大班额、择校热和农村生源流失难题。” 乐希杰介绍，“目前，我县教育发展联盟工作进一步得到深化，到2016年开学，教育发展联盟已经增加到11个，联盟对象包括城区中小学校、乡镇中学、中心小学、九年一贯制学校及学前教育的保育院、幼儿园。”
各教育发展联盟以教育资源相对优势学校为龙头，龙头学校校长为联盟负责人，主持联盟各项工作，锦绣小学教育联盟便是由锦绣小学、河源中小学、琉璃中心小学、五里中心小学组成，黎建红以领导小组组长的身份，每学期派出校领导、党员教师和名师若干名，挂牌上岗到农村薄弱学校，对照教育部门的各项考核指标，对结对学校进行具体帮扶指导。“2015～2016年，我校提出四同步五共建的发展目标：各联盟校结合实际，一方面力争与锦绣小学实现组织机构同步，作息时间同步，课程、教研同步，特色活动同步，让各联盟学校根据实际开设第二课堂，如书法、篮球、朗诵等兴趣小组，采取走班形式，提升学生综合素质。另一方面，根据各校实际情况，共建校园文化、师资队伍、德育工作、课题研究、党建工作。为此，我校还把工作落实到人，并制定出月度工作安排表。”黎建红举例说，“书香校园一直是我们锦绣小学精心打造的校园文化，我校便在继续丰富锦绣小学阅读文化的同时，派出骨干教师到河源小学开发阅读、书法及经典诵读等课程，帮助其打造具有自身特色的书香校园。”
教育联盟打破了教师“学校人”的界限，加强了联盟校之间的交流，更促进了金溪教育从资源均衡到质量均衡的提升。
2014年9月，坐落于陆象山故里陆坊的薄弱学校石溪村级小学，迎来了主动申请来交流轮岗的仰山学校校长及4位金溪名师。轮岗来的教师把近年来仰山学校探索出来的教改新成果“四步主体”，按课时打印成备课本，带给石溪小学的老师们；不仅带老师到仰山学校听课、上课，还带他们参加每周二、周四下午仰山学校的教研活动。2015年9月，全县的教育联盟工作铺开，又成立了以金溪县实验小学为龙头，以石溪小学、双塘中心小学、陈坊中心小学为成员单位的城乡教育联盟。石溪小学全体教师在支教名师的指引下，秉承全新的教育理念，大力培养学生的自主学习与合作探究的学习能力，课堂成为学生们快乐学习、探索的地方。在联盟学校和交流轮岗教师的帮扶下，石溪小学教学质量显著提升，学生数也连年攀升。2016年元月，石溪小学被抚州市政府评为“示范性村级小学”。
“‘走教’在我们金溪也是一种交流轮岗”
秀谷镇的芳源小学，面积不大，条件简陋，原先是个村完小，近年因生源减少，成班率低，就只保留了一至三年级，但就是这样的边远教学点，每周五下午都能听到孩子们用稚嫩的声音念着英语。给这些孩子上课的老师叫吴丹，江西师大英语专业本科毕业后来到了金溪县秀谷镇五里中心小学任教。2015年中心小学试行中心校青年教师走教制度，专业英语过八级的吴丹，便出现在芳源小学，从没上过英语课的山里娃，也同县城的孩子一样，有了专业的英语教师执教。
吴丹所在的五里中心小学离县城不远，下设5所村小，两个教学点，但中心小学一至六年级学生仅140人，5所村完小学生数多的有109人，少的也有60多人。为缓解村小师资缺额大、师资力量薄弱的现状，自2015年9月起，五里中心小学便在金溪县教育局的指导下，打破常规，将中心校9位青年教师全部分派到7个村完小和教学点进行走教，每人每周利用两个下午，共6节课时间，对村校的英语、音乐、计算机等科目进行专职走教。
“这些青年教师多为‘90后’，刚开始也有畏难情绪，不愿承担难且重的走教任务。我们先是细致地对她们进行全镇教育一盘棋的思想教育，引导她们换位思考，想想村小教师的压力与困难。在解开她们的心结之后，我们又提出了具体要求并作了详细安排。”五里中心小学校长王志勇介绍。为确保走教工作的实效性，学校还要求参与走教的青年教师在走教过程中必须坚持“及时到位、务实有效、追求质量”三项原则，尽职尽责地把走教工作落实做好。同时，中心校主要领导每周坚持最少一次的不定时巡视巡查，严防擅自脱岗、离岗或流于形式的拖拉懒散现象。“当然我校也为青年教师走教工作建立了激励考评机制，通过一系列奖惩机制促使我校走教工作继续扎实有效地开展。”
“我县从2015年开始实行教师‘走教’，对小学中心校音、体、美、计算机等短缺学科都安排教师到村小进行上课，使村小能开齐开足课程，解决专业教师不足的问题。” 乐希杰补充介绍道。从2015年开始，按照江西省教育厅《关于严禁新聘代课教师的通知》精神，金溪县为了解决英语、数学教师不足和音、体、美、计算机等学科教师不足问题，还在全县启动以“走教”形式进行教师交流轮岗，促进师资相对均衡。金溪县13个乡镇共100余名教师参与“走教”。“每个学校根据具体情况进行走教，而我们教育局除了引导好工作，更重要的是保障好这些老师的待遇。” 乐希杰强调，这些“走教”人员每月除享受本校边远山区津补贴外，财政另外给“走教”教师发给所“走教”学校应享受的边远山区津补贴标准，有些学校还配了电动车和自行车给“走教”教师使用。全县每年财政共需发放补贴20余万元。
从资源均衡到质量均衡 篇3
转型是一种深度的、整体的变革，包括教育功能、教育结构、教师队伍等的转型。只有深入教育内部、触及人的发展、符合教育自身的逻辑、符合学生发展需要的改革，才能够真正地促进教育转型。这是新常态下教育现代化建设的关键路径。
新常态下，教育需要新均衡。教育均衡的基本价值是教育公平。更进一步是公平基础上的高效率、高质量，是教育最大限度地实现人的全面发展。
我们所追求的新均衡就是更加关注人内心世界的成长与发展，是有差异的、个性化的均衡。新的历史阶段，如何让教育均衡从教育机会、教育资源等外围条件，向教育过程、教育方式、教育结果等内核因素“换挡”？
要鼓励各学校从研究学生出发，根据业已形成的学校文化和实际情况，用适合的理念培植学校办学特色，关照每一个孩子的成长。要进一步健全校长、教师交流机制，实施交流轮岗目标责任制。要改革学校评估机制，促进所有学校真正实现特色发展。
新常态下，教育需要新课程。课改的完整路线图是：课改——改课——课改。第一个课改是国家修订课程标准，再根据课程标准编写教材，解决的是教师“教什么”和学生“学什么”的问题；改课是通过课堂改革解决教师“怎么教”和学生“怎么学”的问题；第二个课改则体现在两方面，一是学校对国家教材的校本化实施，二是学校在国家编写的教材之外提供给学生的校本课程。
自2004年以来，我市探索“活动单导学”教学模式，经过不断地实践、研究和推广，产生了改变整个区域教育的巨大力量。更可喜的是，教与学的关系发生了变化，自主、合作、探究的学习方式成为一种课堂常态。
然而，课改不能止于改课，完整的成长不仅在课上，也在课下。课程是学生全部校园生活的总和，我们将从改课出发，以学生为圆心，不断扩大课改的半径，推动各学校通过课程再造、课程开发，创造更加适合学校、适合学生的课程，为学生健康完整的成长提供均衡的营养。
新常态下，教育需要新质量。教育质量是教育的核心问题，也是教育转型阶段必须厘清的关键概念。当下，教育现代化的内涵已经发生改变，单一的分数指标无法反映教育的全部价值，教育对“人”本身的价值成为现代教育的价值首选。
我们必须摒弃以学科知识传授为主的单一质量追求，转而更加关注以人的全面而多样发展为特征的全面质量。
分数或学业成绩还要不要？学业成绩是国家、社会对人才规格的最基本的要求，是教育最基本层次的价值体现。但仅有学业成绩是不够的，我们还应该关注成绩背后的东西，关注学生的身体健康和精神成长。
2011年，我们探索成立了县域“教育质量监测中心”，主动寻求教育部基础教育质量监测中心、华东师范大学等专业机构的指导和支持，通过定期开展质量监测，包括学业表现、品德行为、身心健康、师生关系、学习负担等，分析学生素质水平的形成及影响因素，从而寻求更有效的对策和办法，以学生的健康成长体现教育的价值。
新常态下，教育需要新服务。“管理”与“治理”，一字之别蕴含着深刻的理论创新。在经济社会发生重大转型的今天，人民群众对教育的满意度并不完全取决于校舍、设备等硬件的改善，相比物质计量和数量指标，人们更关注的是直接享受到的、具体的教育服务的质量。
新形势下，如何应对这个转型的时代，如何运用法治思维、开放思维，推进教育管理走向教育治理，提供更为优质、多样、均等的教育服务，我们必须做出理性思考和实践回应。
一是按照“法无授权不可为”“法定职责必须为”的原则，梳理“权利清单”和“责任清单”，做到治理权责更加明晰，服务到位；二是改善学校治理结构，探索推进学校委员会建设等，建立学校、家庭、社区互动合作的机制，做到治理主体更加多元，形成合力；三是依法健全科学决策、民主管理和监督机制，做到运行机制公开透明、更加高效。
（作者系江苏省如皋市教育局局长）
直方图均衡处理方法的研究 篇4
图像直方图是图像处理中一种十分重要的图像分析工具,它描述了一幅图像的灰度级内容,任何一幅图像的直方图都包含了丰富的信息,它主要用在图像分割,图像灰度变换等处理过程中。从数学上来说图像直方图是图像各灰度值统计特性与图像灰度值的函数,它是对图像中每一灰度值出现频率的统计,从图形上来说,它是一个二维图,横坐标表示图像中各个像素点的灰度级,纵坐标为各个灰度级上图像各个像素点出现的次数或概率。灰度直方图性质:(1)表征了图像的一维信息。只反映图像中像素不同灰度值出现的次数(或频数)而未反映像素所在位置。(2)与图像之间的关系是多对一的映射关系。一幅图像唯一确定出与之对应的直方图,但不同图像可能有相同的直方图。(3)子图直方图之和为整图的直方图。
直方图是对图像中每一灰度值出现的频率的统计,一幅图像的直方图基本上可描述图像的概貌,如图像的阴暗状况和对比度等特征都可以通过直方图反映出来。既然一幅图像的概貌可以通过直方图反映出来,反之,可以通过修改直方图的方法来调整图像的灰度分布情况,因为直方图反映的是一个图像的灰度值的概率统计特征,所以,基于直方图的图像增强技术是以概率统计学理论为基础的,直方图反映的是一个图像的灰度值的概率统计特征,常用的方法有直方图均衡化技术和直方图规定化技术
1 直方图均衡化原理
直方图均衡处理是以累计分布函数为基础的直方图修改法,就是把一已知灰度概率分布的图像经过一种变换,使之演变成一幅具有均匀灰度概率分布的新图像。如果一副图象的直方图是均衡的,则其概率密度函数为
L是图像灰度级的取仅范围,对于归一化的灰度级来讲,因为L1=l,所以Ps(s)=l。因此,上式可改写为ds=Pr(r)dr:
两边取积分有:
如果取变换函数
则可以将概率密度函数为pr(r)的图像变为具有均匀概率密度分布函数ps(s)的图像。由式(2-4)所表示的变换函数是原图像的累积概率密度函数,该函数满足前述变换函数的两个条件,将上述结论推广到离散数字图象。
设一幅图像的像元数为n,共有L个灰度级,nk代表灰废级为k的像元的数目,则第k个灰度级出现的概率可表示为:
式(4)中0≤rk≤1,0≤k≤L-1
所表示的变换函数T(r)可改写为:
式(6)中0≤rr≤1,0≤k≤L-1,其反变换为
2 直方图均衡化的优缺点
经过均衡化增强后图像,图像的亮度得到了提升,图像从整体上给人一种清晰的感觉。直方图均衡化以后图像的细节更清楚,而从图像的灰度分布上也可以看出,在调整前低灰度比例大,调整后各灰度等级达到平衡。由上述可知,直方图均衡化是利用累积分布函数作为灰度变换函数,经变换后得到的新灰度的直方图虽然不很平坦,但毕竟比原始图像的直方图平均得多,而且其动态范围也大大地扩展了。因此这种方法对对比度较弱的图像进行处理是很有效的。但是简单地将图像进行直方图均衡,会使得图像看起来亮度过高。
我们用灰度拉伸的方法从而提高图像的对比度,进而到达我们增强图像感兴趣区域目的。然而,一副图像中对我们研究有帮助的细节常常集中在很窄的部分。而退化后的图像混杂着很多的图像噪声,我们知道,从频率域角度来说,因为噪声对应的是高频分量,所以我们在使用直方图均衡处理方法进行拉伸的时候,势必会将图像噪声进行放大。另外,我们对图像用传统的直方图均衡处理方法进行处理的时候,从整体来看,是对整幅图像的每一个像素点都做同样的处理,从而达到对比度增强效果;但从局域来讲,因为此处理方法是根据灰度级出现概率的统计特性来的,对我们研究有帮助的那部分图像的灰度级出现的频率常常很少,而对我们的研究没有太大帮助的背景图像出现的频率常常很高,这样就会产生这样的后果,那就是由于背景图像的存在,使得我们感兴趣的那部分图像细节的灰度级出现一个简并现象,使得一部分目标细节图像丢失,为后面图像的后续处理带来困难。达不到理想的预期目的。从以上分析我们可以看出,传统的直方图均衡处理方法存在着以下两个缺点,即加强高频噪声和图像细节损失。
参考文献
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均衡处理 篇5
建设人口均衡社会
内容摘要：
我国人口、社会和经济发展已经进入了一个新的历史阶段，人口与社会和经济发展关系正在发生着转变，人口问题的性质正在发生着转变，解决人口问题的社会、经济和政治基础正在发生着转变。在新形势下，促进人口长期均衡发展，建设人口均衡型社会，是一项具有重大意义的战略选择。
【关键词】
人口结构
性别结构
人口均衡
老龄化
正文：
在社会经济快速发展、人们需求不断升级的今天，人口发展的目标已经不仅仅局限于追求人口规模适度方面，而是有了更为全面、更为丰富的内容。在层次上，它要求不但人口自身各个要素之间要相互协调，而且人口与外部各个因素之间也要相互匹配；在内容上，它要求不但要实现人口数量上的理想状态，而且要实现人口质量、人口结构、人口分布等多方面的理想状态。在此背景下，“促进人口均衡”概念被提出来。
一、人口均衡概念
均衡的本意就是平衡，指对立的各方面在数量或质量上的相等或相抵。应用在人口发展方面，它至少包括下面两层含义：
第一，人口作为一个整体，应该与外部各方面因素的力量相平衡。它是指人口发展既不能落后于经济、社会、资源、环境等因素所能承受的范围。
第二，在人口内部，各个要素之间的力量作用要平衡。人口内部各要素是相互作用的，而且各要素都有自身的理想状态。例如，人口规模的理想状态是适度，人口素质的理想状态时不断提高，人口结构的理想状态是各部分比例恰当，等等。所以人口各要素内部力量的平衡是指各个要素在相互作用的过程中都应向其理想状态发展，不会由于其中某一个（或多个）要素的发展而使其他一个（或多个）要素背离它们的理想状态而发展。
综合上面的观点，我们对人口均衡作出如下定义：人口均衡是指人口的发展与经济社会发展水平相协调、与资源环境承载能力相适应，并且实现人口总量适度、人口素质全面提升、人口结构优化、人口合理分布及人口系统内部各个要素之间的协调平衡发展等目标。
二、人口均衡发展的必要性
第一、人口发展就是风险——安全、代价——贡献、成本——效益关系的演变过程，所以积极的人口发展就是风险最小化但安全最大化、代价最小化但贡献最大化、成本最小化但收益最大化的人口变动过程。
第二，人口各方面的发展都很重要，必须实现均衡发展，不能也不可能先发展其中一方面，然后再发展另一方面。因此人口发展的各个方面，例如人口规模、人口素质、人口结构等都是关系到国计民生的最基础、最根本的问题，一个都不容暂缓发展或落后于其他方面的发展。而且人口变量有自身的特殊性，它的变化具有长期性、世代复制性的特点，所产生的影响是十分深远的，不可能在短时间内消除。所以，当我们为了顾及某一方面而忽视另一方面发展，而等到日后再来纠正这种失衡的现象时，所付出的时间、经济和社会代价将会是巨大的。
第三、人口均衡发展是我们追求的一种理想状态,但是在现实中人口自身往往不能自动实现均衡，甚至我们观察到更多的是人口不均衡的想象，人口要素之间、人口与外部因素之间的矛盾比比皆是。所以，我们有必要将“人口均衡”作为一种人口发展的总体性目标提出，并为实现这个目标而努力。
三、我国人口发展现状及存在的问题
当前，随着我国工业化城镇化推进和人均收入水平的提高，经济社会结构正在加快调整，人口结构也会相应发生变化。我国人口发展形势总体是好的，与３０年前相比，人口过快增长的问题已经得到缓和，但人口多、底子薄、发展不平衡的基本国情没有改变，人口数量、素质、结构、分布等方面的问题日益凸显并相互交织，呈现前所未有的复杂局面：
第一是人口“三大高峰”将先后到来。今后２０至３０年，我国将先后迎来劳动人口、总人口、老年人口三大高峰，人口对资源环境的压力、对经济社会发展的制约更加明显。
第二是出生人口素质亟待提高。据测算，我国每年出生时肉眼可见先天畸形和出生后逐渐显现的缺陷约占年出生人口总数的４％到６％，这直接影响到近百万家庭、几百万人的生产和生活。
第三是出生人口性别比仍然偏高。据国家统计局统计结果，２００９
年我国出生人口性别比为１１９．４５，比２００８年下降了１．１１，但仍然严重偏离正常值范围。出生人口性别比长期偏高，将严重影响性别平等、妇女权益、家庭幸福和社会稳定。
第四是人口老龄化问题突出。《２００９中国老龄事业发展统计公报》显示，全国６０岁以上老年人口达到１．６７亿，今后人口老龄化速度还将加快。
第五是人口迁移流动呈现新特点。《中国流动人口发展报告２０１０》表明，目前，全国流动人口数量已超过２亿。上世纪８０年代以后出生的人群将成为流动人口的主体，在现居住地生育现象十分普遍。流动人口长期定居和举家流动的趋势明显，“二线”城市和城镇人口流动活跃，我国城镇化进程加快。
四、统筹解决人口问题，努力建设人口均衡型社会
新时期我国人口计生工作仍要坚定不移地走中国特色统筹解决人口问题的道路。要按照加快经济发展方式转变、调整经济结构的要求，继续坚持计划生育基本国策，逐步完善政策，在稳定适度低生育水平的基础上，更加重视提高人口素质、优化人口结构、促进人口合理分布，促进人口长期均衡发展，促进人口与经济社会资源环境协调可持续发展。
第一、实现人口长期均衡发展，必须正确认识和尊重人口发展规律。人口变化和人口发展都有着其内在的客观规律，要实现人口均衡发展的战略目标，就必须正确认识和尊重这些规律，并以其作为决策的客观依据，做到“两个统筹”：一方面要统筹人口与经济、社会、资源、环境等外部因素之间的关系，发挥人口在国民经济、社会发展中的基础性作用，促进人口与经济、社会发展水平相协调，与资源、环境承载力相适应；另一方面要统筹人口数量、素质、结构、分布等各内部要素之间的关系，促进人口长期均衡发展，努力建设人口均衡型、资源节约型、环境友好型社会。
第二、实现人口长期均衡发展，必须具有科学的战略性思维。人口发展是一个长期的过程，人口变化的影响也是一个长期的过程，并且人口变化之间具有很强的关联性。这就要求决策者必须具备科学的、综合性的战略思维和创新的工作体制机制，形成以统筹协调、科学管理、优质服务、利益导向、群众自治和人财保障等为主要内容的统筹解决人口问题体制机制；要综合运用法律、经济、科技、教育、行政等方式，提高人口社会管理和公共服务能力，形成有利于人口均衡发展的社会管理与公共服务体系。
第三、实现人口长期均衡发展，必须超越人口手段。人口问题本质上是社会问题，因此，人口问题的解决不能单纯地依靠人口手段，而是需要更多地依靠社会、经济和科技等方面的手段，要更加注重利益导向、更加注重服务关怀、更加注重宣传倡导，进一步健全农村计划生育家庭奖励扶助、计划生育“少生快富”工程、计划生育家庭特别扶助等制度，同时探索人口计生政策与相关社会经济政策的有效衔接，使计划生育家庭优先分享改革发展成果，形成有利于人口长期均衡发展的社会政策环境。
第四、实现人口长期均衡发展，必须坚持以人为本。在人口均衡发展战略中，以人为本是首要的核心准则，保障人的权利和促进人的全面发展是基本宗旨，人口计生系统还要和相关部门密切合作，不断拓展服务领域，从面向育龄群众的计划生育生殖健康服务逐渐向全人群和生命的全过程转变，如积极开展婴幼儿早期教育、青少年性与生殖健康教育、老年人服务关怀等工作，不断完善以群众需求为导向的公共服务。
人口问题的实质是人口发展的不均衡，科学的人口均衡发展需要左盼右顾、瞻前顾后、统筹协调。只有在科学发展观和科学人口观的指导下，才能摆脱“头痛医头、脚痛医脚”的片面人口治理模式，避免由此带来的负面后果。要向“确保家庭权益，倡导适度生育；提高人口素质，实现人口优化”方向发展。我们相信，适度生育和人口优化的积极人口政策将从数量、素质、结构等全方位促进我国人口长期均衡发展。
参考文献：
［1］《人口社会学》作者:佟新
出版社:北京大学出版社
(2006-03出版)
［2］《新人口论》作者:马寅初
出版社:吉林人民出版社
(1997-01出版)
［3］《人口原理》作者:托马斯·罗伯特·马尔萨斯
(Malthus.T.R)、王惠惠
出版社:陕西师范大学出版社
(2008-11出版)
［4］《中国人口老龄化与老年人状况蓝皮书》
作者:张恺悌、张恺悌、郭平
出版社:中国社会出版社
(2010-01出版)
［5］《人口论－科学素养文库·科学元典丛书》（马尔萨斯）北京大学出本社
［6］《人口社会学》
王树新著
中国劳动社会科学出版社
［7］《中国人口》
田雪原、周丽萍著
基于图像增强的直方图均衡化处理 篇6
关键词：图像增强,直方图,均衡化,MATLAB
0 引言
在图像形成、传输或变换的过程中,由于受到一些客观因素的影响,如:光照、噪声以及相对运动等,获取和传输的图像与原始图像相比,会产生一定的差异(称为降质或退化),如图像颜色变淡、图像对比度降低、图像模糊等等[1],因此必须对其采取一些手段进行改善。而图像增强技术正是在这种情况下所提出的。
图像增强是指对图像的某些特征,如边缘、轮廓、对比度进行强调或尖锐化,以便于显示、观察或进一步分析与处理。目的就是改善图像的质量。图像增强的方法主要可分为基于空间域的增强方法和基于频率域的增强方法两类。“频域”处理方法是以修改图像的傅氏变换为基础的,它在图形的变换域对图像进行间接处理;”空间域”处理方法是以对图像的像素直接处理为基础的,它属于直接增强的方法。空间域法包括基本灰度变换、直方图处理、消除噪声的平滑法和增强边缘的锐化法[2]。本文要探讨的直方图均衡化处理就属于空间域增强方法。
1 直方图处理
1.1 直方图基本原理
直方图就是相对将一个变量的不同等级的频敷用柱状线标绘的图表。直方图反映了数字图像中每一灰度级与其出现频率之间的统计关系。
灰度级为[0,L-1]范围的数字图像的直方图是离散函数h(rk)=nk,这里rk是指第k级灰度,nk是图像中灰度级为rk的像素个数。经常以图像中像素的总数(用n表示)来除它的每一个值得到归一化的直方图。因此,一个归一化的直方图由P(rk)=nk/n给出,这里k=0,1,2…,L-1。换言之,P(rk)给出了灰度级为rk发生的概率估计值。注意,一个归一化的直方图的所有部分之和应等于1[3]。MATLAB中提供了imhist函数来计算和显示图像的直方图。
1.2 直方图的性质
直方图的性质包含三个方面:
(1)它只反映该图像中不同灰度值出现的次数,而未反映某一灰度值像素所在的位置。也就是说,它只包含了该图像中某一灰度值的像素出现的概率,而丢失了其所在位置的信息。
(2)任一幅图像,都能唯一地确定出一幅与它对应的直方图,但不同的图像,可能有相同的直方图。
(3)一幅图像各子区的直方图之和等于该图像全图的直方图[4]。
2 直方图均衡化
直方图均衡化是将原图像的直方图通过变换函数修正为均匀的直方图,然后按均衡直方图修正原图像。就是把一副已知灰度概率分布的图像,经过一种变换,使之演变成一幅具有均匀概率分布的新图像。当图像的直方图为均匀分布时,图像的信息熵最大,此时图像包含的信息量最大,图像就显得明亮清晰。这样就增加了图像灰度值的动态范围,从面达到了增强图像整体对比度的效果。
2.1 直方图均衡化的基本原理
设变量r、s分别表示图像增强前后的灰度级,相应灰度级分布的概率密度分别为Pr(r)、Ps(s)。为了便于分析,假设所有像素的灰度值已经归一化在区间[0,1](r=s=0,表示黑,r=s=1,表示白)。对于区间[0,1]内任一个r值按变换函数:
进行变换。它满足两个条件:
(1)在0≤r≤1区间内,T(r)是单值单调增加函数;
(2)对于0≤r≤1,有0≤T(r)≤1。
这里的第一个条件保证了图像的灰度级在变换后仍保持从白到黑的次序不变和反变换函数T-1(r)的存在,第二个条件则保证变化后的像素灰度值在允许的范围内。从s到r的反变换为:
对于连续图像,变换函数T(r)与原图像概率密度函数Pr(r)之间的关系为:
式(3)中,r为积分变量。式(3)的右边可以看做r的累积分布函数(CDF)。因为CDF是r的函数,并单调地从0增加到1,所以这一变换函数满足了前面所述的关于T(r)在0≤r≤l内单值单调增加,对于0≤r≤l,有0≤T(r)≤l的两个条件。
由于累积分布函数是r的函数,并且单调地从0增加到1,所以这个变换函数满足对式(3)中的r求导,则:
再把结果带入分布密度函数Ps(s)公式,则有:
由上面推导可知,变换后的变量s的定义域内的概率密度是均匀分布的。故用r累积分布函数作为变换函数,可产生一幅灰度级分布具有均匀概率密度的图像。其结果扩展了像素取值的动态范围。
2.2 直方图均衡化算法的一般步骤
直方图均衡化的算法步骤如下[5]:
(1)列出原始图像和变换后图像的灰度级:I,j=0,1,…,L-1,其中L是灰度级的个数;
(2)统计原图像各灰度级的像素个数nk;
(3)计算原始图像直方图:,N为原始图像像素总个数;
(4)计算原始图像的累计直方图
(5)利用灰度变换函数计算变换后的灰度值,进行取整计算:j=int[(L-1)pj+0.5];
(6)确定映像关系i→j,将原图像的灰度值f(m,n)=i修正为g(m,n)=j;
(7)统计新直方图各个灰度级的像素个数nj;
(8)计算新的直方图
3 M A TLA B实现
3.1 MATLAB中直方图均衡化相关函数
3.2一个实例
现对一幅拍摄效果较差的图像进行直方图均衡化处理,以下是原程序代码:
通过仿真,得到图一至图四四幅图片。原始图像较暗且灰度级变化范围较小,从图一和图三的对比中可知,经过均衡化处理后,图像的亮度和对比度都得到了明显的改善,原来局部较暗得到了增强,图像变得清晰。从图二和图四的对比中可知,均衡化后的图像直方图亮度值出现的频数趋于平衡。
4 结束语
本文从理论上介绍了直方图均衡化的算法,简单易懂,实现简单。通过MATLAB程序算法加以验证。结果表明,图像均衡化后,各灰度级更加均衡。
同时对于灰度范围小、直方图分布极不均匀的图像,可以在MATLAB程序中适当地扩大灰度范围,便于取得较好的层次感,使图像变得更清晰。它可以应用到航空航天、生物医学、公共安全等领域。
参考文献
[1]朱会平,魏峰远.探讨图像增强中直方图均衡化的应用[J].测绘与空间地理信息,2010,33(01):174-176.
[2]王洪兰,张若钢.浅谈图像增强的直方图处理及其MATLAB实现[J].脑知识与技术,2007,(16):1106-1107,1116.
[3](美)卡斯尔曼,著.阮秋琦,阮宇智,等译.数字图像处理(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2003.
[4]张燕红,齐玉东,王卫玲,等.直方图均衡化在图像增强中的应用及实现[J].世界科技研究与发展,2010,32(01):36-38.