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[关键词]多媒体数据库;数据模型;面向对象;分布式数据库
1多媒体数据模型
多媒体数据模型主要采用文件系统管理方式、扩充关系数据库的方式和面向对象数据库的方式。
1.1文件系统管理方式
多媒体资料是以文件的形式在计算机上存储的,所以用各种操作系统的文件管理功能就可以实现存储管理。Windows的文件管理器或资源管理器不仅能实现文件的存储管理,而且还能实现有些图文资料的修改,演播一些影像资料。为了方便用户浏览多媒体资料,出现很多的图形、图象浏览工具软件。有些在Windows95下的浏览软件还和资源管理器结合起来,如ACDSee工具软件不仅可浏览BMP、GIF、JPEG、PCX、Photo-CD、PNG、TGA、TIFF and WMF 格式的图像,而且还具备资源管理器的查询、删除、复制等功能。如多功能影像处理及管理软件ImagePals,是在Windows 上影像工具软件,ImagePals提供了电子相簿(Album)、影像编辑(Image Editor)和屏幕捕捉(Screen Capture)等功能,此外还具有视窗及CD浏览器等。电子相薄(Album)是一个很具特色的应用程序,能对文件进行迅速、可视性的管理。文件系统方式存储简单,当多媒体资料较少时,浏览查询还能接受,但演播的资料格式受到限制,最主要的是当多媒体资料的数量和种类相当多时,查询和演播就不方便了。
1.2扩充关系数据库的方式
数据库的出现是为了解决文件管理数据的不足,同样,为了解决管理多媒体数据,人们很容易地会想到使用数据库。传统的关系数据模型建立在严格的关系代数的基础上的,解决了数据管理的许多问题,目前基于关系模型的数据库管理系统仍然是主流技术。但是平坦化的数据类型不适于表达复杂的多媒体信息,文本、声音、图像这些非格式化的数据是关系模型无法处理的;简单化的关系也会破坏媒体实体的复杂联系,丰富的语义性超过了关系模型的表示能力。出于保护原有投资和市场的考虑,全球几家大的数据库公司都已将原有的关系数据库产品加以扩充,使之在一定程度上能支持多媒体的应用。用关系数据库存储多媒体资料的方法一般是:
1.2.1用专用字段存放全部多媒体文件;
1.2.2多媒体资料分段存放在不同字段中,播放时再重新构建;
1.2.3文件系统与数据库相结合,多媒体资料以文件系统存放,用关系数据库存放媒体类型、应用程序名、媒体属性、关键词等。
1.3面向对象数据库的方式
关系数据库在事物管理方面获得了巨大的成功,它主要是处理格式化的数据及文本信息。由于多媒体信息是非格式化的数据,多媒体数据具有对象复杂、存储分散和时空同步等特点,所以尽管关系数据库非常简单有效,但用其管理多媒体资料仍不太尽如人意。而面向对象数据库是指对象的集合、对象的行为、状态和联系是以面向数据模型来定义的。面向对象的概念是新一代数据库应用所需的强有力的数据模型的良好基础。面向对象的方法最适合于描述复杂对象,通过引入封装、继承、对象、类等概念,可以有效地描述各种对象及其内部结构和联系。多媒体资料可以自然地用面向对象方法所描述,面向对象数据库的复杂对象管理能力正好对处理非格式多媒体数据有益;根据对象的标识符的导航存取能力有利于对相关信息的快速存取;封装和面向对象编程概念又为高效软件的开发提供了支持。面向对象数据库方法是将面向对象程序设计语言与数据库技术有机地结合起来,是开发的多媒体数据库系统的主要方向。
为高效管理多媒体数据,基于关系数据库的应用系统逐渐演变到多媒体数据库管理系统用面向对象的概念扩充关系数据库。用面向对象的高级语言扩展基本关系类型,使其支持复杂对象,并对关系模型提供的操作加以扩充,利用关系数据库的优势管理多媒体资料。
2 数据的压缩和解压缩
由于多媒体信息,如声音、图像目前国际上的压缩标准有:
JPEG(Joint Photographic Experts Group),是由国际标准化组织(ISO)和国际电报电话咨询委员会(CCITT)联合制定的。适合于连续色调、多级灰度、彩色或单色静止图像的国际标准。转贴于
MPEG(Moving Picture Experts Group),是ISO/IEC委员会的第11172号标准草案,包括MPEG视频、MPEG音频和MPEG系统三部分。MPEG要考虑到音频和视频的同步,联合压缩后产生一个电视质量的视频和音频、压缩形式的位速为1.5Mbps的单一流。
P×64,是CCITT的H.261号建议,P为可变参数,取值范围是1~30。该标准的目标是可视电话和电视会议,它可以覆盖整个ISDN(综合业务数字网)信道。当P=1或2时,只支持每秒帧数较少的视频电话,P>6时可支持电视会议。
P×64标准和MPEG标准的数据压缩技术有许多共同之处,但P×64标准是为适应各种通道容量的传输,而MPEG标准是用狭窄的频带实现高质量的图像画面和高保真的声音传送。
3 多媒体数据的存储管理和存取方法
如何有效地按照多媒体数据的特性去存取多媒体数据呢?利用常规关系数据库管理系统来管理多媒体数据已经不能适应了,基于内容的多媒体信息检索研究应运而生。它支持其他多媒体信息技术,如超媒体技术、虚拟现实技术、多媒体通信网络技术等。多媒体内容的处理分为三大部分:内容获取、内容描述和内容操纵。也可将其看成是内容处理的三个步骤,即先对原始媒体进行处理,提取内容,然后用标准形式对它们进行描述,以支持各种内容的操纵。
内容获取(Populating) 通过对各种内容的分析和处理而获得媒体内容的过程。多媒体数据具有时空特性,内容的一个重要成分是空间和时间结构。内容的结构化(Structuring)就是分割(Segmenting)出图像对象、视频的时间结构、运动对象,以及这些对象之间的关系。特征抽取(Extraction)就是提取显著的区分特征和人的视觉(Visual)、听觉(Auditory)方面的感知特征来表示媒体和媒体对象的性质。
----内容描述(Description) 描述在以上过程中获取的内容。目前,MPEG-7专家组正在制定多媒体内容描述标准。该标准主要采用描述子(Descriptor) 和描述模式(Scheme) 来分别描述媒体的特性及其关系。
----内容操纵(Manipulating) 针对内容的用户操作和应用。有许多这方面的名词和术语。查询(Query)是面向用户的术语,多用于数据库操作。检索 (Retrieval) 是在索引(Index)支持下的快速信息获取方式。搜索(Search)常用于Internet的搜索引擎,含有搜寻的意思,又有在大规模信息库中搜寻信息的含义。
摘要(Summarization, Excerpt)对多媒体中的时基媒体(如视频和音频)是一种特殊的操作。我们熟知文献摘要的含义,在内容技术支持下,也可以对视频和音频媒体进行摘要,获得一目了然的全局视图和概要。同样,用户可以通过浏览(Browsing) 操作,线性或非线性地存取结构化的内容。另外,基于内容的技术不仅仅用在多媒体信息的检索和搜索方面,检索仅仅是信息存取的一个方面。过滤(Filtering)就是与检索相反的一种信息存取方式。用过滤技术可以实现个人化的信息服务。
4 分布式数据库技术
分布式数据库系统是在集中式数据库系统的基础上发展起来的,是数据库技术与计算机网络技术的产物。分布式数据库系统是具有管理分布数据库功能的计算机系统。一个分布式数据库是由分布于计算机网络上的多个逻辑相关的数据库组成的集合,网络中的每个结(一般在系统中的每一台计算机称为结点node)具有独立处理的能力(称为本地自治),可执行局部应用,同时,每个结点通过网络通讯系统也能执行全局应用。所谓局部应用即仅对本结点的数据库执行某些应用。所谓全局应用(或分布应用)是指对两个以上结点的数据库执行某些应用。支持全局应用的系统才能称为分布式数据库系统。对用户来说,一个分布式数据库系统逻辑上看如同集中式数据库系统一样,用户可在任何一个场地执行全局应用。分布式数据库具有如下特点:
4.1本地自治(Local Autonomy);
4.2不依靠一个中心站点;
4.3能连续操作;它也是数据库技术的一个发展方向。
【关键词】多媒体技术 教学课件 探索研究
一、什么是多计算机多媒体技术教学
计算机多媒体就是利用现代科技的影音技术,将学生要学习的内容通过PPT图片、影像、动画和语言等功能,生动有趣的将课本知识呈现在学生面前。[1]尤其是对于一些抽象难懂的重点知识,利用动画、视频等技术可以形象的展示其内在结构、实验原理,将静止的课本知识动态立体的呈现出来,便于教师的“教”与学生的“学”。比如物理中的“分子运动”,生物学中的“染色体的分裂”等概念的理解,教师就可以轻松的借助多媒体的技术,生动形象的让学生理解概念,即突破了教学的重点,又很好的激发了学生的兴趣,丰富了我们的课堂教学。
二、计算机多媒体技术在课件教学中存在的问题
尽管计算机多媒体技术给课件教学带来一股春风,但是其存在的问题也是显而易见的。主要有以下几方面:
(一)老教师备课负担加重。
多媒体需要教师现将所要讲解的知识储存在电脑里,需要时间来进行编排和制作,加重了老师的负担。在教学中,一些老教师对多媒体计算机的了解甚少,许多的图标不能准确、快速的找到位置,对于课堂操作也不是非常熟练,就是使的有些老师在课下辛苦弄的课件,由于自己的不熟练而造成课堂的尴尬,阻碍了课堂的教学。面对这种情况,教师需要花费一段时间来对计算机进行学习钻研,花费了老师的不少精力。
(二)新教师对多媒体的依赖。
计算机多媒体只是课堂教学的辅助手段,不可能替代老师的讲解。可是许多新教师只看到多媒体教学的多样化,能够化难为易、简化教程的优点,对其产生了依赖性,认为只需要将多媒体文件做好,就可以将知识点都交给多媒体来讲,潜意识里替代了教师的工作。这种交流使得课堂变为了学生与机器的交流,没有了师生之间情感的交流。新鲜感过后,学生便开始厌倦、枯燥,失去了学习的兴趣。教师也远离了学生的心灵,课堂失去了原有的生机,对教学活动造成很大的负面影响。
(三)多媒体技术华而不实。
生动形象的动画场面吸引了学生的注意力,激发了学生的兴趣。在教学中,学生只是被亮丽的色彩和动画所吸引,而没有注意到老师想要表达的内在含义,忽略了对知识的深入理解和探究,学生只是盲目的跟着“多媒体”在动。有些教师为了追求教学课件的华丽,刻意的使用色彩亮丽的画面,而与所要讲述的内容有所偏颇,从而失去了多媒体所固有的显示重难点的优势,只把课件变为了一场“华丽的演出”,没有真正的起到教学效果。多媒体教学作为辅助教学的课件,应把内容放到第一位,切实解决教学中的问题才是最重要的核心。
三、计算机多媒体技术在课件教学策略研究
计算机多媒体技术在课堂中的引用,是为了弥补课堂教学的不足,从而打造我们的高效课堂。只要我们深入研究,就能够很好的扬长避短,有效的发挥多媒体带来的优势。
(一)建立情境,激发兴趣。
兴趣是学生学习的动力,是最好的老师。抽象难懂的课本知识,使学生感到恐惧和厌烦,在“应试教育”的重压下,老师和家长对成绩的重视远远高于对学生心理的关怀,逐渐的使学生失去了学习的兴趣。面对这样的情况,教师要深入的研究教辅材料,细致的挖掘课本中有效的信息,借用多媒体来激发学生的学习兴趣,让静止的教科书会“说话”,从而建立生动形象的课堂情境,将学生顺利的带入学习的状态上来,突出知识的重难点,切实有效的帮助学生的理解,建立学生的学习自信心,实现自我的突破与创新,逐步的提高学生的学习能力。
(二)突出重点,生动具体。
在传统教学中,书本上的重点难点,只能靠老师在台上不断的讲解,反复的强调;学生通过自己的想象来对抽象的知识进行理解,容易给学生开小差的机会,形成不良的学习习惯。这样使得老师讲得累,学生听得生涩难懂,逐渐的使学生对学习失去了信心,产生自卑的心理。而计算机多媒体技术的引入,可以有效的解决这一问题,将学生所要学习的重点,利用计算机多媒体技术,结合试验或动手教学,将重点知识制作成有趣的图形、动画或表格的形式,由简入繁、由易到难的给学生展示知识内容,使学生跟着课堂的节拍,在层层递进中突破对重点知识的理解,轻松自如的掌握课本知识,增强学生学习的自信心。
(三)轻松学习,减轻压力。
新的课程改革注重对学生能力的培养,学生对课本内容的学习使的没有了太多的时间用来探究,无疑加重了学生的学习压力。在教学中,多媒体有时可以代替“板书”的作用,将知识有条理的展示给学生,省去了一部分时间,这样就可以给学生预留出探究的空间,使学生能够直观的对待知识,发现授课过程中问题,根据自己的认知水平,对问题进行思考、分析、推理、归纳和演绎,从而提高了学生解决问题的能力。对于学生而言,多媒体的使用扩大了课堂的容量,增强了知识之间的灵活性,使学习脱离了“死记硬背”,而有了更多的时间来理解应用,提高学生的综合能力。对于教师而言,多媒体可以生动形象的再现知识的内在结构,所有的原理变得“一目了然”,省却了许多的讲解,大大的改善教师面对重要知识点如何讲解而一筹莫展的困境。减轻了老师在教学上的压力,使教学环境有一个轻松欢乐的氛围。
四、结束语
综上所述,计算机多媒体技术与课件教学之间的关联是相辅相成的,在教学过程中起着不可忽视的推动作用。在教学中,只要我们深入的来解多媒体所带来的便利,灵活的掌握各种教学模式,使多种方式相结合,将多媒体的有点发挥到极致,实现“拿来主义”,就能够让多媒体很好的为课堂服务,为学生的发展服务,真正有效的称为课堂上那一抹亮丽的色彩。
参考文献:
论文摘 要:数字图书馆的迅猛发展使得多媒体信息资源的组织与管理成为数字图书馆发展的一个关键性问题,而多媒体信息检索技术也就成为数字图书馆中的核心技术,因而在数字图书馆中引入基于内容的多媒体检索技术成为了必要。
1 基于内容的多媒体检索原理
传统的多媒体检索技术,主要是通过对多媒体进行人工分析,对多媒体物理特征和内容特征进行文字著录或标引,建立类似于文本文献的标引著录数据库,并通过检索这些数据库以获得多媒体编号,进而利用这些编号索取实际多媒体。这种检索技术存在不足:①特征不具有代表性,带有主观性;②人工处理速度慢;③特征信息得不到充分利用;④结果信息提取慢。基于此原因有必要研究基于内容特征的检索(CBR,Content-Based Retrieval ) ,克服传统检索方法的不足,提高多媒体检索效率。CBR是指直接根据描述媒体对象内容的各种特征(如图像颜色,纹理,形状等)进行检索,它能从数据库中查找到具有指定特征或含有特定内容的图像(包括视频片段),区别于传统的基于关键字的检索手段,融合了多媒体理解、模式识别等技术。一般说来,基于内容的图像信息检索主要是根据图像的颜色、纹理、形状开展;而对视频信息检索主要通过对视频分割、视频聚类、关键帧抽取、运动特性抽取、最后完成视频检索。数字图书馆拥有海量多媒体信息资源,只有充分利用基于内容的多媒体检索技术,才能挖掘海量资源库中的信息资源,为广大读者服务。
2 基于内容的多媒体检索分类及检索方法
根据检索对象的不同,基于内容的多媒体检索又可以分为基于内容的文本检索、基于内容的图像检索、基于内容的视频检索和基于内容的音频检索四种检索。
2.1 文本检索
基于内容的文本检索是涉及文档内容查询的检索技术。其检索模型的构造是基于内容文本信息检索的核心技术,包含3个方面的内容:文档与用户查询的表示、查询匹配策略和匹配结果的相关度表示。典型的文本检索模型又分为布尔模型、向量空间模型和概率模型3种。
2.1.1 布尔模型(Boolean Model)
该模型将文档中的特征简单地表示成二元变量,某特征词出现则为1,否则标识为0。文档的相似度则基于布尔量进行计算。该模型有点是简单、速度快,缺点是不够精确,不能反映不同“项目”对一个文档的重要程度的差异。后来陆续有学者针对布尔模型不足,提出改进算法即扩展的布尔模型。
2.1.2 向量空间模型(Vector Space Model,VSM)
该模型也称为词袋(Bag of Words,BOW)表示法,该表示法有一个关键假设,即文章中词条出现的先后次序是无关紧要的,个特征词对应特征空间的一维,将文本表示成欧氏空间的一个向量。该模型思想是将文档D(Document)看作是由一定代表性的特征项组成;而特征项t(Term)是指出现在文档中能够代表文档性质的基本语言单(如字、词等),也就是通常所指的检索词。这样一个文档D就可以表示为D(t-1,t-2,…,t-n),t-i(I=1,2,…n)表示文档的一个特征项。
2.1.3 概率模型(Probablistic Model)
该模型考虑词项、文档之间的内在关联,依据关联信息计算文档类别归属大小,据此推算文档类别。
布尔模型和向量空间模型都将文档表示词条视为相互独立的项,忽略了表示词条间的关联性。概率模型则考虑到词条、文档间的内在联系,利用词条间和词条与文档之间的概率依赖性进行信息检索。其中二值独立检索模型(BIR)是一种实现简单且效果很好的概率检索模型。概率推理网络是一种新型的检索模型,它模拟人脑的推理思维模式,将文档内容与用户查询匹配的过程转化为一个从文档到查询的推理过程。
2.2 图像检索
基于内容的图像信息检索主要根据图像的特征进行,一般地,图像特征包括:①图像的画面内容特征(如图像颜色分布、纹理结构、形状等) ;②图像的主题对象特征(如图像所描述的人、车、建筑等) ;③图像的著录特征(如作者、时间、地点等) ;④图像的移动和组合特征(如影象中的场景) 。目前对图像内容检索研究比较多的是基于图像的颜色、纹理、形状等特征开展的,下面重点论述此三方面的检索。
2.2.1 基于颜色特征的图像检索
颜色是一种重要的视觉信息属性,在图像索引与检索中是一种很有用的特征。相对于其他特征,颜色特征非常稳定,具有对旋转、平移、尺度变化、各种形变不敏感特性,而且颜色特征计算简单。因此,颜色特征成为现有检索系统中应用最广泛的特征。较早从事颜色特征进行图像检索的方法是直方图,通过统计各不同灰度值的图像像素数量,达到对图像的信息描述。
2.2.2 基于纹理特征的图像检索
纹理描述了图像或图像区域所对应的景物的表面性质。包括表面结构组织及其与周围环境关系的许多重要信息,纹理特征是一种统计特征,具有旋转不变性,并具有较强的抗噪音能力。一般地,体现图像纹理特征的具体指标有均匀度、对比度、方向,其中均匀度反映纹理的尺寸,对比度反映纹理清晰度,方向反映实体是否有规则的方向性。
2.2.3 基于形状特征的图像检索
基于形状检索基本上是从形状的轮廓特征和形状的区域特征来建立图像的索引,主要有形状轮廓特征和形状区域特征两重描述。形状轮廓特征主要包括:直线段描述、样条拟合曲线、傅立叶描述子、内角直方图、高斯参数曲线等。而形状区域特征主要包括:形状的无关矩、区域的面积、形状的纵横比等。
2.3 视频检索
视频检索实际上属于图像的检索。视频除了具有一般静态图像的特征外,还具有动态性,如镜头运动的变化、运动目标的大小变化、视频目标的运动轨迹等,所以视频又称动态图像,是一组图像按时间的有序连续表现,它的表示与图像序列、时间关系有关。视频数据可用幕、场景、镜头、帧等描述。视频序列主要有镜头组成;镜头由一系列连续的帧组成;帧是一幅静态的图像,是组成视频的最小单位;场景含有多个镜头;幕是由一系列的相关场景组成,表示以完整的事件。视频检索的前提是需要利用可视化特征视频数据建立有效的索引。
2.4 音频检索
音频就是对声音数字化后得到的结果。音频一般采用音量、音调、音强、带宽、音长和音色等属性来描述。其中音量、音调、音强、带宽和音长等属性易于通过技术手段进行量化建模,而对音色的处理却相对复杂,对其进行分析和捕捉较为困难。音频检索同视频检索相类似,音频特征随时间而动态变化,分析时计算不同时间段的声波信号的波形,并将波形的均值、方差和自相关系数等记录在波形数据库中。对音频数据进行采样、帧抽取后,运用方差分析等统计方法对音调、音量、音强等音频特征进行量化,并在音频数据库中记录这些量化值,形成索引树,在检索时可以利用这些特征进行示例和指定特征查询。
参考文献
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[9] 徐建华.一种新型的多媒体检索技术——基于内容的检索[J].情报学报.2000(19).
关键词:4G通信;关键技术;智能天线;特点
1 4G通信的简述
1.1 4G通信的定义
4G是第四代通讯技术的简称,G是generation(一代)的简称。4G系统能够以100Mbps的速度下载,比目前的拨号上网快2000倍,上传的速度也能达到20Mbps,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面,4G与固定宽带网络在价格方面不相上下,而且计费方式更加灵活机动,用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。
1.2 4G通信的特点
(1)传输速率更快。4G系统的目标速率对于大范围高速移动用户(250km/11)数据速率为2Mbi“s,对于中速移动用户(60 knl,}1)数据速率为20Mbi魄,对于低速移动用户(室内或步行者)数据速率为100Mbi洮;
(2)信道带宽更宽。研究未来4G信道的带宽将达到100MHz或更高,而3G网络的带宽在5~20MHz之间;
(3)系统容量更大。将采用新的网络技术(如空分多址技术等)来极大地提高系统的容量,以满足未来大信息量的需求;
(4)智能性更高。4G系统的智能性更高,它将能自适应地进行资源分配,处理变化的业务流和适应不同的信道环境,使得系统兼容性更高,4G网络中的智能处理器将能够处理节点故障或基站超载,4G通信终端设备的设计和操作也将智能化;
(5)实现更高质量的多媒体通信。4G系统能提供包括语音、数据、影像等无线多媒体通信服务,大量信息透过宽频信道传输,让用户可以在任何时间、任何地点接入到系统中;
(6)业务的多样性。在未来的全球通信中,人们所需的是多媒体通信,因此个人通信、信息系统、广播和娱乐等各行业将会结合成一个整体,提供给用户更广泛的服务与应用。
2 4G移动通信技术的关键技术
2.1 OFDM
OFDM即正交频分复用技术,实际上OFDM是MCM Mullti-CarrierModulation,多载波调制的一种,OFDM技术有很多优点:可以消除或减小信号波形间的干扰,对多径衰落和多普勒频移不敏感,提高了频谱利用率;适合高速数据传输;抗衰落能力强;抗码间干扰(ISl)能力强。
2.2 智能天线(SA)与多人多出天线(MIMO)技术
智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能,被认为是未来移动通信的关键技术,智能天线成形波束能在空间域内抑制交互干扰,增强特殊范围内想要的信号,这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量,其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射,同时通过基带数字信号处理器,对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并,实现上行波束赋形,目前智能天线的工作方式主要有两种:全自适应方式和基于预多波束的波束切换方式。
2.3 编码调制技术
LTE上行调制方式主要采用位移BPSK(π/2-shift BPSK),QPSK和16QAM,下行主要采用QPSK,16QAM和64QAM,上行采用位移BPSK技术可以进一步降低DFT-S-OFDM的峰均比,此外,可以通过频域滤波、选择性映射(SLM)、部分传输序列(PTS)等技术进一步降低系统峰均比,在信道编码方面,LTE采用Turbo码,Turbo码采用了一种并行级联的结构,将卷积码和随机交织器巧妙地结合在一起,实现了随机编码的思想,译码采用软输入软输出(SISO)迭带译码算法,每个分量译码器都有三种不同类型的软输人:信息比特、校验信息、先验信息,各分量译码器之间插入交织器,构成迭代译码结构,使得译码器的输出比特逼近最大似然。
2.4 软件无线电技术
软件无线电就是采用数字信号处理技术,在可编程控制的通用硬件平台上,利用软件来定义实现无线电台的各部分功能:包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等等,即整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成,软件无线电的核心技术是用宽频带的无线接收机来代替原来的窄带接收机,将宽带模数变换器(A,D)及数模变换器(D,A)尽可能地靠近射频天线,建立一个具有“A/D―DSP_D,A”模型的开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,从而使无线电的各种功能模块尽可能多的采用可编程软件来实现,以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。总之,软件无线电是一种以现代通信理论为基础、以数字信号处理为核心、以微电子技术为支持的基于数字信号处理(DSP)芯片,以软件为核心的崭新的无线通信体系结构,在4G众多关键技术中,软件无线电技术是通向未来4G的桥梁,它不仅能降低开发风险,还更易于开发系列型产品,此外,它还减少了硅芯片的使用量,从而降低了运算器件的价格,其开放的结构也会允许多方运营的介入。
3 结论
随着科学技术的不断发展,现代通信时代已经步入4G时代,而且我国也已经颁发了4G牌照,因此,必须重视4G通信的中的关键技术,使其能够更好地为人民服务。
[参考文献]
关键词:增强现实;虚拟现实;跟踪注册;关键技术
中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2013)28-6411-04
2013年央视春晚早已经落下帷幕,其科技感和观赏性十足的舞台效果让亿万观众有一个全新的体验,其中增强现实等3D互动技术的应用,使舞台空间变化、意象环境等呈现在电视屏幕上,给电视观众带来了前所未有的视觉冲击。如图1所示,为李玉刚的《嫦娥》,舞台里面的琼楼玉宇皆是通过增强现实技术实现的。
增强现实(Augmented Reality,简称AR)是在虚拟现实技术——Virtual Reality,简称VR)的基础上发展起来的一个分支,由于它将计算机产生的文本信息、图像、虚拟3D模型、视频或场景等实时准确的叠加到用户所感知的真实世界中,在虚拟环境和真实环境之间搭起一个桥梁,实现对现实世界信息的增强,提高用户对真实世界的感知能力[1]。
1 增强现实的特点
增强现实技术作为现实世界和虚拟世界的桥梁,是现实世界力量的延伸,同时,也对虚拟世界进行补充,不至于迷失于虚拟世界。如图2所示为1994年Paul Milgram和Fumio Kishino提出的虚拟现实连续体[2]。该图相当于一个坐标轴,轴最左侧表示真实世界,最右侧表示虚拟环境,混合实境连接了真实世界和虚拟环境,其中混合实境又分为增强现实和扩增虚境,偏向于虚拟环境部分的为扩增虚境,而偏向于真实世界部分的则定义为增强现实。由此可见,增强现实具有虚实结合、实时交互和三维注册的特点[3]。
1) 虚实结合
增强现实技术不同于虚拟现实,它没有完全取代现实环境,相反它比较依赖现实世界,它的存在就是为现实服务的。如图3所示为增强现实的一个典型应用,通过移动设备摄像头对准《灵魂战车》的电影海报,pad显示屏上就会显示该部电影的精彩预告。这种便是将虚拟信息应用到真实世界中,二者叠加成一个画面,不仅展现了真实世界的信息,而且将虚拟的信息同时显示出来,两种信息相互补充、叠加。
2) 实时交互
实时交互是指用户能够通过现实世界的信息比较及时的得到相应的反馈信息。因为增强现实需要迅速识别现实世界的事物,在设备中进行迅速合成,并通过传感技术将混合信息传达给用户,这样才能实现所见即能所知的效果[4]。如《灵魂战车》的增强现实电影海报,通过pad摄像头对准,即刻就能呈现出精彩片段;2013春晚上所呈现的增强现实效果,实现了虚拟影像与真实场景的同步传播。
3) 三维注册
增强现实中需要通过实时跟踪摄像机姿态,实时计算出摄像机影像位置及角度,定位出虚拟图像于真实场景中的注册位置,以实现虚拟世界与真实世界更自然的融合[5]。比如图3所示的例子需要检测需要“增强”的物体特征点以及轮廓,跟踪物体特征点并生成坐标信息,即识别出海报的内容和在摄像头中的位置。增强现实必须经过三维注册才能识别,它不是对任何一个物体都能实现增强的。
2 增强现实的关键技术
增强现实技术要完成虚实的叠加并呈现给用户,首先需要通过相机获取真实场景信息,然后传输到设备对真实场景和相机相对位置进行分析,最后将获得的虚拟信息与真实场景融合。如图4所示为增强现实系统架构图,在该过程中涉及到跟踪注册技术、虚拟物体生成技术和显示技术[6]。
1) 跟踪注册技术
为了实现虚拟信息和真实场景的无缝叠加,这就要求虚拟信息与真实环境在三维空间位置中进行“配准”,即注册。而移动设备摄像头与虚拟信息的位置需要相对应,这就需要通过跟踪技术来实现。跟踪注册技术首先检测需要“增强”的物体特征点以及轮廓,跟踪物体特征点并生成二维或三维坐标信息,例如在谷歌眼镜要显示某一物体的信息需要识别出该物体的特征点和轮廓。跟踪注册技术的好坏直接决定着增强现实系统的成功与否,常用的跟踪注册方法有四种:基于硬件的跟踪注册、基于机器视觉、基于无线网络的和混合跟踪注册技术。
2) 虚拟物体生成技术
增强现实的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动,所以在准确的跟踪注册技术的基础上,要提高增强现实系统的效果,还需要保证所生成的虚拟物体真实感和实时性强。如谷歌眼镜推出的增强现实眼镜,在用户观测到一个物体后,镜片上就能迅速呈现该物体的相关信息;再如《灵魂战车》增强现实电影海报,当Pad摄像头对准该海报时,显示设备上就能立即呈现对应的精彩片段。因此真实感和实时性是虚拟物体生成的两个最主要的性能判断标准。
3) 显示技术
典型的增强现实应用除了上述的技术外,还依赖于设备的显示技术,为了达到逼真的虚实融合的展示效果,高效率的显示技术和显示设备是必不可少的。目前,应用于增强现实系统的硬件显示设备,除了一般的PC机显示屏幕外,用于增强现实系统中的还有头戴式可视设备(Head Mount Display),即增强现实中广泛应用的穿透式HMD。根据具体的实现原理又划分为两大类,分别是基于光学原理的穿透式HMD(Optical See-through HMD)和基于视频合成技术的穿透式HMD(Video See-through HMD)[7]。
3 增强现实的国内外现状
增强现实是在虚拟现实的发展过程中应运而生的,它的诞生一方面是应运了时代的发展,另一方面是为了弥补虚拟现实完全脱离现实而独自呈现的不足。自1990年波音公司的研究员Thomas Caudell[8]创造增强现实以来,越来越多的研究所、高校以及企业都开始对增强现实展开大量的研究,并取得了一定的科研成果。
目前,哥伦比亚大学的Steve Feiner团队使用AR制造了一套激光打印机维修系统,用户戴上这套系统就能通过系统中的操作指示对打印机进行维护,如去下纸托盘等,如图5所示。
而较早提出增强现实概念的波音公司正在利用该技术帮助技术人员安装组成飞机电路系统的线束,通过增强现实技术开发出一套数字化的操作流程,取代巨大的实体布局板来制作线束,从而节省开间和开支。如果这项技术能成功运用到工厂中,将会带来巨大的收益。如图6所示,为延时波音的线束制作系统。2012年4月4日,谷歌正式对外公布了谷歌眼镜的产品计划,这款增强现实产品具有智能手机所能提供的各类服务,镜片具有微型显示屏的功能,其可将信息传送至镜片,并且允许可穿戴用户通过声音控制收发信息。另外,在著名打印机生产商爱普生的协助下,创业公司Meta也开发出了一款现实增强眼镜。它主要借助独特的双手立体空间手势识别功能,搭载了爱普生生产的Moverio BT-100可穿戴式双眼显示器,并在设备顶端配备了低延迟的三维摄像机。虽然这款设备扔处于原型研发阶段,但该设备有望给增强现实设备领域带来革命性的影响[9]。
相对发达国家来说,我国的虚拟现实起步较晚,大概在20年代90年代初,这样增强现实相对也晚于别的国家。但是近年来,我国政府和科学界都给予高度重视,并制定了相应的科研进展计划,不断追赶先进技术。各大高校对增强现实技术也展开了研究并取得了一定进展。华中科技大学对基于增强现实的遥操作关键技术进行了研究,提出了一种基于视觉的增强现实跟踪注册方法和基于实时定标策略的虚实配准方法,设计了一种基于标示角点与全局单应性矩阵相结合的三维注册方法;上海交通大学提出了空间增强现实流水线概念;浙江大学以基于定位标记的视频检测为基础,从增强现实环境中的阴影生成方法和光线检测算法入手,提出以场景管理为核心的增强现实软件框架ARSGF。除此之外,我国在很多方面都开始采用增强现实技术,从2012春晚开始,增强现实开始更多的应用于媒体界,这使得媒体节目更具有观赏性。
另外,随着移动互联网应用开发热度日益升高,应用开发者开始围绕大平台开发出满足用户需求的应用,日益丰富着各大平台的App Store。目前小型手持式移动设备(掌上电脑PDA、智能手机)的兴起为移动增强现实技术提供了崭新的发展平台。五维时空推出了一款基于增强现实的娱乐互动移动社区——OSEE游戏[10],用户进入OSEE世界后,基于真实的位置信息,可以了解周边正在发生的新鲜事,分享别人心情,同时也可以将自己的心情感言和随拍分享给其他朋友,而这一切都在现实场景中,给用户一个全新的视觉感受。
4 增强现实的应用
增强现实技术作为虚拟现实的一个补充发展充分利用了虚拟现实的优势,近年来成为一个研究热点。它综合了计算机图形、多媒体、实时跟踪及注册、融合显示等多门学科,在文化遗产保护、医学、军事、工业维修、多媒体传播等领域都有着广泛的应用前景。
1) 在媒体娱乐方面的应用
自2012年开始将增强现实搬到春晚中,其在电视节目中的应用越来越多,一方面能让节目更有观赏性,使单调的画面变得丰富多彩,另一方面也能节约成本,比较丰富的画面通过虚拟合成便能实现,避免了很多现实物体制作的成本。网络上热门转播的“真人水果忍者”视频中,一位蒙面的“忍者哥”在摄像头前,他通过各种肢体运动切从屏幕上飞来的水果。该游戏就充分利用了增强现实技术,使得游戏更具有娱乐性。
2) 在工业医疗中的应用
通过各种硬件设备的辅助能够将机器不易看到的部分显示给用户,包括机器的内部结构、零件图等。医生可以利用增强现实技术,准确的进行手术部位定位。
3) 在文化遗产保护中的应用
将增强现实技术应用于博物馆展览中,采用虚实结合的方式,将被动式的参观方式转变成互动式的多感官参观方式,使得博物馆展览更直观形象,充分发挥其存在的作用。对于一些已经损坏的文物,通过增强现实技术使其再现。
4) 在教育培训中的应用
通过移动设备扫描纸质课本上的图片,显示器上就能呈现多姿多彩的动态图,方便孩子们对抽象事物的理解。在一些培训项目中,被培训者坐在屏幕前,手动操作显示器前的手柄,屏幕上的物体就会有相应的运动。
5 结论
增强现实正在充分发挥其重要作用,虽然尚有许多亟待解决的技术问题,比如如何实现虚实物体精准实时叠加,但是随着技术的不断发展,这些问题将会逐一被解决,增强现实将会为人类的智能扩展提供强有力的手段,对生产方式和社会生活产生深远的影响。
参考文献:
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[2] Paul Milgram, Fumio Kishino.A Taxonomy of Mixed Reality Visula Display[J]. IEICE Transactions on Information Systems,1994,77(12).
[3] Azuma, Ronald T. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and virtual environments, 1997,6(4):355-385.
[4] 蔡攀.基于增强现实的实时交互技术研究与实现[D].电子科技大学,2009.7-13.
[5] 蒋钦云.增强现实中三维注册算法研究[D].华中科技大学,2006.8-10
[6] 朱淼良,姚远,蒋云良. 增强现实综述[J].Journal of Image and Graphics,2004,7(9):767-769.
[7] 马志艳.面向数控加工仿真的增强现实关键技术研究 [D].华中科技大学,2006.10-13.
[8] Suzanne Weghors. Augmented Tangible Molecular Moels[EB/OL]. [2012-02-06]. http://hitl.washington. Edu/projects/scripp.
关 键 词:数字技术 艺术设计 教学资料库
今天,以数字信息技术为平台的教育模式正在形成,这对人类的知识传授产生了巨大的影响,也使高等教育的教学发生了变化。
为适应信息化的发展,我们在艺术设计专业教学中导入了数字化网络教学。而建设艺术设计专业教学资料库是教学中采用数字化网络教学的基础工作和基本要素。
一、建设艺术设计教学资料库的必要性
信息技术迅猛发展使艺术设计的设计方法和手段发生了巨大变化,对艺术设计教育的各个环节进行了全面渗透。全新的教学服务设备使教学的方式、内容和教学管理发生了质的变化。网络技术的出现,改变了学生获取知识、交流信息的方式。这些为建设艺术设计专业教学资料库提供了很好的条件。
艺术设计专业的教学有其特点。主要表现为:理论教学和能力训练的专业性很强,讲究实用性,强调理论联系实际,强调培养学生的动手能力和实际操作能力。教师在教学过程中,经常需要借助于各种不同的资料来帮助教学。尤其是这几年,在艺术设计专业的教学中已大量使用多媒体技术,广泛采用多媒体教学。但应用中也存在不足:一是多媒体教学课件往往是由教员个人结合备课自行开发的,不易共享、不规范,质量得不到保证,内容不全、无法涵盖一个专业的全部教学内容。二是这些教学软件、课件一般都具有相对独立性,自成体系。不同的教师无法根据自己的课程、结合自己的教学特点应用于不同的教学场景中。所以,就必须开发建设高质量的、可以共享的教学资料库。
教学资料库的建设是教学信息化建设的核心和基础,建设好教学资料库就找到了在信息化时代教学手段与教学内容改革相一致的途径。因此我们要把教学资料库的建设作为教学改革的重要内容。
教学资料库也是教学管理的需要。教学资料库有利于课程大纲、教学日历等教学文件的管理;有利于学生学习情况的管理和信息的反馈;也为加强教学检查和教学质量的监控提供了条件。
二、艺术设计专业教学资料库的组成
艺术设计专业教学资料库是本专业教学资料的集合,它包括大量的知识、信息素材,供师生在教学过程中任意组合、调用。教学资料库中保存的是本学科的一个个教学资料“标准件”或知识、信息“元素”;而且资料库中的素材内容全面、丰富,基本涵盖本专业的主要教学内容。师生在教学过程中,可以根据自己的需要和创意,调用或“引用”这些知识、信息“元素”。
教学资料库系统是通过网络技术把学生用机、教师授课用机、教研室用机、多媒体用机、教学管理用机等连到一起。教学资料库安装在服务器中,主要包括下面内容:
1.教学基本资料库:该库是以知识点为基础、按一定检索和分类规则组织素材资料,包括教学大纲、电子教案、教学日历、教学课件、参考资料等。以图片、动画、视频、音频、文本等形式储存。所储存的是本专业中的知识信息素材,是有关专业知识的集合。分门别类,对知识信息加以整理、加工,再存储在资料库中。资料库具有可扩充性,教师将自己收集、加工的素材方便地添加到资料库中。教学基本资料库资料的来源主要有以下几个部分:a 将现有教学的素材重新分离、整理、还原,或按指定格式重新整理、存储;b 将现有纸张载体的资料进行数字化处理(扫描、拍照或录入等);c 从软件公司和出版社发行的各种素材光盘中查找、收集、整理出与专业有关的各种资料;d 从互联网下载艺术设计专业教学的信息资源。
2.课程资料库:该库主要是为课堂教学服务,根据课堂教学的需要提供授课所需的资料。以《电脑效果图》课程为例,其资料库包括:观摩作品、示范作品、学生优秀作品、模型库、材质库、设计制作过程与技巧等。课程资料库的扩充与维护由担任本课程的教师负责。
3.学生资料库:该库主要保存学生作业,任课教师负责整理和保存。
为保证教学资料库正常工作,要有专人负责定期对教学资料库进行整理,删除累赘部分、补充欠缺材料,并调整好资料库的内在结构。
三、艺术设计专业教学资料库应用实践
艺术设计专业教学资料库是在边建设边使用中逐步建立起来的。在教学资料库的应用方面,教师主要开展下列工作:
1.教师课前根据自己的需要,调用、组合教学基本资料库中的素材,完成具有个性化的电子教案,并具备网上教学功能。教师在制作电子教案的同时,收集、整理出与专业有关的各种资料补充到资料库中。
2.利用资料库中的素材,相关教师共同参与开发各门课程的课件。课件可以作为教学的“基准教材”,既可以供学生学习该门课程时调用,也可以供教师编撰该门课程的电子教案时参考。将与该门课程相关的资料(如:观摩作品、示范作品、学生优秀作品、制作过程与技巧等)进行整理入库,从而形成课程资料库。
3.开展多向互动的授课。即学生与计算机的互动,学生与老师的互动,学生与学生的互动。
4.整理和保存好学生作业,对作业进行评定。
学生应用教学资料库的主要工作:
1.学生通过网络下载、浏览课程教学大纲、电子教案、观摩作品、示范作品、学生优秀作品等。
2.老师、同学多向互动,协同学习,共同探索。
3.学生资料库使学生的学习与作业具有一定的连续性。如:数码图形图像设计课程的作业可在二维形态构成和图形设计课程中使用;而二维形态构成和图形设计课程的作业又可作为卡通设计、标识设计、包装设计等课程的基础。
以上是艺术设计专业教学资料库建设的一些实践。时代在不断发展,应用在不断拓展,技术在不断进步,因此,设计专业教学资料库建设只是开始,还有大量的工作要做。
参考文献
[1]朱华光 .谈大学生网络学习的积极作用[J]. 太原科技2002 年第 6 期,P 56—57
[2]纪平.现代教育技术的系统模式、建模方法及关键技术的新发展[J]. 西安:电化教育研究. 2001(5)
[3]张伟远.研究范例:对网上教学的研究.中国远程教育[J].2004(2)
关键词:塑料光纤 光纤 光缆 光通讯 POF
一、前言
自从业界开创了光纤通讯技术以来,大至归纳,光纤通讯比传统的电铜通讯有3大优点:一是通信容量大;二是抗电磁干扰、保密性能较好;三是重量轻,并可节省大量的铜,如铺设1000公里长的8芯光缆比铺设同样长度的8芯电缆可节省1100吨铜,3700吨铅。因此光纤光缆一经问世就受到通信业界的欢迎,带来了通讯领域的革命以及一轮投资发展热潮。
尽管玻璃光纤具有上述一系列优点,但它有一个致命的弱点就是强度低,抗挠曲性能差,而且抗辐射性能也不好。因此,近20多年来,业界一直没有停止过对光纤其他材料的代用研发,其中对塑料光纤的研发是目前业界最为感兴趣的研究领域之一,目前已经取得较大进展,已经有商用产品面世,现已广泛应用于汽车、CD播放机、工业电子系统、小型光盘系统和个人计算机中。今后还会有许多领域将使用塑料光纤,诸如传感器、光子晶体光纤等。
二、塑料光纤的优点
塑料光纤与玻璃光纤相比,虽透光性差一些,光损耗较大,初期一般为300分贝/公里,传输光带狭窄(限于可见光区),被认为难以适应多媒体通信网的需要,但它具有轻而柔软、抗挠曲、抗冲击强度高、价格便宜、抗辐照、易加工、并能制成大直径(1~3毫米,以增大受光角度,扩大使用范围)等一系列优点,所以备受青睐。此外,光通过塑料光纤的中心部分的直径约为1毫米,比玻璃光纤大100倍,与纤维之间的连接及与个人机等终端装置的连接都十分容易。因此塑料光纤安装费用很低,安装时采用十分简单的对准连接插头即可,这种插头可用现有的技术生产。
三、塑料光纤产品研发简述
塑料光纤的研究始于二十世纪60年代。1968年美国杜邦公司用聚甲基丙烯酸甲酯为芯材制备出塑料光纤,但光损耗较大。1974年日本三菱人造丝公司以PMMA和聚苯乙烯为芯材、以低折射率的氟塑料为包层开发出塑料光纤,其光损耗为3500dB/km,难以用于通信。
80年代日本的一些大企业和大学对低损耗塑料光纤的制备进行了大量的研究。1980年三菱公司以高纯MMA单体聚合PMMA,使塑料光纤损耗下降到100-200dB/km。1983年NTT公司开始用氘取代PMMA中的H原子,使最低光损耗可达到20dB/km,并可传输近红外到可见光的光波。
近几年来,欧日等国的公司对塑料光纤的研制取得了重要的进展。它们研制成的塑料光纤,光损耗率已降到25~9分贝/公里。其工作波长已扩展到870微米(近红外光),接近石英玻璃光纤的实用水平。美国研制的一种PFX塑料系列光纤,有着优异的抗辐照性能。此外,美国麻省波士顿光纤公司研制的Opti-Giga塑料光纤更是引人注目,它不仅比玻璃轻、柔性更好、成本更低,而且可在100米内以每秒3兆比特的速度传输数据。这种光纤还可以利用光的折射或光在纤维内的跳跃方式来达到较高的传输速度。现在美欧日已把塑料光纤用于短途传输,如汽车、医疗器械、复印机等。
就目前塑料光纤生产量而言,日本是世界上最大的塑料光纤生产者,然而却是欧洲推动了塑料光纤新应用领域的开发并建立了光纤检验标准。2001年下半年是欧洲塑料光纤工业发展的重要阶段,在这段时间内建立了欧洲塑料光纤检验和测量的新发展方针。世界上第一个专用塑料光纤应用中心(POFAC)在德国Nuremberg落成。德国采用塑料光纤已经研制成功了多媒体总线系统MOST(24Mbit/s),并且有几家轿车制造商已把该系统引入到自己的产品上。德国宝马公司(BMW)在其新的7个系列产品中开创了使用100m塑料光纤的记录。欧洲2001年塑料光纤学术交流会和欧洲光纤通信会议同时在荷兰的阿姆斯特丹举行。德国汽车工业不仅推动了塑料光纤的应用,而且也推动了塑料光纤检验和测量标准的建立。
日本也建立了塑料光纤标准,但这些标准对欧洲共同体是无效的。日本工业标准只给出了一种型号塑料光纤的标准,其数值孔径为0.5,而且只有650nm一种波长。该标准没有提及在塑料光纤中的不同激励光条件,也没有规定必须在塑料光纤内形成平衡模分布。
此前建立的玻璃光纤检验方法因为会出现瑞利散射而不适于检验塑料光纤,现在市场上仅有瑞士新成立的Luciol仪器公司出售的一种检验塑料光纤的仪器。
德国工程师学会和电子工程学会研究小组已经详细规定了塑料光纤数值孔径、衰减、传输和机械特性以及环境和寿命的测量方法。塑料光纤检验方法和标准的建立必将促进国际塑料光纤贸易的发展,并消除贸易中的误解。
日本对塑料光纤的应用十分重视,早在几年前,NEC、富士通、住友电器工业公司等45家光通信、多媒体产品的生产厂家就联合宣布,将共同实现已在日本开发成功的塑料光纤的实用化。塑料光纤的成本低廉,被认为是将多媒体引进到家庭的关键技术,随后一些生产厂家就着手建立生产线。?
1986年,日本F富士通公司以PC为纤芯材料开发出SI型耐热POF,耐热温度可达135摄氏度,衰减达450dB/km;
1990年,日本庆应大学的小池助教授开发成功折射率渐变型的塑料光纤,芯材为含氟PMMA、包层为含氟,用界面凝胶技术制造。该塑料光纤衰减在60db/km以下,光源650-1300nm,100m带宽3GHz,传输速率10Gb/s,超过了GI型石英光纤,并被广泛认为是高速多媒体时代光纤入户的新型光通信媒介;
1996年,人们纷纷建议以塑料光纤为基础建立极低成本的用户网ATM物理层;1997年,日本NEC公司进行了155Mbit/s的ATM、LAN的试验。
在2000年OFC会议上,日本ASAHI GLASS公司报道了氟化梯度塑料光纤衰减系数在850nm为41dB/km,在1300nm为33dB/km,带宽已达100MHz.km。用这种光纤成功地进行了50m、2.5Gbit/s的高速传输试验和70摄氏度长期热老化试验。实验结论为氟化梯度塑料光纤完全能满足短距离的通信使用要求。
从塑料光纤的研究发展来看,塑料光纤的研究重点主要集中在以下三个方面:
1.降低光损耗;
2.提高带宽(由SI型转为GI型);
3.提高耐热性。(聚碳酸酯(PC)、硅树脂、交联丙烯酸和共聚物可使耐热性提高到125-150摄氏度)
塑料光纤在衰减与带宽方面的最新实用进展为:日本ASAHI GLASS公司2000年7月称,该公司实施庆应大学的GI-POF技术商品化,采用全氟化聚合物CYTOP制造GI光纤,命名为GI-GOF,商品名为Lucina,衰减速率3Gb/s,带宽大于200MHz.km。
塑料光纤在耐热性方面的最新实用进展为:日本JSR与旭化株式会社联合发展耐热透明树脂ARTON(norbornene,冰片烯)制造的SI-POF,耐热170摄氏度,预计2001年上半年即可供应汽车市场。
四、塑料光纤产品的研发要点
1.光纤结构
塑料光纤顾名思义,即构成光纤的芯与包层都是塑料材料。与大芯径50/125μm和62.5/125μm的石英玻璃多模光纤相比,塑料光纤的芯径高达200-1000μm,其接续时可使用不带光纤定位套筒的便宜注塑塑料连接器,即便是光纤接续中芯对准产生±30μm偏差都不会影响耦合损耗。正是塑料光纤结构赋予了其施工快捷,接续成本低等优点。另外,芯径100μm或更大则能够消除在石英玻璃多模光纤中存在的模间噪音;
2.光纤材料
塑料光纤材料选择时,人们应重点解决的问题是材料的本身衰减要低、色散要小、化稳性要好、制造简单、价格低廉等。
选作塑料光纤芯材有:聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚碳酸酯、氟化聚甲基丙烯酸酯和全氟树脂等;选作塑料光纤包层有:聚甲基丙烯酸甲酯、氟塑料、硅树脂等。究其原因是:这些聚合物①具有透光性好,光学均匀、折射率调整便利等;②以单体存在时通过减压蒸馏方法就可以提纯;③形成光纤的能力强;④加工和化稳性好及价格便宜等;
3.制造工艺
目前业界用来制造塑料光纤的两种方法:挤压法和界面凝胶法都是由塑料生产加工工艺演变而来的。
挤压法主要用于制造阶跃折射率分布塑料光纤。该工艺步骤大致如下:首先,将作为纤芯的聚甲基丙烯甲酯的单体甲基丙烯甲酯通过减压蒸馏提纯后,连同聚合引发剂和链转移剂一并送入聚合容器中,接着再将该容器放入电烘箱中加热,置放一定时间,以使单体完全聚合,最后,将盛有完全聚合的聚甲基丙烯甲酯的容器加温至拉丝温度,并用干燥的氮气从容器的上端对已熔融的聚合物加压,该容器底部小嘴便挤出一根塑料光纤芯,同时使挤出的纤芯外再包覆一层低折射率的聚合物,就制成了阶跃型塑料光纤。
梯度折射率分布塑料光纤的制造方法为界面凝胶法,界面凝胶法的工艺步骤大致如下:首先将高折射率掺杂剂置于芯单体中制成芯混合溶液,其次把控制聚合速度、聚合物分子量大小的引发剂和链转移剂放入芯混合溶液,再将该溶液投入一根选作包层材料聚甲基丙烯甲酯(PMMA)的空心管内,最后将装有芯混合溶液PMMA管子放入一烘箱内,在一定的温度和条件下聚合。在聚合过程中,PMMA管内逐渐被混合溶液溶胀,从而在PMMA管内壁形成凝胶相。在凝胶相分子运动速度减慢,聚合反应由于“凝胶作用”而加速,聚合物的厚度逐渐增厚,聚合终止于PMMA管子中心,从而获得一根折射率沿径向呈梯度分布的光纤预制棒,最后再将塑料光纤预制棒送入加热炉内加温拉制成梯度折射率分布塑料光纤;
4.光纤性能
塑料光纤的性能研究重点则是衰减、色散、热稳定性等。
(1)衰减
塑料光纤的衰减主要受限于芯包塑料材料的吸收损耗和色散损耗。人们是通过选用低折射率和等温压缩率小的塑料材料和通过稳定塑料光纤制造工艺降低结构缺陷(如芯直径波动,芯包界面缺陷等),来使塑料光纤获得小的散射损耗,而塑料材料的吸收损耗则是由分子键(碳氢、碳氟等)伸缩振动吸收和电子跃吸收所致的。
在碳氢键为基本骨架的塑料材料中,在波长650nm处的衰减系数大约为120db/km,如果用氟原子置换碳氢键中的氢所组成的氟化塑料材料,其不仅本征衰减小,而且色散也降低了。用氟化塑料制成的梯度折射率塑料光纤,其在红外区无原子振动引起的吸收损耗。故可制得在可见光至红外范围的衰减很小,即在0.85μm波长处衰减系数为41db/km,在1.3μm波长处衰减为33db/km的梯度折射率分布的塑料光纤。
(2)带宽
用作短距离光传输介质的塑料光纤,按其折射率分布形状可分为两种:阶跃折射率分布塑料光纤和梯度折射率分布塑料光纤。阶跃折射率分布塑料光纤由于模间色散作用使入射光发生反复的反射,射出的波形相对于入射波形出现展宽,故其传输带宽仅为几十至上百MHz.km。氟化梯度折射率分布塑料光纤从选择低色散的材料出发,再以优化的梯度折射率分布手段,即可将其折射率分布指数在0.85-1.3μm波长范围内选定为2.07-2.33,从而抑制模间色散,控制出射光波相对于入射光波展宽的效果,进而可制得传输带宽高达几百MHz.km至10GHz.km的梯度折射率分布的塑料光纤。
(3)热稳定
由于塑料光纤是由塑料材料构成的,故其在高温环境中工作会发生氧化降解。氧化降解是光纤芯材料中的羰基、双键和交联形成的。氧化降解将促使电子跃迁加快,进而引起光纤损耗增大。为切实提高塑料光纤的热稳定性,通常的做法是:①选用含氟或硅的塑料材料来制造塑料光纤;②将塑料光纤的光源工作波长选择在大于660nm,以求得塑料光纤热稳定性长期可靠。
五、技术关键
目前对塑料光纤产品的技术关键攻关问题有两个:一是设计新的透光材料和包皮材料。塑料光纤同石英玻璃光纤一样由两部分组成:一为芯材,二为皮层。要制造出高质量的光纤二者都很重要,光纤的芯材要求透明度和折射率越高越好,而皮层则要求折射率小于芯材,并且两者相差越大越好。但要提高芯材的折射率比较难,而降低皮层折射率还有潜力可挖,主要集中在含氟高聚物上。第二个攻关点是工艺条件,研究如何控制芯材聚合物分子量、均匀性和提高透明度的新的光纤技术,进一步提高光的传输效率,降低光损耗率。这两个问题一旦得以圆满解决,则塑料光纤将完全可取代石英光纤。
近年来,日本公司针对塑料光纤透光性较差进行了分析和改进,他们认为,其主要原因在于树脂内的碳氢结合吸收了近红外波长。为此,旭玻璃制造公司开发了一种全氟树脂材料,因为不含氢所以不会吸收近红外波长。同时,由于其具有的环状构造是非晶质的,可见光的透光率已达95%以上。?
光纤内侧的芯线,光的折射率高,而外侧的金属包层折射率低。因此,要采用在芯线中轴线处光的折射率最高,向四周逐渐降低的缓变折射率的结构形式。采用此种结构,能够扩大传送带域,可以每秒传送1 吉字节的速度将信息传送200~500米。旭玻璃制造公司将视样品上市情况,在一两年内将这种新型光纤投入批量生产。这些新开发的塑料光纤改善了中心部分的折射率,克服了信号容易衰减的缺点,每条纤维的传输能力可达1~ 2.5GB/秒,同时在纤维连接时,不需要精确对准位置,在这方面优于玻璃光纤。?
在塑料光纤的容量方面,日本三菱人造纤维公司研制的高容量塑料光纤,有可能取代石英玻璃光纤。这种塑料光纤的原料很普通,由一种在60年明的称之为Polym-ethyl methacrylate的合成树脂制成。三菱人造纤维公司采用一种从光纤中央到边缘递减的渐变折射技术,使信号能够以恒定的正弦曲线在光纤内有效地通过,传输容量是普通塑料光纤的30倍。 与直径为0.1—0.01mm的玻璃光纤相比,这种直径1mm的塑料光纤截面大,较易联接,因此安装成本也只有玻璃光纤的1/10左右,与普通铜缆线差不多。过去的玻璃光纤连接一处需花费2万一3万日元,而新塑料光纤的连接费用只要1O日元,可大幅度地节省费用。有关人士称,从成本的角度考虑,若没有此技术,将光纤铺设到家庭是不能实现的。
六、发展展望
塑料光纤作为短距离通信网络的理想传输介质,在未来家庭智能化、办公自动化、工控网络化。车载机载通信网、军事通信网以及多媒体设备中的数据传输中具有重要的地位。
通过塑料光纤,我们可实现智能家电(家用PC、HDTV、电话、数字成象设备、家庭安全设备、空调、冰箱、音响系统、厨用电器等)的联网,达到家庭自动化和远程控制管理,提高生活质量;通过塑料光纤,我们可实现办公设备的联网,如计算机联网可以实现计算机并行处理,办公设备间数据的高速传输可大大提高工作效率,实现远程办公等。
在低速局域网的数据速率小于100Mbps时,100米范围内的传输用SI型塑料光纤即可实现;150Mbps50米范围内的传输可用小数值孔径POF实现。
POF在制造工业中可得到广泛的应用。通过转换器,POF可以与RS232、RS422、100Mbps以太网、令牌网等标准协议接口相连,从而在恶劣的工业制造环境中提供稳定、可靠的通信线路。能够高速地传输工业控制信号和指令,避免因使用金属电缆线路而受电磁干扰导致通信传输中断的危险。
POF重量轻且耐用,可以将车载机通信网络和控制系统组成一个网络,将微型计算机、卫星导航设备、移动电话、传真等外设纳入机车整体设计中,旅客还可通过塑料光纤网络在座位上享受音乐、电影、视频游戏、购物、Internet等服务。
要】基于优化方法的机制设计与性能评价成为了当前网络服务质量领域中的一个前沿研究领域。本文简述了在网络上实现服务质量的现状和解决方案,分析和总结了服务质量保证的关键技术的原理和特点,最后展望了网络服务质量技术的发展。
【关键词】服务质量;性能;综述
一、引言
随着通信技术和Internet的快速发展,网络会议、视频点播、远程教学、资源下载等大量实时服务在网络上被广泛应用,需要占用大量网络带宽,而且不同业务流对Qos有着不同的要求,这都迫切要求网络传输能提供服务质量保证。因此,如何保障网络的服务质量是一个重要的研究领域。
(一)QoS定义
QoS是指IP的服务质量,也是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率等。简单地说,QoS能够对数据包进行合理的排队,对含有内容标识的数据包进行优化,并对其定的数据包赋以较高的优先级,从而加速传输的进程,并实现实时交互。QoS在可预测、可测量性方面比传统IP有了很大的提高.基本解决了多媒体类应用或者大数据有线传输的需求,并且可提高带宽的使用率。
(二)Qos的主要性能参数
实际上,Qos问题主要是由网络对业务性能要求的支持能力不足引起的。QoS保证就是通过对网络资源进行合理安排,确保网络满足各项业务的要求,目的是为各种业务流(如数据、图像、多媒体等)提供可靠的端到端Qos保证。用来保证Qos的性能参数包括:①可用性,指用户到IP业务之间连接的可靠性;②延迟,指IP包从网络入口点到达出口点所需的传输时间间隔;③延迟抖动,指在同一条路径上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异;④丢包率,指IP包在网络节点之间传输时丢失的IP包数与己发送的IP包总数的比值;⑤吞吐量,指网络中IP包的传输速率。
二、典型网络服务质量的模型
服务质量模型是网络服务性能的综合体现。在实现QoS保证的机制上,不同的国际组织和团体提出了不同的控制机制和策略,如ISO提出了基于ODP分布式环境的QoS控制;ATM论坛提出了QoS控制策略和实现;IETF也提出的集成服务模型,区分业务模型,多协议标签交换,流量工程[2]等。目前,网络QoS的典型模型有:尽力而为服务(Best effort Service)、集成服务和区分服务,使用不同的服务模型可以完成网络承载业务不同的OoS保障。
传统的IP网络采取尽力而为的处理原则,对数据的处理就是公平竞争,处理方式简单,网络资源利用率高,不利于运营管理,因而提出了集成服务模型。集成服务是针对流的,支持三种流类型:保证服务,控制负荷,尽力而为的服务。其基本思想就是采用资源预留协议为业务流保留带宽,预留网络资源来实现Qos保障。RSVP的工作过程是:当需要在一条路径上预留带宽资源时,发送端在发送数据前先向接收方发送路径消息,接收端收到消息后发送一个资源预留请求类别的RESV消息,为该数据请求资源,沿途的每个路由器采用输入控制过程,决定是否接受该请求。如果该请求被拒绝,路由器给接收方发送一个出错信息,终止端信令处理过程:否则,路由器为该数据流分配所请求的资源。集成服务能预留所需资源,提供端到端的服务质量保证,但其复杂度高、开销大、可扩展性较差,实现复杂而不能满足QoS的要求。
目前,区分服务模型已经成为解决IP网络服务质量问题的主要模型。区分服务使用分组标记和按类排队的方法,定义一组数量较小的服务类型和优先级,在网络的边缘对所有分组进行分类,并标记每个分组所属的服务类型,对不同种类的报文设置不同的优先级,优先级高的应用报文优先得到服务。其工作方式是:对到达的数据包根据业务流的Qos要求进行分类并使用区分服务码点进行标记,复杂的业务流在网络的边缘路由器中进行,逐跳转发等简单功能则在核心路由器中完成。在区分服务中,不同级别的分组得到不同级别的服务,很好地适应了IP网络的特点,实现简单且具有很强的可扩展。
三、服务质量技术的发展
随着网络的快速发展,网络承载的业务类型呈现出多样化的发展趋势。在实际应用中,我们可以组合运用各种管理手段和服务质量技术,综合实现网络的QoS。比如利用MPLS技术来解决服务质量问题;对可重构网络体系结构提出一个确保可重构网络服务质量的方法;将QoS与MPLS+DiffServ相结合的综合服务质量模型。事实上,如何充分利用网络特征,设计面向应用问题的体系结构,研究下一代网络的服务质量及策略、流量工程、多协议标签交换等技术,都将是未来QoS研究的趋势。
四、结束语
网络中的优化理论将成为网络系统设计的基本出发点,它不仅能够严格导出网络中同一层次中资源分配和任务调度的最优决策,而且能够指导网络的跨层设计。很多网络机制基于启发式设计,尚待改进,因此需要网络优化理论的支持。不仅如此,网络优化理论本身也存在很多难点,值得关注,例如分布式优化中通信信息的传输,基于状态的动态规划状态空间的化简等。在实际中,网络中各节点的能量和资源有限,也亟需找到更有效的优化算法。此外,对优化算法的评价也是一个挑战,尤其是诸如适应性之类不易被量化的指标。优化算法的评价结果将对选择具有最优折中性能指标的算法提供参考。目前,有关Qos保证技术问题的研究仍处于不断的发展和完善中。本文分析了现有网络服务质量的特点和现状,提出有效地结合各种Qos技术更好地发挥各自不同的优势,改进网络服务质量。
参考文献
[1]李刚健,段锦.基于MPLS的网络服务质量分析.长春理工大学学报,2006,29(2).
[2]刘强,王斌强,韩振吴.基于可重构网络的服务质量研究.信息工程大学学报,2009,10(1).
关键词:4G 移动通信技术;智能网;网络结构;关键技术;发展趋势
中图分类号:TN915.5文献标识码:A文章编号:
引言
各类移动终端设备(包括手机、笔记本、平板电脑、POS机甚至包括车载电脑)是当前IT领域内发展速度最快的板块,其发展趋势是高性能、低功耗、小型化和无线互联。可以确定,高速数据通信能力和无线网络互联能力是移动终端设备性能评价的重要方面,因此,无线通信技术的进步对移动终端设备发展的意义就显得非同一般。第四代移动通信技术 (fourth-generation,4G)的出现对移动终端设备产业的发展带来了前所未有的新机遇,包括 Microsoft 、Intel和Apple Inc在内的各大电子高科技企业已纷纷把目光投向移动通信领域。本文对 4G的相关知识和技术热点进行了介绍、分析,结合移动终端设备技术的发展现状及相关数据进行讨论,最后对未来技术的发展进行了展望。
1、4G 移动通信技术概述
1.1 4G 的产生和演进
第一代移动通信没有国际性标准,以模拟技术为主,只提供话音业务;第二代移动通信主要有两大国际标准 GSM 和CDMA,已经全数字化,除话音外,可传输低速的数据业务,可以漫游;第三代移动通信主要有WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA 三大主流国际标准,将无线通信与多媒体技术结合到一起,能够比较快速地处理声音、音乐、图像、视频流等多种形式的数据,并提供与互联网连接的多种信息服务。
已经被国际电信联盟接纳为候选方案的,被认为是移动通信向 4G 演进的最主要的技术标准主要有 WiMAX、LTE 和UMB 这 3 种。所谓的移动通信是指在移动用户之间或者是移动和固定用户之间的通信技术。随着电子技术和计算机网络技术的不断发展,移动通信技术也得到了发展。目前移动通信已经成为人类不可缺少的通信方式。
1.2 4G的概念
第四代移动通信技术可称为宽带接入和分布网络, 具有超过 2Mbit/s 的非对称数据传输能力。它包括宽带无线固定接入, 宽带无线局域网( WLAN) , 移动宽带系统和互操作的广播网络。第四代移动通信可以在不同的固定、无线平台和跨越不同的频带网络中提供无线服务,可以在任何地方宽带接入互联网( 包括卫星通信和平流层通信) , 能够提供定位定时、数据采集、远程控制等综合功能。此外, 4G将是多功能集成的宽带移动通信系统, 也是宽带接入IP系统, 即 4G 将是多种无线技术的综合系统。它融合了现有3G的增强技术, 集3G网络技术和无线 LAN 系统为一体。
2、4G移动通信的关键技术
2.1调制与编码技术
4G移动通信系统采用新的调制技术,如多载波正交频分复用调制技术以及单载波自适应均衡技术等调制方式,以保证频谱利用率和延长用户终端电池的寿命。4G移动通信系统采用更高级的信道编码方案、自动重发请求(ARQ)技术和分集接收技术等,从而在低 Eb/N0条件下保证系统足够的性能。
2.2 OFDM 技术
最适4G系统的多址方法是OFDM技术,该技术的思想是在频域内将给定信道分成许多窄的正交子信道,在每个子信道上使用1个子载波进行调制,并且各子载波并行传输,因此可以大大消除信号波形间的干扰。
2.3软件无线电技术
为了实现无缝接入和透明业务, 用户终端必须是可多模、多频带操作, 而且必须能自动进行模式识别, 并可在用户和网络指示下或根据用户业务及QoS 要求, 自适应地进行模式切换以及相应的一系列操作。目前, 对可配置终端的研发主要基于软件无线电技术, 软件无线电技术被认为是可以将不同形式的通信技术有效联系在一起的唯一技术。软件无线电是计算机与数字信号处理技术高度发展及军事通信迫切要求的产物。所谓软件无线电就是利用软件来实现无线电通信系统中的各种功能, 是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台,利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。通过下载不同的软件程序, 在硬件平台上可以实现不同的功能, 用以实现在不同的系统中利用单一的终端进行漫游,它是解决移动终端在不同系统中工作的关键技术。
2.4智能天线
智能天线的主要作用是抑制信号的干扰可以自动的进行跟踪和数字波束的调节等。可以满足数据中心和移动 IP 网络的性能要求。这种智能天线技术即改善了信号的质量又增加了传输的容量。
2.5高性能的接收机
香农定理给出了在带宽为BW 的信道中实现容量为C的可靠传输所需要的最小SNR。按照香农定理可以计算出对于3G系统如果信道带宽为5MHz,数据速率为 2Mb/s 所需的SNR为l.2dB;而对于 4G系统要在5MHz 的带宽上传输20Mb/s 的数据则所需要的SNR为12dB。可见对于4G系统由于速率很高对接收机的性能要求也要高得多。
2.6 MIMO 技术
MIMO 技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术,它采用的是分立式多天线,能够有效的将通信链路分解成为许多并行的子信道,从而大大提高容量。在功率带宽受限无线信道中,MIMO 技术是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。
3、4G的发展趋势
3.1市场规划
(1)用户市场
2012年1月份中国移动移动用户数增至6.5544亿,其中包括5394万3G用户。 中国联通的移动用户数升至2.0289亿,其中3G用户数为4307万。 中国电信的移动用户数为1.2925亿,其中3G用户为3870万。TD-LTE已经获得了国际运营商的大力支持。在正在举行的2012世界移动通信大会GTI峰会上,参会的运营商联合了GTI行动宣言,确定到2014年使全球TD-LTE基站达到50万个,终端超过100款,覆盖人口超过20亿人的目标。
由于4G是多种技术的融合,能提供较高速率的数据流量,4G的下载速度将比以往的系统性能有着较大飞跃。因此,可以说,4G技术支持的终端必将是多模式、多频段、支持多业务的智能终端,融合和共存是其发展趋势,可以预测,4G将拥有庞大的用户市场。
(2)未来的移动终端设备
可以预计,未来的移动终端设备具备多种功能于一身。例如移动电话,将带有投影功能,拥有这部手机就相当于随身携带了一部电视和投影仪,开会时,无需电脑就能即刻演示PPT,晚上回到家时,它能随时在每一面墙上播放存储在手机中的视频。又例如平板电脑,可能整合了语音控制功能,操作过程可以实现全语音控制,由于使用于高速率的4G通信技术下,可以流畅地和对方视频通话、接收电视节目、作为监控输出终端等。移动计算机将在4G移动通信技术主持下,实现更多综合运用功能。
(3)通信设备
为了达到4G网络所需要达到的速率要求,现在的移动运营商必须部署更多的基站。具专业人士估算,为达到10倍于3G的速率,4G至少需要3倍于现有基站的数量。有消息表明,2013年,中国移动计划进一步扩大TD-LTE网络的建设规模,在超过100个以上的城市进行设备采购和网络建设工作,预计基站规模达20万个,覆盖3亿人口。
4G网络首先是原有基站上与TD-SCDMA等共享共用,在此基础上按需规划新增基站。共享共用成为重要工作之一,共享设备需要一定的条件。
带宽要求:目前功放模块一般最多支持30MHz,故共功放要求TD与LTE工作在最大不超过30MHz的相邻频段内,即LTE(20MHz)+TD(10MHz)。
信号峰均比要求:TD和LTE均为高峰均比(PAR)系统,共用后信号PAR将进一步增加,对功放的线性度提出了更高要求。
功率要求:如果LTE也采用8通道的智能天线模式,根据目前LTE中20W功率输出要求理论计算,共功放后要求每通道总输出功率达到8W左右,以同时满足TD-SCDMA和TD-LTE要求,这对设备的散热设计构成一定的挑战。前端滤波器、LNA一般可以做到上百MHz带宽,能完全实现跨频段共用。
3.2商用时间
此前韩国、日本都表示,在2010年左右实现4G商用;日本在第18届WPSF大会上建议4G技术规范出台时间在2010年。我国工信部也曾透露,将于2013年开放国内4G牌照。第十四届高交会于2012年11月21日在深圳闭幕,工业和信息化部TD-LTE专题馆成为本届展会的一大亮点,同期还举办了TD-LTE产业发展论坛。记者采访获悉,中国已形成较为完备的TD-LTE产业链,4G发展正在提速。在深圳,由深圳移动建设的4GLTE网至年底就将覆盖90%以上的主城区,达到目前3G网络覆盖水平。值得一提的是,2012年12月,移动将在香港推出4G商用网络,中国迈入4G时代的序幕已正式拉开。而业内人士指出,2013年将成为内地4G商用准备的关键之年。
参考文献: