数字仿真技术（精选12篇）
数字仿真技术 篇1
引言
各种千变万化的物理量存在于自然界中, 但就其规律变化不外乎两大类。其中在时间和数值上均作连续变化的一类物理量, 如收音机、电视机接收的视频信号, 音频信号, 处在正常情况下它们的电压信号都是随时间作连续变化一般不会发生突变。这种称为模拟量的物理量, 把表示模拟量的信号叫做模拟信号。语音信号、典型的模拟信号就是正弦波信号。产生、传送、变换和处理模拟信号的电路叫做模拟电路。
1 数字信号和数字电路
一类在时间和数值上均作为断续变化的物理量, 这就是说它们的变化在时间和数值上是不连续的, 离散的。如同工厂库房里的元器件的数量、或操场上的人数等, 它们的数量增减的变化和大小都是以最小单位“1”的整倍数, 如果小于“1”的这个最小单位的数值是没有物理意义的。象这种物理量称为数字量, 把代表数字量的信号称为数字信号。矩形波、最典型的数字信号就是方波信号。
数字信号通常被称为离散信号, 脉冲信号, 一般来说数字信号它有电位型和脉冲型两种, 它在两个稳定的状态之间作阶跃式变化, 用高低两个电位信号表示数字“1”和“0”是电位型表示法, 而脉中型表示法是用有无脉冲表示数字“1”和“0”。产生、传送、处理、变换、存储数字信号的电路叫做数字电路。数字电路包括数字电路脉冲电路两大部份, 因此, 数字电路又称为脉冲数字电路。其中脉冲电路主要研究脉冲信号的产生和变换及处理。
数字信号也是一种电信号, 但是这种电压的幅值只在两种情况之间跳动变化, 即高电压和低电压。那么, 这个高电压与低电压具体是多少呢?这要看每个电路的规定。一般来说, 高电压与电路的供电电压接近, 低电压与O就表示0。如果一个电路的信号满足以上特征, 则它就是一个数字电路[1]。
2 数字电路的分类及其特点
2.1 数字电路的分类
1) 按结构分, 分为立元件电路和集成电路两类;将每个基本元器件如电阻、电容、二极管、三极管、场效应管等用导线连接起来的电路为分立元电路。把各个基本元器件及它们之间的连线制作在一块基片上, 再按一定的包装形式进行封装, 提供给用户。用户在使用时, 通过外部管脚来利用芯片内部电路这种形式的电路称集成电路。集成电路按照一个基片上集成的基本元器件的数量多少可分为大小规模的集成电路, 如每块电路大约包含10~100个基本元器件, 则为小规模集成电路 (Small Scale Integraed Circuits, SSIC) , 如各种逻辑门电路、集成触发器等;如每块电路大约包含100~1000个基本元器件, 则可称为中规模集成电路 (Middle Scale Integraed Circuits, MSIC) , 如编码器、计数器、寄存器等;如其每块电路大约包含1 000~10 000个基本无器件, 则可称之为大规模集成电路 (Large Scale Integraed Circuits, LSIC) , 如存储器、串并接口电路、中央控制器等;如果每块电路大约包含10 000个以上的基本元器件, 则可称之为超大规模集成电 (Very Large Scale Integraed Circuits, VLSIC) 如各种微处理器等。
2) 按数字电路的半导体器件的构成来分, 可分为单极性电路和双极性电路两类, 工作时内部有两种载流子的二极管和三极管, 所以称为双极性半导体器件。靠导电沟道工作的场效应管, 称为单极性半导体器件。双极性集成电路是以双极性管为基本器件, 如TTL电路、ECL电路、I2L电路。单极性集成电路是以单极性管为基本器件的集成电路, 如NMOS电路、PMOS电路、CMOS电路。
3) 记忆工能的电路来分, 可分为时序逻辑电路和组合逻辑电路;时序逻辑电路在任意时刻的输出不仅取决于电路当前的输入, 而且与电路过去的状态有关, 如触发器、寄存器、计数器等, 这些集成电路都为时序电路, 它们可以“记忆”过去的输入。组合逻辑电路在任意时刻的输出仅取决于电路当前的输入, 而与电路的过去状态无关。如译码器、编码器、全加器、数据选择器等, 它们的特点是不能“记忆”过去的输入[2]。
2.2 数字电路的特点
数字电路相对模拟电路而言主要具有以下优点:
1) 数字电路不但能完成 (加、减、乘、除) 的运算, 而且还能够完成 (与、或、非等) 逻辑运算, 这在控制系统中是必不可少的, 所以人们常所数字电路也称为数字逻辑电路。2) 数字电路中, 不论是逻辑运算还是算术运算, 其们号代码只有“0”和“1”两种, 电路的基本单元比较简单, 也方便集成和批量生产和制造。随着工艺的飞速发展和半导体技术, 数字电路就是数字集成电路。集成电路的批量生产成本低, 使用方便。3) 由数字电路组成的数字系统, 只有高低两种电平的工作信号, 所以半导体的数字电路一般工作在导通和截止这两种开关状态, 功耗低, 搞干扰性强, 稳定性好, 可靠性高。4) 保密性好。可以对数字信号进行加密处理的数字电路, 在传输过程中不易被窃取信号。5) 通用性强。通常采用数字集成电路组成的数字电路系统, 它具有较强的通用性特点。
3 结语
在数字电路设计中, 信号反射的完整性问题往往对整个系统的性能造成许多难以预料的影响。因此对数字信号和数字电路的分析是个举足轻重的问题, 只有解决好这个问题, 系统才能准确、稳定地工作。
参考文献
[1]张建国.数字电子技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2007.
[2]车驰.基于FOGA的数字电子系统学习板设计[D].重庆:重庆大学, 2013.
数字仿真技术 篇2
一． 设计目的„„„„„„„„„„„„„„„
二． 实现功能„„„„„„„„„„„„„„„
三． 制作过程„„„„„„„„„„„„„„„
四． 原理框图„„„„„„„„„„„„„„„
4.1 数字钟构成„„„„„„„„„„„„„„„
34.2设计脉冲源„„„„„„„„„„„„„„„
44.3 设计整形电路„„„„„„„„„„„„„„
4.4 设计分频器„„„„„„„„„„„„„„„
4.5 实际计数器„„„„„„„„„„„„„„„
64.6 译码/驱动器电路的设计„„„„„„„„„„„ 7
4.7 校时电路„„„„„„„„„„„„„„„„ 8
4.8 整点报时电路„„„„„„„„„„„„„„
4.9 绘制总体电路图„„„„„„„„„„„„„
五． 具体实现„„„„„„„„„„„„„„„
5.1电路的选择„„„„„„„„„„„„„„„
5.2集成电路的基本功能„„„„„„„„„„„„ 10
5.3 电路原理„„„„„„„„„„„„„„„„
六． 感想与收获„„„„„„„„„„„„„„„ 12 七． 附
录 „„„„„„„„„„„„„„„ 数字电子技术课程设计报告
一、设计目的
数字钟是一种用数字电路技术实现时、分、秒计时的装置，与机械式时钟相比具有更高的准确性和直观性，且无机械装置，具有更更长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。
数字钟从原理上讲是一种典型的数字电路，其中包括了组合逻辑电路和时序电路。
钟表的数字化给人们生产生活带来了极大的方便，而且大大地扩展了钟表原先的报时功能。诸如定时自动报警、按时自动打铃、时间程序自动控制、定时广播、定时启闭电路、定时开关烘箱、通断动力设备，甚至各种定时电气的自动启用等，所有这些，都是以钟表数字化为基础的。因此，研究数字钟及扩大其应用，有着非常现实的意义。
石英数字钟，具有电路简洁，代表性好，实用性强等优点，在数字钟的制作中，我们采用了传统的PCMS大规模集成电路为核心，配上LED发光显示屏，用石英晶体做稳频元件，准确又方便。
二、实现功能
① 时间以12小时为一个周期； ② 显示时、分、秒；
③ 具有校时功能，可以分别对时及分进行单独校时，使其校正到标准时间； ④ 计时过程具有报时功能，当时间到达整点前10秒进行蜂鸣报时； ⑤ 为了保证计时的稳定及准确须由晶体振荡器提供表针时间基准信号。
三、制作过程
1.确立电子数字计时器的制作思路
要想构成数字钟，首先应有一个能自动产生稳定的标准时间脉冲信号的信号源。还需要有一个使高频脉冲信号变成适合于计时的低频脉冲信号的分频器电路，即频率为1HZ的“秒脉冲”信号。经过分频器输出的秒脉冲信号到计数器 中进行计数。由于计时的规律是：60秒=1分，60分=1小时，24小时=1天，这就需要分别设计60进制，24进制，（或12进制的计时器，并发出驱动AM；PM的标志信号）。各计数器输出的信号经译码器/驱动器送到数字显示器对应的笔划段，使得 “时”、“分”、“秒”得以数字显示。
任何数字计时器都有误，因此应考虑校准时间电路，校时电路一般采用自动快调和手动调整，“自动快调”是利用分频器输出的不同频率脉冲使得显示时间自动迅速的得到调整。“手动调整” 是利用手动的节拍调整显示时间。
2.查阅资料绘出各部分的电路图(详见原理框图)
数字计时器的设计方法：（1）设计脉冲源（2）设计整形电路（3）设计分频器（4）设计计数器（5）译码器/驱动器（6）设计校时电路
3.按所设计的电路去选择、测试好元器件、并装配成为产品
4.准备设计论文答辩
四、原理框图
1．数字钟的构成
数字钟实际上是一个对标准频率（1HZ）进行计数的计数电路。由于计数的起始时间不可能与标准时间（如北京时间）一致，故需要在电路上加一个校时电路，同时标准的1HZ时间信号必须做到准确稳定。通常使用石英晶体振荡器电路构成数字钟。
数字钟组成框图
2．设计脉冲源
自激式振荡电路有：自激多谐振荡器，激间歇振荡器这次我们选择晶体振荡器原因如下: 由于通常要求数字钟的脉冲源的频率要十分稳定、准确度高，因此要采用石英晶体振荡器，其他的多谐振荡器难以满足要求。石英晶体不但频率特性稳定，而且品质因数很高，有极好的选频特性。晶体振荡器电路给数字钟提供一个频率稳定准确的32768Ｈz的方波信号，可保证数字钟的走时准确及稳定。石英晶体振荡器的频率取决于石英晶体的固有频率，与外电路的电阻电容的参数无关一般情况下，晶振频率越高，准确度越高，但所用的分频级数越多，耗电量就越大，成本就越高，在选择晶体时应综合考虑。
一般输出为方波的数字式晶体振荡器电路通常有两类，一类是用ＴＴＬ门电路构成；另一类是通过ＣＭＯＳ非门构成的电路，本次设计采用了后一种。如图（b）所示，由ＣＭＯＳ非门Ｕ１与晶体、电容和电阻构成晶体振荡器电路，Ｕ２实现整形功能，将振荡器输出的近似于正弦波的波形转换为较理想的方波。输出反馈电阻Ｒ１为非门提供偏置，使电路工作于放大区域，即非门的功能近似于一个高增益的反相放大器。电容Ｃ１、Ｃ２与晶体构成一个谐振型网络，完成对振荡频率的控制功能，同时提供了一个１８０度相移，从而和非门构成一个正反馈网络，实现了振荡器的功能。由于晶体具有较高的频率稳定性及准确性，从而保证了输出频率的稳定和准确。
（a）CMOS 晶体振荡器（仿真电路）
3．设计整形电路
由于晶体振荡器输出的脉冲是正弦波或是不规则的矩形波，因此必须经整形电路整形。我们已学过的脉冲整形电路有以下几种：削波器、门电路、单稳态电路、双稳态电路、施密特触发器等。通过查阅资料主要使用施密特触发器：
门电路组成的整形电路
4.设计分频器
分频器 —— 能将高频脉冲变换为低频脉冲，它可由触发器以及计数器来完 成。由于一个触发器就是一个二分频器，N个触发器就是 2N个分频器。如果用计数器作分频器，就要按进制数进行分频。例如十进制计数器就是十分频器，M进制计数器就为M分频器。若我们从市场上购买到石英晶体振荡器其频率为32768HZ，要想用该振荡器得到一个频率为1HZ的秒脉冲信号，就需要用分频器进行分频，分频器的个数为2N =32768HZ，N =15 即有15个分频器。这样就将一个频率为23768HZ的振荡信号降低为1HZ的计时信号，这样就满足了计时规律的需求：60秒=1分钟，60分=1小时，24小时=1天。
5．设计计数器
计数器的设计，以触发器为单元电路，根据进制按有权码或无权码来编码，采用有条件反馈原理来构成。当 “小时” 的十位为2；个位为3时，只要个位数
“分”
有进位时，就应使十位的“小时 ”的位数归零，因此24小时进制计数器要采用有条件反馈的设计。（12进制计数器也同理）；但应在归零的同时发出驱动AM（上午）、PM（下午）标志的信号。
按规律,一般设计计数器的方法
秒部分：个位选用模10计数器；十位选用模6计数器 分部分：个位选用模10计数器；十位选用模6计数器 小时部分：模12计数器；或模24计数器 6.译码/驱动器电路的设计
在数字系统中常常需要将测量或处理的结果直接显示成十进制数字。为此，首先将以BCD码表示的结果送到译码器电路进行译码，用它的输出去驱动显示器件，由于显示器件的工作方式不同，对译码器的要求也就不同，译码器的电路也不同。数字显示的器件的种类：荧光管、辉光管、发光二极管、液晶显示屏等.译码器电路：此次我们选择的是LED共阳极发光二极管显示器 显示电路如下： 原理图
7．校时电路
校时电路是计时器中不可少的一部分因为当即时间与计时器时间不一致时，就需要校时电路予以校正。校时电路有两种方案：第一、校时用的脉冲可选用频率较高的不等的几种脉冲，从计数器的总输入端（秒计数器的第一级输入端）送入。
第二、校时用的脉冲，分别将秒脉冲送到“计小时”的计数器的输入端，“计分”的计数器输入端，但校时、校分时，应将原计数回路关闭或断开。校秒时可采用关闭或断开秒计数器的脉冲信号输入端使其停止计时 8．整点报时电路
电路应在整点前10秒钟内开始整点报时，即当时间在59分50秒到59分59秒期间时，报时电路报时控制信号。
当时间在59分50秒到59分59秒期间时，分十位、分个位和秒十位均保持不变，分别为5、9和5，因此可将分计数器十位的QＣ和QＡ、个位的QＤ和QＡ及秒计数器十位的QＣ和QＡ相与，从而产生报时控制信号。
实现方式：
说明：当时间在59分50秒到59分59秒期间时 分十位、分个 位和秒十位均保持不变，分别为5，9和5；因此，可以将分计数器十位的Qc和QA，个位的QD和QA及秒计数器十位的QC和QA相与，从而产生报时控制信号。IO1分计数器十位的Qc和QAIO2U1VCC15VVCC2345VIO3分计数器个位的QD和QAX18IO456114V_0.5WIO512秒计数器十位的QC和QA74HC30DIO6数字钟设计－整点报时电路部分 9.绘制总体电路图
五：具体实现
1、电路的选择：
我们采用了传统的PCMS大规模集成电路为核心，配上LED发光显示屏，用石英晶体作为稳频元件，准确又方便。
数字钟专用集成块如下：
a.译码/驱动电路：LM8361，M8560，LM8569，TMS3450NL，MM5457，MM5462集成电路，因为它在所有型号中静态功耗最低。其管脚图见图（12）
b.分频器:我们采用了CD4060。
c.反相器: 我们选用了CD4069（内含有六个反相器）。
2、集成电路的基本功能
（1）CD4060：它是一个十四级二分频器，它所产生的信号频率为30720HZ，经九级两二分频后，得到一个60HZ的脉冲信号，见图。
（2）CD4069反相器: F1—F6六个反相器，通过外接电路去控制各电路的工作状态，管脚见图：
（3）MM5462: 它是集译码/驱动电路为一体，它是60HZ时基24小时专用集成电路。1-4，6-12，22十三个端子是显示笔划输出的，1脚是四个笔划，其余每脚输出二个笔划，16脚为正电源，5脚为负电源，20脚睡眠输出是直流信号，由17脚动和关闭，由13脚调整至需要值，最大值59分钟倒计时。17脚是内部振荡器RC输入端，该振荡信号一是作为外部时基的备用，二是13闹输出的信号源。在我们选用的这套套件没有用20脚的睡眠功能。19脚为时基信号输入脚。14、15、18脚是操作控制端，若接高低电平各有不同的功能。值得注意的是所有的输出端均为低电平有效。
、3、电路原理：（见图原理方框图）
CD4060 CD4069 变压器将交流220V电压，变为双7.5V交流低电压，经全波整流后路经D
411 供显示屏驱动电路，而另一路经滤波后供主电路。由于时钟需要脉冲源，我们选用了JT，R1，C3和CD4060内部的两个反相器组成的晶体振荡器，目的是为了提脉冲源的稳定度，而脉冲源产生的波形不是规则的矩形波，因此，需经整形器整形后，送到下一级，由于脉冲信号源的频率较高，经CD4060九级分频及计数后变换低频脉冲信号。由13脚得到60HZ的脉冲信号一路送入MM5461的19脚，另一路去控制由F4，Q2，Q3组成的显示屏驱动电路。由于F4的倒相作用，使Q2，Q3和时基信号交替导通，形成间歇点亮显示屏，使它工作在正常状态。
当60HZ的信号从MM5461的19脚进入后，由控制电路各部分电路的正常工作经译码与驱动电路去控制显示屏各个应亮的端。
F1，F2，F3，R2，R8，C5，K1组成了一个“电子自锁式开关”，每控一次K1，F2的输出状态会改变，一路去控制MM5461的18脚，另一路去驱动显示屏右下点的发光二极管以指示该功能的工作状态。“亮”表示“闹钟时间已设置”，“灭”表示“闹设置取消”。
R7，Q1，FMQ组成闹输出放大电路，控制信号由MM5461的13脚输出。当响闹时，按下K5可使闹暂停并延时九分钟再闹，还可多次使用报时延时，响闹总时长59分钟。
由于MM5461无秒信号输出，故用F5，F6，R3，R4，C4组成秒信号发生器，经Q4去驱动显示屏中间的“冒号”闪动。电路中各开关的功能：
K1：闹钟时间的设置开关。K1+K5快调闹时间的设置。K1+K4慢调闹时间的设置
K2：时间的设置开关。K2+K5 快调时间的设置
K2+K4慢调时间的设置。K3：闹钟时间显示开关。单击K3可显示事先所设置的报时的时间 K4：慢调时间开关
K5：快调时间开关/暂停/显示
电路中，R10（1K）的作用，是防止开关操作工作时，正负电源短路。R13，R27，R9为限流电阻，它们决定显示亮度。
六：感想与收获
这次的比赛是我们三个人一起参加的，在比赛前的一段时间里，我们三个人的收获很大，具体有三点：（1）有利于我们学习能力的提高。这里所说的学习能力包括获取资料的能力、理解前人思路的能力、系统设计能力、动手能力、分析排除故障能力、表达能力等很多方面，而这段时间的经历，我们提高都很大。
（2）有利于我们团队精神的培养。在课堂之外实际的工作中，我们三人一般都要合作共同完成某一项目，这就非常需要团队精神，而这一点在课堂常规教学中得到的锻炼是很有限的。三个人必须互相信任、互相配合、分工合作，在顺境时小组成员要相互提醒保持冷静，逆境时要相互鼓励共度难关，出现问题时不能相互埋，这些与课堂教学强调独立性是有明显区别的。
（3）有利于我们各种能力的锻炼。第一、不够细心比如由于粗心大意焊错了线，第二，是在学习态度上，这次培训是对我的学习态度的一次检验。我第一次体会到要作一名电子设计师，要求具备的首要素质是严谨。我们这次制作所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。
电设赛场风云涌，各路英豪皆争雄。今朝罢去怀壮志，来届电赛再显锋！七：附录 电路原理总图：
附录
数字仿真技术 篇3
关键词 数字水印技术 版权保护 内容认证
中图分类号：TP309 文献标识码：A
在计算机以及网络通信快速发展的新时代，数字媒体中的图像、视频、音频等功能优势凸显，随着而来的数字媒体的信息安全、知识保护与认证成为一个重要课题。因此，要在数字水印技术上进行全面运用，提升加密处理的有效方法，形成在网络环境下知识产权保护与认证来源的技术运用。
1水印技术
水印技术是一种传统加密方法的技术运用方式，是不被感知地在作品中嵌入信息的操作行为。数字水印技术具有相应的特点，其中，水印是一种不可感知的，与传统的条形码不相同，水印不会减损图像的整体美观度。同时，水印与其嵌入的作品形成密不可分的关系，在作品进行相应转换以及格式变换的情况下，也不会出现消除的现象。此外，水印技术的运用，可以为查询变换情况提供良好的帮助。从目前水印技术的运用来看，主要包括有鲁棒型水印、脆弱型水印、半脆弱性水印三种，这三种水印技术分别运用与数字图像的知识产权保护、内容图像完整性以及可信度的验证等。通过数字水印技术的运用，具有一定的保护优势。其中，水印技术不需要辅助的数据，对于处理旧文件过程中，没有多余的空间储存数据等。还能承载作品相同的变换，在作品进行转换的过程中，内容变化，水印也会发生变化。通过相应的对比，可以清晰的查看出水印的修改情况，掌握基本的内容，对于修改的痕迹有很明显的把握。从目前水印技术的应用来看，主要包括有精准认证、选择认证以及局域化认证与作品重建等方面的内容。
2精准认证的运用方法
精准认证主要运用在对作品是否有被改变的判断中，可以从两个方面进行技术运用。
2.1脆弱水印技术
从数字水印精准认证的技术分析来看，脆弱水印是指作品在发生任何形态的转换之后，形成一些不可测的标志，脆弱水印技术能从中检测到一个非常脆弱的水印。这样可以判断出是否有被改变的可能性。对于是否有修改能形成精准的判断。比如，通过使用图像的半色调进行信息隐藏，采用视频利用MPEG编码表示水印，这样，可以有效的检测到是否有被恶意修改的可能。
2.2嵌入签名技术
嵌入签名技术主要是通过对认证签名嵌入载体作品之中，可以减少一般认证签名信息丢失的风险性，在格式被转换的情况下也不会轻易的丢失信息。因此，通过嵌入签名认证技术，可以有效的确认与作品计算出的签名是否相同。在有效的避免嵌入水印的过程中对作品造成的改变，可以从认证与存放水印两个方面进行控制。为了更好的实现精准度，可以通过擦除水印来解决这些问题。
3选择认证技术的运用
选择认证技术是指在图像与音频的剪辑过程中，在少年比特的改变不会造成原作品发生改变的情况下，即使有出现相应的修改之后的比特现象，但在整个视觉与听觉中不会出现相应的改变。
3.1半脆弱水印技术
在半脆弱水印技术的运用中，主要是指能承受合理失真，但又不会被不合理失真损坏的水印。半脆弱水印能在一定程度的信号处理中，将正常的信号处理与恶意篡改的形成有效的区分，在篡改现象出现的同时，可以提供篡改的破坏量精准的位置，并帮助分析被篡改的相应类型，这样，能有效的保护好内容的真实性。主要是通过鲁棒性水印，从而使其在失真达到相应程度实效的情况下，获取半脆弱水印。
3.2嵌入式半脆弱签名技术
半脆弱水印如同它们的脆弱部分一样常常不能抵抗恶意修改，因为他们都屈从于拷贝攻击。如认证水印只嵌入到高频的DCT块的系数中，一个不合理的失真只改变了低频部分，而保持高频不变，水印自然也不会受到影响，这时系统就会错误地认为图像可以通过认证。在通过嵌入式半脆弱水印技术的运用，对块状内容中出现的被修改或者被转换的内容，可以形成水印技术的检测。这种技术具有相应的技术优势，能形成不同的水印表现，不同作品具有不同的表现，也不会引起相应的保真度的问题。
4局部认证技术的运用
局部认证作为一种基于水印的认证方法，能有效的辨别出做作品被修改的次数与相应的区域，还可以对剩余没有被修改的内容进行有效的证明。并通过对被修改内容的精准分析，可以对修改动机、失真的合理性以及相关嫌疑人进行有效的认证。可以从基于块的内容认证与基于样本的内容认证两个方面进行技术分析。其中，基于块的内容认证主要是对作品许多郴相交的时间与空间区域，进行相应的认证运用，这样，在作品被修改的过程中，就能掌握具体的被修改的区域的内容。基于样本的内容认证，主要是对块内容进行系统局域化的空间敏锐性分析，在块大小上进行相应的技术处理，减少块尺寸大小对安全问题的风险控制等。在局部认证技术应用中，对于相应的个人身份显示，比如身份证、护照、驾驶证等形成一定的局部认证，能有效的辨别出真假，并对作品形成局部的保护，形成一种无法仿制与复制的整体功能，从而有效的加强对作品真实性的保护力度。
5作品重建技术运用
通过水印可以判断一幅作品是否被修改，甚至判断出修改位置及修改方式， 同样， 我们可以通过水印将被修改的作品重建。重建有两种策略：精确重建和近似重建。其中，精确重建将作品恢复到初始的状态（即目标是重建作品的每个比特都和原作一致）。将作品简单地看做比特的集合，纠错编码（ECC）是作品传输中表示的一部分，一个作品中可以有许多不同的纠错编码，而且这些元数据可以用水印来表示。近似重建是一个和原作品有一定差别的作品，但和原作没有显著差别。 在技术重建的使用中，通过对作品重建技术的使用，能形成对作品整体功能的恢复，尤其是在被篡改的作品中，对于作品的失真性能构成很大的帮助，能有效的实现对作品的整体保护。并在重建的过程中，形成纠错编码的技术转换，在近似原作品的修复中，可以形成对目标控制的整体功能，从而为知识产权的保护提供良好的帮助。
6结语
数字水印技术与现代信息化发展有着很大的关联性，在图像处理以及内容认证方面有着很大的作用，尤其是在知识产权保护方面，通过数字水印技术与密码处理技术的有效结合，并采用智能开发技术，形成多种媒体类型的水印互操作的软件开发，能有效的对内容保护形成很大的效果，增强知识产权保护的整体力度。
参考文献
[1] 袁莉.数字水印的应用及攻击类型[J].长春师范学院学报，2005，11.
[2] 唐庆生，佘堃.基于离散小波变换的数字水印技术[J].成都信息工程学院学报，2005，01.
[3] 田震，陈高兴，李改肖，王斌.中国数字海图生产与版权保护[J].测绘科学，2005，04.
民用飞机照明数字仿真技术研究 篇4
飞机设计是一个复杂的过程, 需要大量的设计-验证工作, 传统的设计是先设计后验证, 设计和验证相独立的过程。设计人员首先根据系统的顶层要求进行设计, 尽管会进行一定计算分析, 但精度非常有限, 无法保证设计符合性。初步设计后需通过试验样机来验证系统是否满足顶层设计要求, 不能达到要求则需要设计人员根据验证结果进行改进, 改进后再进行试验验证。整个研发过程中需要进行多次的设计和验证的迭代, 才能使顶层要求完全得到满足, 设计过程复杂、研制费用高、周期长。为了解决这些问题, 各飞机制造商都在积极采用新技术、新思路, 寻求解决方案, 以期能够提高研发效率。
2 数字仿真技术的优势
数字仿真技术的出现为解决这些问题提供了契机。通过对实际情况建模, 并利用数值方法进行计算分析, 数字仿真技术能在设计阶段检验系统的性能, 为设计工作提供指导。图1是传统的设计研发流程与引入数字仿真技术后的研发流程的对比。在航空领域, 数字仿真技术已经普遍应用在气动、强度、电子、电气、飞控等系统的设计中, 表现出很大的优越性。
照明系统直接关系到主观感受, 在设计中需要综合考虑内设、环境等多方面的因素, 设计过程非常复杂。一般的设计方法只根据照度和亮度的需求进行设计。在定下初步设计方案之后, 设计者往往对方案可实施性的把握不强, 在灯光的布置、灯具的性能表现、空间的照度和亮度分布等问题上都存在很大不确定性。即使引入一系列的公式进行繁冗的手工计算也只能得到较粗略的计算结果。随着技术的发展, 数字仿真技术逐渐应用于照明领域, 出现了很多各具专长的照明仿真软件。
3 国内外应用现状
国外先进民机照明系统设计中已经普遍采用数字仿真技术。美国NIAR实验室采用SPEOS CAA V5软件进行照明仿真分析, 为各航空公司提供技术支持。Bombardier也将SPEOS CAA V5应用于客机照明系统设计中, 采用仿真技术后其研发效率提高了一倍以上, 并减少了物理样机消耗的时间和费用。
目前国内民机照明系统设计方法还比较落后, 只是简单根据照度要求选择灯具类型、数量并进行布置, 在实际安装前无法准确把握照明效果。例如在着陆灯设计中可以通过简单计算得到不同飞机姿态下跑道上的粗略照度值, 但无法知道飞行员在实际飞行时的视觉感受, 更不能分析跑道的反射特性以及天气条件对照明效果的影响。外部照明是飞机照明系统中适航条款最多的部分, 设计中需要全面考虑这些条款, 并在设计完成后通过地面试验检验其符合性。因此, 有必要在飞机外部照明系统设计中引入进行数字仿真技术, 以提高飞机外部照明系统的研发效率及设计水平、减少风险、缩短研发周期、降低研发成本。
4 数字仿真工具对比分析
照明领域的仿真计算主要通过光线追迹来实现, 光线追迹的算法包括确定性算法和蒙特卡罗算法, 确定性算法的运算代价较大, 蒙特卡罗算法采用统计方法进行计算, 能节约运算代价, 提高计算速度。目前商业的仿真软件已经相当成熟, 比较常见的如ASAP、Tracepro、Lighttools、Dialux、SPEOS、SPECTER、Radiance等。ASAP、Tracepro、Lighttools等软件主要用于光源、灯具的设计, Dialux、Agi32、SPEOS、SPECTER、Radiance等主要用于照明设计。
OPTIS公司的SPEOS软件集成了多种算法, 即可以进行确定性算法分析或蒙特卡罗算法分析, 也可以进行混合式算法分析。用户可以根据不同的仿真情况选择不同的仿真算法, 以提高计算精度。内嵌的反向追迹模块可以进行眩光分析, 在驾驶舱照明设计中有广泛的应用。
此外, SPEOS软件与Catia V5无缝结合, 将照明仿真功能直接嵌入Catia软件中, 设计与仿真两个过程间不需要进行数模转换, 消除了格式转换引起曲面形状畸变的风险。
5 结语
飞机设计是一个复杂的过程, 需要大量的设计-验证工作, 数字仿真技术的出现为解决民用飞机照明技术提供了契机。目前市场上有一些商用软件, 可以对比选择合适的软件辅助设计, 提高民用飞机照明的研发效率及设计水平、减少风险、缩短研发周期、降低研发成本。
摘要：数字仿真技术为缩短民机照明设计、验证过程提供了契机。简要介绍了仿真技术的优势, 调研了国内外的发展现状, 并对比分析了目前可用的商业软件, 为仿真技术的应用提供参考。
数字仿真学科纲要 篇5
国内外数字仿真在需求牵引、技术推动和经济支撑下,日益广泛地应用于各行各业,涌现出许多硕果,不仅取得了经济效益和社会效益,而且也促进数字仿真本身的飞速发展,特别是融合种种高新技术后,数字仿真更是锦上添花.这集中反映在近来先后发表的优秀论文和专著中.该文利用其精辟文摘和业已取得的.共识,简明而又系统地阐述数字仿真及其应用.由此不难看出,数字仿真是一门新兴学科,它乃是一个反映客观相似规律的知识体系,其基本特征是根据相似原理,无需运行原系统,用其模型的活动就可达到系统研究的预期目的.
作 者：徐庚保 曾莲芝 杨本信 ZENG Lian-zhi XU Geng-bao YANG Ben-xin 作者单位：徐庚保,ZENG Lian-zhi(北京航天自动控制研究所,北京,100854)
曾莲芝,XU Geng-bao(北京控制与电子技术研究所,北京,100038)
杨本信,YANG Ben-xin(航天科工集团公司二院706所,北京,100039)
数字仿真技术 篇6
关键词：数字媒体 发展趋势 融合 人才培养
中图分类号：J0-4文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0226-02
21世纪是数字信息的时代，数字媒体产业也被认为是数字信息时代最具发展潜力的阳光产业，国家政府也对这一新兴的融科技、文化、艺术为一体的产业给予大力扶持。巨大的市场需求刺激着许多与数字媒体相关产业和领域的变革与发展。在教育领域，国内各大高校都纷纷结合各自的优势背景和特色，开设和创办与数字媒体相关的学科和专业，数字媒体技术专业和数字媒体艺术专业在这样的背景和发展趋势之下应运而生。
1 数字媒体技术专业发展现状
数字媒体技术专业是一个宽口径，以技术为主，艺术为辅，技术与艺术相结合的跨学科新专业。数字媒体技术专业的毕业生需要掌握信息领域的基础理论与方法，具备数字媒体制作、传输与处理的专业知识和技能，并具有一定的艺术修养，能综合运用所学知识与技能去分析和解决实际问题。因此，数字媒体技术主要依托于计算机信息技术，数字技术，网络技术等工科性质的技术，而将艺术修养，人文知识素养置于附属、辅助位置，从而导致学生综合知识素养的缺失，缺乏创意与内涵。另外，数字媒体技术专业对学生计算机技术方面的培养也不如计算机科学技术、软件工程等专业那样严谨，造成学生文化艺术不如文科或艺术专业的学生，计算机技术也比不上计算机专业的学生，毕业时往往难以顺利就业。
2 数字媒体艺术的发展现状
艺术媒介的变化和基于数字手段的内容整合，使得以数字科技、艺术设计和新媒体研究相统一的新型教育模式成为数字媒体艺术教育的指导思想。所以数字媒体艺术专业是集数字媒体技术应用与艺术创作为一体的专业，是培养具有扎实的数字技术应用基础和艺术理论基础，掌握数字技术在影视艺术领域、网络多媒体艺术领域中的应用原理、基本知识和技能，能在影视艺术、网络多媒体艺术领域中进行创作实践的应用性人才。可以看出，数字媒体艺术专业要求具备数字技术应用的能力，包括相关的数字艺术设计软件的应用，网络技术的应用等。同时也比较注重艺术理论的学习和艺术修养的陶冶。但是，有艺术专长的学生对于相关技术的学习难以精进，对相关技术软件的使用也局限于表面，因此即使有好的创意在运用数字技术表现时会受到一定的束缚，作品的展现形式不能完全符合于本人的创意和思想。
3 数字媒体技术与数字媒体艺术的融合
3.1 科技、艺术与文化
在古代，技术与艺术都指的是在劳动生产中的技能，随着社会的发展，社会分工越来越细，科技与艺术才逐渐分化。但随着数字高科技时代的到来，科技与艺术又有了共同生长的土壤，依托于现代数字科技与计算机技术的数字媒体技术更是与新兴数字艺术的发展密不可分。同时，数字艺术只有依赖于先进的数字技术才能取得更加长远的发展，其艺术创作形式和风格才会趋于更加成熟与完美。
不论是科技还是艺术，都是人类文明的一种表现形式，是人类社会生活的一种写照。因此，我认为科技与艺术的灵魂都根植于人类社会所积累的宝贵财富—文化之中。最高的科技，一定需要人文思想作为基本指针，才会避免人类全面彻底物化的危机或毁灭的末路。因此，在数字高科技摇篮中诞生的数字媒体技术与数字媒体艺术在培养学生时应注重文化的熏陶，加强学生的人文知识素养。
3.2 未来发展的必然趋势
数字产业经过几年的发展，已经有一定的规模，但还远不能满足社会的需求。数字产业需求的是具有过硬的计算机技术，同时又具备一定艺术创意的复合型人才。因此，数字媒体技术与数字媒体艺术的融合在长远来看有利于培养市场所需求的人才。此外，人们对数字媒体产品也越来越挑剔，数字媒体作品的创意层次和品位要求也越来越高，这些都在考验着作品设计与创作人才。一件作品好不好，关键看创意好不好，创意在于赋予作品什么样的灵魂与思想，只有灵魂思想饱满充实的作品才会被人们所认可，而一件作品的灵魂其实就是一種文化精粹的体现。既然现代的数字艺术根植于文化而又借助于数字技术得到展现，那么在数字媒体艺术与数字媒体技术逐渐融合发展的过程中加之于文化的滋养，以赋予其鲜活的思想与灵魂又未尝不可呢。
俗话说，过去的奢侈品是今天的必需品，那么今天的奢侈品也将成为明天的必需品。在计算机发展之初，只有专业人士才能较好的掌握使用，但在今天，计算机已经成为人们工作学习和生活中的日常用品了。因此，随着社会的发展，数字媒体技艺在作品创作，娱乐视听等各方面的发展将会越来越普遍化，运用新媒体进行创作的人将不再局限于艺术家，任何一个行业的人都有可能，所以说跨学科跨领域人才的培养是社会发展的必然趋势。那么数字媒体技术与数字媒体艺术的融合在于更加有利于培养未来社会所需的跨学科的复合型人才，而且，许多杰出的艺术家，科学家等都是跨领域跨学科的人才，比如日本著名动画大师宫崎骏就拥有经济政治学的背景。
总之，我认为从长远来看，数字媒体技术与数字媒体艺术的发展趋势是不断吸收和借鉴双方各自的优势和特色，相互促进，相互转化的逐渐融合的过程。
4 数字媒体技艺的人才培养
数字媒体技术专业与数字媒体艺术专业目前在学生培养方面存在一种文化涵养缺失问题。艺术创作的内容来自于我们日常的生活之中，而人们在日常生活中所积累起来的财富构成了我们博大精深的文化。缺失了文化的底蕴，即使再精湛的艺术，运用再好的技术，创作出的也不过是缺少灵魂的作品。因此，在数字媒体技艺的人才培养中应重视文化修养。
另外，数字媒体技艺是在交叉学科数字媒体技术与数字媒体艺术的基础上的再次交叉，在人才培养过程中，要尽量避免学生的知识分离化现象。在教学指导中，要根据学生的特点区别对待，因材施教，避免陷入培养“被复合型”人才的误区。
最后，由于缺少实践，许多毕业生实践动手能力欠缺，在就业时往往不能满足用人单位的需要。因此数字媒体技艺的人才培养应注重实践，可以创建教学、科研、生产相结合的工作室，以及数字人才培养创新工作室以锻炼学生的实践能力。
5 结语
随着网络信息技术的进一步发展，数字媒体技术与数字媒体艺术的融合将是其发展的必然趋势，在未来激烈的数字信息市场的竞争中，二者通过互相吸收借鉴，取长补短以完善自身价值的体系，才能在竞争中处于优势地位。在将来，数字媒体技术不再只是由理工科学生或科学家才能运用的计算机技术，而数字媒体艺术也不再是由艺术家或是对艺术感兴趣的科学家进行创作，而是将出现二者兼具的人才，即数字媒体技艺人才。笔者认为这样的融合才真正有利于数字媒体信息的长远发展。
参考文献
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航电全数字仿真平台技术研究 篇7
航电全数字仿真在航电系统性能的确认及验证 (V&V) 流程中有着重要的作用, 在航电设计的早期阶段, 通过模型及仿真的方式进行系统可行性分析、验证, 有助于进行早期评估以优化所有资源的使用, 能在短时间内检验构型变化, 从而减少开发时间。
本文所研究的航电全数字仿真平台主要包括主仿真系统和上位机仿真监控软件、建模相关软件等。在数字仿真阶段, 模型之间通过反射内存网或以太网交换数据, 各仿真节点可自由配置航电模型。考虑后续向半物理仿真测试的要求, 主仿真系统要具备高度可复用性, 预留与前端设备的数据接口, 并且在不修改已开发的仿真模型基础上, 顺利实现全数字仿真向半物理仿真的过渡。上位机软件提供程控开关, 实现模型和配线的同时切换, 便于真实设备接入仿真网络。
1 系统整体网络拓扑结构
航电全数字仿真系统采用上下位机结构形式。上位机主要运行仿真建模及仿真试验的应用软件, 如Rhapsody、实时仿真过程的监控软件、数据模型管理平台等。上位机采用普通PC机, Windows操作系统。下位机采用工业控制计算机, PCI总线形式。在实时内核的调度下运行多任务的航电系统的仿真模型, 通过反射内存网或以太网模拟各分系统间的数据链路, 并响应上位机的命令, 实现数据上传与下载。仿真监控计算机与实时仿真节点通过以太网进行连接, 它们之间的通讯是通过TCP/IP协议, 仿真监控计算机与实时仿真节点通过以太网主要是传输监控软件发给实时节点的指令;实时仿真节点之间的数据通讯是通过反射内存网或以太网, 模拟航电系统各模块间的数据通讯, 仿真监控计算机对反射内存网上传输的数据进行监控。航电全数字仿真平台网络拓扑结构见图1。
2 系统工作流程图
航电全数字仿真平台的工作流程图如图2所示。数据模型管理平台导入系统ICD数据, 设计仿真网络和硬件信息, 导出Rhapsody模型的ICD数据和打包、解包算法。Rhapsody设计航电系统的状态图, 进行全数字仿真。在数据模型管理平台描述航电系统数据的实际物理形式。最后导出航电系统的实时仿真Rhapsody模型。实时模型与全数字模型融合生成, 最终的实时仿真模型。通过Rhapsody将导出Rhapsody模型编译为可执行仿真程序。监控软件下载实时仿真模型, 并且监控运在嵌入式系统的实时模型的变量。同时监控软件可以将实时仿真的模型的数据保存到本地数据库中, 仿真结束后可以解析回放记录的数据。
3 实时系统设计
实时操作系统Vx Works开发是整个航电全数字仿真平台的基础和核心。Vx Works镜像的制作和Vx Works应用程序的开发是下位机实时系统的主要工作。
3.1 Vx Works镜像制作
Vx Works镜像成生可以通过Tornado建立一个bootable工程, 并对Vx Works的内核进行裁减, 裁剪过程如图3所示。裁剪结束后需要对rom Init.s、rom Start.c、sys Alib.s、sys Lib.c等文件进行修改, 满足场景要求。
3.2 Vx Works应用程序的开发
Vx Works应用程序开发包括检测下位机PCI设备、下位机IP地址配置、PCI板卡驱动程序设计等, 本文以PCI板卡驱动程序设计为例说明开发过程。在Vx Works中以太网、串行设备的驱动开发与普通的PCI板卡的开发有很大的不同, 具体的开发过程如图4所示。
4 结束语
本文研究了航电全数字仿真平台的软硬件实现, 并利用研究成果搭建了航电系统全数字仿真平台, 该全数字仿真平台可以用于航电系统设计早期对航电系统的需求进行确认, 以期在航电系统设计早期尽早对系统的可用性和完整性进行测试, 减少开发时间, 符合确认及验证 (V&V) 流程。
摘要：航电全数字仿真在航电系统性能的确认及验证 (V&V) 流程中有着重要的作用, 有助于进行早期评估以优化所有资源的使用, 减少开发时间。研究了航电全数字仿真平台的软硬件实现, 并利用研究成果搭建了航电系统全数字仿真平台, 该平台可用于对航电系统需求进行确认。
关键词：全数字仿真,航电系统,需求确认
参考文献
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飞机数字化装配仿真技术综述 篇8
飞机是一个复杂的系统, 飞机的研制则是一个技术密集、知识密集、人才密集、资金密集的行业[1,2], 具有研发周期长, 安全性和可靠性要求高的特点。飞机装配是飞机制造过程中一个重要的环节且工作量繁重, 据相关资料统计, 飞机装配在整个飞机制造中占到了40%~50%的工作量[3], 可以看出, 飞机的装配效率严重制约了飞机的研制周期。长期以来, 国内外科研机构和相关航空企业都非常重视飞机制造技术的研究, 不断推出新的技术和理念, 并取得了一系列具有意义的成果。近年来, 围绕缩短飞机研制周期, 特别是针对新机研制周期, 提高质量和效率等方面的问题, 航空工业大力推广并行工程技术的应用。通过在早期数字化样机 (Digital Mock-Up, DMU) 技术基础上进一步引进基于模型定义 (Model Based Definition, MBD) 技术, 采用先进的仿真技术, 实现了在设计阶段就对飞机制造过程包括飞机装配等环节进行了仿真、分析和优化, 达到缩短飞机研制周期的目的。因此, 开展仿真技术的研究, 开发满足飞机装配要求的仿真系统就显得尤为重要。
1 飞机装配仿真技术的发展
飞机装配具有工作量大、工艺装备多、协调关系复杂、变形误差难以控制等特点。传统的飞机制造技术以模拟量传递为主, 采用各种标准工装 (模线、标准量具、标准样板和标准样件等) 、专用装配工装、大量的二维图纸和工艺文件等生产制造出全尺寸实物样机。然而, 在飞机的设计制造过程中难免会有错误和设计不合理的问题, 等到飞机实际装配过程中或实物样机生产出来才发现问题, 就会造成大量的产品、资源的返工以及产品设计、工艺工装设计的修改, 给航空制造企业人力、物力、财力等带来不可估量的损失, 严重影响飞机研制进度。
20世纪50年代, 美国麻省理工学院 (MIT) 首先提出CAD/CAM技术的概念[4], 随着后期技术的成熟, CAD在美国的航空工业得到了成功的应用, 其中洛克希德飞机制造公司第一个研发出了实用的CAD/CAM绘图软件[5]。进入20世纪70年代, 计算机技术、信息技术、网络技术、CAD/CAM等技术得到了快速的发展和进步, 美国、欧洲等发达国家都积极开始研究和发展飞机数字化设计与制造技术。
到20世纪80年代, 随着CAD/CAM、CAPP和CIMS等技术的发展, 以美国为首的西方发达国家纷纷开始实施先进的数字化设计制造技术, 并率先应用到飞机研制中。数字化设计技术为实现先进的数字化制造技术的发展奠定了良好的基础。
20世纪90年代后期, 计算机技术继续向集成化、智能化、标准化的方向发展, 美国华盛顿州立大学的Sankar Jayaram等与美国国家标准技术研究所共同研发了世界上第一个装配仿真系统[6], 随后便出现了很多计算机软件如CATIA、UG、I-DEAS、Pro-E等, 以美国Boeing公司、欧洲的空中客车 (Airbus) 公司为代表的两大飞机制造业巨头, 在飞机的研制中率先全面采用了数字化样机 (DMU) 和预装配技术 (Digital Pre-Assembly, DPA) , 在飞机的设计和制造中实现了三维数字化产品定义、三维数字化的工艺和工装, 代替了全尺寸实物样机, 避免了传统飞机研制中因更改带来的工艺、工装等一系列的返工、缩短了产品的研制周期、降低了成本、提高了产品质量、令资源得到了最大的优化配置, 从而使飞机制造模式发生了重大变革, 达到了真正的飞机无纸化设计制造、装配仿真技术 (Assembly Simulation) 和数字化产品定义 (Digital Product Definition, DPD) , 替代了真实零部件的装配, 极大地提高了飞机的研制效率, 节约了成本和时间。
上述CAD/CAM、CAPP、CIMS和预装配等技术的出现和发展解决了对产品的设计验证, 但并没有考虑对产品装配过程有关的装配工艺、工装等的协调性、可行性问题, 缺乏实际装配前的数字化三维工艺设计验证。进入21世纪, 经过航空制造业长期的生产实践, 在产品数字化定义、数字化预装配技术、CAPP技术、产品数据管理 (PDM) 基于模型的定义 (MBD) 等技术基础上发展出了先进的数字化装配仿真技术。在飞机的研制过程中, 我们利用三维数字化设计软件, 按真实尺寸建立飞机的所有零件的几何模型, 并且充分的考虑与产品有关的装配工艺、工装等设计, 进行全数字化装配三维工艺仿真, 对三维工艺设计进行验证。为后续实际产品科学合理的装配工艺、工装等的设计提供全方位的指导。与传统装配技术相比, 基于数字化的装配工艺过程仿真技术具有直观、调整灵活、技术成本和风险低的优点, 能够方便地进行装配仿真分析和验证, 以减少装配设计的缺陷。飞机数字化装配工艺过程仿真已成为飞机研制过程的关键技术。
飞机数字化装配仿真技术是一门多学科、多领域交叉发展的高端技术[7,8], 在国内外航空制造企业中得到了广泛应用。美国的Boeing公司、洛克希德·马丁公司、欧洲的空中客车 (Airbus) 公司等一批航空制造公司采用数字化装配仿真技术使飞机设计水平和研制效率大幅度提高, 原型机的设计、更改和返工量减少了50%以上, 尤其是装配仿真技术的应用使实际装配问题减少了50%~80%, 制造成本也降低了40%, 飞机的研制周期缩短了近40%~60%[9], 用户满意度和认可度也大幅提升。目前, 在我国航空制造企业, 飞机数字化制造技术得到了迅速地推广和应用, 飞机制造过程中数字量传递替代了模拟量的传递方式, 使我国的飞机制造业生产方式发生了质的变化。近年来, 在我国的飞机装配技术方面, 也广泛采用了飞机数字化装配仿真技术, 例如, 我国新支线客机ARJ21、中国首架国产大型客机C919、枭龙战机等飞机的研制也利用了装配仿真技术, 减少了装配问题和返工, 大大缩短了飞机的研制周期。但是与发达国家相比, 我国航空工业飞机装配仿真技术的全面普及和应用还有很长的路要走。
2 飞机数字化装配仿真的关键技术
2.1 基于模型的数字化定义
基于模型的定义是波音公司最先提出来的, 并且在波音787客机的设计制造上实践了这一新的技术。基于模型的数字化定义技术 (MBD) , 是将产品的所有相关的工艺描述、属性、管理等信息都附着于产品的三维模型中的先进数字化定义方法。MBD在三维实体模型中提供了完整的产品信息, 集成了三维模型和二维图样中的所有设计制造信息。基于MBD的三维实体模型作为产品制造过程中唯一的依据, 代替了传统的以二维工程图样为主, 三维几何模型为辅的制造模式。
MBD数据集分为MBD的零件数据集和MBD的装配数据集。零件的MBD数据集主要包括实体几何模型、坐标系统、尺寸、公差和标注、工程说明及其它相关定义数据;装配数据集包含了装配过程中的产品模型、工装模型、工序信息, 装配顺序信息等工程要求文件, 是进行装配过程仿真和容差分配仿真的依据。如图1所示为基于MBD的装配模型定义[10]。
在基于MBD的数字化制造技术下, 采用三维数字化产品与工装协调建模、三维装配工艺设计与仿真及基于MBD的产品数据管理系统集成技术等, 产生飞机装配工艺流程数据的同时, 设计相关的飞机三维结构生产图解和装配过程视频, 以更好地用于指导现场装配生产。MBD技术完整表达了与产品相关的工程数据、工艺数据、工装数据等信息, 通过MBD技术的应用实现了生产过程的高度集成, 提高了产品质量和生产效率, 有效地改善了现场的生产环境, 真正的实现了100%的无纸化三维数字化集成制造。
2.2 数字化装配工艺过程仿真与优化
自20世纪80年代后期, 数字化制造技术在欧美发达国家迅速发展起来, 欧洲空中客车 (Airbus) 公司的A400M军用运输机[11]、美国Boeing公司的Boeing777型客机、洛克希德·马丁公司的JSF战斗机X-35等飞机的研制过程中相继全面地采用了先进的三维虚拟装配仿真和验证技术, 应用装配工艺仿真技术使飞机的设计变更大大减少, 缩短了工艺规划时间, 提早发现装配过程中的各类问题, 消除了装配缺陷, 从而提高了产品质量、生产效率并降低了经济成本。三维数字化装配工艺仿真是在计算机软件环境中, 调用产品和资源的三维模型, 设计各部分的装配工艺过程, 并利用软件模拟零件、组件、部件等数字模型的移动、定位、夹紧、装配、下架等工序过程, 通过产品的上架装配和拆卸的三维装配仿真, 验证检查产品、资源设计和工艺设计的缺陷, 以及时发现问题和优化工艺设计, 得到最佳的方案。
浙江大学王青教授[12]、新加坡国立大学S.K.Ong[13]等在干涉碰撞检测、装配路径规划、空间位姿调整等数字化装配工艺仿真方面取得了很多重要的研究成果, 开发出了装配规划验证系统。目前, 较为成熟的商用数字化仿真技术软件是达索公司的DELMIA和西门子公司PLMSoftware的e M-POWER[14,15]。如图2所示为基于DELMIA的飞机数字化装配工艺过程仿真流程图。
DELMIA软件是目前航空工业普遍使用的一款由法国达索公司出品的模拟仿真软件, 在航空、航天、航海、汽车和船舶等制造业有着广泛的应用。下面以DELMIA仿真软件为例, 阐述飞机数字化装配工艺仿真与优化的以下几个方面内容:
1) 装配干涉的仿真。在DELMIA软件环境中, 把设计好的三维数字化零部件按照设计好的装配工艺流程进行移动、定位、夹紧和装配等过程, 通过DELMIA软件检查产品与产品、工装与产品是否存在干涉, 当发生干涉碰撞时, 系统会给出提示, 并提供干涉区域和干涉量, 这样工艺设计人员就可以根据提示的信息查找分析发生干涉碰撞的原因。如图3所示为尾椎整流罩组件装配过程中的干涉碰撞检查实例。
2) 装配顺序的仿真。按照预先设计好的装配工艺流程, 在DELMIA%DPM虚拟环境中对产品的装配过程进行仿真, 验证检查装配顺序是否正确合理, 是否存在无法安装的情况, 以及时更正。如图4所示为某型飞机机翼在装配型架上的装配顺序仿真。
3) 人机工程仿真。在DELMIA人机工程分析模块环境中, 按照装配工艺流程, 对人在装配过程中的的可视性、可达性、可操作性、舒适性、安全性、工作人员之间的协调性等进行仿真分析, 如果存在操作死角、安全隐患等以便尽早调整优化工装。如图5所示为飞机机翼装配过程的人机工程仿真示意图。
总之, 应用数字化装配工艺仿真技术, 既保证了装配工艺的可行性, 提高了装配效率和质量, 还充分考虑了装配过程的时间、成本等因素, 并兼顾设备、人员、空间等资源的利用率, 通过装配仿真结果优化装配工艺, 最终得到最佳的装配工艺方案, 显著提高了飞机的研制效率以及航空制造企业的经济效益[16]。
2.3 数字化容差分析与优化
要保证飞机总装配结束后飞机结构强度、空气动力性能等指标, 就必须严格控制装配精准度, 而装配的精准度是通过飞机装配过程的累积误差体现的。因此, 在飞机的装配过程中要提高装配精准度、一次装配成功率、装配工艺性以及降低成本[17], 就需进行装配误差累积分析与容差优化以便获得合理的容差分配方案。
1978年C.Hillyard[18]提出应用计算机辅助技术来设计零件的尺寸和形位公差以来, 国内外就针对容差分析与优化展开了大量的研究工作, 同时也为实现与CAD/CAM集成奠定了基础。目前数字化装配容差设计过程主要包括:装配容差建模、装配误差累积分析、装配容差分析、装配容差优化等。现阶段在三维装配仿真软件中都提供了容差设计模块, 但只是用于三维实体模型的容差标注, 而缺乏对装配容差设计有效的分析和优化。如DELMIA软件就缺少进行装配容差分析的模块, 使用DELMIA进行装配仿真时使用的模型是不带公差的理想化模型, 没有装配容差分析优化功能。
为了实现数字化容差分析与优化功能, 装配容差设计子系统是基于CAA二次开发工具开发的, 并与DELMIA或CATIA软件集成的应用系统。如图6所示为基于DELMIA开发的装配容差设计子系统体系结构。该子系统已在国内航空制造企业得到了广泛应用, 经实践该系统有效地减少了装配仿真路径规划的任务量, 在实物装配之前就发现因容差分配不合理而引起的干涉问题, 提高装配仿真的效率和容差分析的准确度。
3 展望
随着飞机数字化制造技术的不断发展, 仿真技术将在航空领域应用越来越广泛, 给航空制造业带来巨大变化, 将促进航空制造业向数字化、信息化和智能化方面发展。目前飞机数字化装配中的标准规范体系如MBD技术标准体系、装配容差设计技术体系等还需进一步的发展和完善。随着虚拟现实、人工智能、物联网、大数据、云计算等新技术的发展, 以数字化、智能化、高度集成化为特点, 基于增强现实技术为核心的装配仿真技术将成为飞机数字化装配的发展趋势, 并将大大促进和推动飞机的智能制造和精益制造技术的发展, 使飞机制造技术又迈上一个新的台阶。
摘要：通过装配仿真技术可以实现在虚拟环境下对产品设计、工艺规划和资源的验证, 从根本上改变了必须依赖实物的传统装配工艺方法, 使得我们能够在产品设计阶段对工艺进行分析和优化, 实现了并行工程的理念, 大大缩短了产品研制周期, 提高了效率, 降低了成本。而在制造业, 特别是航空制造业大力推行并行工程技术的今天, 由于产品数字化设计和基于模型定义技术的应用, 更加彰显装配仿真技术重要性。装配仿真技术已成为数字化产品设计时代的一种必不可少的先进技术手段, 具有广泛的应用前景。
数字水印技术综述 篇9
关键词：数字水印,多媒体数字产品,版权保护
1数字水印技术概述
1.1数字水印技术定义
数字水印(Digital Watermarking)技术[1],可以理解为在用户提供的原始数据中,如视频、音频、图像、文本、三维数字产品等载体上,通过数字水印技术手段,嵌入具有某些具有确定性和保密性的相关信息,称之为水印(通常由用户提供,如表示版权信息的特殊标志、logo、用户提供的具有某些意义的序列号、文字或者是产品的其它相关信息等)。除某些特殊要求外,水印信息一般要求是不可见的, 并有相应的标准来评判其不可见性或透明性。数字水印技术发展至今,已经逐渐由传统的理论研究阶段发展到实际应用阶段,且为了增加其安全性,常与密码学相结合。
1.2数字水印系统基本框架
一个完整的数字水印系统一般包含两个模块,即水印嵌入和水印提取与检测[2]。在实际应用过程中,为了进一步保护用户隐私,在嵌入水印之前,需要对原始水印进行加密或置乱处理,这种处理方式通常都是有效的、不可逆的。因此,需要用户提 供一个有 效的密钥 来完成这 一过程,称之为水印编码或者加密,在水印提取过程中,同样需要所有者提供该密 钥以便完 成水印的 提取过程,称为解码[3,4]。一个完整的数 字水印系 统可以用 图1表示。其中,水印提取过程中,并不一定需要借助原始数据。
原始水印可以有多种形式:随机序列、字符、二维图像等。在做最终的水印嵌入之前都需要进行某种转换以进一步加强水印安全,在实际应 用过程中 一般采用 加密方式。可用式(1)来表达水印嵌入过程:
其中,Iw表示嵌入水印后的图像信息;I、W 、K分别表示原始图像、原始水印以及密钥;E表示水印加密算法,A表示水印 嵌入算法。可用式(2)表示水印 提取过程:
其中,^W表示提取后的水印信息;^A表示水印提取算法,在提取算法中可能会使用到原始数据或者原始水印信息;D表示解密算法。
1.3数字水印攻击方法
按照攻击方法原理及目的不同,可将攻击方法分为以下几类:
1.3.1消除性攻击
消除性攻击一般是以去除原始水印为目的。在经过这类攻击方法之后,很难从二 维数据中 重新获得 水印信息。
(1)有损压缩及 降噪攻击。这类攻击 的使用较 为广泛,常见的图像处理如图像压缩、降噪等均属于此类。所谓的降噪可以将其理解为图像的二次滤波,由一些人为设定的准则来去除 掉某些无 用信息;压缩则更 为常见,如JPEG、MPEG标准等。
(2)解调攻击。解调攻击常见于各类滤波式攻击方法中,如低通滤波、高斯滤波、中值滤波等。1998年,Langelaar G.C.等[5]第一次系 统证明了 解调攻击 的方法与 危害,现在的数字水印算法已经具备低通特性。
(3)平均联合攻击。联合攻击针对大量含有水印的数字产品,每次使用不同的密钥或水印进行检测,最后以平均化的方法评估攻击对象。如在不同的含有水印的数字产品中分别提取部分信息,或多次进行平均化统计,则最终会得到一个几乎完全不含任何水印的载体数据[6]。
1.3.2几何攻击
相比于消除性攻击,几何攻击并不直接消除载体数据中的水印信息,而是试图通过破坏水印和原始数据之间的同步性,使得水印的相关性检测或恢复变得不可能。载体数据中的水印信息 虽然依然 存在,但是相对 位置早已 错位。常见的攻击方法,如旋转、缩放、平移、剪切、图像重构、仿射变换等都属于此类。从数字水印技术的提出发展至今,人们对抗几何攻击依然缺少简单有效的手段。造成几何攻击处理难度大的另一个原因则是不清楚攻击者究竟使用了几种攻击手段。现有的成熟水印嵌入算法可能对一种或者数种几何攻击具有较好表现,但面临多种攻击方式的组合时,则有可能表现得不尽如人意。
1.3.3混淆攻击或IBM攻击
混淆攻击最 初由IBM提出,所以又被 称为IBM攻击。混淆攻击的目的是试图通过伪造的水印信息或伪造的原始数据来达到侵害原始版权的目的。其基本原理为: 设原始图像为I,加入水印W之后的图像记为IA=I+ W ;攻击者会首先生成自己的水印W′ ,随后创造一个伪造的原图I′ =IA-W′ ;此后,攻击者即可声称其拥有IA的所有权。这种攻击方式引起了研究者极大兴趣,由于在混淆攻击中同时存在着真实数据、真实水印、真实含水印数据、伪造数据、伪造水印、伪造含水印数据,因此要正确判断数字产品的所有权,则需要在一个数据载体的几个水印中决策出正确的水印信息。
除上述几大类常见的攻击方法外,还有专门针对水印加密过程的攻击方法,以及针对水印实际应用过程中的各种协议作出的攻击等攻击手段。
1.4数字水印技术评判标准
可从如下方面评判数字水印技术[7,8]:
(1)不可见性/透明性。透明性是现代数字水印技术的一个最基本要求,在没有特殊要求的情况下,数字水印算法不可以影响载 体数据的 有效性,至少是人 眼不可见 的。对于透明性更高的要求,则是嵌入水印信息之后的载体和原始数据的某 些特性一 致,其数据分 布是不可 感知的,以至于非法拦截者也无法判断其中是否有水印信息存在。现代水印技 术中常用 峰值信噪 比 (Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)来评估数字水印的透明性。PSNR的计算公式如下:
其中,MAXI指图像的灰度级,通常为255;MSE为原始图像与检测图像之间的均方差(Mean Square Error, MSE);I表示原始图像;I′ 为嵌入水印之后的图像。可以看出,PSNR值基本上由MSE的值确定,且PSNR值越大,表示图像的透明性越高。
(2)鲁棒性。鲁棒性是现代水印技术对数字水印算法提出的另一个基本要求,即水印不能因为对载体数据进行简单的改动或者标准化的图像处理而轻易受到损坏。数据在传输过程中不可避免地会受到各种信号的干扰,如噪声、滤波操作、重采样、有损编码压缩、裁剪、缩放、旋转等, 数字水印被设计成不会由于这些常见的干扰而造成水印失真。对鲁棒性更高的要求则是在面对各种恶意攻击时, 依然能够尽量满足提取检测的条件。在现代水印技术中, 鲁棒性一 般由归一 化互相关 系数 (Normalized Correlation,NC)来确定。NC值的计算公式如下:
其中,X和^X分别表示 原始水印 和提取水 印信息; NC值是一个小于1的小数,通常其值越大则表示提取出的水印效果越好。
(3)容量。容量被定义为能够嵌入到原始数据中的有效水印的数量。水印容量通常是平衡透明性和鲁棒性之间的关键因素。一个可以嵌入更大容量水印的算法其透明性和鲁棒性可能会较差,因而需要在保证鲁棒性和透明性的同时,尽可能加大水印的嵌入量。
(4)安全性。现有数字水印技术中,一个不安全的数字水印算法不可以被用于版权保护、数据认证、非法数据跟踪等任务中。与鲁棒性相比,安全性更关注于数字水印的密钥。如果一个恶意攻击者使用了相同的数字水印嵌入算法,在水印信息没有任何保护的情况下,则极有可能提取出水印,随后由于伪造而造成的损失将是巨大的。此外,使用某些更为复杂、高效的数字水印嵌入算法,在一定程度上也可以增加数字水印的安全性。
(5)误检率。误检率在被提出之前,可能大部分数字水印工作者并未意识到有这种问题的存在。水印误检是指使用正确的水印提取算法执行水印的提取过程时,有可能从并没有数字水印的伪载体中提取出一个水印信息;或者从正确的载体数据中提取不到正确的水印信息。虽然这些情况发生的概率较小,但确实存在这种可能。
2常见数字水印算法分析比较
近年来,数字水印技术的发展取得了很大进步,各种新的理论或算法随着研究人员的不同,其设计框架与思路也在不停转换。一些较为典型的数字水印算法主要有如下几种。
2.1空间域算法
空域算法一般是通过直接修改原始图像的像素值来达到嵌入水印的目的。这种算法一般操作简单,具有一定的鲁棒性,但透明性较差。空域算法中最为典型的是L. F.Turner[9]与R.G.van Schyndel[10]等于1994年设计的 最低有效位算法(LSB)。Schyndel等首次科 学地阐明 了数字水印的重要概念和鲁棒水印检测的通用方法,其原理是通过修改原始数据中的最低有效位来实现水印的嵌入。 一幅普通的灰度图像在计算机中存储,其像素值介于0~ 255之间,随意增减一个像素值而不会引起人眼视觉系统的感知。算法可以表示为:设待嵌入的水印为一个长度为L的M-序列,M = {m(k),1≤k≤ L},则即可通过式 (6)嵌入水印信息:
其中,I′(i,j)表示对原始图像每个像素点I(i,j)修改之后的值。这种水印嵌入方式有一定的鲁棒性,且在不考虑图像失真的情况下,可以嵌入的水印容量即为原始图像的大小。但由于是直接替换了图像的像素最低位,因而很容易去除,且对各种图像处理攻击鲁棒性较差。
2.2变换域算法
和空域算法不同,变换域算法一般通过修改图像的其它附加属性(如颜色、纹理、频域)来嵌入水印,这种方法可以使图像具有较高鲁棒性的同时,保证含有水印的图像具有较好的透明性。
1995年,Cox等[11,12]最先将数字水印嵌入在原始图像的DCT(Discrete Cosine Transform)域中,并由此开创 了变换域水印的先河,该算法在数字水印技术中占有十分重要的地位。其基本思想是:首先采用DCT变换将原始图像I转换为频域表示,随后从I的DCT系数中选择n个最重要的频率分量,使之组成序列:S=s1,s2,…,sn,以提高对JPEG压缩攻击的鲁棒性;然后以密钥K为种子产生伪随机序列,即原始水 印序列:W = w1,w2,…,wn,其中wi(i∈ [1,n])是一个满足高斯分布N(0,1)的随机数;再将水印序列W叠加到序列S中,产生含水印的序列S′ = s′1,s′2,…,s′n,使用S′ 替换掉原始图像中的DCT系数序列S ,再通过逆DCT变换(IDCT)得到含有水印的图像。 同时,水印的检测依赖于一个手动控制的阈值σ,当相关性检测结果大于σ 时,则认为含 有水印,否则认为 没有。 该算法的思想较为简单具有一定的鲁棒性,后来,通过其他学者的研究改进,陆续出现了其它变换域算法,包括离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)、离散小波变换(Discrete Wavelet Transform,DWT)等。
Ruanaida等[13]最先在1999年提出将 数字水印 嵌入在原始图像的DFT域中。该算法和 其它开创 性算法类 似,通过简单修改原始水印的相位值来嵌入水印:F(k1, k2)= F(N1-k1,N2-k2),其中F是离散傅里叶变换, N1、N2用于控制水印的嵌入量。该算法从对图像的理解和通信理论角度指出相位调制更适合鲁棒性水印。
Kunder等[14]最早尝试将水印嵌入到图像的DWT域中。其依据是图像经过小波分解后,原始图像将会被分为若干子带,这非常类似于人眼视觉系统在浏览图片时将图片分解为若干个部分。因此,图片的空-频转换特性能够很好匹配视觉系统。随着MPEG-4及JPEG-2000图像压缩标准的公布,受其核心技术小波变换的影响,利用DWT分解嵌入数字水印的算法也越来越多。Kunder等最初的做法是分别对原始图像及水印进行小波分解,并在不同分辨率水平之下将水印小波系数叠加到图像小波系数中,并在此之前,对水印的小波系数使用一种人类视觉模型约束进行调制。
2005年以后,A.L.Cunha等在图像处理方面提出了一个新算法,称之为非 下采样Contourlet变换 (nonsubsampled contourlet transform,NSCT)。NSCT算法具有 平移不变形及旋转不变性,其对于简单的几何攻击,如旋转、平移、缩放等攻击有较强的鲁棒性,因此很快被用于图像数字水印领域,并取得了相应进展。但NSCT分解的算法计算量远远大于其它变换域数字水印算法,很难做到数字水印嵌入时的同步性,目前也尚处于理论研究阶段。
2.3优化类水印算法
20世纪90年代开始,人工智能及生物模拟算法为新的研究热点,并诞生了许多优秀算法,如模拟蚂蚁群落采集食物过程的蚁群算法(ant colony optimization)、模拟鸟类运动的粒子群优化算法(particle swarm optimization)、 模拟生物遗传的进化算法(EA)、神经网络等[15,16,17,18]。这类算法的提出也为数字水印算法带来了新的生命力。虽然不能直接由这些算法嵌入水印,但在嵌入水印之后可利用此类算法优化含水印的图像,以达到鲁棒性和透明性之间更好的平衡。
(1)粒子群优化算法。粒子群优化算法由Ebehart和Kennedy等于1995年提出,它以无质量无体积的粒子作为个体,并为每个个体定义简单的运动规则,从而使整个粒子群呈现出复杂的特性,求解过程类似于在三维空间中求最短路径,可用于求解复杂的优化问题,在图像分割、图像识别、图像压缩、图像融合 领域均有 其独特应 用。K. Kuppusamy和K.Thamodaran提出一个基于PSO算法的主要用于版权保护的优化水印方案。该方案使用常规的水印嵌入算法,如针对DCT域作水印嵌入时,使用PSO算法快速选择子带中的高能量子带来嵌入水印。同时使用图像质量指数指标(IQIM)来评估图像失真。
(2)差分进化算法。同PSO算法类似,差分算法也是进化算法簇中的一员。第一个简单、快速、具有鲁棒性的DE算法由Storn和Price于1995年提出,随后,针对DE算法中缩放因子和交叉因子的选择,不同的改进算法先后被提出并用于数字水印领域。在国内,使用DE算法优化数字水印的文献并不常见。Musrrat Ali等提出了一种基于DE算法的数字水印优化算法。在水印嵌入过程中,依然使用传统算法,将水印嵌入在原始图像的DWT-SVD域中,再对含有水印的图像使用多种不同的攻击方式进行攻击测试,最后使用差分 进化算法 对水印嵌 入强度加 以优化,以寻求一个面对不同攻击时都有不俗表现的算法。
2.4其它水印算法
(1)奇异值分解(Singular Value Decomposition,SVD)。 奇异值分解是线性代数中的一种重要矩阵分解,是矩阵分析中正规矩阵酉对角化的推广。在信号处理、统计学等领域有重要应用。由于图像在计算机存储时的特殊性,因而完全可以使用线性代数中矩阵分解的方法来应对图像处理中的问题。单纯使用SVD分解的方法来嵌入数字水印的文献较少,经典的做法是配合DWT分解和DCT分解, 这类叠加算法通常对大部分攻击都有较好的鲁棒性。
(2)分形水印。分形(Fractal)是Mandelbrot在1977年提出的几何学概念,图像分形压缩的基本原理是利用分形几何中 的自相似 性来进行 图像压缩。Puate和Jordan[19]在1997年首先提出基于图像分形压缩原理的水印算法。该算法将原始图像随机分为若干个大小为n×n的块,记为RB ,并利用分形压缩技术和块周围的搜索区域 (LSR,Local Searching Region)建立一定的对应关系,称之为编码。原始水印为一串二值序列,记为V =v1,v2,…, vn。水印的嵌入过程表示为:vi(i∈ [1,n])为1时,利用RB和其周围大小为3n×3n的LSR的关系对RB进行编码;反之,则利用RB和周围大小为2n×2n的LSR的关系对RB进行编码。实验表明,该算法对JPEG压缩攻击有较好的鲁棒性,当压缩质量为50%时,水印依然可以较好地被提取出来。但该算法计算量较大、速度慢。
(3)扩频水印。Tirkel等首先注意到扩展频谱技术可以用于数字水印的嵌入,随后出现了一系列的基于扩频技术的数字水印算法。由于在图像的高频区域嵌入水印,则算法的透明性较高,但鲁棒性较差;相应地,在图像的低频区嵌入水印,则图像的鲁棒性良好,但不易控制透明性。 扩展频谱技术可以将一个能量信号(原始水印信息)嵌入到每个频带,从而缓解这些矛盾。
2.5数字水印典型应用
目前,数字水印技术主要应用于如下几个领域:
(1)基于数字水印技术的版权保护。数字水印技术用于版权保护几乎已达成共识,许多数字水印算法在设计之初是以版权保护为目的。目前,许多图像处理公司通过和各种可信的第三方机构合作,开始将数字水印技术用于商业化目的,如Digimarc公司的ImageBridge解决方案。该方案提供一个被称之为ImageBridge的水印检测器,该检测器可以识别包括Adobe Photoshop和Corel PhotoPaint在内的多种图片格式。当用户使用该检测器时,它可以识别出水印信息,并从远程数据库中调取水印密钥以确定作者身份。
(2)基于数字水印技术的指纹识别。该领域也是近年来数字水印技术中的热门研究方向。在面临各种需要个人唯一身份凭证的商业行为时,不可避免地会发生各种信息泄露状况,对个人隐私造成极大威胁。指纹识别的兴起正好可以解决这一问题。目前,指纹识别所面临的主要问题是水印信息的来源,由于不能从公共数据库中获取大量的指纹信息,因此,目前大多数数字水印指纹识别还局限于在某个实验室或者科研机构中进行。
(3)拷贝控制。严格来说,拷贝控制也算是版权保护领域中的一个应用。其主要目的是使用脆弱水印防止他人误用、盗用未经授权的数字信息。拷贝控制应用颇为广泛,尤其是在电子音乐、视频等领域。
3结语
数字水印技术综述 篇10
当前的信息安全技术基本上都是以密码学理论为基础, 无论是采用传统密钥系统还是公钥系统, 其保护方式都是控制文件的存取, 即将文件通过某种加密技术加密成密文[1], 使非法用户不能解读。但随着计算机计算能力的提高, 这种通过不断增加密钥长度来提高系统密级的方法变得越来越不安全。另外, 多媒体技术已被广泛应用, 需要进行加密、认证和版权保护的声像数据也越来越多。数字化的声像数据从本质上说就是数字信号, 如果对这类数据也采用密码加密方式, 则其本身的信号属性就被忽略了。近年来, 许多研究人员放弃了传统密码学的技术路线, 尝试用各种信号处理方法对声像数据进行隐藏加密, 并将该技术用于制作多媒体的“数字水印”。
随着技术信息交流的加快和水印技术的迅速发展, 国内一些研究单位也已逐步从技术跟踪转向深入地、系统地研究, 各大研究所和高校纷纷投入到数字水印的研究, 其中比较有代表性的有哈尔滨工业大学的孙圣和、牛夏牧、陆哲明等, 天津大学的张春田、苏育挺等, 北京邮电大学的杨义先、钮心忻等, 中国科学院自动化研究所的刘瑞祯、谭铁牛等, 他们是国内较早投入到水印技术研究且取得较好成绩的科研人员。国家863、973等项目也都包含水印的研究项目, 从而为国内的信息安全产业提供了有效的、可靠的保障。
目前数字水印技术已经成为一个非常活跃的研究领域。现有的数字水印技术包括空域数字水印算法、变换域数字水印算法、基于奇异值分解的算法及基于人眼视觉系统的水印算法等。空域数字水印算法中的最低有效位方法 (LSB法) [2], 该方法利用源数据的最低几位来隐藏信息 (具体多少位, 以人的视觉, 听觉系统无法察觉为原则) 。Schyndel的文章是第一篇在重要国际会议上发表的关于数字水印的文章[3], 算法有较好的不可视性, 不过可以轻易地移去水印, 鲁棒性差。空域数字水印算法是比较早期的数字水印算法, 这些方法抵抗JPEG压缩、噪声以及剪切等攻击能力较差。近期的研究主要集中在变换域, 变换域算法中最具代表性的是Cox等人提出的扩展频谱算法[4], 首次明确提出了水印信息应该嵌入在图像的视觉敏感部分。奇异值分解的算法是一种新兴的数字水印算法, 奇异值分解算法的主要思想是将原始图像进行奇异值分解[5], 然后将水印信息嵌入到较大的奇异值中。Christine I.Podilchuk等在DCT域和小波变换域内进行水印嵌入和提取时, 利用JND模型控制了嵌入水印信号的最大强度, 最大可能地避免了对图像视觉质量的破坏, 这一方法显示出了很好的透明性和鲁棒性。付德胜、孙文静提出了一种基于人眼视觉特性和小波变换的彩色图像数字水印算法[6], 该算法采用YIQ色彩空间进行水印的嵌入, 并通过计算JND阈值对小波系数进行量化, 以获得更好的鲁棒性。
2 数字水印的概念和基本原理
数字水印就是指嵌入到被保护对象 (如静止图像、视频、音频等) 中的某些能够证明其版权归属的数字信息, 可以是作者的姓名、序列号、公司标志等等。数字水印是携带所有者版权信息的一组辨别数据。数字水印被永久地嵌入到多媒体数据中用于版权保护并检查数据是否被破坏。通常我们讨论的水印系统由水印嵌入系统和水印检测系统组成, 其中嵌入系统有两个输入, 一个是所要嵌入的水印信息, 另一个是要嵌入水印的载体作品, 输出为嵌入水印的水印作品。水印检测系统则检测出作品中是否嵌有水印或嵌入何种水印。
一般数字水印系统的通用模型包括嵌入和检测 (提取) 两个阶段。数字水印的嵌入阶段, 嵌入算法的嵌入目标是使数字水印在不可见性和鲁棒性之间找到一个较好的折衷点。检测 (提取) 阶段主要是设计一个相应于嵌入过程的检测 (提取) 算法。检测算法一般是以基于统计原理的检验结果来判断水印存在与否, 它的目标是使错判与漏判的概率尽量小。提取算法通过提取出水印 (如字符串或图标等) 并与原始水印进行比较以判断水印是否存在。并且, 为了给攻击者增加去除水印的难度, 目前大多数水印制作方案都在嵌入、检测 (提取) 时采用了密钥, 只有掌握密钥的人才能读出水印。
2.1 水印嵌入系统
其功能是把水印信息嵌入到原始图像中, 为了能成功地提取水印信号, 算法必须使水印对故意或非故意的袭击和失真 (相当于信道噪声) 具有鲁棒性。
图1为一般的水印嵌入过程, 其输入为原图像I、水印W、密钥K (公钥或私钥) , 输出为含水印的图像I', 则内嵌过程可定义为映射:I×K×W→I'。
图1数字水印嵌入方案
2.2 水印的恢复系统
其功能是完成从待检测图像中提取出水印信号。图2描述了一般的水印恢复过程, 其中置信度表明了所考察图像I'存在水印的可能性。
图2数字水印恢复方案
3 数字水印的特性
不同的应用对数字水印的要求不尽相同, 一般认为数字水印应具有如下特性:
3.1 安全性
水印应能为受到版权保护的信息产品的归属提供完全可靠的证据。水印算法能够将所有者的有关信息 (如注册的用户号码、产品标志或有意义的文字等) 嵌入到被保护的对象中, 并在需要的时候将这些信息提取出来。水印可以用来判别对象是否受到保护, 并能够监视被保护数据的传播、真伪鉴别以及非法拷贝控制等。
3.2 透明性
透明性是指视觉或听觉上的不可感知性, 即指因嵌入水印导致载体数据的变化对于观察者的视觉或听觉系统来讲应该是不可察觉的, 最理想的情况是水印与原始载体在视觉上是一模一样的, 这是绝大多数水印算法所应达到的要求。
3.3 鲁棒性
鲁棒性是指水印应该能够承受大量的物理和几何失真, 包括有意的 (如恶意攻击) 或无意的 (如图像压缩、滤波、打印、扫描与复印、噪声污染、尺寸变换等等) 。显然在经过这些操作后, 鲁棒的水印算法应仍能从水印载体中提取出嵌入的水印或证明水印的存在。一个鲁棒的水印应做到若攻击者试图删除水印将会导致水印载体的彻底破坏。
3.4 保真性
保真性是指加入水印后, 并不会损害原来的媒体内容价值。由于水印特性的要求对应用的依赖型很强, 以上特性并非所有水印系统都必须满足, 恰当的评价准则和具体的应用有关。
4 结束语
数字水印技术是目前研究的热点, 随着网络和多媒体数字信息的发展, 用于信息安全的数字水印技术得到了广泛的发展。本文详细地阐述了数字水印的研究背景、研究现状、基本概念、基本原理、特性等方面基本理论, 务求对该技术有较全面的了解。
摘要：数字水印技术是目前信息安全技术领域的一个新方向, 它在篡改鉴定、数据的分级访问、数据跟踪和检测、商业和视频广播、Internet数字媒体的服务付费、电子商务、认证鉴定等方面具有十分广阔的应用前景, 已经成为国际上非常活跃的研究课题, 受到国际学术界的高度重视。本文从数字水印技术的背景、基本原理、特性等方面综合论述了数字水印技术。
关键词：数字水印,鲁棒性,安全性
参考文献
[1]吕欣, 马智, 冯登国.安全隐写系统的信息理论分析.计算机科学, 2006, 33 (6) :140-142.
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[5]易学良, 石跃祥.基于图像加密和奇异值分解的数字水印算法.计算机工程与应用, 2005, 41 (24) :100-102.
遥感技术造就数字地球 篇11
“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，从远古至今人类便有翱翔天空、俯瞰大地的梦想，并为此付出了诸多努力。曾经创造过灿烂文明的中华民族对于我们生存的这个星球的探索从未停止。如今，地球空间信息科技已经成为一个国家科学技术、经济实力和国家安全保障能力的综合体现。今年6月，第十五届中国科协年会遥感技术与智慧旅游、智慧城市论坛在贵阳举行。论坛上，童庆禧院士建议，将信息化和贵州特色的旅游相结合，以新型空间信息技术—遥感技术、空间信息系统技术、卫星导航定位技术、网络通信技术、传感技术、射频识别技术、物联网技术等支撑贵州旅游业的发展。
近日，记者采访了我国遥感技术应用领域的权威—童庆禧院士。童院士详细介绍了遥感技术与数字地球两者的技术特点与广泛用途。遥感技术是20世纪60年代兴起的一种探测技术，是根据电磁波理论，应用各种传感仪器对远距离目标所辐射和反射的电磁波信息进行收集、处理并最后提取和形成所探测对象的信息，从而对地面各种景物进行探测和识别，特别是对地球认知的一种综合技术。数字地球则是上世纪90年代末由国际上提出，是以地球坐标作为空间框架，具有多分辨率的海量数据和多维显示的地球虚拟系统，运用遥感技术对地球进行描述分析，使之变成了可视化的虚拟地球，把真实地球变成数字化的地球。遥感技术是数字化地球数据的最重要的来源，通过虚拟的地球人们能更好地对地球作进一步分析，促进对地球的了解和认知。遥感是在一定程度上相当于利用先进的探测技术，把由地球表面反射到太空的太阳辐射或者由地球表面自行产生的电磁波（红外线或者是微波），通过仪器来接收，进行复原、数据处理，最后变成能看见的影像或非影像信息。对地观测的最终目的是通过这些遥感影像对地球进行分析，判断不同的物质存在状况及其所在位置，并分析各种物质的数量及其动态过程，使人类与地球的资源环境更加和谐相处和协调发展。可以说，遥感技术是数字地球的数据基础，数字地球是遥感技术的归宿。
遥感技术与数字地球
的应用领域
遥感技术与数字地球，对于很多人来说或许比较陌生。实际上，我国的遥感技术与数字地球研究基本与国际同步，能够对地球进行完整的探测、观测和诊断。在促进我国遥感技术的发展中童庆禧院士功不可没。在他的倡导和主持下这一技术的发展被列入了国家“六五”“七五”和“八五”科技攻关项目。在一些关键技术体系的发展中更是受到国内外同行的关注。
童院士介绍，遥感科学与技术是属于交叉类的学科，首先是技术科学与地球科学的交叉融合，是在空间科学、电子科学、计算机科学、地球科学、甚至生物学及其他边缘科学交叉渗透、相互融合的基础上发展起来的一门新兴科学技术，它在国民经济建设以及国防建设等方面日益显示出独特的战略地位和意义，是国际竞争的一个战略制高点，也是许多发达甚至发展中国家竞相发展的重要领域。
童院士说，在我国，遥感科学与技术已得到广泛应用，为国家制定发展策略、资源调查、环境保护、灾害监测、重大工程、国防建设等提供了信息和技术保障。遥感技术与数字地球所涉及的领域很广泛，遥感技术主要是通过空间卫星、临近空间飞行器、飞机和无人机以及地面平台等新技术对地球的各个圈层—大气圈、岩石圈、水圈、生物圈、冰冻圈甚至智慧圈，进行调查和监测。以期了解各圈层的状况和变化、它们的相互作用、特别是与人类活动的相互作用，它们将来的发展趋势，并研究对这种状态和变化进行预测、预报和预警的可能性。
童院士详细地解释道，比如运用遥感技术可以随时获得准确的观测数据，监测土地利用情况，了解哪些耕地已经改变了利用方式，而哪些土地还可用来补改为耕地，使得国家有关部门便于宏观调控，以确保“十八亿亩耕地红线”不被突破，保证有效的粮食耕种面积。近十余年来，我国已进行了两次大规模的土地详查。随着对土地和粮食安全观念的进一步提升，今后每年都要对全国的土地利用情况清查一次，及时掌握我国的土地覆盖和土地利用情况，实施对国土的所谓“一张图”计划，警钟长鸣，使得决策者心中有数。这样对遥感技术的要求将会大幅度提高。
童院士特别强调，我国是个多灾的国家，对灾害多发地区的监测与预警是遥感技术的另一重要应用领域。譬如通过气象卫星不断地获取数据，了解台风从发生到发展的动态、强度、运移路径、登陆地点等，从而预测出将可能带来的危害，提前发出警报，提醒人民避险。对于洪水也可通过卫星遥感提前预测暴雨的位置，监测河流的行洪状况、洪水的发展态势，甚至预测洪水可能淹没的范围，为防洪救灾提供信息。灾后通过遥感技术观测地面受灾情况，评估受损程度，为灾后救援和救灾部署提供准确客观的数据。我国的地震往往发生在偏远的地区或山区，通过遥感及时了解进入灾区的道路交通情况，特别是调查和了解沿路的滑坡、塌方和泥石流的状况，为保障救援生命线的开拓和畅通提供现实性很强的信息。随着环境的恶化，我国江河湖海面临着巨大的环境冲击，水体的富营养化、蓝藻、赤潮发生的频率加快，水和大气污染的监测与治理，都需要通过卫星和飞机对各种水体进行遥感监测，了解污染状况、寻找到潜在的污染源，进行源头治理，甚至通过遥感技术还可以对外来物种的入侵及其危害进行跟踪调查。
遥感技术的重要意义
1998年1月美国提出“数字地球”战略，由此在世界上掀起了社会信息化的热潮，在半年时间内，有50多个国家都先后提出“数字地球”战略，我国也在1998年6月提出发展“数字地球”战略。所谓“数字地球”是在遥感技术的支持下，适时采集全球地表信息，在计算机网络上构建一个虚拟地球，反映现实性很强的地学空间信息，实施经济、政治、科学研究的全球战略。此后，“数字地球”概念又衍生出数字农业、数字林业、数字国土、数字国防等等，社会信息化进程呈现加速的发展态势。遥感技术的发展与普遍应用为信息化社会的到来与发展奠定了必要数据和信息基础。在从数字地球向智慧地球的发展中遥感又必将出演新的角色、担当新的任务。
童院士认为，中国政府十分重视遥感技术的发展，自“六五”起直到现在，在国家相关科技攻关、支撑计划、863高技术发展等计划中持续支持了一系列遥感技术与应用研究项目，获得了一批具有国际水平的研究成果。航空、航天遥感技术已在资源与能源调查、环境与灾害监测、海洋与大气观测、土地与城市规划和国家安全等领域得到广泛应用。尤其在航天领域，遥感对地观测是卫星家族的重要任务。它的发展对于建设包括数据获取、传输、处理、存储与分发服务的业务化运行系统，开展综合性对地观测前沿技术研究，构建专业化、系统化、集成化、标准化、实用化的遥感数据库和遥感信息库具有决定性的作用。以遥感信息为基础，结合其它信息资源，建设遥感应用系统和数字地球科学平台，进而开展应用示范研究是当前遥感技术发展的一项重要任务。作为国家空间对地观测体系的重要组成部分，遥感承载着满足国家重大战略需求，为经济社会可持续发展提供可靠的科学数据，为国家宏观决策提供科学支持的重任。同时遥感作为一门新兴的科学技术还将在支持空间地球信息科学发展中起到重要作用，为地球系统科学的发展作出应有的贡献。
童庆禧院士在遥感技术和应用方面做出了突出贡献。“六五”期间主持国家重点科技攻关项目“黄淮海中低产田综合治理”中遥感技术应用课题，“七五”期间主持了对我国遥感技术发展有重要影响的“高空机载遥感实用系统”的科技攻关和系统建设任务。在国家“八五”科技攻关期间，他担任了“遥感技术应用”国家攻关项目指挥长，在自然灾害的遥感监测与评估、主要农作物遥感估产、新型技术发展等方面做出了重要的努力。在国家“九五”科技攻关期间，他不仅参与国家科技攻关“遥感、地理信息系统和全球定位系统的技术集成与应用研究”项目的论证，在项目中担任了专家组成员，而且还承担了项目中“新型遥感技术发展”课题组组长。自上世纪70年代末以来，其科研成果曾14次获国家及省部级科技奖励，其中包括一次中国科学院自然科学一等奖，两次中国科学院科技进步特等奖；2002年获得国际光学工程学会（SPIE）颁发的“国际遥感科技成就奖”，2004年获泰国诗琳通公主颁发的金质奖章，2009年获亚洲遥感突出贡献奖。面对这些荣誉，童院士认为是对他在遥感技术创新发展之中的激励和动力。
面对记者提出遥感技术实现如何实现创新驱动发展的问题，童院士耐心地解释道：第一，随着遥感所利用电磁波范围不断扩大，遥感信息、遥感技术对数据获取的分辨能力会越来越高。早期可视化影像就像黑白照片，后来出现的多光谱技术也只有3～4个波段合成彩色图像，随着波段的增加到光谱分辨能力越来越高，由原来的全色或整个可见光范围进行的遥感到现在的高光谱遥感，其光谱覆盖可以跨越紫外、可见、近红外、短波红外甚至到热红外（一次遥感可能达到几百甚至上千个波段），这就可能获得被测物体的光谱响应。光谱分辨率越高就能越体现物体的物理特性或本征特性。第二，随着空间分辨率的不断提高，在遥感影像上所显示的东西越来越细微和越来越清晰，所能分辨出的物体也就越来越细小。遥感技术的创新发展驱动着遥感能力向更高、更快、更准、更精的方向发展。第三，随着遥感技术的发展，它的应用范围越来越广泛。空间分辨率和几何稳定性的提高，人们可以用来绘制比例尺更大或更为精细的地图，可以对城市、土地、植被、森林进行更为精细的调查，对自然灾害的破坏程度作更准确的了解。光谱的差异可以把不同的地物和物质区分得更清楚，如不同的农作物、不同的矿物、不同的树种、农作物和森林的病虫害，甚至不同的建材等，也可以监测水体的富营养化，及早发现蓝藻水华和赤潮。通过创新提高技术水平，使得遥感能力越来越强。第四，技术的创新会加快应用上的创新，例如，在提高遥感影像的时间分辨率或将遥感影像按时间序列进行分析，可助于提高天气预报水平和城市的精细化管理，如通过发现违章建筑，违法垃圾的堆放地，城市积水和道路的损坏分析等。雷达影像的干涉测量还可发现和监测城市地面的塌陷等等。总之，遥感的应用领域越来越广泛，也更受到政府和百姓们的的重视。
童院士表示，遥感技术的提高和不断创新，将极大地丰富地球信息科学的内涵，地球信息科学的发展也必将为“数字地球”战略的发展提供理论、方法与技术支持。反过来，“数字地球”战略为地球信息科学的发展提供了前所未有的机遇，并会促进地球系统科学的发展。遥感应用于经济社会发展的各个领域，也有助于提高政府的科学决策能力和政府职能的转变，为我国全面建成小康社会提供信息支撑和决策支持。我国正在实施的高分辨率对地观测国家重大科技发展专项和空间基础设施的建设将更大幅度提升我国的遥感对地观测能力和空间遥感信息服务的能力和水平。
据了解，目前我国的卫星管理和运营基本还在国家层面运行，还在不同程度上存在体制和机制的诟病。每个卫星实行由国家不同部门按业主制进行管理并各自运营的方式虽有利于我国卫星遥感与管理部门的业务相结合，但容易造成各自为政，国家的完全性的投入对运行部门不构成压力，难于实现数据、信息资源共享，更难于发挥遥感对地观测的商业或经济价值。为此，童院士建议加快在空间遥感领域的体制和机制的创新步伐，走以企业为主体的技术创新和体制、机制创新道路，培育和发展从遥感卫星的研制、发射、测控到卫星数据的接收、数据的处理、产品的生成以及遥感卫星的应用和空间信息服务的商业化模式。这是空间遥感卫星，更是航空遥感产业发展的必然趋势和必由之路。
数字水印技术概述 篇12
关键词：数字水印,不可感知性,安全性
1数字水印定义及基本特点
目前虽有许多有关数字水印技术的问题被各种文献讨论,但是学界对数字水印的定义却没有明确和统一。尽管在不同的研究领域内,对水印的要求不尽相同。 但是,普遍认为,数字水印需具备如下特点:
(1)可证明性:对于数字产品或信息产品来说,版权归属是重要问题,证明版权的存在和归属,而且能证明其存在的安全和可靠性,可以利用数字水印来提供相应的证据。用户号码、产品标识或文字等信息都可以作为水印嵌入到版权所有者的载体信息中,并可以随时将这些信息从版权所有者的载体中提取出来。实际上对于数字水印技术的发展也起到了重要作用。
(2)不可感知性:视觉或听觉上感觉不到是不可感知性的最大特点,在数字信息里面嵌入了水印信息后,观察者的视觉或听觉系统不能直观感觉到嵌入水印前后数字信息的变化情况,对于载体而言, 在没有嵌入水印信息以及嵌入水印信息后,在视觉或听觉上一模一样分不出变化,在设计算法的时候应该达到相应的要求。
(3)鲁棒性:在承受有意的(如恶意攻击)或无意的(如滤波、图像压缩、打印、噪声污染、扫描与复印、尺寸变换等等)攻击后,水印信息还能够被证明其存在性。对于具有鲁棒性的算法而言,在经过有意或无意攻击后,水印信息能够从嵌入水印的载体信息中提取出或者可以证明水印的存在性。对于水印信息是否为鲁棒水印的判断,可以将水印信息删除,与此同时载体信息也会遭到破坏。
(4)安全性:水印的安全性要求:对于嵌入到数字作品中的水印信息,未授权者是不能感知或者发现的。或者安全性的算法通常只依赖密钥而非依靠具有保密性的算法。在没有密钥的情况下,对于未授权者来说,就算知道水印信息的存在和与之相应的水印算法,水印信息也不可能被提取或者即使提取出来也是被破坏的信息。另外算法对于抵抗合谋攻击应具有鲁棒性。
2数字水印的基本理论
数字水印的嵌入,主要包括三个方面的内容:生成水印、嵌入水印以及提取或检测水印。
水印嵌入前,要对水印信息和载体信息进行分析和处理,选择适当的嵌入方式和方法,合适的水印算法,应该平衡和优化不可感知性、安全性、鲁棒性等多方面因素,密钥也是数字水印算法合理性设计的关键所在。
2.1数字水印嵌入的理论框架
数字水印嵌入原理框图如下 :
2.2数字水印提取的理论框架
数字水印提取过程框图如下 :
1)原始载体信息为I时 :
2)原始水印为W时 :
3)原始信息不存在时 :
其中,估计水印用表示,水印检测算法用D表示,受到攻击的水印载体数据用IW表示。水印相似度检验的公式为 :
其中估计水印用表示,原始水印用W表示,不同信号间相似度用Sim表示。
3总结