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关键词： VVC   帧间预测   率失真优化   视频编码   硬件设计  

摘要： 随着科学技术的快速发展,近些年人们的物质精神生活得以丰富,人们对于娱乐交流的方式逐渐从文字向着图像视频转变,导致了对于更高清晰度的图像视频的需求逐渐提升。同时,人们之间的交流如学习、工作、会议等也由于近两年新冠疫情的影响由线下转为了线上,因此也对高清视频、实时视频提出了更高的要求。由于现有的视频编码标准如H.264、H.265等等不能满足人们对于更高清晰度视频和实时通信的需求,因此国际组织提出了最新一代的视频编码标准多功能视频编码(VVC)。VVC相比于上一代的HEVC,性能大幅度提升的同时,能更加有效的对视频进行压缩,可以更好的满足人们对于8K等超高清视频的需求。在VVC中,编码主要由两路编码通路构成——帧间编码和帧内编码,其中帧间编码可以有效对多帧进行压缩,帧内编码可以对一帧进行高效压缩。帧间编码作为VVC编码中其中一个关键环节,从早期的编码标准开始就对数据吞吐和计算量有着极大的要求,在VVC中更是添加了更多新技术,导致了VVC的硬件实现变得更加的困难。因此,本文从硬件实现的角度对帧间编码过程进行深入研究,对帧间率失真优化编码进行设计实现,主要研究创新如下: 1.对帧间率失真优化部分采用全并行处理,支持亮度编码块同时以8×8、16×16、32×32、64×64四路并行计算。同时在内部以流水线的方式充分利用时间和存储空间,并且降低不同编码块之间的数据关联性,以加快处理速度。 2.由于并行计算架构将会导致硬件设计模块数量大大增加,导致开发成本极速上升的问题,设计了可以灵活使用的硬件架构,通过对不同参数的配置,例化出不同的模块,实现对不同编码块的计算。该结构支持8×8、16×16、32×32、64×64甚至于更多的编码块的计算;同一套硬件设计支持8bit、10bit两种模式的亮度深度,通过不同配置实现不同的亮度深度切换。 3.由于64×64块数据量过大,若是直接采用完成64×64块的处理方式,会导致硬件设计成本成倍增长,因此为了降低整体的硬件开销,对64×64块的计算进行拆分处理,拆为4个32×32块串行计算,有效降低了硬件中间数据缓存时所使用的SRAM数目和面积。 最后的仿真结果表明本文所设计帧间率失真优化编码器可以正确实现出帧间率失真编码的模式选择及重建值计算。同时,对设计进行综合表明本文所设计的编码器在满足8K30的性能的同时具有很高的灵活性,并且在对于64×64块的计算上可以有效节省硬件成本,可以节约约30%的逻辑门数量和44%的SRAM面积。 本文所设计的帧间率失真优化编码器设计由于具有较好的灵活性,可以适用于多种不同场合,同时有利于日后的更新与升级,并且其满足8K30的性能指标为更高清更实时的视频编码设计提供一个可选的方案,有利于超高清视频相关行业的发展。

关键词： 扩频通信   码元差分   ZYNQ   TMS320C6678  

摘要： 远距离、低信噪比水声通信等主要依靠水声扩频通信技术。扩频技术有诸多优点:抗干扰能力强、安全性高、带宽利用率高、较好地抗衰落能力等,因此在军事和民用无线通信中得到广泛应用。本文将结合扩频通信技术设计一套可应用于水下无人平台的水声通信机。本文首先对水声扩频通信技术进行了研究。扩码良好的自相关特性使得直扩系统具有一定的抗多径能力,但直扩系统的抗多普勒能力较差。针对多普勒效应导致的载波相位跳变问题,对差分扩频系统进行了研究,在差分相关检测器的基础上提出了一种基于正交解调的码元差分相关器。在对多普勒因子的估计中,介绍了模糊函数估计法和基于LFM信号的多普勒估计法,并通过仿真对两种方法进行了对比。其次,根据通信机的应用场景,给出了水声扩频通信机的整体设计方案,重点对A/D、D/A电路、信号调理电路、压力采集和同步模块、供电模块进行了详细设计。根据水声通信机的实际需求,选取ZYNQ7020作为核心控制单元的主控板卡,选用八核TMS320C6678芯片作为核心处理器。然后,在ZYNQ7020和DSP C6678平台上对系统的软件进行了设计。FPGA端主要实现对信号的采集和发射功能,ARM端实现了采集数据的打包传输以及上位机指令的接收发送功能,DSP端则主要实现了同步信号的检测、多普勒估计以及信息码的解码等功能。最后,对水声扩频通信机进行了测试及验证工作:在实验室环境下,对信号调理电路的参数指标、A/D、D/A的采集和发射功能、ZYNQ平台的网络传输、指令收发功能以及DSP解码功能进行了测试。最后进行了湖试验证,所设计的水声扩频通信机各模块稳定可靠,能够实现较远距离的低误码率通信。

关键词： 水下定位   数据采集   信号处理   嵌入式平台  

摘要： 海洋有着广阔的空间和丰富的能源,随着科技的发展和进步,人们对于水下探测的需求也越来越高。以水下无人潜航器为代表的小平台作为水下目标搜探定位系统的载体具有隐蔽性高、机动性强、安全性高的优点,因此对于小平台水下搜探定位系统的声纳设备的研制具有重要价值。与此同时,由于小平台对声纳孔径和硬件尺寸做出了限制,这对水下搜探定位平台的运算能力、传输速率和探测定位精度都提出了更高的要求。本文针对这一问题,设计了一种可以搭载于水下无人潜航器或小型舰艇的水下搜探定位信号处理硬件平台。平台基于SOM-TLZ7x H和TL6678核心板,集信号采集、数据打包、数据存储和信号处理于一体,具有高速传输和实时运算能力。本文完成了信号处理平台的硬件电路设计、调试和软件程序设计,以及软硬件测试工作,验证了平台的可行性和稳定性。首先对系统的需求和指标做出分析,并提出总体设计方案。在硬件设计中考虑到平台对于传输速度和实时处理能力的要求,采用“Zynq+DSP”的系统构成。以Zynq-7000芯片作为主控核心,其内部集成了双核ARM处理器Cortex A9和Kintex-7可编程逻辑资源,以两个TMS32C6678芯片作为信号处理模块核心,可以满足小型化、性能高和适应复杂环境的需求。再配合外围电路设计和外设接口设计,实现数据收发、网络通信、数据存储等预期功能,为软件实现提供基础。在硬件平台搭建完成后进行软件设计。在ARM端对主控程序进行设计,完成了在Linux操作系统下的指令接收以及数据接收、打包和存储。在FPGA端通过verilog语言进行采集程序设计,对时序进行控制并且对相应管脚进行约束,采用菊花链模式对32路水听器信号进行采集。同时实现FPGA与DSP间的数据通信,通过EMIF16总线进行数据传输,两块DSP进行信号处理后将处理结果通过网络在显控终端上显示。最后,通过多项性能指标测试和湖上实验,对预期功能进行验证,验证了系统的功能和性能。

关键词： 数控机床   刀具状态监测   软件开发   硬件设计  

摘要： 数控机床是制造业的不可或缺的加工装备，其关键部件——刀具的磨损状态直接影响机床加工质量，同时带来安全隐患。在趋向于数字化和信息化的今天，运用实时数据对机床刀具进行精准状态监测甚至剩余寿命预测具有极其重要的意义。受硬件支持和整体架构的制约，现有的状态监测系统往往难以兼顾监测精准性和实时性。且无法做到数据共享和远程监控。为解决上述问题，本文提出一套基于边云协同的机床刀具状态监测软硬件系统，并提出与之适配的低算力刀具状态监测方法和用于剩余寿命预测的联邦学习框架。具体内容如下：　　1．提出了一种低计算成本数控机床刀具实时状态监测方法，该方法运行于系统边缘端。基于振动信号与电流信号，提取刀具时域、频域的共计79项特征。根据相关性系数择优选取特征后，结合刀具历史数据，使用余弦相似度多通道加权构建健康指标，以反映刀具退化状态。使用阈值法分别解决实际工况下的有效性判定问题和断刀监测问题以解决不同环境下的实际工程问题。　　2．为解决数据黑箱交互和边缘端算力不足的问题，本文提出了一种联邦学习寿命预测框架，该方法适用于边云协同整体架构。该方法包含客户端与服务器之间的两次加密上传-下载过程，通讯交互浅层编码器和低级特征，用较少的通讯资源完成数据聚合。该方法隐匿结合多客户端知识，保证框架的泛用性。针对各方数据可靠性不同的问题，训练时参考各方信息权重，避免低质量数据的影响。　　3．基于边-云协同整体框架，通过硬件选型、制定通讯协议、IO拓展板电路设计、软件开发等工作，设计开发刀具状态监测软硬件系统。该系统为上述算法提供系统支持。其中，边缘端软件能够以较低的硬件成本换取算力，完成数据采集、数据分析、数据存储、故障报警、云端通信等多项功能。云端软件系统能够获取各边缘端的数据，运用深度学习等计算能力需求高的算法，换取更高的计算精度。同时，远程运维人员能够通过云端软件系统全局查看设备的运行情况，辅助现场运维。

关键词： VVC视频解码IP   参考像素处理   环路滤波   LMCS   ALF  

摘要： 随着数字视频技术的高速发展以及人们对4K甚至8K的超高清视频需求的日益增长,视频编码压缩技术已变得愈发重要。为此,联合视频探索小组JVET制定了新一代多功能视频编码标准VVC,与上一代的HEVC标准相比,VVC的编码性能有了显著的提升,应用领域也涵盖了更多视频产业。VVC视频解码芯片是VVC产业链的重要一环,对于VVC技术在应用中的落地及推广起到重要的推动作用。因此,作为VVC视频解码芯片的核心,VVC视频解码IP的开发具有极大的应用价值。基于此背景,本文对VVC视频解码IP中的几个关键部件——参考像素处理模块、环路滤波模块的硬件设计与实现进行了深入研究。本文的主要研究内容如下:1.设计并实现了参考像素处理模块。根据相关算法,将参考像素处理模块划分为参考像素填充、滤波以及映射三个子模块。通过设计并行的基本运算单元,提高各子模块的运算速度,更高效地为后续的帧内预测计算模块提供参考像素。2.设计并实现了环路滤波模块。基于原HEVC解码器IP,复用了DF和SAO模块,对VVC新增的LMCS及ALF模块进行了硬件设计。针对LMCS的工作包括:根据LMCS算法,对LMCS进行模块划分;改进数据处理方式,减少资源消耗;设计并行运算单元,提高LMCS处理速度;通过复用除法器完成算法要求的多次除法运算,减小模块面积。针对ALF的工作包括:根据ALF算法,提出了流水线粒度为8×8亮度像素块的3级流水线架构,将ALF的完整计算过程拆分成三个子模块执行,每个子模块构成流水线的一级,提高了设计的吞吐率。此外,在滤波计算子模块的设计中,通过复用运算单元完成模板相似的两类滤波运算,通过并行的基本运算单元同时处理多个像素,在尽可能减小面积的前提下,提高处理速度。3.基于官方参考软件,搭建验证平台,利用VCS对本文的设计及包含该设计的VVC视频解码IP进行仿真,验证了其功能正确性,同时仿真结果表明,视频解码IP的单帧解码速度可达到4K 120 fps、8K 30 fps的标准。此外,在时钟频率800MHz、工艺库TSMC-12 nm等约束条件下,对本文的设计进行DC综合,得出其面积报告。本文对上述几个VVC视频解码IP的关键部件进行了研究,对于加快VVC视频解码芯片的研发以及促进VVC标准在超高清视频领域的应用有着重要意义。

关键词： 调速器试验台   数据处理系统   硬件设计   软件开发   物联网  

摘要： 随着近十年物联网技术（IoT）、通信技术和云计算的高速发展，很大部分传统制造企业也开始朝着信息化、数字化、智能化方向转型。工业加物联网形成的工业物联网（IIoT）应用遍及电网、交通、物流、车辆、智能家居以及智能工厂等各个领域。而在传统试验台研究、架设以及改进等方面，发展和实现基于物联网思维的智能化数字试验平台已经是当前的主流趋势。调速器作为为柴油机的一个重要零部件，用于控制柴油机的运行速度和输出功率，而调速器试验台可以对调速器在不同负载和工况下的性能进行精确测试和分析，来为开发人员和柴油机制造企业提出精确的数据支持和技术指导。现有的调速器试验台由于是独立的整体结构，在试验数据存储方面仍旧以纸质和外接硬盘的方式进行保存，当试验人员需要对历史数据进行检索或远程查看试验结果时，整体较为不便。　　针对上述问题，本文设计并开发了一套内燃机电子调速器试验台数据处理系统。该系统以STC8H4K64单片机作为试验台端控制中心，采用触摸屏作为下位机的人机交互工具并控制转速的采集和试验数据上传。同时利用 Tomcat 和 MySQL 作为服务器和数据库，对下位机传输的数据进行存储和性能指标分析。最后基于Android系统设计整个系统的应用终端，试验人员可以通过 App 访问和检索调速器试验台的历史数据和相应的试验数据处理结果。本文的主要内容如下：　　（1）针对整体系统的功能需求进行了总体方案设计。完成了相应的转速采集和数据传输电路，包括系统电源电路、转速信号采集电路和单片机与触摸屏之间的通信电路，并在硬件电路设计基础上完成相应的单片机和触摸屏软件程序开发，实现了调速器试验台数据采集和传输功能。　　（2）结合系统需求分析系统的实体和属性并完成数据库物理结构的设计，包括人员信息表、台架信息表、试验数据表和转速数据表。利用SpringBoot框架和Mybatis框架实现了服务器软件的开发，并通过分析柴油机调速器性能指标的处理方法，在此基础上设计相应的处理算法和程序，同时完成相应的服务器访问接口设计，实现试验数据的可靠分析和终端的访问需求。　　（3）基于Android系统设计并开发移动端应用程序，结合试验人员需求，完成了历史数据检索和数据可视化功能。

关键词： 同态加密   FPGA   模算术   数论变换  

摘要： 在云计算场景中,数据拥有者希望尽量降低敏感数据计算时的泄露风险,但传统加密算法对计算缺乏支持,使得执行方只能处理明文数据。为应对此困境,支持密文计算的同态加密算法被提出。然而,相比明文计算,当前的同态加密计算面临着计算效率的挑战。这成为了进一步部署此类算法的主要障碍。问题在于,面对高开销的同态加密计算,主流架构,如CPU或GPU,未能很好地适应同态加密计算的基本算术和数据流特点,没有很好匹配的硬件算术单元、并行计算及访存机制。为解决上述问题,本文研究了同态加密的算法及其硬件实现,结合同态加密算法仍处不断演进阶段的现状综合考虑了计算效率、算法适应性与部署成本的需求,明确了FPGA相对于CPU,GPU和ASIC等硬件平台的优势。在此基础上,提出了基于FPGA的同态加密计算硬件设计。主要工作如下:(1)针对同态加密进行了理论和算法层面的分析研究,为硬件设计作准备。首先分析了基本算术,即模算术的原理。然后,找到同态加密计算的瓶颈所在密文乘法,并分析了其以多项式为操作数的特殊算术的原理及算法复杂度,继而引入并分析了结合负循环卷积和快速傅里叶变换的基于数论变换(Number Theoretic Transform,NTT)的理论方法,对复杂度进行了优化。(2)针对模算术的计算,设计了基于条件减、加法的模加、减单元及基于Barrett模约的模乘单元。同时通过逻辑复用优化了资源消耗,并通过硬件字长的优化分析确保了硬件乘法器的高效利用。在此基础上设计了模算术蝶形单元,并利用旋转因子可预先计算的特点对蝶形单元的数据通路进行了针对性优化。(3)针对多项式乘法的优化计算,基于前述模算术单元设计了NTT和INTT模块。设计中,通过对NTT复杂数据流的重整挖掘了其跨级不变性,再据此提出了一种并行计算数据映射机制及对应的全流水硬件设计,使数据冒险、流水线气泡及空域数据重排等不利因素全部排除,保证了模块功能正确、计算高效,同时还可节省资源。最后,基于Vivado开发环境对Verilog编写的RTL设计进行了仿真与综合,并与他人研究工作进行了对比,本文所设计的NTT/INTT模块达成了80%～93.9%的fabric资源节省,体现了本文硬件设计的正确性,以及提出的并行计算数据映射机制在节省硬件资源方面的有效性。

关键词： 饮品生产线   智能检测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 成熟的制造业是一个国家立国之本、强国之基，饮品生产隶属于制造业，我国是饮品生产和消费大国，但人均资源占有量低，为了资源能够得到更充分的利用，在饮品生产过程中对PET瓶、玻璃瓶的可重复使用提出了更高要求。随着中国市场消费逐渐复苏，人均消费水平提高，对瓶装饮品的需求量变大，这就要求饮品生产的质量和数量需要进一步提升。国外相关检测技术已十分成熟，但大多成本较高，且设置的检测参数不适用于国内市场，而传统的人工检测模式效率过低，同样无法适应国内饮品市场多元化、个性化的发展，因此饮品生产线必须向智能化、信息化的方向转变。为拥有自主独立的知识产权，缩小与国外饮品制造业的差距，根据以及“中国制造2025”的相关要求，必须设计和研发更加适合国内市场的饮品生产线智能检测设备。　　本文首先介绍“RAMI4.0”的三维尺度，确定背景要求。然后分析国内饮品市场的发展趋势，总结市场所需并结合饮品生产质量相关文件，确定生产速度、检测精度等相关技术指标。接着通过分析比较现有的检测技术，取长补短以弥补市场检测技术的缺点。最终通过研究和设计将回收玻璃瓶缺陷检测、清洗液残留检测和灌装成品液位检测集成化、信息化、一体化，并对检测系统相关算法、理论模型和等效电路做出详细介绍，做出整体设计方案。检测系统各模块分工配合，待测产品经光电触发后，玻璃瓶缺陷由机器视觉检测系统完成检测;残留液和成品液位由变介质耦合电容传感器完成待测信息采集，通过接收、主控模块处理和判断完成检测;主控模块控制剔除器进行不合格产品的剔除操作;相关检测数据通过Zigbee组网和WIFI局域网上传至阿里云平台进行数据云储存，实现历史数据的可追溯性，并通过手机移动客户端APP进行检测系统的远端监测与控制。　　本课题主要对检测系统软硬件进行研究和设计，其中硬件部分主要有机器视觉硬件选型;残留液及成品液位检测系统的发射信号源、接收、温度采集、剔除和主控等模块电路设计;为实现检测现场和远端两种监测和控制功能，进行显控触摸屏和无线传输模块的选型和电路设计;为提升检测精度和系统稳定性，对检测系统的硬件部分进行降噪优化设计。软件部分主要包含图像处理软件与算法、主控模块处理与控制程序、接收模块信号采集处理程序、显控触摸屏界面、无线传输模块软件程序和手机移动客户端APP界面等设计。　　最后为确保检测系统能够真正的运用到饮品生产现场，根据生产现场环境的复杂情况,进行大量回收玻璃瓶缺陷识别实验和残留液及成品液位的静态测试、动态测试实验，并对测试结果进行分析，确定系统最优检测效果。

关键词： 金属打磨   表面缺陷检测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 近年来，随着我国制造业的快速发展，金属产品作为制造业中最常见的零件之一，其需求急剧上升，对其质量的要求也日益提高。目前，金属表面缺陷检测主要依靠人工目测，精度低、效率低、劳动强度大，无法满足企业不断提高产品质量的需求。随着科技的发展，越来越多的先进技术被应用于缺陷检测，如计算机视觉、机器学习等，这些技术因其高精度、无接触等特点，开始广泛应用于工业检测。本文以打磨后的金属铝板为研究对象，提出了一种基于线结构光的金属表面缺陷检测方法，结合深度学习，实现了对金属打磨后的表面缺陷检测。本文的研究主要从以下几个方面展开：　　设计了金属打磨后的表面缺陷检测系统，包含硬件设计和软件设计两个部分。其中硬件设计包含相机、镜头、激光器和位移平台的选型和设计，以及系统标定。软件设计为金属表面光条中心提取和缺陷检测等算法的设计。搭建了缺陷检测系统实验平台。　　为了解决金属表面反光严重而导致的光条质量差的问题，提出了一种基于光条特征的改进Steger光条提取算法。该方法首先以图像灰度梯度和灰度值作为双重约束，从背景中大致分割出光条图像。然后利用面积约束和形状因子约束，消除干扰区域，进而精确分割出光条ROI区域。最后根据二维高斯卷积的可分离性和对称性改进Steger算法，提取光条亚像素中心。与灰度重心法和Steger算法对比实验表明，该方法具有良好的计算效率和鲁棒性。　　针对传统视觉金属表面缺陷检测准确性不高的问题，提出了改进的U-Net神经网络模型。首先将点云数据映射为二维深度图，再利用深度学习来进行缺陷检测。针对U-Net网络在应用中出现的类别不平衡等问题，通过采用深度网络中表现更好的ResNet-50特征提取网络替代原有U-Net中的普通特征提取网络、改进卷积操作方式以及选择更优秀的损失函数blobloss等对U-Net进行改进。相比于FCN和U-Net缺陷分割算法，本文提出的改进算法在缺陷分割上有较大的提升。　　实验表明，本文的缺陷检测算法对多种类型的缺陷分割准确率均超过90%，实现了金属打磨后的表面缺陷识别。

关键词： 声学释放器   测距   声速修正   系统设计  

摘要： 随着海洋科学的不断发展与进步,其研究亦得到了越来越多的关注和投入,海洋装备的重要性日趋明显。其中,声学释放器作为海洋科学领域的重要设备之一,在回收海洋潜标系统中发挥着至关重要的作用。本文旨在开发一种适用于浅海海域,且具有测距功能的水下声学释放系统。首先在声学释放器原理方面,研究了其工作原理与遥控通信的原理,并对遥控性能进行分析;其次,对于释放器的测距功能,分析了用于同步的LFM信号的测时精度。同时,由于声波在海洋信道中的路径呈弯曲状,会导致测距结果出现偏差,重点研究了声线跟踪法与有效声速法两种声速修正算法,用于补偿上述问题所带来的测距误差,同时引入D-P算法对声速剖面进行精简,在保证精度的前提下降低了计算复杂度,提供了实现整体功能和测距功能的理论基础。释放器硬件系统设计大体分为三部分,包括确定相应参数、核心板设计与整体结构设计三个方面。本文首先依据相应技术指标及通信系统的性能确定了各项通信参数;其次确定了以MSP432处理器为核心的控制电路,该电路主要包括电源管理模块、发射信号模块、收发合置模块、前置放大及滤波模块、电机控制模块、倾斜传感模块等;在机械结构方面设计了目前较为主流的电机驱动式释放机构。随后对各项模块的驱动进行开发以协调其正常运行,基于核心处理器进行了相应的软件开发实现。最后本文对于完整的水下声学释放器进行了各项测试及试验,给出了电联调与水池试验的结果,验证了本文所设计的释放系统的各项功能,实现了水下声学释放器的设计。