前言:一篇好文章的誕生,需要你不斷地搜集資料、整理思路,本站小編為你收集了豐富的信息光學原理主題范文,僅供參考,歡迎閱讀并收藏。
摘 要 本文運用訪談法、實地考察法、邏輯分析法,對廣西師范大學羽毛球校隊女子運動員的心理特征進行深入的分析與研究。近幾年很多高校的體育學院或體育系都設定了羽毛球專業方向,羽毛球項目也成為了大學生運動會必不可少的項目。羽毛球項目是一項對專業技術動作、身體素質及心理調控能力要求很高的體育項目,特別是在雙方隊員技術相差不大的情況下,心理因素在其中起很大作用。本人通過以廣西師大羽毛球校隊女子運動員為例,從訓練過程及比賽過程進行觀察研究,分析出廣西師大羽毛球校隊女子運動員在心理素質的特征,從而為部分高校羽毛球校隊運動員心理素質訓練提供相應的理論依據。
關鍵詞 廣西師范大學羽毛球校隊 女子運動員 心理特征 分析
一、前言
羽毛球運動是對心理承受力、注意力、意志力和抗干擾能力的要求很高的一項運動。比賽中良好的心態和穩定的情緒是確保技戰術水平正常發揮基礎。羽毛球運動員比賽情緒是指運動員面對隊友、對手狀況、裁判員的執法與特點、場地器材的布置、比賽環境以及領導教練、觀眾之間主觀體驗的反映。比賽的消極情緒對運動員的運動能力發揮起著阻礙作用。良好的心理素質是比賽中取得優異成績的必備條件之一,而比賽的心理變化和情緒的興奮性程度更會直接影響到運動員的技術發揮。因此,了解比賽心理狀態的一般規律和特征,了解個人情緒變化的特點,并采取應對措施對比賽有著積極的意義,而對情緒傾向性程度的調節和控制,更應該受到教練員和運動員的高度重視。
二、研究對象與方法
(一)研究對象
西師范大學羽毛球校隊女子運動動員5名成員,其中有一位是省隊退役運動員,一位是市體校運動員,其他三位是大學羽毛球專選班的成員。
(二)研究方法
1.訪談法
本人很有幸成為廣西師范大學羽毛球校隊一員,并對其他四個隊員有一定的了解,在訓練過程中及比賽后對她們進行了訪談。
2.實地考察法
在訓練場及比賽場對運動員進行實地考察。
3.邏輯分析法
在實地考察和訪談法的基礎上,根據廣西師范大學羽毛球校隊女子運動員對自身的了解及教練員的反饋建議,對廣西師范大學羽毛球校隊女子運動員的心理特征進行符合邏輯的推理分析,總結出影響廣西師范大學羽毛球校隊女子運動員心理變化的因素。
三、運動員的心里特征分析
(一)運動員訓練過程中的心理特征
在訓練過程中,這5位運動員的心理表現都很好,這主要體現在以下幾個方面:
1. 在完成教練布置的技術訓練任務時,運動員都表現出積極參與的心態,且能在一定程度上保質保量的完成任務。在對于自己本身相對較差的技術時,能抱著學習的態度去請教教練及隊員。
2. 在平時訓練過程中進行隊內比賽時,各運動員都能較好的發揮出自己優勢,住對手的弱點,能把技術動作很放開的做出來。因此在比賽時會出現兩種情況,一種是兩人實力相差比較大,另一種是中間出現實力相當的局面,而不管哪種局面,各運動員都表現出了各自的不同心理素質。
(二)運動員比賽過程中的心理特征
1.自信心缺乏
在一場比賽中如果運動員雙方實力相當,在一定程度上就是在心理素質。在這次參加廣西省自治區大學生運動會羽毛球比賽中,廣西師范大學羽毛球校隊取得的團體第二的好成績,比賽過程中更是很好的展現了運動員的心理素質問題。在決賽時遇到廣西大學,比賽采取的是三場兩勝的比賽方式,在進行到1:1的情況下,決勝那場落在了第二單打上,而這不僅僅是在考驗雙方運動員的技術動作,跟取決于運動員的心理素質。最后結果我校運動員每局已幾分之差輸給對手,而對這場比賽進行幾點總結:這場比賽雙方的實力是相差不大的,而在一上場,對方運動員首先表現出了自己的氣勢,并且一開始就打出了5:0的局面,給她自己增加了不少信心。而我校運動員在這種較被動的情況下,心理的壓力及緊張的情緒影響了她自己的發揮,在場上的節奏一直都被對手牽制著,壓抑的打法使她出現了對自己的打法不自信,回球質量也不高。所以運動員在比賽前一定要樹立對自己實力的自信心,把壓力轉化為動力,這是在比賽前調整好心理素質的關鍵。
2.比賽中過分緊張
在進行到女單8進4的比賽時,雙方運動員在技能的能力上是相當的。而在比賽中我校運動員顯出了過分緊張的情緒,技能的穩定性出現了偏差。特別是在以17:14的領先情況下,連殺三個下網,這種情況在一定程度上助長了對手的自信心,也在一定程度上影響了自己的情緒。在隨后的關鍵幾分中,因心態的不穩定導致我校運動員丟掉第一局。也因受第一局的影響,第二局出現了10:19的局面。而在此情況下,在我校運動員缺乏保持在冷靜的頭腦下,對手因太想贏得心態,導致出現了連續丟掉10分,被我校運動員以22:20的情況拿下第二局。這種大逆轉在比賽中是很少見的,也進一步說明在比賽過程中擺正心態,拋開內外壓力,放開打出自己的水平,也是調整好心理素質不可缺的因素。
3.比賽中外在條件影響
在女單4進2時,這場比賽其實是女單決賽提前,雙方運動員都是省隊退役運動員,在這種高水平運動員的比賽中,能否取得比賽的勝利,與心理素質是否過硬是離不開的。在進行第三局比賽時,我校隊員以17:14領先,而在接下來的關鍵分時,對手一個殺球出界卻被裁判判界內。這一舉動影響了我校運動的情緒,吊球下網,高遠球出界,搓球下網,連續主動丟失3分,致使比賽出現17:17,而在比分打到19:19時,裁判又以一個誤判導致我校運動員出現消極打法,最后以19:21輸掉比賽。外界因素的影響也是不可忽略的,特別是在關鍵局關鍵分,作為一個運動員在比賽中首先要服從裁判的判決,調整好對于比賽中的誤判,也是增強運動員心理素質的不可輕視的。
四、羽毛球運動員比賽消極情緒的調整與克服
動機訓練:動機是指運動員進行訓練和比賽的內部心理力量,比賽動機過高或不足都會造成消極情緒狀態,因此,對運動員正確的比賽動機培養是十分必要的,動機訓練的具體包括:
(一) 說服運動員:通過分析,幫助運動員正確認識有利客觀條件以及自身客觀條件和自身潛力,提高運動員信心;“戰績回憶”。
(二) 言辭調整法:言辭調整法是教練員、領隊或同伴用稱贊和鼓勵的語言對運動員的心理活動施加影響的方法,如果運用得當,言辭調整法能在一定程度上使運動員從緊張狀態中解脫出來。
(三)注意力的集中與分散訓練:注意力的集中訓練是培養運動員抗外界干擾防御能力的訓練,如模擬比賽場景,設置困難與障礙等等,以提高運動員比賽的適應能力和抗干擾能力,以提高運動員的情緒控制能力。分散注意力訓練指讓運動員在思想和情緒上暫時離開過分緊張的訓練或比賽當中,在頭腦中想一些輕松愉快的事,待情緒穩定后,再將注意力回到訓練和比賽現場中去。
(四)呼吸調整法:呼吸調整法是運動員臨場處理情緒波動的一種有效心理調節方法,在精神高度緊張的比賽中往往會出現胸悶、氣短、呼吸困難等現象,運動員可有意識地放滿節奏進行深呼吸,使心情平靜下來。
(五)自我暗示法:這是用語言、思維或者表情對心理活動施加影響的方法,是調節運動員臨陣狀態的一種行之有效的方法,而“默念”是一種有效的自我暗示方法,它能使有運動員保持一定的心理狀態,使負性思維和消極情緒中斷,代之以積極的情緒,達到提高自信心和穩定情緒效果,臨場充分發揮自己的運動水平。他人暗示有時也能反對運動員的心理狀態產生影響。
五、結論
運動員在比賽當中的情緒包括積極和消極兩方面,而且比賽情緒狀態隨著比賽的迅速變化,具有強烈、迅速、多變化的特點,產生一系列生理和心理上的放映,并將直接影響技戰術水平的發揮,教練員應根據運動員心理過程和個性特征,加強運動員的心理訓練,以及開展針對性的實戰訓練,從而提高運動員的心理素質和心理品質,讓運動員從訓練中學會意識控制自己的心理狀態,保持心理穩定性,發揮個體運動潛能。
參考文獻:
[1] 王文教,沈步乙,等.中國體育教練員崗位培訓教材(羽毛球)[M].北京:人民體育出版社.1995.
[2] 田麥久.運動訓練學[M].北京:人民體育出版社.2000.
關鍵詞:通信管道;管孔分配
一、工程概況
廣醫新造校區選址位于新造鎮東側,番禺氮肥廠南側,谷圍新村以北,思賢村以西,與大學城華工、廣藥校區隔江相望。建設規劃用地約為40.08萬平米,其中建設用地面積29.43萬平米。依據招標方案,整個本項目按教學實驗區、生活區及體育活動區共劃分為五個房建總承包標段,各房建總承包標段實施范圍包括有各對應建筑單體內的綜合布線、計算機網絡、視頻監控、火災報警系統等專業的智能化系統工程及其對應的室外通信光纜的敷設。
為滿足廣州醫學院新造校區一期工程內各類通信、信息業務的需要,在本項目市政范圍和各房建組團接入范圍均建設有通信管道。通信管道內敷設各的光纜包括:1、電話主干光纜;2、計算機網絡系統主干光纜;3、視頻監控系統主干;4、火災報警系統主干光纜;5、公共廣播系統主干光纜;6、室外LED系統主干光纜。
二、管孔使用的系統及要求
(一)通信管孔使用系統
本項目房建施工總承包單位的綜合布線系統(含廣州寬帶接入)、室外視頻監控系統、消防控制系統、室外LED大屏幕系統、公共廣播系統、有線電視系統等通信線纜、視頻線纜均可穿入通信管道。為防止信號干擾,原則上安全電壓的線纜(電壓≤48V)才可接入通信管道,電壓>48V的線纜如要接入通信管道必須經管道設計單位同意,并報本項目市政監理及建設單位審批后方可實施。
(二)實施工作要求
本項目房建施工單位及施工專業承包單位在室外通信線纜敷設前,須完成如下工作。
1.向市政監理單位提交開工申請及專項施工方案,其中施工方案須包含敷設室外光纜專業類別、敷設工藝、起始位置等;并經市政監理單位審批同意后方可實施。
2.各家房建施工單位須向市政監理單位繳納通信管道成品保護押金。待線纜敷設完成后,經市政監理單位驗收合格且確認實施過程中未出現成品損壞,押金予以退還對應施工單位。
三、本項目的室外通信系統的實施界面
(一)按本項目房建、市政工程施工總承包招標文件約定,本項目室外通信管道、通信線纜的實施界面,具體如下:
1.房建與市政工程部分:以本項目各建筑物外第一個手井為界,該手井(含井,至市政部分)以外的通信管道工程屬市政工程實施范圍,接線井以內(至建筑物內)屬于房建工程實施范圍。
2.各房建施工單位室外光纜部分:以教學實驗樓網絡數據中心的網絡機柜進線端為界,各單體建筑物內綜合布線系統及連接至實驗樓網絡數據中心的網絡機柜進線端的光纜敷設及端接、對應管道敷設屬于本項目該單體建筑物所在房建施工單位的實施范圍;教學實驗樓網絡數據中心的網絡機柜進線端之后的綜合布線系統以及教學實驗樓內的光纜管道敷設屬于本項目房建施工單位的實施范圍。
3.各房建標段消防火災報警系統:各單體建筑物內的消防分控中心分控設備及連接至F3服務用房消防控制中心機房的光纜管道鋪設、光端機安裝屬于本項目該單體建筑物所在房建施工單位的實施范圍;光端機接收終端安裝之后的消防火災系統以及F3服務用房內的光纜管道屬于本項目房建施工單位的實施范圍。
四、管孔分配原則
(一)管孔分配原則的適用范圍包括本項目市政和房建組團接入的通信管道。
2.備用管孔使用原則,施工單位須向市政監理單位提出申請,經建設單位批準同意后方可使用。
3.大于D24的管孔分配原則:前24孔與D24相同,其余的管孔均為備用。
4.如管孔類型未包含在上述范圍內的,根據管道設計圖紙,管孔使用的次序參照上述分配辦法。
(二)管孔編號方法:
1. 進入建筑物內的第一個手井通信管孔編號原則
以各房建組團建筑物外第一個手井為站立位,背向建筑物,管孔從左到右,從下到上依次按1、2、3…的順序編號。
2.市政道路范圍(含道路A、B、C、G、H線道路)的人(手)井截面定義及編號原則:
(1)面向道路里程號遞增方向,所對應的截面定義為a截面,其它的按順時針方向轉180°定義為c截面(如圖所示)。
(2)a、c截面管孔編號原則:面對a截面,取此截面最靠左下角位置的管孔為起始編號1,從左及右、從下至上依次進行管孔編號(如圖所示);c截面的管孔排列順序與a面成鏡像對應(如圖所示)。
3.合并說明:人(手)井若超過兩個以上截面、管孔編號根據上面要求排列,根據鏡面原理,在合并人(手)井的各截面后,管孔必須一一對應。
五、施工過程要求
(一)本項目室外通信管道采用硬質雙壁波紋管,其管身無傷痕,管孔無變形。
(二)管道段長:直線管道允許段長一般限制在120米以內,彎曲管道段長應相應縮短,管道彎曲的曲率半徑一般不宜小于36米,曲線部分所夾圓心角不應大于90度,且在一段彎曲管道內不應有反向彎曲。
六、標識要求
由于本項目室外通信管道內各種線纜類型較多,為便于線纜敷設和日后檢修,具體的標示要求如下:
(一)市政施工單位:按展開圖所示要求,須在每個人(手)內的a、c截面的管道末端,用紅色油漆標示管道編號,同時,須在a、c截面處貼示管孔編號示意圖。
(二)房建施工單位:凡線纜進出兩端和人(手)井處必須掛牌標識:線纜的系統、類型、路由(始端、末端)。
七、結束語
本項目通信管道管孔分配管理實施方案通過了實踐檢驗。在建設管理過程中起到了兩方面的主要作用,一是在群體性建設項目且參建施工單位較多的情況下,通過一個統一且有效便捷的管孔分配方案保障了室外通信工程有序、高效的進行;二是通過管理手段提高了室外通信管道的利用率,并為日后通信擴容管理提供了便利。
參考文獻
[1]GB50373-2006. 通信管道與通道工程設計規范
[2]GB50374-2006.通信管道工程施工及驗收規范
[關鍵詞] 光信息科學與技術 人才培養 教學改革 企業需求
一、光信息科學與技術專業的地位與現狀
近年來,國內許多重點大學和地方院校都相繼設立了光信息科學與技術本科專業。據統計,全國共有106所高校開設了這個專業,廣東高校就有將近10所,各高校逐步形成了具有自身特點的人才培養模式和培養方案。重點高校由于具備深厚的學科基礎和優質生源,而且有光學碩士點和博士點,其畢業生中有相當大的比例是繼續考研深造,其余的畢業生則選擇就業。地方高校無論從師資力量、教學設施到學生的整體水平都無法與重點院校相比擬,同專業的畢業生面對就業如何與重點院校的畢業生抗爭?一般說來,用人單位會傾向錄用重點大學的畢業生。那么,如何提高地方院校畢業生的競爭力就成為我們必須認真思考的問題。本文結合佛山科學技術學院在建設光信息科學與技術專業過程中的實際做法,來討論這個問題。
二、我校光信息專業建設過程中遇到的困惑
佛山科學技術學院是地方性應用型本科院校,在人才培養方面要充分考慮區域經濟對人才培養的需求,及時了解區域經濟的發展趨向,適時地根據區域經濟的發展來合理調整培養目標、課程體系和教學內容,以便更好地服務于區域經濟,同時也可以在不斷滿足市場需求的同時,自身得到更快的發展與提高。
我校的光信息科學與技術專業于2002年獲得教育部批準正式招生。我校物理系原先只開設了物理學(師范)專業,在申報新專業前的幾年時間里,引進了多名光學專業的教授和博士,自身也培養了一部分光學專業的骨干教師。為了辦好該專業,我們組織了相關教師到省內的中山大學、華南師范大學、暨南大學等院校參觀學習,同時還和省外的同濟大學、中國科技大學、西北工業大學、華中科技大學等重點高校有學術往來和交流,聘請了華中科技大學的專家學者擔任顧問。由于各個高校的學科優勢與師資情況不同,所開設的課程也有所不同。一般說來,都會根據原有的學科基礎來制訂新專業的人才培養計劃。我們想,上一個新專業不容易,要想辦好新專業,則需要在專業人才培養方案、課程設置、教學安排、實驗室建設等方面都要有周密、合理的籌劃。
我校于2001年在物理學專業里首先開設了光電子方向,為辦新專業打基礎。當時開設的課程在原來專業的基礎上增加了激光原理、光電子學和信息光學等幾門光學和信息類課程。實驗室的儀器設備不成規模,專業實驗項目少(只有6個),實驗時數36學時。隨著新專業教學的需要,實驗室建設迫在眉睫。我們組織骨干教師和實驗室技術人員到外校考察取經,從理論課程的設置到實驗課程的開出,從實驗項目的設置到儀器的規格、型號都借鑒了其他高校的做法,籌建了光電信息與技術實驗室。經過在02、03級學生的教學中實施,基本能夠滿足教學需要,但同時我們發現存在以下問題:(1)所開的專業基礎課和專業課與其他高校大同小異,缺乏特色;(2)實驗室的建設也與其他高校雷同,實驗項目相差無幾,并且以驗證性實驗為主,難以在實踐方面提高學生的綜合能力。
這種狀況迫使我們反思:一味照搬別人的做法是不行的,有特色才是生存的關鍵。2004年起,珠三角地區的光電企業突起,特別是LED產業得到國家的大力扶持,普立華公司、國星光電公司、佛山照明、歐斯朗公司、聯動科技公司、騰龍光學公司、奇美電子有限公司、中國網通公司、威而信科技有限公司等一批知名企業落戶佛山,這些企業是光信息專業學生的主要就業意向單位,為本專業的學生提供了新的機會,但同時對人才的要求也有所提高。
為此,我們主動和相關企業聯系,到企業的人事、技術等部門進行調研。在與企業溝通的過程中,企業向我們反饋:由于學校教育觀念和教學內容的陳舊與落后,學生所學的內容幾乎在企業里都用不上,而企業需要的知識卻沒有接觸過,理論脫離實際, 缺乏社會實踐。由此而造成的后果是,雖然近幾年培養的本科以上畢業生在數量上有大幅度的增長,而社會急需的能勝任研究、開發、設計、策劃等工作并具有較強創新能力的工程技術人員仍然是目前非常緊缺的專門人才,佛山本地的光電企業需要的人才要具備光學系統設計、光電檢測、LED封裝等技能。
三、采取的改革措施
1.合理定位,目標創新人才培養模式,更新課程設置
我們擺脫陳舊的教育觀念,將培養企業需要的技術人才作為合理的培養目標,著手修訂了2005級人才培養方案和教學大綱,開設了以下專業基礎與專業課程:波動光學與應用光學、激光原理與技術、微電子技術、EDA技術、光纖光學、光纖通信原理、信息光學、光電子學、光度學原理、光電檢測技術、電光源原理等。
2.加大實驗室建設投入,實現模塊化教學
從2002年至今,光電信息與技術實驗室共投入200多萬元購買各類儀器設備。組建了3個實驗分室:光信息處理與光電檢測技術分室、光電子器件技術分室、電光源技術分室。經過7年的專業實驗課程建設實踐,逐步形成較為系統的教學體系、先進的教學內容和開放的實驗教學環境。
(1)有機整合、獨立開課,構建了模塊化實驗教學體系
打破基礎實驗與專業基礎實驗、專業實驗獨立分塊,實驗從屬于理論課的傳統實驗教學體系,將光信息科學與技術專業教學計劃中的實驗組成一個有機整體,獨立開課,構建模塊化實驗教學新體系。
(2)改革教學內容,優化基礎實驗,大幅增加綜合性、設計性實驗
光電信息與技術實驗共108學時。由于多門實驗有機整合為一門課,總課時增加,課程之間內容相互融合、滲透。因此,可以開設足夠數量的高質量的綜合性、設計性和研究性實驗。實驗項目與科研、工程、社會應用實踐密切聯系,把學科最新發展成果和科研成果引入教學,形成良性互動,實現基礎與前沿、經典與現代的有機結合。結合企業需要,我們開設了“電子鎮流器電參數測量”“光源光強角分布測量”“光源色溫測量”“光電顯示面板亮度均勻性測量”“光致發光及熒光粉相對亮度測量”等實驗項目。
3.重視師資隊伍建設,打造合理的人才梯隊
開辦新專業僅有好的課程設置和合理的實驗室配置是不夠的,還需要有優良的師資隊伍建設。從2002年起,我系就注意引進光電人才,共吸收了兩名分別為LED照明和光學層析成像專業的博士后,還有2名光學專業的博士,多名光學專業碩士。新生力量的加入充實了教師隊伍,加強了科研的實力。另外,我們還注重在職教師的學術進修。這幾年,通過在職攻讀學位和利用訪學得到提高的教師有十幾人,取得博士學位的有5人,還在攻讀博士的有3人,攻讀碩士的有2人。加強與國外的合作,幾年來,派出3名教師到美國和臺灣等地的高校進行學術訪問和交流。也通過邀請國內名校的專家來校舉行學術講座。整個專業教師隊伍呈現高學歷、高職稱的態勢,以中青年為主力的科研梯隊充滿活力。
4.重視實踐環節,提高學生的專業技能
這幾年,我們重視學生實習基地的建設,與對口的企業建立了良好的關系。另外,我們利用佛山與廣州、深圳、中山等地路程不遠,交通便利的優勢,組織或鼓勵學生參加光電照明等博覽會,讓學生多接觸專業知識的應用。
嚴格把握畢業論文的選題,鼓勵選擇應用型課題,讓學生盡早參與教師的科研課題。比如,“基于LABVIEW的多路LED老化測量系統”“用脈沖光聲技術測量吸收系數”“太陽能LED照明燈的設計”等課題,是學生在大學三年級時就開始參與到指導教師的科研工作中完成的。
四、專業建設效果
畢業論文的質量有一定的提高,緊密結合光電專業方向,每年都有一定數量的論文具有創新性和應用價值。比如,09屆畢業生的論文中“大功率白光LED開關穩流電源的設計”“排線順序正確性的自動檢測系統設計”等論文獲得了優秀畢業論文。
最近幾年,每年都有多名畢業生被國興光電、滕龍光學有限公司等企業錄用。根據畢業生質量跟蹤的結果顯示,我們的一些畢業生在企業里能吃苦、肯鉆研、表現良好,得到了重用,在企業的技術崗位上作出了一些成績。另外,我們在考研方面也取得勝利,如今年32名光信息專業畢業生中,有7名同學考上中山大學、華南師范大學、暨南大學和廣東工業大學等高校的研究生。
近3年來,我們培養的學生在“挑戰杯”“廣東省大學生物理實驗設計大賽”等各類競賽中獲獎18項,75人次獲獎。通過競賽,學生將所學的知識運用到實踐中,有效提高了他們的綜合素質。
五、思考與建議
經過7年的建設實踐,我們有過教訓,也取得一些經驗,總結如下:
(1)合理動態地更新教學內容,淘汰已經過時的內容,特別體現在專業課程的教學內容和實驗項目上。
(2)要建設有特色的專業實驗室,推行模塊化實驗項目,有助于學生針對就業意向來選擇學習內容。
(3)不足。專業設計軟件的熟練使用是當今很多光學企業在招聘技術人員時強調的條件。如ZEMAX、Lighttools、Tracepro等,我們還沒有開設相關的課程來介紹這類軟件的使用。但我們已經在09級的人才培養方案中加入《科研訓練》環節,實施導師制,讓學生提前進入老師的科研項目,為畢業設計做準備。
參考文獻:
[1]王寧,賈傳磊,焦志勇.光信息科學與技術專業人才培養現狀分析與思考[J].科技信息,2008,(23):372.
[2]李晨霞,康娟,夏濤.光電信息工程專業人才培養研究[J].高等理科教育,2008,(6):35-37.
[3]韓軍,張群,李純青.光電類專業學生創新能力培養模式研究[J].中國成人教育,2005,(11):68-69.
[4]龍青云,李富全,張昌莘.光電信息技術實驗教學改革的思考[J].高校實驗室工作研究,2007,(3):21-23.
[5]呂瑋閣,殷森余,高紅葉.光電信息專業實驗教學中的創新能力培養[J].光學技術,2007,(3):303-304.
[6]徐慧娟.信息動力與大學生創新能力培養[J].武漢理工大學學報•信息與管理工程版,2006,(9):110-112.
關鍵詞 光學工程專業碩士;教學體系;實驗室建設
中圖分類號:G482 文獻標識碼:B 文章編號:1671-489X(2013)03-0140-03
Establishment of Experimental Teaching System and Laboratory Construction for Optical Engineering Professional Master Degree//Zhao Songqing, Jiao Zhiyong
Abstract In this paper, based on the practice of experimental teaching system and the laboratory construction for optical engineering professional master degree, we put forward a new experimental teaching system for the cultivation of high quality of excellent creative talents who will work for related enterprises and research institutions of photoelectric and marine resource. We also raise the teaching system which is of the characteristic of theoretical teaching tightly combined with experiment and core of the ability training for the optical engineering professional master degree. We tried to set up some of the preliminary related experiments.
Key words optical engineering professional master; teaching system; laboratory construction
目前,信息產業的發展已從傳統的無線電波向光頻波段擴展,現代光學工程技術已擴展和滲透到國民經濟和人民生活的每一個領域,可以預計,本世紀是光和電并存發展的時代。近年來,我國多所重點大學和部分普通高校相繼設立光學工程專業學位碩士點。根據該專業的特點,一般將其設置在物理學院(物理系、理學院)或電子信息學院(光電信息系、電子工程學院)。中國石油大學光學工程專業是經教育部批準,于2010年在理學院中新設置的一個碩士點專業。該專業旨在培養光學技術在石油領域應用的創新型人才,應用面廣、實踐性強。鑒于本專業大多數學生來自非石油院校,對光學技術在石油領域的應用不了解不熟悉,同時缺乏相關的石油的勘探開發煉制和儲運的背景知識,因此,建立石油領域相關的光與油氣實驗課的教學體系尤為重要。專業實驗課在專業人才培養中,特別在提高學生的工程實踐能力以及科技創新能力上起著至關重要的作用[1-3]。本文將研究中國石油大學光學工程專業碩士學位實驗教學體系構建的思路及內容,實驗室的具體建設情況以及今后要做的工作。
1 光學工程專業碩士實驗教學體系的構建
本專業建設初期,走訪天津大學、南開大學、北京交通大學、北京郵電大學、山東大學等兄弟院校,考察他們的專業培養方向、實驗教學體系、實踐教學環節等。由于各校的學科優勢與師資情況各不相同,各校的服務對象以及地理位置、招生情況也不盡相同,使得各高校在該專業的人才培養模式和專業方向上各有特色。在借鑒兄弟院校建設該專業經驗的基礎上,結合學校特色,經多次討論研究,制訂中國石油大學光學工程專業碩士的培養方案,在此基礎上,初步建立光學工程專業學位研究生教學體系。
1.1 光學工程專業碩士培養方向的確定
中國石油大學為教育部直屬的石油特色鮮明的全國重點大學,因此,人才培養目標是:1)為光電類高新技術企業、科研機構培養優秀人才;2)為海洋資源部門包括中海油等石油石化企業培養優秀人才。
基于以上目標,在光學工程專業碩士下設置兩個選修方向,其一是“光檢測技術”,課程設置以光電信息與檢測技術及應用等為主,其就業面向光電高新技術企業、顯示設備制造企業,兼顧石油系統的測井行業;其二是“海洋光學儀器與應用”,課程設置以海洋光學與海洋光學儀器、遙感技術與應用、激光測量技術、軍用光電系統等為主,其就業面向海洋資源探測機構,以及海洋石油勘探與開發企業和國防部門。
1.2 光學工程專業碩士實驗教學體系
根據本專業的知識結構特性,并根據學校本專業課程設置情況,該專業可分為激光原理與技術、光信息技術、光電子技術、光通信技術、光電檢測技術、光顯示與存儲技術、T赫茲光譜技術、海洋光學技術等8個方面的內容,見圖1。專業實驗的教學體系的設立與設計圍繞這8個方面進行,形成8個模塊的實驗內容,做到與理論教學的有機結合,既服務于理論教學,又是對理論教學的補充和提高。
為便于管理和教學,提高學生綜合運用知識處理實際問題的能力,在實驗課程的設計中,擬將以上8個模塊的內容融合為4門實驗課程:光信息技術實驗(包括信息光學技術、光通訊技術)、光電技術實驗(包括激光原理與技術、光電子技術)、光電檢測與顯示技術實驗(包括光電檢測技術、光顯示與存儲技術)、海洋光學儀器實驗(包括激光光譜技術、海洋光學技術)。其中前2門實驗課程是光信息科學與技術專業的必修實驗,后2門實驗課程為兩個專業選修方向的選修實驗。后2門實驗課程學生在選做時完成每部分必選實驗后,可以交叉選做另一專業方向的實驗,以充分利用現有資源,培養復合型人才。
建立專業實驗教學體系與設計實驗課程還必須兼顧專業實驗教學環節的特點、功能和培養目標。本專業實驗是建立在大學物理實驗、電子技術實驗的基礎上的,主要從專業知識與實驗技能兩個方面訓練學生的綜合素質和能力,為畢業論好準備工作,從而為繼續深造和就業打下良好的基礎。圍繞4門實驗課程,建立8個實驗模塊,按照人才培養規律,設置3個層次的實驗教學體系:層次一,專業基礎實驗;層次二,設計型/綜合型實驗;層次三,研究型/創新型實驗。內容安排由淺入深,由基礎到創新,由單一知識點到系統的綜合的實驗研究訓練,構成一個完整、科學、獨特的光信息科學與技術實驗教學體系,見圖2。
2 光學工程專業碩士實驗室的建設
2008年,學校投資600余萬元用于建設材料物理與化學學科,購買太赫茲光譜檢測設備、光纖傳感設備、光譜與光電子檢測設備,這些設備在立足科研的同時又可用于光學工程專業學位研究生的實驗教學。同時基于學校的大學物理實驗室、創新實驗室、超聲實驗室、演示實驗室,初步建立光學工程專業學位研究生實驗教學實驗室的規劃建設,并實現本專業部分實驗項目開設。下面是擬開設實驗和需要購買的設備。
2.1 光信息技術實驗
通過本系列的實驗,使學生對信息采集、處理、傳輸、存儲等方面的光學方法有深入的理解。具體實驗項目有:1)全息照相,全息光柵制作;2)阿貝成像與空間濾波、θ調制;3)菲涅耳全息照相、相面全息、彩虹全息;4)全息高密度信息存儲、特征識別;5)傅里葉變換光譜實驗;6)偏振光學實驗;7)光纖偏振控制實驗;8)基本光纖光學實驗;9)Mach-Zehnder光纖干涉實驗;10)波分復用(WDM)原理性實驗;11)摻鉺光纖放大器原理性實驗;12)光纖各種參數測試實驗。其中有7項屬于第一層次的實驗,5項屬于第二層次的實驗。
2.2 光電技術實驗
通過本部分實驗的開設使學生加深對光電子學知識及其應用的掌握。具體實驗項目有:1)光源基礎實驗LD/LED特性研究;2)光電探測原理實驗;3)CCD原理及應用實驗;4)光電報警系統設計實驗;5)光電定向實驗;6)光電倍增管特性參數測量;7)磁光調制實驗;8)電光調制實驗;9)聲光調制實驗;10)太陽能電池原理性實驗;11)激光器系列實驗。其中第一層次實驗7個,第二層次實驗3個。
2.3 光電檢測技術實驗
本部分為專業選修實驗,具體的實驗項目有:1)光纖位移傳感器實驗;2)光纖溫度傳感器實驗;3)光纖壓力傳感器實驗;4)光譜分析實驗;5)液晶電光效應與顯示原理;5)CCD系列實驗。其中第二層次實驗2項,第三層次實驗4項。
3 下一步建設的設想
下一步建設的目標是按照提出的實驗教學體系補充完善所缺實驗設備,豐富各個層次的實驗內容,出版光信息科學與技術專業實驗課教材,希望學校加大投資力度盡快完善實驗室硬件和軟件。
1)在實驗室硬件方面的建設中,繼續完善、補充實驗設備,完善激光原理與技術實驗模塊,完善光電檢測技術實驗模塊,完善光顯示與存儲技術實驗模塊,完善激光光譜學實驗模塊以及海洋光學技術實驗模塊。并籌建光信息技術軟件模塊,建設光學計算機輔助設計實驗室,完成對光學設計與CAD課程的支撐。
2)通過教學實踐,建立完善的實驗教學體系和實驗教學模式。按照校級實驗室的要求,建設光學工程專業學位實驗室,合理安排不同層次實驗項目的比例,優化驗證型實驗對原理的體現,加大設計型實驗思考的力度,強化綜合型實驗對學生動手能力的培養,增強創新型實驗對學生的針對性,做到因材施教。
3)建設網絡實驗教學資源和實驗室信息化平臺,包括實驗室總體介紹、課程體系及大綱、每個實驗的實施計劃、試題庫、相關多媒體課件、典型教案、網上選課系統等。實驗教學及儀器設備的管理實現計算機網絡管理,實現信息化、網絡化,有效地提高工作效率。
4 結束語
根據培養方案確定了光學工程專業學位實驗教學體系,即開設4門實驗課程,包含8個實驗模塊,分為3個層次的實驗教學體系。利用學校已有的科研實驗室實驗設備,初步建設了光學工程技術專業學位研究生教學實驗室,整個實驗室具有基礎性的驗證性實驗項目、設計性實驗項目,同時具有綜合性實驗項目,還有創新性的實驗項目,能夠部分滿足學生的需求,極大地調動學生的積極性,為鍛煉和培養學生的實驗技能、分析問題和解決問題的能力提供很好的實踐基地,為學生繼續深造和參加工作打好基礎。
參考文獻
[1]李葉芳,于清旭,王曉旭,等.光信息科學與技術專業實驗室的建設[J].實驗技術與管理,2005,22(8):110-112.
關鍵詞: 相位恢復算法; 數字水印; 全息圖二值化; 盲檢測
中圖分類號: TN919?34; O438 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2013)16?0085?04
0 引 言
數字水印技術是信息安全研究領域的重要分支,已成為目前數字產品版權保護研究的熱點。基于信息光學理論的數字水印技術具有高魯棒性、大容量、高加密維度、高處理速度等特點,近年來得到廣泛關注與重視[1?6]。2002年,日本學者Takai和Mifune最早提出利用全息技術,將二維數字全息圖作為待嵌入的水印信息的方法[7]。Chang等改進了這個方法,提出在離散余弦變換域嵌入數字全息圖的技術[8],實驗表明全息水印具有良好的抗剪切能力。陳大慶等提出了基于相位恢復和數字全息技術的圖像水印方法[9],該方法采用相位恢復算法將得到高對比度的全息圖,具有很好的穩健性。
以上方案嵌入的全息圖均為灰度圖,信息量較大。相同條件下,在宿主圖像中嵌入的水印信息量越大,水印的透明性和魯棒性就會相對越差。因此為了減少嵌入信息量,進一步提高全息水印的實用性,2011年,李國明等提出在計算出數字全息圖的基礎上,進一步對全息圖進行二值化,將二值化后的全息圖作為水印嵌入載體圖像中[10]。但由于直接對全息圖二值化,對全息圖本身是一種破壞,損失了一定的全息信息,再現像質量有所下降。在上述方案的基礎上,本文提出一種基于相位恢復算法的計算全息圖二值化改進方法。該方法采用相位恢復算法將水印信息編碼為虛擬入射物波的純相位函數,同模擬參考光波發生干涉,得到對比度很高的計算全息圖,二值化后作為待嵌入的水印信息。仿真實驗證明改進方法具有更好的魯棒性。
1 計算全息圖二值化
1.1 傳統傅里葉計算全息圖二值化
將水印圖像的灰度值[m(x,y)]作為物光波的振幅,并通過一個[-π,π]范圍內的隨機相位模板調制,以達到平滑傅里葉譜的目的。物光波復振幅為:
[o(x,y)=m(x,y)exp[iφ(x,y)]] (1)
其傅里葉變換為:
[O(ξ,η)=o(x,y)exp[-2πi(ξx+ηy)]dxdy] (2)
然后同參考光相干涉,設參考光表達式為:
[R(ξ,η)=R0exp[2πi(aξ+bη)]] (3)
式中a,b是空間頻率, 決定參考光波的傳播方向。相干后的光場分布為:
[H(ξ,η)=O(ξ,η)+R(ξ,η)2=O(ξ,η)2+R(ξ,η)2+ O*(ξ,η)R(ξ,η)+O(ξ,η)R*(ξ,η)] (4)
式中,第一、二項為全息圖的暈輪光和中心亮點,對再現像的質量有很大影響,可以通過計算參考光和物光的功率譜密度加以去除。
[H(ξ,η)=O*(ξ,η)R(ξ,η)+O(ξ,η)R*(ξ,η)] (5)
式(5)可用來恢復原始像及共軛像,對[H(ξ,η)]進行二值化,并制作二值全息圖。
全息圖的再現是用照明光的表達式與全息圖相乘,并通過傅里葉逆變換得到再現像的光強分布。為簡化計算,假設照明光波振幅為1,相位為0,傅立葉逆變換得到的重構圖像為:
[oR(x,y)=H(ξ,η)exp[2πi(ξx+ηy)]dξdη] (6)
將式(3),式(5)代入式(6)就可以得到重構光場為:
[oR(x,y)=o(x-a,y-b)+o*[-(x+a),-(y+b)]] (7)
適當地選擇a,b的值,使原始像和再現像分離。
圖1為128 pixel×128 pixel原始信息經過傳統傅里葉全息法得到的二值化全息圖及其再現像(經二值處理),可以明顯看出,再現圖像質量有所下降。
1.2 基于相位恢復算法計算全息圖以及全息圖二值化
相位恢復算法是一種通過已知光場強度來確定相位分布的技術,包括GS算法、POCS算法、HIO算法等。GS算法的原理圖如圖2所示,通過在空間域和頻域之間進行傅立葉正反變換來回迭代,并在空間域和頻域中分別應用空間域和頻域約束限制條件,具體步驟概括為:
(1) 給定一個初始隨機相位[?(x0,y0)](取值范圍為[-π,π]),乘以物光波振幅[m(x,y)],構成入射波復函數[f(x,y)],并對[f(x,y)]做傅里葉變換,得到頻譜函數[F′(μ,ν)]。
(2)引入頻域限制條件,去除振幅信息,只保留[F′(μ,ν)]的相位部分[F(μ,ν)],對其做傅里葉逆變換得到[f′(x,y)]。
(3)運用空域約束條件,取[f′(x,y)]的相位部分與物光波振幅[m(x,y)]構成新的入射波函數,并進入下一次循環。
(4)重復以上過程,直到[f′(x,y)]與期望值[m(x,y)]的差異小于預設值為止。隨著迭代次數的增加,輸出函數逐漸收斂,最終得到所需要的相位信息。設最佳相位分布為[F(μ,ν)],以上過程可用公式表示為:
[FT{m(x,y)exp(i?(x,y))}=F(μ,ν)=exp(jψ(μ,ν))] (8)
采用大小為128 pixel×128 pixel的黑白太極圖案,同等條件下,傳統傅里葉干涉全息和相位恢復法計算全息圖對應的灰度直方圖如圖3所示,可發現傳統方法灰度值相對集中,相位恢復算法得到的全息圖灰度值分散且具有更高的對比度。所以經過相位恢復算法后的二值全息圖比傳統傅里葉二值全息圖損失的信息量更少,大大提高了再現像的質量。
圖4為相位恢復算法二值化全息圖和對應的再現像。可以明顯看出,該方法比傳統傅里葉二值全息圖的再現像質量有很大改善。
2 全息水印的嵌入和提取
采用上文的二值全息圖作為待嵌入的水印信息,為了提高水印的抗壓縮能力,將水印嵌入在宿主圖像離散余弦變換(DCT)域中。DCT變換是正交實變換,它有良好的能量壓縮能,考慮到人眼對高頻成分的失真不太敏感,而壓縮、濾波等操作主要破壞高頻信息,將水印信息嵌入到宿主圖像DCT系數中低頻成分上。
2.1 嵌入算法
設原始載體圖像[X]是[N1×N2]像素的灰度圖像,水印圖像[H]是[M1×M2]像素的二值全息圖,水印嵌入原理圖如圖5所示。
具體的嵌入步驟如下:
(1)通過逐行掃描,將二值水印信息[H]轉化為一維水印序列[W]:
[W={w(i)=0 or 1 , 0≤i
(2)采用Logistic方程產生混沌序列,對[W]進行混沌置亂加密。消除了水印像素之間的空間相關性,并提高了水印的抗剪切能力。同時將Logistic方程的初始值作為密鑰,提高了水印的安全性。
在非線性系統中,混沌是普遍存在的現象,混沌序列具有對初始條件和微小擾動的高度敏感性、非收斂性、非周期性、運動軌跡的遍歷性、隨機性和類似噪聲等特點,這些特點使得混沌序列廣泛應用于水印的加密。
最典型、應用最廣泛的產生混沌序列的方法是Logistic映射方法。Logistic映射形式定義如下:
[xk+1=μxk(1-xk)] (10)
式(10)中,初始值[x0∈(0 ,1)]且[x0≠0.25 ,0.5, 0.75]。當[μ=4]時,系統工作于完全混沌狀態,[X]在[(0 ,1)]內遍歷。混沌狀態對初始值極其敏感,所以取不同的初值,可以得到不同的結果,將[x0]的取值作為密鑰。對于一維水印序列[W],通過以下步驟實現空間置亂:
①選取初始值[x0],產生一個一維混沌序列[m(i)],其元素個數為[M1 ×M2]的整數倍;
②將[m]序列按照公式(11)進行預處理,使得[m]序列轉化為一個整數序列,且[m(i)∈[1 , M1 ×M2]];
[m(i)=ceilm(i)×M1 ×M2] (11)
③從[m]序列第一個元素開始,按照下述公式對水印序列置亂,其目的是根據[m]序列,將一維水印序列[W]中的對應位置元素對調。
[a=W(i) ;W(i)=Wmodm(i) , M1 ×M2+1; Wmodm(i) , M1 ×M2+1=a] (12)
(3)將宿主圖像按照像素8×8分塊,并對各個分塊作DCT變換。
(4)利用Matlab軟件生成兩組取值較小、相關性很小且服從高斯分布的一維四位隨機序列[K1],[K2]。
(5)分別計算原始載體圖像每個分塊的方差,根據方差的大小線性調整水印在各個分塊上的嵌入強度。逐個讀取置亂后的一維水印序列,若[w(i)=1],嵌入[K1];否則,嵌入[K2],按照加法準則將水印信息嵌入到各個分塊的中低頻系數上。
2.2 提取算法
水印提取就是水印嵌入的逆過程。首先,將含有水印的圖片8×8離散余弦變換,讀取嵌入水印部分的DCT系數;然后,分別檢測出其與[K1],[K2]的相關性,比較大小,得到一維二值序列;最后,利用密鑰,反置亂,并最終還原為二維二值全息圖。通過傅里葉反變換或者光學再現,就可得到原始的水印信息。在提取全息水印時無需原始宿主圖像,實現了水印的盲檢測。
3 仿真實驗
通過Matlab軟件仿真驗證了本文所提出的全息二值水印方法的穩健性,并且進一步跟傳統傅里葉全息二值水印進行對比,驗證該方法的優越性。
3.1 水印的嵌入和提取
采用上文制作的128 pixel×128 pixel太極圖案的相位恢復算法二值全息圖作為待嵌入的水印信息。宿主圖像采用512 pixel×512 pixel的灰度Lena圖,如圖6(a)所示。圖6(c)為相位恢復算法的二值全息圖,進行混沌置亂后嵌入宿主圖像DCT域的中低頻區域,圖6(b)為嵌入水印后的圖像。圖6(d)為提取的二值全息圖,通過計算機或光學全息再現可得到清晰的原始信息,如圖6(e)所示。
3.2 與傳統傅里葉全息二值水印的對比試驗
為了驗證相位恢復算法二值全息水印對各種圖像處理方法的抗攻擊能力,在相同的嵌入條件下與傳統傅里葉全息二值水印方法進行對比。采用峰值信噪比(PSNR)來客觀評價嵌入算法對宿主圖像的影響。采用歸一化互相關系數(NC)定量衡量水印的原始信息和提取信息的相似度。
JPEG壓縮對比實驗如圖7所示。圖7(a)~(c)是壓縮質量分別為80,70,60時,傳統傅里葉全息二值水印法的水印再現像,圖7(d)~(e)是本文方法的水印再現像。表1是兩種方法對比實驗的PSNR和NC。可以看出,在相同嵌入條件下,兩種方法的PSNR相近,說明這兩種方法的JPEG壓縮效果相近,而本文提出方法的NC系數優于傳統傅里葉全息二值水印方法。
剪切對比實驗。把含水印圖像分別切掉10%~40%,然后提取水印信息,結果如圖8所示。圖8(a)~(d)是傳統傅里葉全息圖二值水印法的結果,圖8(e)~(h)是本文全息二值水印法的結果。表2是兩種水印方法剪切對比實驗中提取出的水印信息的歸一化互相關系數(NC)。可見本文方法具有更好的抗剪切能力。
4 結 語
本文提出了一種基于相位恢復算法的二值全息水印方法,該方法采用相位恢復算法得到高對比度全息圖,再將該全息圖二值化,大大減少了傳統傅里葉全息圖直接二值化造成的信息丟失,改進了全息二值水印技術。在宿主圖像子塊離散余弦變換域的中低頻部分嵌入水印,由于水印是二值化的全息圖,因此具有較大的水印嵌入量。提取水印時無需原始宿主圖像參與,實現了盲檢測。通過仿真實驗證明,與傳統方法相比,本文方法具有更好的穩健性。該方法能夠成為數字產品版權保護的有效方案。
參考文獻
[1] 張靜娟,史偉詩,司徒國海.光學信息隱藏綜述[J].中國科學院研究生院學報,2006,23(3):289?296.
[2] KISHK S, JAVIDI B. Watermarking of three?dimensional objects by digital holography [J]. Optics Letters, 2003, 28(3): 167?169.
[3] SEO D H, KIM S J. Interferometric phase?only optical encryption system that uses a reference wave [J]. Optics Letters, 2003, 28(5): 304?306.
[4] OKMAN O E, AKART G B. Quantization index modulation?based image watermarking using digital holography [J]. Opt. Soc., 2007, 24(1): 243?252.
[5] 尉遲亮,顧濟華,劉薇,等.基于數字全息及離散余弦變換的圖像數字水印技術[J].光學學報,2006,26(3):355?361.
[6] 孟祥鋒.基于迭代相位恢復算法和相移干涉術的光學信息安全技術的研究[D].濟南:山東大學,2008.
[7] TAKAI Nobukatsu, MIFUNE Yuto. Digital watermarking by a holographic technique [J]. Applied Optics, 2002, 41(5): 865?873.
[8] CHANG H, TSIAN T. Image watermarking by use of digital holography embedded in the DCT domain [J]. Applied Optics, 2005, 44(29): 6211?6219.
關鍵詞:創新意識;專業課教學;高校教育
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2016)14-0089-02
一、創新意識的含義
自同志提出“創新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發達的不竭動力”以來,“創新”已成為關乎中華民族偉大復興的最具時代特征的詞匯,“創新教育”已成為我國教育改革的主旋律。“進行創新教育”、“培養創新意識”作為當前軍隊院校教學改革中頻繁出現的詞語,逐漸從一個術語名詞轉換為可以具體實施的教學實踐。怎樣的教育實踐才算是創新教育呢?這需要找到其內涵才能真正運用于教學中。
按照《漢語大辭典》解釋,創新是“創立或創造新的”。按照《常用新詞語詞典》的解釋,創新是“拋開舊的,創造新的”(記錄、局面、成績等)。如果只是將培養創新意識簡單地定位為培養學員創造新知識的意識,是不切實際的,知識是經過長期實踐逐步增長出來的,少有人能夠在短短的一生中能夠在某一個知識點上多有建樹,因此教育中創新意識的培養不是簡單的“創新”和“意識”兩個概念的簡單融合。在高校教育中要求每個學員都具有高度的創新能力不太現實,但完全可以要求學校教育注重培育創新意識和創新精神,通過各種教育形式,培養學員再次發現知識的探索精神,培養重新組合知識的綜合能力和準備“首創前所未有”事物的創造意識和創造能力。
二、在專業課教學中開展創新意識培養的可行性分析
軍用光電工程、軍用光學儀器維修等專業的學員主要學習的課程包括光學基礎知識、軍用光學儀器知識以及光電平臺系統綜合知識應用的學習。粗看起來這些知識模塊的內容是對現有光學知識的應用,沒有涉及到光學理論發展的前沿,不具備任何知識創新的可能,但是創新意識的培養不是只有站在學科發展前沿才能實現的。創新意識是一種意識形態,并不絕對地依賴于掌握知識的厚重程度,誰能說天真的孩童不具備創新意識呢?其所缺乏的僅僅是一種獲得高層次創新成果的能力,缺乏的是知識基礎。
軍隊院校的全日制學員來源主要兩個方面,一是所謂的直通車學員,每年從高考生中直接錄取的學員,一是國防生,地方大學從高考生中直接錄取的學員,培養四年后進入軍隊院校再進行一年左右的任職培訓。這些學員接觸到專業課時的平均年齡在19歲到21歲之間,屬于自我意識正在逐步形成階段,接受能力強,可塑性好,對于創新意識的培養具有較高的接受度;其次,大部分學員在接觸專業課之前,得益于現代傳媒的高度發達,學員通過各種媒體形式對于紅外熱像儀、微光夜視儀、激光制導、激光測距儀等光電裝備都有一些淺顯的認識,對于各種軍用光學儀器具有強烈的好奇心和高度的知識渴望,這種積極向上的學習態度使他們成為創新意識的良好受體;再次,在學校中學習的學員年齡較小,顧慮少,初生牛犢不怕虎,對于未知事物有著強烈的求知欲,雖未必正確,但其想法是海闊天空的,是創新意識的良好載體;最后,學校是體系性知識傳承的重要場所,是培養學習習慣、形成思維定式的重要階段,形成何種思維定式直接影響其進入社會后的發展方向。
創新型人才不是天生的,更多地是依賴于后天培養,作為人才培養的重要陣地――院校教育,對創新型人才的培養具有極大優勢。因此在本專業開展創新意識的培養是必要的,而且是完全可行的。
三、如何在光電工程專業課教學中展開創新意識的培養
創新意識是驅使個體進行創造行為的心理動機,沒有創新意識的人不可能進行創造和發明。許多調查結論都指出,學員普遍具有創造潛能,在適當的教育下,它可能在每一學員身上發展和顯現。因此專業課教學中需要在厚重學員專業知識的基礎上激發學員的天馬行空的創新意識。
1.創新意識培養。許多已知的事實告訴我們,世界上絕大多數的創造發明,都有原有事物的再次發現和重新組合,產生質變后才表現為前所未有的創新,其本質是有中生有,因此培養創新意識的同時要注重對知識傳承的強調,在已有傳承知識基礎上突出已有知識的新發展、新條件下對已有知識的新用途。
例如,同是對光速的測量,由于計時工具的粗糙,伽利略山間測速實驗失敗,但是現在具有了精密的時鐘計量方法,同樣原理的實驗卻能取得成功;測量長距離使用的工具從米尺――光學測距機――激光測距機發展過來,其原理各不相同,分別是參照物――人眼的生理功能――因光速的恒定可測時求距離,但卻完成同樣的任務……不勝枚舉,均可通過各種問題的設定培養學員問為什么的良好創新意識。從光學測距機的測量精度隨距離增加而降低,到激光測距機無視遠近在有效測量范圍內保持±5m測距精度;對景物的觀察從人眼可見的場景到人眼不可見紅外、紫外圖像,交叉學科的發展促進了光學學科的進步,因此在對學員培養過程中要將學員的眼光從本學科局限中超脫出來。
2.探索精神培養。科學是知識系統,學習科學并不是為了記憶和背誦真理,而是為了認識和不斷更新真理,教學中強調的應該是發現知識的過程,而不是簡單地獲取結果;要結合課程教學進行知識探源,把握其發展變化趨勢;要讓學員深刻感受到,任何科學知識都是人類艱苦努力不斷探索的結晶,以此弘揚科學人文精神;要鼓勵學習中的探究和懷疑,凡事多問幾個為什么。
例如,在探索光的本質的過程中,經歷了波動性和粒子性爭執風波,粒子性占上風――波動性成為主旋律――新的粒子性又重新出來,到目前達成了光的波粒二象性的暫時的共識,但光本質究竟是什么,現在還在探索之中;在擴展人類視覺能力的追求當中,為了看見遙遠的遠方目標、看清細微的細菌,反復組合光學元件,發明了一系列望遠鏡、顯微鏡等可見光儀器……光學的發展一波三折,走過了許多彎路,惠更斯、普朗克們在提出新假說時都受到了權威人士主流思想的阻礙,通過教員有意識的引導,培養學員“大膽假設、小心求證”的學術思想,敢于挑戰權威,并勇于去深入研究。在教學中堅持對知識再次發現的探索式學習觀念,本身就是一種科學精神。它要求學員不盲目接受和被動記憶課本或教員傳授的知識,而是主動地進行自我探索,把學習過程變成一種再次發現人類以往積累的知識的參與式活動。
3.綜合能力培養。需求推動創新,發現機會是創新的不可或缺的重要步驟,例如,人們為了將美麗的瞬間留下,最初是畫家手繪,速度慢,再現性不好,傳統照相機出現了,能夠拍攝出一個側面的景物,代表了幾何光學文明的較高成就,為了能夠全方位地記錄景物或人物,全息攝像出現了,信息光學大行其道;為了能夠馬上看到拍攝結果,數碼相機出現了,試想能夠拍攝出全息照片的數碼相機還會遠嗎?如何實現呢?有創新熱情的人會去深入地學習、分析、提煉的。學會學習比學會知識更加重要,人類文明幾千年來的知識浩淼如海,不可能在有限的生命中學會,因此教學中綜合能力的教學更加重要的培養目標是學會分析,學會提取精華。
四、教員如何進行創新意識教學
我軍裝備的光電儀器集中了光學、機械、電子、計算機技術等專業知識。學員在第五學期開始接觸專業課的學習時已具備了高等數學、電工電子、機械制圖、計算機編程等基礎知識,在專業課教學中學員必然優先掌握的課程就是應用光學、物理光學、光電技術,這些知識儲備完成光到電的轉換,為其他課程的學習奠定了必要的理論基礎。雖然軍用光電裝備有百余種,結構千變萬化,但是萬變不離其宗,因此正確的學習方法和創新意識的培養在課程教學中就十分重要且必要。
光電裝備的教學目的不僅僅是教會學員現役光電裝備的原理、構造與維修,更重要的是教給學員一種思想,一種意識,一種能夠自己設計和分析裝備的能力,當學員面對新型號光電裝備時具有自主分析的能力,對于新裝備的研制能夠提出可行的基于現有技術的創新想法。因此教員的任務就是以呈現教學目標、學習情景、活動情景等方式來呈現學習任務,啟動并組織學員的學習活動。創新意識的培養需要將課堂教學從教員“講”變為學員“學”,形成以學員為主體,教員為主導的教學模式,學員的學習活動成為課堂的主要活動,教員的主要作用是把學員的學習活動啟動起來,組織起來,使他們能夠緊張、高效地投入學習,并在學員的學習過程中,了解學員的學情,提供適時而有效的支持和幫助,使各類學員都能按自己的特點進行學習,逐步培養學生創造“前所未有”事物的能力。教員教學思路由重教轉向重學、重結果轉向重過程、重繼承轉向重創新、重知識轉向重能力,有目的、有意識地培養學員的創新意識、創新興趣、創新思維和創新能力。
五、結語
創新意識是創新型人才所必須具備的非智力因素,它是一種想象力,一種精神,一種對已有知識的升華和發展,需要知識奠基,因此重視創新教育必須是在傳承教育基礎之上,在進行創新意識培養的實踐過程中更要重視知識的傳承。在軍隊院校中進行裝備教學過程中恰好具備了知識的傳承以及知識應用創新能力的培養,有利于學員創新意識的建立。
參考文獻:
[1]葉平.“創新教育”解析[J].教育研究,1999,(12).
[2]彭小虎.論創新教育的三個層次[J].教育科學,2001,(02).
[3]余文森.創新教育與課堂教學[J].福建師范大學學報:哲學社會科學版,2002,(1).
摘要:工程教育認證工作的開展必然推動了高等院校的人才培養,在此背景下培養方案的建立和改進對于促進二者的關聯性和發展起到了不可或缺的作用。本文面向于工科院校分別從培養目標、人才培養要求、質量保障、知識體系和核心課程體系等方面探討了工程教育教W的現狀并給出改進措施,以為工程教育的改革和發展提供參考思路。
關鍵詞:高等工程教育;工程教育認證;培養方案制定;教育理念;課程體系
中圖分類號:G642.0 文獻標志碼:A 文章編號:1674-9324(2017)24-0165-02
一、引言
工程教育占中國高等教育專業設置、畢業生總量的三分之一。為促進我國工程教育的改革,加強工程實踐教育,進一步提高工程教育的質量,為相關工程技術人才進入工業界從業提供預備教育質量保證,2005年以來工程教育認證工作逐步在我國開展,相關教育專業以工程教育專業認證標準為準繩、全面推進專業建設及改革,加速專業國際化進程,提高人才培養質量,切實提升學生收益[1]。工程認證從一定程度上提高了現有高等教育的質量體系,主要表現在其新穎的育人理念可為未來工程師“畢業生”提供通行國際的執業資格。從以學生為本、目標導向、持續改進等方面來衡量和推進教育工作,改變了傳統的學習策略方式,通過反饋機制對專業設置不斷探索提高[2]。作為國際就業市場的“通行證”,目前幾乎所有相關院校都對參與工程教育認證表現出空前的熱情。然而,在探索推進專業認證工作的過程中,高等院校或多或少的存在以下幾點問題:①在可預期的未來所培養的人才與社會需求的銜接性、是否能夠反映區域特色尚需改進。②人才培養模式過于單一,不能夠做到與時俱進。③課程設置不足以支持相應知識體系和畢業要求,缺乏創新創業類課程,在授課內容方面應強化專業背景等。針對這些問題,本文從培養方案著手,分別以培養目標、人才培養基本要求、質量保障體系、知識體系和核心課程體系方面分析了當前工程類院校專業情況,有針對性地提出了對專業建設及培養方案的建議。
二、培養方案分析
1.培養目標。依據現有工科院校專業培養方案的內容,目前各高校制定的培養目標主要有以下問題:①根據中國工程教育認證協會2012年7月修訂的《工程教育認證標準》培養目標“應能反映畢業生主要的就業領域、競爭優勢及畢業后事業發展的預期”并且可以“檢驗和評價培養目標的達成度”,而目前很多高校的培養目標比較虛化,這樣會導致檢驗和評價培養目標的達成度比較困難[3]。②各高校的培養目標比較趨同,有些能很好反映學校的學科特色以及行業特點,但很少能夠反映學校的區域特色;再者,在培養目標的定期評價和修訂方面,不能反映不同領域行業或企業(也可以是科研院所)專家的參與。③在培養目標的公開性方面,認證標準明確培養目標必須向社會有效公開,但部分高校網上找不到專業的培養方案,向社會有效公開方面有所欠缺。
2.人才培養基本要求。近年來隨著工程教育國際認證工作在我國高校的全面展開,越來越多的高校在修訂畢業要求時參考了工程教育國際認證的要求,對畢業要求進行細化、量化,除了對專業知識和技能的重視,也增加了對團隊協作和溝通能力、運用現代技術獲取信息能力、以及具有良好的質量、安全、效益、環境、職業健康和服務意識等綜合能力的要求,但仍然有很多高校的畢業要求過于簡單籠統,較難進行評價。
3.質量保障體系。各高校普遍都有相應的規章制度來監控教學過程、跟蹤畢業生以及根據各方反饋進行持續改進,但較少有根據畢業生的反饋信息形成分析報告,并根據各方反饋形成文檔形式的持續改進報告。同時對于圍繞畢業要求對應到質量點的有效性考查不足,對于實施情況的效果評價并沒有到位。在實踐教學方面對于教學實際內容是否能支持畢業要求達成分析不足,往往不能反映部分同學的訓練不足問題。
4.知識體系和核心課程體系。工程教育認證標準要求課程體系設計有企業或行業專家參與[4]。然而盡管當前一些高校在形式上讓部分專家擔任企業導師進行授課,但在授課內容方面過于偏重工程實際,造成學生重視工程技術類操作過程而忽略了其相關理論。在知識體系方面,以上海理工大學光電信息科學與工程專業為例,學科基礎知識需涵蓋電路與電子技術、計算機系統與應用、信號與系統、電磁場與波等知識領域的核心內容,專業基礎知識應包括物理光學、應用光學、光電子學、光電檢測、激光原理、信息光學、通信原理、工程圖學中至少4個知識領域的核心內容。同時在講授相應專業基本知識領域和專業方向知識時,應講授相關的專業發展歷史和現狀。根據我們對47個收集到的培養方案的分析,很多學校缺乏信號與系統知識領域的相關課程。應積極探索這些核心課程的評級機制,因為科學的課程評價方式是人才培養目標順利實現的保證。但部分高校僅僅是設置了這些工程課程,所缺乏的評價機制不能夠切實讓這些外部專家在課程教育教學中充分發揮其應有的作用。
三、專業建設及培養方案改進策略
根據以上分析發現的針對工程教育的一些共性問題,我們對工科專業培養方案及專業建設提出以下建議。
1.培養目標。增加對學生創新創業能力的要求;增加對學生畢業后應該具有能力的預期要求,促進和加強這些要求和畢業要求的關聯性;培養目標應更好反映學校的學科特色、行業特點以及學校的區域特色;培養目標的制定應有行業專家參與并有相關文字資料佐證;培養方案應盡量做到網上公開。做好畢業生5年后情況跟蹤,為培養目標的持續改進提供有效的數據,通過調研畢業生的競爭優勢和社會責任承擔情況,合理規劃在校生培養目標。
2.畢業要求。參考工程教育國際認證的要求,對畢業要求進行細化、量化;除了對專業知識和技能的重視,也應增加對團隊協作和溝通能力、運用現代技術獲取信息能力、以及具有良好的質量、安全、效益、環境、職業健康和服務意識等綜合能力的要求。培養學生綜合利用以新興互聯網、增強現實為代表的現代工具提高其模擬預測能力,以達到實現深刻掌握和理解相關知識和技能的要求。面向全體學生對象,制定教學過程訓練和考核規劃方案,做到公平公開。建立長期有效與業界同行和社會公眾的溝通機制,及時解決工程問題,在不同文化背景下加大不同類型的交流活動,促進教學實踐的國際化。
3.質量保障體系。建立有效的跟蹤和反饋機制,及時了解畢業生信息,進而形成社會參與的各方常態評價。依據畢業生的反饋信息和評價意見,進行持續改進。
4.知識體系和核心課程體系。增加創新創業類通識課程;在授課內容方面增加專業導論課程相關的專業發展歷史和現狀;注意增加知識領域的相關體系課程。注重理論聯系實際,從而能夠培養工程人才感受基礎理論是如何有效指導工程技術和實踐操作的過程。重視企業導師開展的實踐課程和課堂效果,實施有效的評價機制促進設計性實驗、課程設計、畢業設計和生產實習的進行過程。
5.理科類與工科類教學實踐環節的共性與差異。目前各高校均比較重視實踐環節,認證過程對實驗設備和經費投入的要求很大程度上也是為了保證實踐環節的數量和質量。理科類專業隊實踐環節的要求并不比工科類專業低,但由于培養目標的差異,兩者對實踐環節的要求還是各有側重的。工科培養的是工程型人才,應加強和企業聯合的實踐環節,加強規范化、標準化等方面的訓練;理科培養的是科研型人才,更注重動手組裝和搭建實驗的能力,應加強和科研院所的聯系,從理解器件原理、設備原理及其關鍵注意事項著手訓練。
參考文獻:
[1]鄧瓊.探究工程教育認證提升專業建設水平[J].教育教學論壇,2015,(9).
[2]林健.工程教育認證與工程教育改革和發展[J].工程教育前沿,2015,(2).
中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2010)22-0117-03
Method of Curve Vector Data Compression Based on IWT and FCM
ZHANG Jun-lan1, WANG Yi2
(1. College of Information Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. Ocean University of China, Qingdao 266003, China)
Abstract: The vector data compression has great significance in GIS data storage, network transmission and its application in mobile devices. A compression method based on the integer wavelet transform (IWT) and fuzzy C means (FCM) is proposed according to the analysis for the characteristic of curve vector data. The compressionscheme includes 3 steps: integer form of vector data, offset sequence processing with IWT and coding compression of transformed wavelet coefficients. The lossy coding of curve vector data was realized with the dictionary coding of FCM. Compared with other algorithms, this method has the characteristics of high compression ratio and less distortion.Keywords: spatial vector data; integer wavelet transform (IWT); FCM; dictionary encoding; SHP
對矢量化后的地形圖等進行壓縮處理的過程稱之為空間矢量數據的壓縮。地圖數字化中矢量數據的壓縮主要包括各種地形圖要素的數據壓縮。等高線是地圖中最多的圖形要素,所以對矢量化后的地圖的數據壓縮主要是對曲線的壓縮,目前討論最多的也是曲線矢量數據的壓縮。在此針對矢量數據的壓縮問題進行研究。
傳統的矢量數據壓縮方法的核心思想是從矢量數據的坐標點集中運用一定的算法抽取出最能體現矢量數據特征的子集。這類曲線矢量數據壓縮算法主要有:垂距限值法、角度限值法、Douglas-Peucker算法(Splitnig算法),以及黃培之提出的具有預測功能的曲線矢量數據壓縮方法等[1-3]。
近年來,矢量數據的量化編碼壓縮算法的研究得到重視。鐘尚平等[4]根據平面矢量地圖文件的存儲特性,有機結合“無附加碼書”字典編碼方法,可逆并顯著地壓縮了矢量地圖。王立勝等[5]基于第二代小波變換理論實現了對空間矢量數據的無損壓縮。黃越峰等提出了使用基于整數小波變換和FFEP編碼的曲線數據壓縮方法[6]。Kolesnikov等提出了鏈碼方法用于矢量數據壓縮[7]。
本文首次提出結合實際矢量數據文件的存儲結構和曲線矢量數據的特性,將浮點型的矢量數據坐標值預處理成整型值表示的坐標值之間的偏移量。進而引入先進的整數小波變換對整型的偏移量序列進一步處理,分析變換后的小波系數的幅值,分布等特征后,采用了高效的基于模糊c均值聚類和字典法編碼方案進行壓縮存儲。實驗結果表明,本文的壓縮方法能夠達到較高的無損壓縮比。
1 矢量數據的整型化
矢量數據文件一般包括表示數據屬性和存儲結構的元信息和實際圖形的坐標點序列,其中浮點型坐標點序列占據了文件的絕大部分存儲空間。對矢量數據文件進行壓縮主要是對坐標點序列進行壓縮。
對于二維的平面矢量數據,坐標點序列由x坐標序列和y坐標序列組成。由于使用浮點型表示,每個坐標值占用的存儲空間為8個字節。本文使用的是基于整數小波變換的壓縮方法,因此首先是將坐標點序列用整型數表示。
由于同一曲線和多邊形實體的坐標點序列是密集的和順序的,因此相鄰點間的坐標值之差的變化范圍很小,可以用整型數來表示。對于由N個點序列([Xn,Yn],n=0,1,2,…,N-1)表示的曲線或多邊形實體,坐標值整型化為([X′n,Y′n]n=0,1,2…N-1)過程如下:
步驟1: 記錄X0, Y0,令X┆0 ′ = 0,Y┆0 ′ = 0。
步驟2: 對于n=1,2,…,N-1,X′n=Xn-Xn-1Y′n=Yn-Yn-1。
步驟3: 已知Xn的最高精度為10-p,Yn的最高精度為10-q,則X′n=X′n×10p,Y′n=Y′n×10q。
2 整數小波變換及其在矢量數據壓縮中的應用
2.1 整數小波變換
傳統的小波變換又稱為第一代小波變換,其變換過程主要是利用小波濾波器組對圖像行列分別濾波,進行卷積運算,由于都是實數域的變換,即使待分析信號本身是整數序列,相應小波變換系數也是實數。由于數字圖像一般都是用整數表示,非常希望有一種“整數-整數小波變換”,將整數序列映射為整數小波系數,并且這種映射是可逆的,具有這種性質的小波變換稱為整數小波變換(IWT)。Sweldens等提出的提升(lifting)小波變換方法是一種新的小波變換工具,利用它可以不采用傅里葉變換作為主要分析工具,能夠很容易地構造一般的整數小波變換[8]。
2.2 整數小波變換在曲線矢量數據壓縮中的應用
整數小波變換可以將數據的絕大部分能量壓縮到低頻系數中,只有少部分在高頻系數中。利用整數小波變換的這個特性可以實現數據的壓縮。近年來基于整數小波變換的圖像壓縮已經成為一個研究熱點[9]。
為了直觀說明整數小波系數分布的特點,本文對國家鐵路線曲線矢量數據(SHP格式)使用第1節中的整型化處理后,進行了兩層整數小波變換分解,并對小波系數進行統計分析如圖1所示。
圖1 全國鐵路線曲線矢量數據
經過對圖2的數據點分布圖和圖3的整數小波系數分布圖進行對比,可以發現數據點經整數小波變換后得到的小波系數在空間分布上聚集性更強,大量的幅值分布在零附近,達到了去相關的目的,適合于采用高效的編碼壓縮方法。
圖2 整型化處理后的數據點分布圖
圖3 數據點經整數小波變換后的小波系數空間分布圖
3 基于整數小波變換(IWT)和模糊k-均值聚類的編碼壓縮方案
3.1 壓縮流程
使用IWT變換壓縮曲線矢量數據的原理是通過IWT變換將空間域的坐標串變換為頻率域的小波系數序列,對系數序列進行量化和編碼獲得壓縮數據流。在使用IWT變換前,將同一條曲線或者多邊形實體的矢量數據組成一個待壓縮子塊。對每個塊中的x和y坐標序列使用第一節中整型化方法轉化成整型的偏移量序列。對得到的整型偏移 量序列進行整數小波變換,得到小波系數序列。對小波系數進行編碼,得到壓縮后的矢量數據。壓縮流程如圖4所示。
圖4 IWT曲線矢量數據壓縮流程
3.2 整數小波系數編碼
由2.2節的統計分析可知,曲線矢量數據經過整型化和整數小波變換處理后得到的整數小波系數在空間分布上非常集中,大量的幅值集中在零附近。本文針對這個特點,提出使用改進的一維模糊c-均值聚類算法對整數小波系數進行聚類,建立系數字典,將整數小波系數轉換為其所屬類均值對應的字典索引,從而實現快速高效的編碼。
3.2.1 模糊c-均值聚類(FCM)
設{xi,i=1,2,…,n}是n個樣本組成的樣本集合,預定類別數目c,mi,i=1,2,…,c為每個聚類的中心,μj(xi)是第i個樣本對于第j類的隸屬度函數。用隸屬度函數定義聚類損失函數Lμ:
L│ = ∑cj = 1∑ni = 1[μj (xi )]bdi 2j (1)
式中:di j = xi -mj 為第i個樣本與第j個聚類中心間的歐幾里得距離;b∈(1,∞)是可以控制聚類結果模糊程度的常數。
模糊c-均值方法[10]要求每個樣本對于各個聚類的隸屬度之和為1。Ъ匆滿足:
∑cj=1μj(xi)=1, i=1,2,…,n(2)
使用拉格朗日乘數法進行推導,可以得到使式(1)取極小值的必要條件:
mj=∑ni=1[μj(xi)]bxi/∑ni=1[μj(xi)]b(3)
μj (xi ) = 1/∑ck = 1(di j /dik )2/(b-1)(4)
由上述2個必要條件,模糊c-均值聚類算法是一個簡單的迭代過程。算法步驟如下:
步驟1:設定聚類數目c和參數b。
步驟2:初始化各個聚類中心mi。
步驟3:根據式(4)計算隸屬度函數。如果小于掣霆確定的閾值,或相對上次隸屬度函數值的改變量小于某個閾值,算法停止。
步驟4:根據式(3)更新各類聚類中心。
3.2.2 使用FCM字典法對整數小波系數編碼
分別取出x方向的部分小波系數和y方向的部分小波系數當做做樣本集合,使用3.2.1中的FCM算法分別得到x方向和y方向上的若干個聚類中心。由于整數小波系數是一維的,因此使用的是計算速度和收斂速度都很快的一維形式的FCM。
建立由聚類中心和對應索引組成的字典。編碼時,將小波系數轉換成其所屬聚類中心對應的字典索引。字典索引的編碼長度由聚類數目決定,若聚類數目為2n,則索引的編碼長度為n位。
4 實 驗
實驗數據采用了國家基礎地理信息中心下載的中國數字地理地圖數據SHP文件,包含中國國境線矢量數據,中國境內鐵路線、公路線、河流分布等矢量數據。采用本文的壓縮編碼方案和文獻11中直接對曲線矢量數據進行聚類法壓縮方式[11]進行壓縮實驗,得到的實驗結果如表1所示。
表1 實驗結果
實驗數據bou1_4p.shpHydl_4p.shprai_4m.shproa_4m.shp
原始數據大小 /KB1 041 910754584
直接聚類法
壓縮后大小/KB133.5115.2101.981.1
壓縮比7.87.97.47.2
均方誤差16171615
最大誤差30313329
本文算法
壓縮后大小/KB65.959.149.939.7
壓縮比15.815.415.114.7
均方誤差9.28.99.18.6
最大誤差22212019
實驗主要對比的性能指標:
(1) 壓縮比。原始矢量數據大小與壓縮編碼后的數據量的比值。
(2) 均方誤差(mean square error,MSE)和最大絕對誤差(maximum absolute error,MAE)。假設原始數據由M個點組成,每個點的值為Pi ,重建后的點為Pi′,那么MSE和MAE定義為:
MSE=1M∑M-1i=0(Pi-Pi′)2
MAE=max0≤i≤M-1{|xi-xi′|,|yi-yi′|}
實驗結果表明,使用本文的算法相比直接使用矢量數據的聚類算法能夠提高壓縮比并且能夠降低重建后的矢量數據的失真程度。
5 結 語
GIS地圖數據中的曲線或多邊形矢量數據,其坐標相鄰點間的坐標值之差的變化范圍很小,可以用整型數來表示,并且坐標點序列內部存在很大的相關性。因此,可以通過對浮點型的坐標點序列轉換成整型偏移量序列,再進行整數小波變換和采用合適的編碼壓縮方案進行此類矢量數據的壓縮。實驗結果表明,使用本文的基于整數小波變換的曲線矢量數據壓縮方案,可以達到較高的壓縮比和較小的失真。在實際GIS系統實時使用中,對壓縮解壓縮的速度也有很高的要求,如何在盡量不減少壓縮比的前提下最大化的降低計算的時間消耗有待進一步的研究。
參考文獻
[1]黃培之.具有預測功能的曲線矢量數據方法[J].測繪學報,1995,24(4):316-319.
[2]DOUGLAS D H, PEUCKER T K. Algorithms for the reduction of the number of points required to represent a digitized line or its caricature[J]. The Canadian Cartographer, 1973,10:112-122.
[3]KOLESNIKOV A ,AKIMOV A. Distortion-constrained compression of vector maps[C]//Proceedings of the 2007 ACM Symposium on Applied computing. Seoul: ACM, 2007:8-12.
[4]鐘尚平,高慶獅. 一類矢量地圖的無損壓縮算法[J].系統仿真學報,2004,10(16):2189-2194.
[5]王立勝,閔曉瑜.一種面向移動用戶的空間矢量數據壓縮算法[J].自動化技術與應用,2004,12(23):20-22.
[6]黃越峰,鐘耳順,郭會.移動計算環境中曲線數據實時壓縮方法[J].計算機輔助設計與圖形學學報,2009(21):88-93.
[7]AKIMOV A, KOLESNIKOV A, FRANTI P. Lossless compression of map contours by context tree modeling of chain codes[J].Pattern Recognition,2007,40(3):944-952.
[8]丁緒星.基于整數小波變換的圖像編碼研究與實現[D].南京:南京理工大學,2004.
[9]余先川,張立保,朱童,等.基于整數小波與提升框架的遙感圖像壓縮[J].光學學報:信息光學專刊,2009,29(12):221-224.