小波视频编码中运动补偿技术研究进展(完整版)实用资料

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小波视频编码中运动补偿技术研究进展（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）第27卷第9期2006年9月小型微型计算机系统MINI-MICROSYSTEMSVol127No.9Sep.2006小波视频编码中运动补偿技术研究进展房胜1,梁永全1,钟玉琢21(2(山东科技大学计算机科学与技术系,山东青岛266510)清华大学计算机科学与技术系,北京100084)E2mail:fangsheng@摘要:近年来小波视频编码技术在快速发展,作为视频编码核心步骤的运动补偿技术更是受到了高度重视.许多用于提高编码效率和提供新功能的观点和方法被提出.在介绍小波视频编码技术特点和基本方法的基础上,着重介绍了运动补偿技术在时域和小波域实现的最新进展,并对发展趋势进行了展望.关键词:运动补偿;小波视频编解码;MCTF;可扩展性中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:100021220(2006)0921737204AdvancesinMotionCompensationforWavelet-BasedVideoCodec112FANGSheng,LIANGYong2quan,ZHONGYu2zhuo1(2(DepartmentofComputerScienceandTechnology,ShandongUniversityofand,QdChina)DepartmentofComputerScience&Technology,TsinghuaUniversity,Bing)Abstract:Inlastdecades,thewavelet2basedvideocodec.Asakeyroleofvideocodecthemotioncom2.ewnewpracticaldesignsforhighefficiencyandpowerfulpensationhasbeenreceivingmoreandmofunctionswerepromptedoutoneononofthecharacteristicsandfundamentalmethodofwavelet2basedvideocodec,ththeofmotioncompensationimplementationintemporalandwaveletdomain,fi2nallythefutureentout.Keywords:motionon;wavelet2basedvideocodec;MCTF;scalabilities1引言(PervasiveComputing)概念的提近年来随着“普适计算”出,“无所不在的计算”已经成为计算机发展的大趋势.不远的将来运动序列图像将主要是通过网络进行分发,无论是无线的还是有线的,而这些信道的带宽总是根据网络的情况而变化.视频信号还会被不同的设备存储,也会被不同性能的设备处理和播放,如DVD,PC,投影机,甚至是.在未来各种编码标准的努力方向不再仅仅是致力于提高编码的效率,还要求提供额外的功能,这主要包括内容的多层描述、解码时对压缩信息的各种有效操作等.例如静态图像压缩标准随JPEG2000[1]支持渐进传输、ROI(RegionOfInteresting)、机存取等特性,这些特性在异构的网络环境中具有广阔的应用前景,如远程医疗,数码相机等.这些要求同样反映到了对视频编码技术的要求中[2,3].视频编码系统中的可扩展性(scalability)包括空域可扩展性(分辨率扩展),时域可扩展性(帧率扩展),质量可扩展性和复杂度可扩展性等[2].所谓可扩展性是指对于一次编码后的码流可以进行多种情况下的解码,解码获得的重构视频质量与解码端能力相关.在视频编码中,传统的标准如MPEG和H.26x等,一直采用的是运动补偿预测和基于DCT块变换相结合的方式,由于预测环路循环结构的存在,对于可扩展性的要求显然不能得到满足.在视频压缩领域可扩展性的要求仍然是一个开放的亟需研究的领域.随着最近几年小波技术在运动补偿实现上的突破,基于小波的视频编解码技术成为一种现实的可实现的可扩展性编码机制,并成为新的MPEG标准候选方案[3].同传统的视频编解码标准相比,小波视频编解码技术有众多优势:解码时在不同的码率和分辨率上进行,由于不存在类似现有标准的预测环路结构,所以不会出现错误漂移;可以灵活的进行长程或者短程时域冗余去除;可以根据情况选择时域和空域分解级,滤波器实现方法等.因此小波视频编解码技术可以满足空域,时域以及质量扩展的要求.运动补偿技术一直是视频编码中的核心环节,对于提高编码质量起着决定性作用.对于传统的视频编码标准,小波视频编码技术能否取而代之的一个主要因素就是编码质量不能低于传统视频编码标准.同时由于运动补偿对于码流的可扩展性有着重要的影响,因此运动补偿如何集成到现有的小波系统中是小波视频编码技术发展的一个关键.2小波视频编码运动补偿基础收稿日期:2005206214基金项目:国家自然科学资金项目(70371052)资助;青岛市自然科学基金项目(05212JC288)资助.作者简介:房胜,男,1938年生,副教授,研究方向为视频编解码技术,信息家电等;梁永全,男,1967年生,博士,教授,博士生导师,研究方向为多媒体数据库,图像理解等;钟玉琢,男,1938年生,教授,博士生导师,研究方向为视频编码技术,视频点播,信息家电等.1738小型微型计算机系统2006年小波视频编码技术以小波图像压缩方法为基础,著名的缩算法的发展可参考文献[4],本文不再详述.基于小波的视频运动补偿压缩算法可以分为三大类.第一类是由传统编码标准发展而来的,这种方法仍然采用传统的循环预测机制,对于预测残差帧使用DWT而不是DCT变换进行处理,变换的系数采用SPIHT等技术进行编码,这种方法虽然可以提供一定程度的质量可扩展特性,但是具有较大的局限性.如果残差信号完全由运动补偿的环路所处理,那么在不同的码率下进行解码必然会产生误差漂移,而如果残差信号不是完全由运动补偿的环路处理,例如只把其应用到一个基础层,那么编码效率又必然会下降.另外空间分辨率也受到这种结构的负面影响.根据文献[5]分析,这种运动补偿方法的效率低于基于DCT块结构方式.第二类则是首先沿时域方向进行运动补偿和小波分解,然后对各帧进行空域2D小波变换,称为t+2D结构,第三类则是先在各帧的空域进行2D小波变换,然后再沿时域方向进行运动补偿和时域小波分解,称为2D+t结构.第二,三类方法是现在国际上研究的主流,本文将在第三章对这两种类型的运动补偿技术发展进行详细的介绍.不管是t+2D结构还是2D+t结构,从本质上看是波视频编码[6,7]工作,Fes,帧组)3维变换,3D视频编码中,其中典型的如3SPT方法[8],该方法利用3D小波系数树的对应关系使用位平面量化机制获得质量完全可扩展的码流,但是此方法也造成了在编码过程中小波系数空间结构的彻底破坏.另外一种有效的3D编码方法是3DESCOT(Em2beddedSubbandCodingwithOptimizedTruncation)[9],每个子带的系数使用一个独立的位平面编码,使用上下文自适应算术编码和全局率失真优化函数提高编码效率,相对于3DSPIHT方法其编码效率更高,并且除了完全质量可扩展特性小波图像编码方法有EZW,SPIHT等算法,关于小波图像压基于MCTF的t+2D结构较早是由文献[12]提出的.对于运动图像来说,如果图像中包含的运动轨迹不存在任何冲突,综合滤波器就可以实现完全重构.但事实上图像中的运动是多种多样的,有些物体在画面中会消失或者出现,有些物体则会相互遮挡,这样就导致了在相邻帧中会出现未连接(un2connected)和多连接(multipleconnected)像素,即在运动估计过程中当前帧可能有多个像素对应着参考帧的同一像素,或前一帧的某像素与当前帧的任一像素都不对应,这种运动的冲突如果不进行处理,就会增大残差帧信号,降低编码的效率.文献[12]对这些情况进行了分析,把像素分为正常,未连接和多连接三种情况,在低频帧和高频帧的分析、综合公式中分别进行相应处理.但是该方法只适用于全像素精度运动补偿,在半像素以上精度的运动补偿中不能实现完全重构.随着lifting小波[13],开始出现一些精心设计的滤波器,作.Lifting(on)和更新(Up2,lifting滤波器把对,而且不管分解级别是多少,从初,即从本质上讲基于lifting操作的MCTF是非循环的,这就从根本上解决了误差漂移问题.在基于lifting的MCTF中,如果运动补偿是采用基于块的方式,原始图像坐标和预测产生的高频帧坐标之间保持一致,这种一致性使低频帧和原始图像之间的坐标在经历了更新步骤后仍能保持一致,因此无论是未连接还是多连接像素都可以得到近似的完全重构.根据此原理文献[14][15]将其应用到了视频编码中.基于Lifting的MCTF中,运动补偿可以很容易的从单向预测(前向,或者后向)扩展到双向预测,有利于提高编码的效率[15].在MCTF的实现过程中,一个重要的问题就是运动估计和运动补偿是在何种单位上进行的.传统的编码标准往往采用基于16x16块的方式进行,在新的H.264标准中,运动补偿的块尺寸大小是可变的.不同于传统的基于DCT的编码标准,小波视频编解码在运动补偿后的处理采用小波变换,由于小波变换是面向图像的整域,因此与基于块的运动补偿方式是不匹配的.为了降低这种不匹配的影响,一些传统的视频编码标准中的运动补偿技术被应用到了3D小波视频运动补偿中,包括运动补偿块尺寸大小可变[16],重叠运动补偿技术OBMC[17](OverlappedBlockMotionCompensation)等.另外由于图像中的运动不仅仅是简单的刚体运动,如平移等,基于块的运动估计对于扩张,收缩,旋转等复杂运动误差较大,在文献[18]中提出了使用可变形四边形网格进行运动补偿,针对复杂运动提高运动补偿效率并实现完全重构.对于t+2D结构的小波视频编解码系统来说,3D小波变换后的系数量化及编码等步骤所采用的方法与传统的3D小波编码方法基本一致.文献[16][18]中的实验结果表明,采用MCTF的t+2D小波视频编码技术获得的编码质量,与所有优化选项全部开启编码层数为1的H.264编码器获得的结果外,还提供分辨率和帧率可扩展特性.以上两种典型的3D小波编码方法都未使用运动补偿技术.对于运动补偿的使用,习惯上总是将其与预测机制耦合起来,但是事实上这种限制是没有必要的,运动补偿完全可以看作是在时域方向把滤波器操作与图像中运动轨迹进行对齐的一种方法[10,11].即在运动补偿是基于预测时,滤波器就是执行分析和综合功能,而如果运动补偿与变换或小波编码技术结合起来,变换中的基函数下标要根据运动补偿的要求进行对齐操作,这种技术被称为MCTF(Motion2CompensatedTemporalFiltering).如果把MCTF与2D小波空间变换结合起来就得到了集成运动补偿技术的3D小波变换.根据MCTF与2D小波变换的顺序,3D小波运动补偿机制可以分为t+2D和2D+t两种类型.3小波视频编码运动补偿实现进展3.1时域运动补偿(t+2D结构)实现进展9期房胜等:小波视频编码中运动补偿技术研究进展1739非常接近,并且基于小波t+2DMCTF方法还可以提供码流的可扩展特性.3.2小波域运动补偿(2D+t结构)的研究进展虽然基于t+2DMCTF的小波视频编码机制取得了较好的编码效果,但是这种结构仍然存在一些问题.首先如果运动补偿是在高空域分辨率下进行,而解码是在低空域分辨率下,就会造成所谓的"子采样相位漂移"(subsamplingphasedrift).另外,这种结构也限制了运动补偿的效率,例如在运动边界的不连续会形成小波子带中的高频分量;无论何种空间分辨率,运动估计的精度,块尺寸等都是固定的,这就造成了解码时得到的低分辨率视频质量必然不会是最优的.最后,运动矢量的编码在码流中的比例是较高的,在t+2D结构中不论解码的分辨率是多少,所有的运动矢量都必须编码传输,造成了码率的浪费.这些问题可以通过2D+t的结构解决.2D+t的结构中首先对图像序列的各帧先进行空域2D小波变换,然后使用MCTF技术进行时域方向的小波变换,这时运动补偿是在各级小波子带之间完成的.小波的天然多分辨率特点为上述问题提供了解决途径.文献[19]最早提出了基于小波域的多分辨率运动估计算法,但是由于DWT的平移变化特性(shift2variantp)无法在小波域内精确界定相邻帧间的运动,匹配误差,]难,文献[20]T(Redun2dantDiscreteW,complete2to2over2completeDWT)LBS(Low2Band2Shift)方法,,并以匹配误差最小的相位子带组成小波块(WaveletBlock)进行预测,大幅提高了小波域运动补偿的效率.LBS方法为小波域运动补偿的发展找到了一个新途径,但是以上方法仍然采用基于循环结构的编码机制.文献[21]在文献[20]的基础上提出了带内预测(In2BandPrediction)方法,同文献[20]中运动补偿方法的差别在于以各子带中的块为匹配单位,按子带顺序进行运动补偿,同时后续过程采用MCTF机制,运动补偿中块的大小根据各级子带的分辨率自适应进行改变.文献[22]则把lifting小波应用到这种机制中.在2D+tMCTF的结构中,运动估计的精度是自适应的,各个子带采用的运动估计块尺寸不同,对最低级的分辨率使用最粗糙的运动估计,反之则提高运动估计的精度[21].对不同的分辨率还可以使用不同的时域滤波方式,如对于基带可以使用双向预测增加预测精度,而对于高频子带则可以使用前向预测方式.如果使用Lifting小波进行MCTF工作,还可以针对不同的子带设计不同的预测和更新操作从而优化编码效率,并降低系统的复杂度[22].此种技术还可以使用不同的GOP结构增加系统的灵活性,例如对基带进行处理时,GOF结构的数目较多;而对高频子带GOF的数目则较少[21].LBS是RDWT的一种实现方式,RDWT还可以通过多孔算法实现.多孔算法的特点是去掉了DWT分解过程中的向下采样过程,生成的子带与原始信号的分辨率是相同的.基于这种RDWT的方式,文献[23]提出了在RDWT小波域使用可变形四边形网格运动补偿的方法.由于RDWT保持了平移不变特性,并且子带的空间分辨率与原图像是相同的,因此运动补偿效率较高,而且可以把传统视频编码中的一些技术应用到RDWT小波域,如OBMC方法[24].文献[25]提出,基于孔径问题原理使用冗余离散变换小波水平和垂直子带构造三角形网格节点选取判据,使用不规则三角形网格进行运动补偿,实验结果表明获得的运动补偿效率优于规则三角形网格方法.本文作者还提出了在参考帧和当前帧的RDWT域进行运动补偿,使用提出的一种RDWT小波块结构,利用RDWT域的全相位子带信息提高运动补偿效率[26].对于任何编码标准来说前向兼容是必要的,文献[27]开始考虑2D+t结构与传统编码标准的兼容性问题,提出使用与传统标准兼容的方法构造一个基础层,对于高频子带则采用2D+tMCTF结构进行编码,相当于增强层,这与目前MPEG24中FGS的实现形式是一致的.3.3与3D在3D究,运动矢量的编码等.文献]arr53,发现基于53小波的F.通过一个理想信号模型和运动估计偏,与KLT变换比较后得到了一个性能下限,并且估计基于MCTF的机制要比传统的循环预测机制编码性能高出0.5比特每样本.在文献[29]中通过去掉Lifting小波中的更新步骤得到了更高效和更灵活的时域滤波方法.文献[30]提出了一种基于上下文的可扩展运动矢量编码方法,把最低级的运动矢量作为一个基础,在后续的层中对其不断进行细化,这样相当于创建了一个可扩展的运动矢量比特流结构层.文献[31]提出了一种新的面向MCTF的失真率控制结构,解码帧的失真表示为时域分解级相应参考帧的函数,这种控制机制提供了如何在总平均失真率和当前解码的GOF失真率之间进行折衷的方法.4结论基于小波的视频编解码技术最近取得了快速发展,特别是运动补偿技术的突破使3D小波编码在获得较高编码效率的同时,提供了众多的实用功能,如空域,时域和质量的可扩展特性.现在的小波视频编码技术的研究基本上是围绕着MCTF的概念展开的.根据MCTF和空域2D小波变换的顺序,3D小波视频编码可以分为t+2D和2D+t两种结构.t+2D结构研究的时间早于2D+t结构,在实验系统中取得了较好的效果.最近两三年2D+t的研究引起了国际上广泛的注意,并取得了众多的实验成果.然而与传统的视频编码标准相比较,小波视频编码技术的发展时间较短,仍然存在较多需要进一步研究的问题,如帧间编码和帧内编码的转换在传统编码中已经是成熟的技术,如何应用到小波编码方法中仍待研究;与传统标准的兼容更是一个严峻的问题;另外基于RDWT小波的MCTF方法,虽然现在由于计算能力的限制实用性不高,但是在编码效率上表现更优,值得关注.随着文献[3]对高度可扩展编码方案的征召,小波编码技术可能会成为1740小型微型计算机系统2006年MPEG221的一部分,对此我们应该给予更多的关注.References:[1]ISOIECJTC1SC29WG1,FCD1544421,JPEG2000imagecodingsystem[C].The7thMeetingofISOTECJTC1SC29WG1,Vancouver,July,1999.[2]ISOIECJTC1SC29WG11N6025,Requirementsandappli2cationsforscalablevideocoding[S].MPEGmeeting,GoldCoast,October2003.[3]ISOIECJTC1SC29WG11N6193,Callforproposalsonscal2ablevideocodingtechnology[S].MPEGmeeting,Waikoloa,December2003.[4]ZhangZong2ping,LiuGui2zhong.Advancesinwavelet2basedvideocompression[J].ACTAElectronicaSinca,2002,30(6):8832889.[5]EbrahimiT,vanderSchaarM,OhmJR.Thestatusofinter2framewaveletcodingexplorationinMPEG[S].ISOIECJTC1SC29WG11,n4928,MPEGmeeting,Klagenfurt,Aus2.2002.tria,Jul[6]KarlssonG,VetterliM.Three2dimensionalsub2bandcodingofvideo[A].Proc.InternationalConferenceonAccousticsSpeechandSignalProc.[C],ICASSP1988,NewYork,US,M7.9,May1988,110021103.[7]LewisAS,KnowlesG.Videocompressionusing3Dwtransforms[J].ElectronicLetters,1990,26(5):3962398.[8]Kim,XiongZ,PearlmanWA.Lowbit2videoingwith3Dsetpartitioning3DIHT[J].IEEETrans.OnCsrVideoTechnolo2gy,2000,10(.[9]XuJ,XiongZ,al.T2dimensionalembeddedsub2bandcodingwithtimizedtruncation(32DESCOT)[J].Ap2pliedandComputationalHarmonicAnalysis:SpecialIssueonWaveletApplicationsinEngineering.2001,10,2902315.[10]KronanderT.Someaspectofperceptionbasedimagecoding[D].LinkopingUniversity,1989.[11]DTaubman.Directionalityandscalabilityinimageandvideocompression[D].California:UniversityofCaliforniaatBerke2ley,1994.[12]OhmJR.Three2dimensionalsubbandcodingwithmotioncom2pensation[J].IEEETrans.ImageProcessing,1994,3(5):5592571.[13]DaubechiesI,SweldensW.Factoringwavelettransformsintoliftingsteps[J].JournalofFourierAnalysisandApplication.Mar.1998,4(3):2472269.[14]Pesquet2PopescuB,BottreauV.Three2dimensionalliftingschemesformotion2compensatedvideocompression[C].Proc.IEEEICASSP2001[C],2001:179321796.[15]SeckerA,TaubmanD.Motion2compensatedhighly2scalablevideocompressionusinganadaptive3Dwavelettransformbasedonlifting[A].Proc.IEEEICIP2001[C],2001:102921032.[16]GolwelkarA,WoodsJW.Scalablevideocompressionusinglongermotioncompensatedtemporalfilter[A].Proc.SPIEVCIP2003[C],2003,5150:140621417.[17]HankeK,RusertT,OhmJR.Motion2compensated3Dvideocodingusingsmoothtransitions[A].ProcSPIEVCIP2003[C].2003,5022:9332940.[18]SeckerA,TaubmanD.Highlyscalablevideocompressionusingalifting2based3dwavelettransformwithdeformablemeshmo2tioncompensation[A].ProceedingsoftheInternationalConfer2enceonImageProcessing[C].Rochester,NY.2002,3:7492752.[19]ZhangYQ,ZafarS.Motioncompensatedwavelettransformcodingforcolorvideocompression[J].IEEETrans.OnCir2cuitsandSystemforVideoTech,Mar.1992,2(3):2852296.[20]ParkHW,KimHS.Motionestimationusinglow2band2shiftmethodforwavelet2basedmoving2picturecoding[J].IEEETrans.ImageProcessing,April,2000,9(4):5772587.[21]AndreopoulosY,vanderSchaarM,MunteanuA,etal.Fully2scalablewaveletvideocodingusingin2bandmotion2compensatedtempo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菌群。3.2沼气干发酵的影响因素现有的研究结果表明:在沼气干发酵过程中温度是调控发酵菌群、强化产气的重要手段。在常温发酵条件下,发酵料液温度随季节的变化受气温、地温的直接影响,波动较大,导致微生物生长和沼气产量均不稳定;中温发酵的温度控制在30℃～38℃之间,在该温度条件下微生物的形成稳定的优势种群,其生长代谢稳定,沼气产量较高;高温发酵的温度在50℃～55℃之间,此时微生物对原料分。艾平[17]等人通过正交试验,研究了厌氧干发酵处理畜禽粪便过程中发酵温度,得到了厌氧干发酵处理的优化工艺条件:发酵温度为55℃,C/N为12.5。FatmaA[18]在37℃,55℃及65℃条件下对鸡粪进行批量式干发酵试验,55℃及65℃进行的发酵样品未检测到甲烷,而在中温37℃的情况下对鸡粪进行干发酵,培养254天,取得了较好的产气效果(31mL·gVS-1。BujoczekG[19]则认为:以鸡粪为原料,固含量超过21.7%的情况下35℃进行发酵,产生效果不太好。适宜的pH值环境对沼气的沼气干发酵效果有着至关重要的作用。沼气干发酵的最适pH值为6.8～7.4,6.4以下或7.6以上都对产气有抑制作用,pH值在5.5以下,产甲烷菌的活动则完全受到抑制。控制发酵体系的pH值(7.0～7.2,使产甲烷菌处于最佳的生存状态,是提高水稻秸秆发酵产沼气的关键[20]。与常规的沼气发酵相似,适当的添加微量元素能够促进微生物的生长和代谢。微量元素镍、钴能够显著影响稻草干发酵的日产气量,适当的添加镍、钴有利于甲烷菌的生长,但过高的添加量反而会抑制甲烷菌的生长[21]。马诗淳[22]从微生物代谢调控的角度出发,研究纤维素厌氧分解菌和筛选促进纤维素降解产甲烷的刺激因子,发现不同刺激因子对微生物群落结构的组成和丰度影响显著,同一刺激因子不同培养时间的微生物群落结构变化明显。另外适量的添加水解酶能够增加沼气的产量[23～24]。3.3沼气干发酵的原料3.3.1农作物秸杆随着我国农业经济发展及建设社会主义新农村的步伐,农作物秸秆作为一种可利用的再生能源,越来越受到人们的重视。在厌氧干发酵中,一般可采用水稻、玉米、小麦、花生等农作物秸秆为发酵原料。农作物秸杆在干发酵的过程中降解比较复杂,原料的产气率较低。国内一些学者[25～27]通过秸杆的预处理及发酵工艺的控制来提高产气率。张望等人以稻秸为原料,在中温生物反应器内进行厌氧干发酵,研究了稻秸发酵过程中的生物气产量,pH值,渗滤液COD及甲烷含量的变化。焦静[28]等人以不同比例配制原料,进行厌氧发酵试验,研究了草粪比对甘蔗叶干法厌氧发酵产气效果的影响。2城市生活垃圾有多种处理技术,厌氧干发酵技术是其中一种经济、合理的处理方法。国外在上世纪90年代就将厌氧干发酵技术用于城市垃圾的处理,运用瑞士的Kompogas工艺,日本、瑞士等国已经建立约18个高温干式厌氧垃圾处理工厂。国内早在1995年刘晓风[29]就采用厌氧消化污泥作接种物对城市有机垃圾进行了处理。后来冷成保[30]等人提出了生活垃圾的暗河式干发酵处理研究及其工艺设想,这种处理方法具有垃圾处理量大、垃圾可以得到及时即地处理、占用土地少等优点。城市污水处理厂每天要产生大量的市政污泥,其处理技术一直未能很好地解决。谢震震[31]以脱水污泥作为底物,模拟污水厂脱水污泥在填埋场中的生物降解过程,进行了脱水污泥干发酵的实验研究,为污泥的填埋稳定化提供了理论指导。4沼气干发酵装置的相关研究德国于90年代起,开始进行间歇式干法沼气发酵技术及工业级装备的研发。目前欧洲的干法沼气发酵技术主要有:车库型、气袋型、渗出液存储桶型、干湿联合型和立式罐型等。我国在21世纪初开始了大型干法厌氧发酵反应器研究,目前还处于小试研究阶段。甘如海[32]等自行设计了卧式螺带式搅拌发酵罐来进行厌氧干发酵。韩杰等[33]研制出新型沼气干法发酵反应器—覆膜槽生物(MCT反应器,并以MCT反应器为核心,改进和优化集成现有沼气技术,开发出新型规模化干法沼气发酵技术与成套装备。干发酵底物固体含量较高,发酵原料存在的浓度梯度,传热、传质困难。接种物与底物混合有一定难度。在沼气工程中设置混合搅拌装置,可以提高反应的传质效率,加快产沼气过程的进行[34],法国JGuendouz[35]在中温条件下对完全混合反应器进行了研究。5沼气干发酵技术的应用厌氧干发酵的优点在于系统稳定、处理量大、占地小、节水等。国外目前干发酵厌氧工艺一般采用干式单级发酵系统。其中Dranco工艺-比利时Brecht处理厂、Biocel工艺-荷兰Ielystad处理厂、瑞士Kompogas工艺、法国Valorga工艺在国外已经广泛应用于有机物的处理。四种工艺特点如表1所4ra12中国沼气ChinaBiogas2021,28(5理厂,其中以比利时Brecht二期Dranco沼气干发酵系统为代表,瑞士等国家Kompogas工艺建立至少12个大型工程。而Valorga工艺在瑞士、德国、西班牙、比利时等国家均有利用。表1四种工艺特点工艺类型处理量t·a-1固含量%温度℃停留时间dBiocel工艺5000030～4035～4010Dranco工艺11000～3500015～4050～5820(15～30Kompoga工艺10,00030～455415～18Valorga工艺10000～21000025～35无14～28我国目前大型的干发酵处理工程尚处于技术研发阶段,其技术模式还有待进一步检验。国内在干发酵利用方面进行了一些研究。张无敌[36]等人针对干发酵设备复杂、操作烦琐、产气不均衡等不宜推广使用的局限,发明了一种结构简单,低成本的干发酵循环连续式沼气发酵的工艺方法,有效解决干发酵产气不均衡的缺点,实现对有机废弃物的连续发酵和均衡产气。赵国明[37]等设计了一套对厌氧干法发酵技术进行改进,通过应用新型生物反应器和与之相配套的厌氧发酵工艺,可以再增加产气量、提高运行负荷、简化后处理工序。由于沼气干发酵中发酵原料存在严重的浓度梯度,传热、传质困难,对于沼气发酵至关重要的pH值、反应温度等很难控制,对发酵设备的技术条件要求高,造成在厌氧干发酵工艺控制方面存在一些困难。目前厌氧干发酵过程中只有少量的几个参数能够得到实时的测量,而厌氧干发酵过程的复杂性,发酵过程中很难找到一个简单而合适的控制参数[38]。因此需要对厌氧干发酵的工艺控制理论和技术条件进行深入的研究。6展望我国的能源生产及消费呈现出“富煤、缺油、少气”以及新型能源短缺发展滞后的结构特征。在当前应对气候变化的情况之下,发展低碳经济已经成为世界性的潮流。厌氧干发酵技术在各种固体有机废弃物资源化利用上具有一定的技术优势,但由于各国该项技术研发起步较晚,在工业化应用领域处于实验阶段,以下方面的研究工作有待进一步的完善。厌氧干发酵产量,需进一步的研究干发酵过程中微生物的群落信息,并采用分子手段获得的目标菌群的丰度和变化的相关信息来准确反映反应器系统的真实情况,进一步加强发酵过程的调控。我国干法沼气发酵技术装备起步较晚,专用设备较为缺乏,开发多功能秸秆粉碎技术及机具、规模化干法厌氧发酵装置、原料提升设备,高效生物颗粒肥料成型技术与机具,提高干法厌氧发酵工程质量的专用工装、模具、规模化干法厌氧发酵的工程设施与关键设备,能给干发酵系统的可靠运行提供装备保障,提高发酵效果。参考文献:[1]李鹏,王文杰.我国农业废弃物资源的利用现状及开发前景[J].天津农业科学,2021,15(3:46-49.[2]余昆朋.城市生活垃圾厌氧消化技术进展[J].环境卫生工程,2003,11(1:16-20.[3]缪则学,宋明芝.北方农村沼气池干发酵的应用实验[J].中国沼气,1988,6(4:23-25.[4]边文骅,董敬华,彭立风.腐植酸发酵形成腐植酸的周期及其规律的研究[J].河北师范大学学报,1996,20(3:78-79.[5]叶森,魏吉山,赵哈乐,等.自动排料沼气干发酵装置[J].中国沼气,1989(4:17-19.[6]罗庆明,李秀金,朱保宁,等.NaOH处理玉米秸秆厌氧生物气化试验研究[J].农业工程学报,2005(2:17-19[7]韩捷,向欣,李想.覆膜槽沼气规模化干发酵技术与装备的研究[J].农业工程学报,2021(10:100-104.[8]Mata-AlvarezJ,MaceS,LlabresP.Anaerobicdiges-tionoforganicsolidwastes.Anoverviewofresearcha-chievementsandperspectives[J].BioresourceTechnolo-gy,2000,74:3-6.[9]PeterW.Biogasproduction:currentstateandperspectives[J].ApplMicrobiolBiotechnol,2021,85:849–860.[10]罗德明,李炎章,杨万华.沼气干发酵研究—菌种水质对干发酵产气量的影响[J].中国沼气,1983,(1:3-6.[11]闫志英,袁月祥,刘晓风,廖银章,贺蓉娜.复合菌剂预处理秸秆产沼气[J].四川农业大学学报,2021,27(2:176-179.[12]FontanaC,VignoloG,CocconcelliPS.PCR-DGGEa-nalysisfortheidentificationofmicrobialpopulationsfromArgentineandryfermentedsausages[J].JournalofMi-,,633-13中国沼气ChinaBiogas2021,28(5[13]SawamuraH,YamadaM,EndoK,etal.Characteriza-tionofmicroorganismsatdifferentlandfilldepthsusingcarbon-utilizationpatternsand16SrRNAgenebasedT-RFLP[J].JournalofBioscienceandBioengineering,2021,109(2:130-137.[14]MillsDK,EntryJA,VossJD,etal.AnAssessmentoftheHypervariableDomainsofthe16SrRNAGenesforTheirValueinDeterminingMicrobialCommunityDiversi-ty:TheParadoxofTraditionalEcologicalIndices[J].FEMSMicrobiolEcol,2006,57(3:496-503.[15]YeChen,JayJC.AnaerobicProcessesinWasteTreat-ment[J].WaterEnvironmentResearch,2005,77:(6,1347-1388.[16]RowenaT,RuihongZ,SarahT,JefferyA.TheeffectofenzymeadditiononanaerobicdigestionofJoseTallWheatGrass[J].BioresourceTechnology,2021,100,4564-4571.[17]艾平,张衍林,袁巧霞,等.厌氧干发酵处理畜禽粪便的影响因子[J].华中农业大学学报,2021,28(3:377-380.[18]FatmaA,YutakaN,NaomichiN.Drymesophilicfer-mentationofchickenmanureforproductionofmethanebyrepeatedbatchculture[J].JournalofBioscienceandBi-oengineering,2021,107,(3:293-295.[19]BujoczekG,OleszkiewiczJ,SparlingRandCenkowskiS.Highsolidanaerobicdigestionofchicken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