（通信与信息系统专业论文）无线图像传输中的联合信源信道编码.pdf

颤0 论文_ 光线鬻攮传翰中躺联台臻潭信道螭鹳 摘要 随着计算税、通信、喇络以及多媒体等技术领域的发展进步，强像通信俸为 多媒体通信中的一个基本组成部分，褥到了广泛的黧视。基于s h a n n o n 分离原理 的信源信邀编码分离设计方法往往会替敷视频、图像等传输应用冉勺低效率。在蜜 酝靛逶薅系绫中，在基绘定特定懿穰逶特性戆壤撬下，联台设谤蘩滚编璃帮穰滋 编码将可以获得更好的性能增益。本文对联合信源傣道编码技术程无线衰落信邋 中的图像传输应用进行了研究，提出了一种基于不镣麓错保护，并与码率的动态 分配机制森枧结合豹联会缮深信道续硝技术。本文载主要贡献是： 1 ) 本文将编码鹞率分配技术和不等差错保护技术进行很好地融合，实蕊了 一种通用、谢效的联合倍源信道编码传输系统。在该系统中，本文针对改进的撼 于小波零树簿法的s p i h t 信源编码码流重要性的不同丽进行不等差错保护。间 瓣，壤据无线信遴羲楚变褥瞧鸯适应滚谖整售添霸绩遘缡玛速率，捩瑟在不溪热 额外带宽的前提下，系统获得了优异的性能和较高的可靠性。本文通过三种不同 的图像传输系统在瑞利衰落信道上的系统仿真比较，实验证明了本文所提方寨的 麓效性、灵滋性和容错特性。 2 ) s p i h t 算法是一释基于小液交换，篷缩编鹦效率很高鹃圈像压缩编码冀 法，但其产生的码流容错性能较差，单比特失真就可能对恢复图像质量产生严震 影响。本文分析了s p i h t 算法的容锚性能，并通过虚拟树结构使其性能得到优 纯。 3 ) 本文提出了根据琳错误的敏感糕度，用码率兼容的截短t u r b o 码( r c p t ) 来为渐进式的压缩数据提供不等差错保护。这种码很好地融合了t u r b o 码的优舜 性能和码率藏窖的截短码豹特性，充分利用了信源聪缱编码数据的重要性信患， 并改善了歪缭数据流怼麓谨菲常敏感静不是。镑寞结莱迄表赘，这耪方法能在魄 特误码率和码长之间取得个较好的平衡，而且，编码图像能得到很好的抗噪声 性能。 关键词：联合信源信道编码( j s c c ) ；码举分配；基于屡次树的集合分割( s p i h t ) 码率兼容的截短t u r b o 秘( r c p t ) ；不键差错保护( u 嚣p ) 硕士论皇光线塑像传输串熬联台嚣深簧道编妫 a b s t r a c t w i 氇t h e p r o g r e s s i nt h ef i e l d so f c o m p u t e r ，t e l e c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k i n ga n d m u l t i m e d i a ，e t c ，i m a g ec o m m u n i c a t i o n ，a l l e s s e n t i a l c o m p o n e n to fm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s ，i ss t u d i e de x t e n s i v e l y b a s e do ns h a n n o n ss e p a r a t i o np r i n c i p l e ，t h e s e p a r a t i o na p p r o a c ho f t h es o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n go f t e nl e a d st ol o w e f f i c i e n c y e s p e c i a l l yf o ri m a g e a n dv i d e ot r a n s m i s s i o n r e a l w o r l ds y s t e m sb e n e f i t t h r o u g hj o i n t d e s i g no fs o u r c ea n dc h a n n e lc o d e r s g i v e nk n o w l e d g eo ft h ec h a n n e l t h i st h e s i s p r o p o s e s aj o i n ts o u r c e - c h a n n e l c o d i n g s c h e m ef o r i m a g e t r a n s m i s s i o no v e r e r r o r - p r o n ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l ，w h i c hi sb a s e do nu n e q u a le r r o rp r o t e c t i o na n d r a t ea l l o c a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o no f t h i st h e s i si s ： 1 1t h i s a p p r o a c h c o m b i n e sa s i m p l e b u t y e te l e g a n tc o n c e p t t h a t j o i n t s o u r c e c h a n n e lr a t ea l l o c a t i o nw i t hu e pt or e a l i z eag e n e r a la n de f f e c t i v ej s c c s y s t e m t h em e t h o dp r o v i d e su n e q u a lp r o t e c t i o nf o ri m p r o v e dw a v e l e t z e r o t r e e b a s e d s p i h tb i ts t r e a m sw i t ld i f f e r e n ti m p o r t a n c e a n da d a p t i v e l ya d j u s t st h es o u r c ea n d c h a n n e lc o d i n gr a t e sa c c o r d i n gt ot h et i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e l ， t h u sy i e l d sb o t hag o o dp e r f o r m a n c ea n dah i g hr e t i a b i l i t yw i t h o ma d d i n ge x t r a b a n d w i d t h t h e e f f i c a c y , f e a s i b l e a n de r r o r r e s i l i e n t p r o p e r t y o ft h e p r o p o s e d p r o g r e s s i v ei m a g e t r a n s m i s s i o n s y s t e m h a sb e e nd e m o n s t r a t e d t h r o u g h t h e c o m p a r i s o no f t h r e ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m so v e rr a y l e i g hf a d i n gc h a n n e l a n de s p e c i a l l y , t h es i m u l a t i o no ft h ep r o p o s e ds c h e m es h o w st h a ti tc a l lo b v i o u s l y i m p r o v e t h e i m a g eq u a l i t yc o m p a r e d t ot h ee e pa n du e ps c h e m e sp r o p o s e d p r e v i o u s l y w h e nt h ec h a n n e li si nb a dc o n d i t i o n s ，s ot h es c h e m ec a l lb e a p p l i e dt ot h e f l u c t u a n tc h a n n e l sw i t hl a r g er a n g e 2 ) t h es p i h ta l g o r i t h m b a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mb e n e f i t s h i g h p e r f o r m a n c eo ni m a g ec o m p r e s s i o n b u tt h er e s 霸把dc o d ec a n n o tr e s i s tb i te r r o r s 。 e v e no n eb i te r r o rc a nd a m a g et h ew h o l er e b u i l ti m a g e h e r e ，t h ee r r o rr e s i l i e n c e p e r f o r m a n c eo fs p i h ta l g o r i t h mi sa n a l y z e da n dt h ev i r t u a l s u b t r e ea l g o r i t h m i s p r o p o s e d t or e s o l v et h i sq u e s t i o n 3 ) an e w r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b o ( r c p t ) c o d ei st op r o v i d eu e pf o r t h e p r o g r e s s i v ec o m p r e s s e d d a t a a c c o r d i n g t oe r r o r s e n s i t i v e n e s s ，w h i c h t a k e s a d v a n t a g eo ft h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo ft u r b oc o d ea n dt h ep r o p e r t yo ft h er a t e c o m p a t i b l ep u n c t u r e d c o d e 强i sc h a n n e lc o d i n gb a s e do ns o u r c eu t i l i z e st h e p r o p e r t y o fc o m p r e s s e dd a t aw h i c hg e n e r a t e di no r d e ro fi m p o r t a n c e , a n d i m p r o v e s t h e 顿t 论文光线髑稼传输中韵联合信源信道编鹅 l i m i t a t i o nt oe l t o rs e n s i t i v i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa l s os h o wt h a tt h em e t h o dc a ng e t b e t t e rb a l a n c eb e t w e e nb i te r r o rr a t ea n dc o d el e n g t h ，a n dt h ei m a g ec a ng e tb e t t e r a n t i n o i s ep r o p e r t y k e yw o r d s ：j o i n t s o u r e e - c h a r m e l c o d i n g ( j s e c ) ；r a t ea l l o c a t i o n ；s e tp a r t i t i o n i n h i e r a r c h i c a lt r e e s ( s p i h t ) ；r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dt u r b oc o d e ( r c p t ) ；u n e q u a l e r r o rp r o t e e t i o n ( u e p ) 1 1 1 硕士论史 无线翻像悻输中的联合信潍情道编码 绪论 1 1 恼源与信道编码在图像传输中的作用 穗麓计算祝技术，强代通蓿技术和网络信爨箍理技术酌发浸，人们j c 寸多媒体 通信的需求日益增加。其中，图像和视频传输投术作为多媒体通信中的一个基本 组成部分，正同益受到重视。然聪，图像与视频传输却成为多媒体通信系统发展 中戆主要簸颈闻蓬，鞠为宅霉要院其缝信惠源，麴语音毒丞数瓣，更多熬糖浚豢宽。 这使得多媒体通信的发展面临诸如通信资源受限等的巨大挑战，其相关搜术业已 成为当今通信领域的研究重点和热点1 1 1 。 由予数字图像傣号的数码率糍，这不仅霹传簸不裁，磷鼹对存镳霹熊联瞧增 加了豳难。数字强像的大数摇薰与信道容量脊壤静矛盾提獭了数据压缩的必要 性，而图像信源中的冗余和人眼视觉特性以及对图像的某些特殊要求为图像数据 的压缩提供了可能饿。s h a n n o n 程创立信息论时，提出把数掇看 乍是信息和冗余 度豹缝合，数据之翳瞄麓够较压缭，是蠢为其中存在斋穆务群静冗余瑟j 。 数字图像的数据避大，其中往往存在各种信息的冗余，为了在有限的信道容 量下传输尽可能多的图像信息，也就是降低数码率，必须进行信源编码，也就是 透零掰谈戆豳像压缀1 3 l 。盎于国豫在粳邻像素麓，在程邻 霉糖行阉，在活溺图像 的相邻颧间，都存在精较强的相关性，因而，可依据信息论中的信源编码原理， 去除这毖相关性引起的冗余度。另一方面，图像最终要由人的视觉特性实现图像 压缩，以节省存储容爨或传输信道容量。本文中所提及的小波零撼压缩编弼方法 藏充分霉 | 霜了视觉瓣不同频率信譬豹惑麴灵敏发不强的祷僚，达到数据嚣缭的磊 的。 图像信号无论是通过有线信邋，如电缆、光纤等，还是诸如自由空间的无线 痿遭铸狻，郡不可遴受会受到逶僖系绞内癸各耪噪声豹予撬，其必定影羲臻号翡 传输质缀，使得接收刘的数据不研避免地出现麓错。为了在舀知信嗓比的情况下 达到一定的误比特率指标，首先应合理设计基带信号，选择调制、解调方斌，采 用频率均衡或时域均擞，使误 e 姆搴尽可熊低。僵若误比特窭仍不能满熙要求， 刚必须采璃信遒编鹞，即差错控制编码，戳箍离数字信号静传输可靠桎。嗓声是 信息信母在传输过程中所受到的各种各样干扰信号的总称，它直接影响着信息信 号的传输质量，甚至会淹没信息倍号，因此有必要在图像的信息传输中进行信道 壤玛，蠢效蠡冬售道缡璐戆够丈大撬瘩整豫戆撬臻缝能，镬接l 芟壤褥至l 援觉上濂意 硕 二论文无线i 垫| 像传输中的联台信源信道编码 的图像。 1 2 联合信源信道编码的研究目的及意义 通信理论中的一个基本问题是，在发送端的信源和接收端的重建数据之间给 定了某一种可靠评价的时候，如何实现从一点到另一点的可靠的数据传输。 s h a n n o n 在1 9 4 8 年指出，一个离散无记忆信道具有一个最大的信息量容限，称 为信道容量。该容限的信息可以无差错地在该信道中进行传输，即不会引起失真。 随后，s h a n n o n 在1 9 5 9 年又指出，在给定一个离散的、稳定的、各态历经的信 源和一个单字符失真测度时，存在一个率失真函数，可以认为是对于一给定失 真度的信源的最小信息率i 4j 。这两个结论就建立了通信研究领域中的两个主要分 支：信源编码和信道编码。在信源编码中，其目标就是去除信源中的冗余，从而 使得该信源能用尽可能少的比特表示。其实质就是尽可能地接近率一失真 ( r a t e d i s t o r t i o n ) 界限。而信道编码的目标就是保护信源不受信道引入的噪声 差错的干扰。这一目标通常可通过引入受控的冗余来实现。从去除与引入冗余的 角度来看，信源编码过程和信道编码过程刚好相反，彼此矛盾。在实际应用中， 针对某一码率标准选择信源和信道编码器时，就采用一种折衷方案来满足这两个 相矛盾的要求。 长期以来，信道编码的纠错特性通常都不考虑任何信源数据的特性，原因之 一是s h a n n o n 在其信息编码理论中论证了信源编码与信道编码能够独立完成，而 另一个主要原因是由于以往的许多图像压缩方法是对图像进行分块压缩，因此在 对其进行信道编码时，很难判断压缩数据中对重建图像起主要作用的数据。随着 网络、通信、计算机以及多媒体等领域的发展，图像通信技术得到了广泛的重视。 目前，多媒体通信系统的设计方法多数是采用分离原理，即采用当前已有的最佳 压缩方法( 如，对语音采用改进的声音编解码器，对图像采用性能最佳的压缩方 法) 对信源数据进行最大限度的压缩，然后采用一般的信道编码和通信技术来传 输压缩后的数据。这种分别设计的方法是基于s h a n n o n 的分离理论。s h a n n o n 的 信源信道编码理论作为通信系统设计的理论基础，已经被广泛接受。该定理阐述 了在何种条件下，通信系统中的信源编码器和信道编码器可以分别进行优化设计 而不会牺牲系统的整体性能【5 j 。根据这个结论，信源编码器就设计成能够获得最 大的压缩比( 近年来，更多的努力在设计稳健的信道编码器上) ，而信道编码器 设计成在给定的传输速率下能够产生最小的差错概率。表面上看，没有进行信息 交换或在信源和信道编码器之间进行联合优化的必要。该方法将这两个编码过程 硕十论文尤线图像传输中的联合信源信道编码 不仅从实体结构上分离出来，而且在概念上也是分离的，从而导致了专用于信源 编码或者专用于信道编码的相关的信号处理技术的高度发展。在信源编码中，最 著名的技术包括变换编码方法( 如基于离散小波变换d w t 和离散余弦变换d c t 的变换编码等) 以及先进的熵编码算法( 如算术编码等) ；在信道编码中，t u r b o 码及相关的迭代编码技术代表着当今的技术发展水平【6 ”。 在信息论的发展历史中，信源编码理论与信道编码理论的相互分离与独立之 所以可能并得到迅速发展，这有其内在的动因：( 1 ) 分离可以使得问题的分析得 到一定程度的简化，从而便于问题的解决；( 2 ) 分离并不影响系统的整体最佳性。 然而，由分离最佳最终达到系统最佳需要建立在实现的复杂性基础之上。如今在 许多重要的应用环境中，对分离原理提出了更多的质疑，其性能也收受到了限制。 并且有文献表明，分离定理并不是在所有的信道中都是成立的闻。例如，在广播 系统中，由于这是一个- n 多的传输方案，s h a n n o n 的分离原理就不再适用。在 这种应用环境中，广播系统无法针对每一个用户进行调谐，而又要使得每一个用 户都能从所接收的信号中恢复出尽可能多的原始信息。在s h a n n o n 的理论中并没 有考虑这种应用情况，相反，s h a n n o n 理论更多的是基于一个“全部或没有( a l l o r n o t h i n g ) ”的观点：或者就接收恢复出全部质量的信号，或者就彻底地丢掉信 号。而根据本文所提到的联合信源信道编码方法，在这种应用情况下，可以采用 嵌入式编码器和渐进保护方法来实现。m a s s e y 指出，联合信源信道编码方法可 以获得与串联的分离系统相同或更好的性能，而系统的复杂度却可以大大降低 【9 1 。他还指出，串联分离编码其实质是联合编码的一种特例，因此联合编码的性 能必然会等于或高于其串联编码形式。为使通信系统的实现更加简单，进一步提 高系统性能，联合信源信道编码的研究就有着重要的研究价值。联合编码方法在 以下四种应用环境中起到了极为重要的作用1 1 0 】：( 1 ) 在通信资源约束苛刻的应用 环境中，联合信源信道编码( j s c c ) 方法将会具有最大的效果。例如，低功率 无线移动通信，延迟及待时受限的多媒体通信应用等。在这些应用中将可用资源 在信源和信道之间进行联合分配会大大提高整个性能。( 2 ) 在共享信道的多用户 环境中，例如，数字视频或音频广播以及多点传送，采用j s c c 方法有益于提高 系统性能。( 3 ) 多用户不同类型环境中的数据通信。例如，当不同的数据类型复 用在一起时，或者当数据被分送在不同类型的信道上时。( 4 ) 信源或信道的特性 具有不确定性或者较宽的波动。例如，在无线通信中，无线信道就是典型时变性 的，而发射机无法获得信道的即时状态。在这种情况下，采用联合信源信道设计 将有助于使系统品质适度地在一个希望的可能的信道条件范围内变化。 s h a n n o n 的分离原理虽然表明在设计最优传输系统时源编码和信道编码可以 硕士论文无线图像传输中的联合信源信道编码 分开设计，即只要源编码的速率小于信道容量，则系统总失真本质上受限于源编 码失真。但这只是一个渐进的上限，只有使用分组码长或者卷积码的约束长度无 限长才能达到极限。因为，虽然s h a n n o n 的基本结论从信息论角度讲是正确的， 但是它依赖于两个重要的假设。( 1 ) 源编码和信道编码可以使用任意长度的编码。 如通过增加信道编码的冗余信息的长度来达到降低误码率的目的；( 2 ) 对源编解 码和信道编解码算法的延迟和复杂度没有限制，即可以是任意的延迟和复杂度。 而在实际的应用中往往由于对信号传输的速率有一定的要求，对算法的延迟和复 杂度有一定的限制，特别是在有强噪声、串扰、多径衰落的信道上，带宽、延迟 和复杂度的限制使信道编码不可能做到十全十美。在实际的系统中，在已给定特 定的信道特性的情况下，联合设计源编码和信道编码可以取得更好的效果。 对于传统的信源编码来说，图像压缩数据流是一串概率统计独立且具同等重 要性的比特流，其对差错的敏感程度也是等概率的，因此在信道编码无法依据图 像本身的特性有针对地进行一些纠错。众所周知，图像的序列头如果发生差错， 可能会导致图像无法重建，而图像中的背景信息发生差错，可根据对重建的图像 产生的重要程度而进行分层编码，则其进行纠错保护的信道编码可以更具有针对 性。随着小波变换的发展和零树编码的提出，有针对性的纠错成为可能。 小波( w a v e l e t ) 变换叫是近年才发展起来的一种新的信号分析方法，它基 于应用数学理论的最新发展。其具有频率上的自由伸缩性，不受图像带宽的约束， 同时克服了d c t 变换的块效应。作为一种多分辨率分析方法，小波变换具有很 好的时一频或空一频局部特性，特别适合按照人类视觉系统特性设计图像压缩编 码方案，也非常有利于图像的分层传输【l “。这种方法已经得到初步的应用，并将 随着m p e g 一4 和j p e g - - 2 0 0 0 等采用小波变换方法的国际图像编码标准的制定 和推广而被广泛地采用。 由图像变换理论【l3 j 可知，图像能量集中在低频区域，表示的是图像灰度缓变 的内容，而图像中的许多重要特征，例如边缘等，在空间位置上都是高度局部性 的。传统的变换，如傅里叶变换，在分析和压缩含有这些瞬态或局部信号分量的 信号和图像方面性能不佳。因此在通常的变换编码中，为了压缩数据往往是以牺 牲图像细节为代价。另一方面，变换编码中为了简化实现复杂度，对所有交流变 换系数采用相同量化器进行量化，较难兼顾变换系数的不同分布特性。 由于小波变换采用有限区间上的基函数，不仅频率是可变的，而且空间位置 上也是可变的，所以其具有很好的时一频或空一频局部特性。对图像而言，其空 一频空间是三维的，因此可以用一系列图像的堆叠表示其空一频特性堆叠中的每 一层来对应于一个频率分量。 4 硕j ：论文无线删像传输中的联台信源信道编码 基于对变换编码的上述认识，利用离散小波变换将图像分解为亮度、水平边 缘分量、垂直边缘分量和对角线边缘分量，然后对得到的四个子图像根据人眼视 觉特性分别作不同的量化编码处理。s p i h t 分层编码算法1 1 4 是a m i r s a i d 和 w a p e a r l m a n 提出的一种基于小波零树编码【i5 】( e z w ，e m b e d d e dz e r o t r e e w a v e l e tc o d i n g ) 算法基础上的一种高效压缩算法。由s h a p i r o 提出的零树编码 e z w 的基本思想是，将对小波变换系数的编码分解为对标志系数特性的系数重 要性图的编码和对重要系数的幅度编码两部分，利用不同尺度的小波系数问存在 的较强的相关性，将多数的零系数组织成一种树形结构，从而提高了总体编码效 率。s p i h t 算法利用小波变换将图像的低频信息集中在左上角，并通过层次树集 合划分对重要信息进行优先编码，这使得图像的重要信息集中在码流的前面，这 些信息数据对图像重建的作用较大，而对差错也相对敏感。s p i h t 这种编码特性 使得信道编码时很容易对重要信息和非重要信息分别编码。针对差错敏感程度不 同的信息，采用联合信源信道编码能够帮助改善整个系统的差错控制，同时能够 达到误码率与码长一个较好的平衡。 信道编码的作用在于保护信源编码后的信号和图像数据，通过适当的增加冗 余码，增加信号和图像数据在信道传输中的抗噪声及其它不稳定因素的性能，在 接收端先经过译码纠错后再传给信源译码器重建图像。虽然信源与信道的编码思 想与功能有严格的区别，但是它们有个共同的目标，就是使得图像更快的传输， 使重建图像的质量尽可能接近原始图像 1 “。因此如果将两者进行联合编码，能够 更好地达到其共同目标。图像的信源编码是为了压缩数据，减少数据冗余量，提 高纠错性能；联合信源信道编码的优越性在于使得信道编码只增加少量纠错码， 就可以达到较好的纠错性能，由此可以提高传输效率。小波零树编码由于将压缩 数据按对重建图像的重要程度不同丽进行编码，其结果是重要信息位于数据流的 前端，这使得信道编码时可以根据其重要性不同而分别编码，对重要性程度高的 采用较多的冗余码，重要性程度低的采用较少的纠错，即采用不等差错保护，来 达到码长与重建质量的平衡。 本文利用码率兼容的截短码适于不同码率的特性，对于渐进压缩图像数据， 根据其对重建图像的重要程度进行不等差错保护。这种基于信源的信道编码方案 充分利用了信源编码后的数据流按重要性排序的特性，并改善了其对比特差错非 常敏感的不足。 颤士论文 觉线鹜爨传输串辩联金羲嚣癌遵编鹚 1 3 本文的主要工作及其内容安排 本文对联台信源穰l 饕编码技术在嚣线衰落穰逶中瓣蚕像蕊输趣雳送行了疆 究，提出了一种既基于不等差错保护，同时又与码率的动态分配机制有机结合的 联合信源信道编码技术。井由此深入探讨了此种编码方案的设计理念和实现方 法。本文主黉骰了苏下凡方嚣熬工终： 1 ) 本文主要研究了种基于不等麓错保护的联合信源信道编码的图像传输 技术。该方窳是将联合信源信道编码码率分配技术与不等差错保护( u e p ) 技术 遴季亍很好地融合，充分利用了信源重鬟 生信息( s s i ) 翱信道状态信息( c s i ) ， 鞋籁获褥较好的系统往戆增益，该方案肖稠于图豫农无线衰落傣滗中实现有锋辩 性的差错控制传输。在该编码传输系统中，我们首先根据当前信邋状况对信源编 码器和信道编码器的编码码率进行最优分配，然后采用改进的基于小波零树算法 熬s p i h t 臻滚壤羁器帮r c p t 壤遂缓鹚纂联会，实瑷了对绩源l 耱数据浚熬不 等差错保护。由于根据蠢线信道的时交特性自适应圭电调整信源和倍道编码速率， 从而在不增加额外带宽的前提下，系统获得了较高的性能增益和较好的传输可靠 性。劳通过三静不同的隧像传输系统农端剩衰落信邋上的系统仿粪比较，实验诞 疆了本文所撬方案静商效穗、灵活性和容镨特睡。 2 ) s p i h t 算法是一种基于小波变换的，能支持多码率编解鹕的高效率图像 压缩编码算法。但是，由于其产生的码流容错性能较差，单比特失真就可能对恢 复匿豫震藿产生严重影黢。零文分掇了s p i h t 葵滚翁容镑装熊，势透遂壹攒撵 结构使其性黼得到优化。 3 ) 本文提出了根据对错误的敏感程度，用码率滚容的截短n r b o 码( r c p t ) 来必灏进式黝压缩数据提供不等差错僚护。这种码缀好遗融合了t u r b o 码的优癸 性能帮码率兼容的截短竭静特性，逶道对己压缩数据流静重要憔信患静分缀编 码，从而改藩了压缩数据流对差错非常敏感的不足。在无线瑞利袋落信道环境下 的仿真结果墩表明，此种方法不仅能在比特误码率和码长之间取得一个较好的平 德，嚣璺其缡褥圈豫姥褥戮缀磐懿撬噤声缝旋。 本文备鬻节的内容安排如下： 首先，本文第二章简咯地介绍了与联合信源信邋编码方案设计相关的一些必 要躲理论鹜袋知识。从s h a n n o n 提出的信息论基本擞邋着手，g | 述了信源绩道务 自的基本编戳理论。并在j 墩基础上，通过对分离原溅的总结，主要阐明了联合信 源信道编码方法的思想概念和理论基础，突出介绍了当前国际上较为前瞻的联合 信源信道编硒的研究动态和理论成果。最后，集中介绍了本文所构建系统采用的 6 硕士论文无线圈像传输中的联台信源信道编码 信道模型和性能评价测度。因此，本章内容是后续章节所必需的背景知识基础和 关键理论支撑。 第三章作为本文的信源编码部分，首先阐明了近年来小波变换理论在图像领 域的发展和应用，分析了其变换思想和基本特性。在此基础上，分别提出了一种 小波变换快速算法和一种改进的基于层次树的分割图像压缩编码算法。 f l w t 是一种较新的双正交小波变换算法，它主要是通过对变换信号的分 割，然后进行再抽样，其间经过了分离、预知、校正三个阶段。f l w t 算法使得 小波变换既不需要额外的内存，同时，又能够达到较快的实现速度。本章主要研 究了此种算法的突出特性、实现原理、算法结构，以及在图像编码中的应用。 s p i h t ( s e t p a r t i t i o n i n g i nh i e r a r c h i c a l t r e e s ) 算法是由a r n i r s a i d 和 w , a p e a r l m a n 于1 9 9 6 年提出的一种基于层次树的集合分割图像压缩编码算法。 它采用了有效的空间方向树结构和比特平面编码方法，不仅能获得很高的压缩编 码效率，而且产生的码流是嵌入式的，支持解码器的多码率解码，有利于图像的 渐进传输。在图像压缩编码领域，s p i h t 算法是公认的编码效率最高的算法之一。 即使不采用算术编码器进行熵编码，编码效率仍然很高。这里，我们采用了与 f l w t 算法基本相同的研究模式。进一步地，本章还通过对此种算法的容错性的 研究分析，对其进行了局部改进，实验仿真结果证明了在性能上获得的增益。 第四章是本文所构建图像传输系统的信道编码部分。这里，在信道编码的选 择上，我们采用了码率兼容的截短t u r b o 码( r c p t ) 。这是因为：一方面，根据 编码比特的重要性排序，截短码可以选择相应的编码码率，从而实现对信源编码 数据的不等差错保护。另一方面，利用了t u r b o 码纠突发差错和成串错能力较强， 适宜在高噪声环境中应用，同时，又能在译码复杂性和码率之间达到很好的平衡 这些优异特性。本章首先介绍了信道编码的发展情况。接着，就t u r b o 码的编码 原理和译码原理逐一进行了阐述。其中，特别介绍了t u r b o 码的两种译码算法： m a p 算法和m a x l o g m a p 算法。然后，介绍了速率兼容的截短码的发展和构成原 理。最后，提出了r c p t 码的质量判据和设计标准，并简要说明了r c p t 码在不等 差错保护下的应用。 在第五章中，我们对基于不等差错保护的联合信源信道编码的传输方案进行 了较为全面深入的研究。该方案是将联合倍源信道编码码率分配技术与不等差错 保护( u e p ) 技术进行很好地融合，充分利用了信源重要性信息( s s i ) 和信道 状态信息( c s i ) ，以期获得较好的系统性能增益。首先，本章溯及了联合信源信 道编码的发展动因。接着，就其编码的可行性进行了研究。在本章的仿真研究部 分中，首先，研究了图像的不同部分对图像质量的影响；接着，论及了联合信源 硕i 论文 无线翻像传输中的联台信源信道编码 信道编码码率对图像质量的影响；然后，又提出了联合信源信道编码码率的分配 准则和方案；最后，我们通过对三种不同的图像传输系统的仿真研究，证明了本 文所提方案的高性能增益和实际可行性。 本文在最后对研究工作进行了总结，并展望了未来该领域的研究方向。 硕士论文 无线图像传输中的联合信源信道编码 2 联合信源信道编码理论及其相关知识的概述 要设计一个有效的联合信源信道编码系统，就需要对三个基本的研究领域进 行详细的研究分析：信源编码、信道编码和传输信道特性。因此，本章简明地介 绍了联合信源信道编码的思想及方法概论，以及与此相关的必要的背景知识。本 文从深入探究s h a n n o n 的信源信道编码定理入手，着重分析了联合信源信道编码 设计在理论上的可行性及其方法论。 2 1 信息理论基础知识 本文中所要解决的问题是如何实现可靠的数据传输。s h a n n o n 开创的信息论 领域可以为我们的研究提供坚实的数学基础。本小节只简要地介绍了s h a n n o n 信 息论的基础知识。更多更丰富的信息知识可以参考文献“7 1 。 2 1 1 信源编码理论 简言之，信源就是一个概率场。比如，全体汉字及其概率分布( 每个字的使 用率) ；2 6 个英文字母及其概率分布等等，都是信源。确切来说，这是一维信源， 实际上各种文字的应用都是以单字或一串字母加上标点符号来表示的。因而把一 列随机变量x = x i ，i = l ，2 ， 叫做信源，其中每个随机变量z 。取值于某个集合 z = _ ，屯，x 。， 中，z 成为信源字符集( 或消息集) ，其中元素个数用圳表示， 通常总是假定捌 c 的分组，其差错概率都不可能趋近于零。换向话说，储邋容量c 就魁能 够在转移撅率为蟊：，豹髅遴上无差镑传输蕊源z 爱姥我裂豹分缎鹕( 霹爱是无暇 码长的) 鹣最小速率。 同样地+ 离散信道编码理论的结聚也可以扩展适用于连续信邋。例如，一个 爨寸闽离散的实傻翔牲离辫煤声( a w q ，a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ) 信道，当 其功率受陵截为p 薅，该蕊道容萋舞： 口 e = l 0 9 2 ( 1 + ) ( 2 t 2 2 ) 二 v 0 式孛，甄为噤声功率( 朗噪声豹方茇) 。 颈圭论交光线鹜像传输孛羲糕台薅添蓉遭缡鞴 2 1 3 分离原理 籍售滚编磷瑾论帮臻遴编鹳理论瓣缝论联合莛来就哥褥凄绩怠论串一个鬟 簧的结论：分离原理。该原理允许对倍源压缩解聪辅方法和信邋编码解码方法 分别独立设计，只要信源产生的比特硝率能够被信邀编码所接受并传送，就不会 影噙话输系缝豹整搏最谯犍毙。分离原理示意强始2 1 。3 。l 联示。 分离设计 图2 1 3 1 分离原理示意图 其实，s h a n n o n 在稳援旱静簪 究工作 2 j 中荠没脊翡确蘧说鹗爵鞋按照瘸 2 1 3 1 所示的结构来设计个可靠的传输系统。但是，为任意给定的熵日的离 敝无记忆信源设计一个可无差错传输的信道编码的问题等价于为一个具有最大 熵戆d m s ( 瓣，当囊毒瓣继嚣簦号是簿橇率对) 设诗一个售遒缡璐滔题。这嚣， 可靠传输阔蹶就可以很方便地划分成两个任务：信源编码和信道编码。任何通信 系统传输一个连续无记忆倍源所能获得的最小失真，称为理论上可得最优性能 ( o p t a ，o p t i m a l p e r f o r m a n c e t h e o r e t i c a l l y a t t a i n a b l e ) ，其实裁是失真+ 率蘧数烈震) 中当速率畏等子传输信遂容量c 对的毯，繇d ( e ) 。傣源编码和僚道编码静分离 实质上提供了一个传输遮率r 可任意接近信道容量g 的无差错信道。采用该信邋 传输信源编粥器的输出，可使得传输失真任意接近d ( r ) 。 2 i 4 信源债道模型 由于实骏仿真的目标怒图像，图像的数据量即使经过信源编码仍可能较大， 因筵霞将数缀分为多静宾辩数据亭弼。菇了篱伍实狳，突遗疆褒瓣静，本文霰设 各组数据之间是独立的，即采用离散凭记忆信源，遮可能会使其熏建图像的质艇 稍稍下降，但其符合通信的要求。如使用a t m 网络传输，则信元长度是固定的， 蕊穰短。 1 2 硕士论文无线闰像传输中的联合信源信道编码 信道是任何通信系统所必不可少的组成部分，数字通信系统的可靠性是用差 错率来衡量的，本文中采用误码率来衡量其可靠性。误码率是指接收端收到的错 误码元在传输的总码元数中所占的比例，或者说，是码元被传错的概率。 在设计有效的图像通信j s c c 方案中，其中一个很重要的问题就是，选择实 际可行且易于分析处理的信道模型。本文采用两种信道模型来进行模拟。 ( 1 ) 二进制对称信道模型 无记忆二进制对称信道( b s c ，b i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e l ) 模型的简单描述 如图2 1 4 1 所示，若“l ”码被错判为“0 ”码的概率是只，“0 ”码被错判为“l ” 码的概率是，则根据该信道的对称性可得差错概率= 只。= 只，。 发送端 o i - p , o 接收端 图2 1 4 1 二进制对称信道模型 假设二元码接收波形为j ( f ) ，信道引入的窄带高斯噪声为挖( f ) ，则接收滤波 器的输出信号为： ，( f ) = s ( f ) + n ( t )( 2 1 4 1 ) 抽样时刻t = k t 幅度为0 或为a ( 单极性二元码，对应码元“0 ”和“l ”) ，无码 间干扰时有： r ( k t ) = a + n ( k t ) 或r ( k t ) = n ( k t )( 2 1 4 2 ) 设判决门限为d ，则若r ( k t ) d ，判为a ：若r ( k t ) d ，判为0 。均值为 0 的高斯噪声的幅度概率密度函数为： p ( n ) “ 一e 2 一 ( 2 1 4 3 ) 孔。 其中盯2 为噪声功率，是均方值。因此，当发送信号幅度为0 时，叠加噪声后接 收波形的幅度概率密度函数为： p o ( r ) = 兰e 2 一 ( 2 1 4 4 ) 、z 刀o - 当发送信号幅度为a 时，叠加噪声后接收波形的幅度概率密度函数为： 1一( r - a ) 2 n ( ，) = i l _ e 止一 ( 2 1 4 5 ) - q 上，u 差错概率和只。分别为： 耻f 志e - , d r ( 2 l _ 4 6 ) 硕士论文 无线图像传输中的联合信源信道编码 只一2 f 丽l p - r z 2m( 2 1 假设信源发“0 ”和“1 ”码的概率分别为只和片，则总误比特率为： 只= r 只o + 只只。 ( 2 1 4 8 ) 当p o = 只= l 2 ，于是有： = 委( 乞。+ 只。)( 2 1 4 9 ) 判决门限d = a 2 时，两部分的面积相等，则： = e 志p 一2 咖 = 磊志e - 彤d x = g ( 争q ( 2 1 4 1 0 ) 其中q ( 口) = 寺咖( ) ：如果二元码基带信号波形为矩形，龙= 日，则平均信号 功率为s = a 2 2 ，而噪声平均功率为n = 盯2 。对单极性码，= q ( i 7 丽) ；对 双极性二元码，如在抽样时刻幅度为一2 或a 2 ，则= 以0 j 万) 。在实际测 试中可根据上式建立模拟噪声信道。 ( 2 ) 瑞利衰落信道模型 常用的瑞利衰落模型如图2 1 4 2 所示， 口。 幽2 1 4 2 瑞利衰落信道模型 图中，j ，和分别为第f 时刻的发送信号和接收信号，且l = a i s ，+ n ，其中n 。，n 分别为符合r a y l e i g h 分布和高斯分布的乘性噪声和加性噪声。 2 1 5 图像质量的评价测度 对图像质量的测度，是评价图像处理、编码和传输等方法和技术及应用系统 性能好坏的重要依据之一。图像质量通常有两方面的含义，一方面是指图像与人 1 4 硕j 1 论业 无线幽像传输中的联台信源信道编码 们的某种目的的符合程度，如美观、清晰等方面的情况；另一方面指一幅图像与 参考图像之间的相似程度，例如，图像经过传输后通常会发生失真或遭遇干扰等， 它与传输前的图像进行比较就能反映出通信系统在图像质量方面性能的优劣。 因此，图像传输系统的性能好坏通常是通过将传输解码重建后的图像与原始图像 的质量对比来评测的。图像质量的评价测度分两类：主观评价测度( s u b j e c t i v e m e t r i c s ) 和客观评价测度( o b j e c t i v em e t r i c s ) 。主观评价测度如平均意见分( m o s ， m e a no p i n i o ns c o r e ) 。m o s 是基于一组评测人通过对解码图像与原始图像的观 察比较，给出各自的主观质量判断。评测人从五种不同的评判级别中选出一个， 给出相应的m o s 分数。例如，用来确定解码图像失真程度的五个级别： 1 m o s = 5 ：极好的质量，察觉不出失真； 2 m o s = 4 ：较好的质量，只有很小的失真； 3 m o s = 3 ： 一般的质量，可察觉到失真，大致可以接受； 4 m o s = 2 ：较差的质量，较大的失真； 5 m o s = 1 ：糟糕的质量，很严重的失真。 然而，由于主观测度的评价结