（通信与信息系统专业论文）基于联合信源信道编码的图像传输研究.pdf

基于联合信源信道编码的图像传输研究 摘要 随着通信技术，特别是i n t e r n e t 和个人无线移动通信的飞速发展，对多媒体通信的需 l 、 求也曰益增加，其相关技术己成为当今通信领域的研究重点和热点，在无线多媒体通信、多 媒体电子邮件、交互式多媒体、远程医疗、电子商务等应用中展现了广阔的前景。其中图像 和视频流传输技术作为多媒体通信中的一个基本的组成部分，正日益受到重视。图像与视频 传输之所以成为多媒体通信系统中的主要瓶颈问题，是因为它需要比其他信息源，如语音和 数据，更多的传输带宽。 香农的信源信道编码理论作为通信系统设计的理论基础，已经被广为接受。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。目前多媒体通信系统的设计方法大多数是基于香农的分离理论，即采用当 前已有的最佳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。因此，在现在实际的通信系统中，信源编码器和信道编码器设计无 论是在结构上还是在理论上都是分离开来的。 然而，香农的分离理论只有在假设无限长码字( 即隐含无限大的传输延迟) 和点对点的 简单传输情况下，才是成立的。但是，在实际应用中，这些假设前提都是不现实的。尤其是 这种分离设计方法在涉及到视频、图像等传输的应用中效率很低，这就激发了进行更为有效 的联合信源信道编码( j s c c ) 方法的探索和研究，该方法将信源编码器和信道编码器进行联 合设计，组成一个共同的编解码传输系统，可以获得系统性能的显著提高。￥了一 i 本论文主要研究了三种基于联合信源信道编码的图像传输方法：基于矢量量化的联合信 源信道编码、基于可变长编码的联合信源信道编码以及基于不等差错保护的联合信源信道编 码。本论文首先对与j s c c 方案设计相关的一些必要的背景知识作了简要介绍。从香农的信 息论的基本理论着手，分析了联合信源信道编码方法的思想概念和理论基础，概括总结了近 年来国内外在联合信源信道编码研究领域中采用的著名方法和取得的成果。并对设计有效的 j s c c 系统所必需的三个基本研究领域进行了介绍：信源编码、信道编码和传输信道特性。 摘要 接着，论文用三章分别对三种基于联合信源信道编码的图像传输方法进行了深入的研究。 第三章研究了噪声信道中矢量量化的联台信源信道编码技术，分别考虑了两种噪声信道矢量 量化器设计方法：噪声信道中矢量量化索引值分配和信道盛优矢量量化器。f 首先简要介绍了 进化算法的基本理论知识及其在矢量量化中的应用，以及噪声信道中的矢量量化技术， 接着在我们做的前期工作的基础上提出了基于改进变异机制进化算法的噪声信道中的索引 值分配算法( e a i a a ) ，并通过仿真实验证明了我们提出的改进算法在提高系统性能及改善算 法收敛性能，缩短算法运行时间方面有着明显的优势。在第五节中，提出了噪声信道矢量量 化器设计的另一种方法：基于部分失真定理的信道最优矢量量化器设计算法。这一节中，首 先详细讨论了由矢量量化的高分辩率理论推导出来的渐近理论的核心部分一部分失真定理， 然后基于该定理作为矢量量化器设计的一个有力必要条件，提出了我们的p - c o v o 算法。该 算法利用进化策略调整各码矢所确定区域的子误差，从而进一步改善期望误差。与常用的码 括设计算法相比较能较好地调整各区域的子误差，获得比传统算法更高的性能增益。最后 通过仿真实验证明了该算法的可行性和有效性。 第四章研究了利用信源编码器输出中的残留冗余提供后续信道编码差错保护的联合信源 信道编码技术。( 由于信源编码器不可能将信源中的冗余完全去掉，因此其编码输出中必然仍 存在残留容易。而当我们把在解码端接收到的码流当作信源符号序列进行解码而不是当作比 特序列解码时，就可以利用这种冗余结构来获得对编码传输码流的差错保护。我们采用已成 功应用于h 2 6 l 视频标准中的u k l c 可变长编码方法与矢重量化信源编码器结合，实现了一 个对可变长信源编码方案在噪声信道中的传输提供有效差错保护的系统。仿真实验结果证明 了该图像传输系统具有较好的抗噪传输性能，可获得较高的系统性能增益，并且本系统并不 局限于某一特定类型的信源编码器。p 一，7 ，j 第五章提出了一个基于不等差错保护的联合信源信道编码的图像传输方法，在易错的衰 ， 落信道中可获得较高的图像传输性能。f 该方法将一种新的巧妙的联合信源信道编码思想 联合信源信道匹配( j s c m ) 与不等差错保护技术有机地结合，实现了一个通用的，有效的联 合信源信道编码系统。在该系统中，采用基于小波零树算法的s p i h t 信源编码器与r c p c 信 道编码器联合实现信源数据的不等差错保护。在解码端，我们采用了一种有效实用，且复杂 度不高的错误掩盖方法，使传输图像质量获得较大的提高。最后，通过四种不同的图像传输 系统在瑞利衰落信道上的系统仿真比较，实验结果证明了我们提出的方法的高效性，可行性 i i 和差错弹性特性。 关键词：垦盒焦娲倩道编码，进化算法，矢量量化，索引值分配，联合信源倍道匹配 不等差错保护 i i i a b s t r a c t o ni m a g et r a n s m i s s l 0 nb a s e do nj o i n t s o u r c e c h a n n e lc o d i n g a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dg r o w t ho f c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，e s p e c i a l l yi n t e m e ta n dp e r s o n a l w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s i n gd e m a n df o rm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ， a n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e sh a v ep o s e dap a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tc h a l l e n g et h a td e s e r v e sa t t e n t i o n s i nt h ec o m m u n i c a t i o nf i e l d i th a ss h o w n g r e a tp r o s p e r i t i e si nw i r e l e s sm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ， m u l t i m e d i ae - m a l l ，i n t e r a c t i v em u l t i m e d i a ，r e m o t em e d i c a lt r e a t m e n ta n de l e c t r o n i cc o r n l t l e r c e i m a g ea n dv i d e os t r e a m i n gt r a n s m i s s i o n ，a ne s s e n t i a lc o m p o n e n to f m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ， a t t r a c t si n c r e a s i n ga t t e n t i o n i m a g ea n dv i d e ot r a n s m i s s i o ni st h em a i ns y s t e mb o t t l e n e c kb e c a u s ei t r e q u i r e sf a r m o r eb a n d w i d t ht h a no t h e ri n f o r m a t i o ns o u r c e ss u c ha ss p e e c ho rd a t a i ti sw i d e l ya c c e p t e dt h a ts h a n n o n ss o u r c e c h a n n e lc o d i n gt h e o r e m , w h i c hs t a t e sc o n d i t i o n s u n d e rw h i c ht h es o u r c ea n dc h a n n e lc o d e r si nac o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a nb eo p t i m i z e ds e p a r a t e l y w i t h o u t s a c r i f i c i n gt h es y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c e ，i st h et h e o r e t i cf o u n d a t i o no f d e s i g n i n gs u c ha s y s t e m ad ef a c t oa p p r o a c ht od e s i g n i n gm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m su n t i lr e c e n t l yh a s b e e nt oi n v o k et h es e p a r a t i o np r i n c i p l e ，i et om a x i m a l l y c o m p r e s st h ed a t au s i n gt h eb e s te x i s t i n g m e t h o d s ，a n dt h e nt ou s eg e n e t i cd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n i q u e sd e v e l o p e di nc h a n n e lc o d i n ga n d c o m m u n i c a t i o n st ot r a n s m i tt h ec o m p r e s s e dd a t a t h i sa p p r o a c hh a ss e p a r a t e dt h et w oe n c o d i n g t a s k sn o to n l y p h y s i c a l l gb u ta l s oc o n c e p t u a l l y h o w e v e r ，t h i ss e p a r a t i o nt h e o r e ma p p l i e su n d e rt h ea s s u m p t i o no fi n f l n l t e q e n g t hc o d e w o r d s ( i m p l y i n gi n f i n i t et r a n s m i s s i o nd e l a y ) a n dp o i n t - t o - p o i n ts i m p l et r a n s m i s s i o no n l y , w h i c hi so f t e n n o tr e a l i s t i ci np r a c t i c a ls i t u a t i o n s t h e s ea s s u m p t i o n sa r ee s p e c i a l l yi n v a l i df o ri m a g ea n dv i d e o t r a n s m i s s i o n ，t h u st h es e p a r a t i o na p p r o a c hl e a d st ol o w e f f i c i e n c y t h i sm o t i v a t e st h ee x p l o r i n ga n d r e s e a r c hi ne f f i c i e n tj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n gs c h e m e s ，w h i c hc o m b i n et h es o u r c ec o d e rw i t h t 海交通大学博士学位论文 c h a n n e lc o d e rt oj o i n t l yd e s i g nt oc o n s t r u c tai n t e g r a lu a n s m i s s i o ns y s t e mi no r d e rt oo b t a i n s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to f s y s t e mp e r f o r m a n c e t h i st h e s i si n v e s t i g a t e st h i n ej o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g ( j s c c ) - b a s e dt m a g et m n s m i s s i o n s c h e m e sb r i e f l y ：v e c t o rq u a n t i z a t i o n ( v q ) - b a s e dj o i n ts 0 0 1 c ec h a n n e lc o d i n g ，v a r i a b l el e n g t h c o d e s b a s e dj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n ga n du n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ( u e p ) - b a s e dj o i n ts o u r c e c h a n n e lc o d i n g f i r s t l y ，w eg i v eab r i e fo v e r v i e wo ft h en e c e s s a r yb a c k g r o u n dk n o w l e d g ei n v o l v e d i nd e s i g n i n gaj s c c b a s e di m a g ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m w es t a r tb ye x p l o r i n gt h ei n f o r m a t i o n t h e o r yp i o n e e r e db ys h a n n o nt oa d d r e s st h ec o n c e p ta n db a s i ct h e o r yo fj s c ci ng r e a t e rd e p t h ， f o l l o w e db yab r i e fi n t r o d u c t i o na n ds u m m a r i z a t i o no fv a r i o u sf a m o u sa p p r o a c h e sa n dr e s u l t s p r o p o s e di nr e c e n ty e a r s t h r e eb a s i cr e s e a r c ha r e a s ，w h i c ha r cr e q u i r e dt od e s i g na ne f f i c i e n tj o i n t s o u r c e c h a n n e l o p t i m i z e ds y s t e m , a r ea d d r e s s e d ：s o u r c ec o d i n g c h a n n e lc o d i n ga n dc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s t h e n ，t h ef o l l o w i n gt h i n ec h a p t e r si n v e s t i g a t et h et h r e ej s c c - b a s e di m a g et r a n s m i s s i o n s c h e m e si nd e p t h ，r e s p e c t i v e l y _ c h a p t e r 3i n v e s t i g a t e sv e c t o rq u a n t i z a t i o n - b a s e dj s c c t e c h n i q u ei n n o i s yc h a n n e l sw i t ht w om e t h o d so fd e s i g n i n go p t i m a lv e c t o rq u a n t i z e rf o rn o i s yc h a n n e l s ：v e c t o r q u a n t i z a t i o ni n d e xa s s i g n m e n ta n dc h a n n e l - o p t i m i z e dv e c t o rq u a n t i z e r ( c o v q ) t h ef o u n d a t i o n a l k n o w l e d g eo f e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ( e a ) a n d i t sa p p l i c a t i o n si nv qa a d d r e s s e d f l r ：s f l y , a sw e l l a st h ev q t e c h n i q u e si nn o i s yc h a n n e l s o nt h eb a s i so f o u re a r l i e rw o r k ，w ep r o p o s eae v o l u t i o n a r y a l g o r i f l , a u - b a s e di n d e xa s s i g n m e n ta l g o r i t h m 但a i 从) w i t ht h ei m p r o v e dm u t a t i o nm e c h a n i s m t h e i m p r o v e da l g o r i t h mc a n a c h i e v e s i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ta n dp r e d o m i n a t ei n i m p r o v i n gc o n v e r g e n c ep r o p e r t ya n dd e c r e a s i n gr u n n m gt i m e ns e c t i o n5 ，am e t h o do fp a r u a l d i s t o r t i o nt h e o r e m b a s e dc o v q ( p - c o v q ) d e s i g ni sp r o p o s e d t h ec o r eo f t h ea s y m p t o t i ct h e o r y d e r i v e df r o mt h eh i g h - d e f i n i t i o nt h e o r yo f v q p a r t i a ld i s t o r t i o nt h e o r m n , w h i c hi san e c e s s a r y c o n d i t i o no fo p t i m a lv q ，i ss t u d i e d t h e no u rp - c o v qa l g o r i t h mi s p r o p o s e db a s e do nt h i s t h e o r e m i no u r a l g o r i t h m ，t h ee v o l u t i o n a r ys l r a t e g yi su t i l i z e dt om o d u l a t et h es u b d i s t o r t i o no f e a c h r e g i o nd e t e r m i n e db ye a c hc o d e v e c t o ri no r d e rt oi m p r o v et h ee x p e c t e d d i s t o r t i o n f i n a l l y , c o m p a r e d w i t ho t h e rc o n v e n t i o n a lc o d e b o o k d e s i g na l g o r i t h m s ，t h ep r e s e n t e da l g o r i t h mh a sb e a e r m o d u l a t e dt h es u b d i s t o r t i o no f e a c h r e g i o na n da c h i e v e ds i g n i f i c a n tg a i n si na v e r a g ed i s t o r t i o nd u e v a b s t r a c t t oc h a n n e le r r o r s ，o v e ro t h e rc o n v e n t i o n a lv qd e s i g nm e t h o d s ，a sc o n f i r m e db ye x p e r i m e n t a l r e s u l t s i nc h a p t e r4 t ，w ei n v e s t i g a t eaj s c ct e c h n i q u ew h i c hu t i l i z e st h er e s i d u a lr e d u n d a n c ya tt h e o u t p u to ft h e s o u r c ec o d e rt o p r o v i d ee n - o rp r o t e c t i o n f o r e n t r o p yc o d e ds y s t e m s s i n c e i t s i m p o s s i b l et or e m o v ea l lt h er e d u n d a n c yi ns o u l e ，t h eo u t p u to ft h es o b r c ec o d e rc o n t a i nr e s i d u a l r e d u n d a n c yc o n s e q u e n t i a l l y t h ep r o t e c t i o n i so b t a m e d b yu s i n gt h er e d u n d a n c y i i lt h es o u r c ec o d e r o u t p u ta n d m a k i n g u s eo f t h e f a c t t h a t t h i ss t r u c t u r ec a n b eu s e d i f w ed e c o d e t h er e c e i v e d b i t s l a e a m a sas e q u e n c eo fs y m b o l sr a t h e rt h a nas e q u e n c eo f b i t s w ec o m b m et h eu n i v e r s a lv a r i a b l el e n g t h c o d e s ( u v l c ) ，w h i c h h a v eb e e n a d o p t e di nt h eh 2 6 lv i d e os t a n d a r ds u c c e s s f u l l y , w i t hv q s o u r c e c o d e rt oa c h i e v eas y s t e mw h i c h p r o v i d e sas i g n i f i c a n ta m o u n to fp r o t e c t i o nf o rv a r i a b l el e n g t h s o u r c ec o d i n gs c h e m e so v e rn o i s yc h a n n e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o l l s t r a t et h a tt h ep r o p o s e d i m a g et r a n s m i s s i o ns y s t e m c a na c h i e v e s i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti np e r f o r m a n c eu n d e rn o i s y c h a n n e lc o n d i t i o n sa n dt h i sa p p r o a c hi sn o tl i m i t e dt oa n y p a r t i c u l a rt y p eo f s o u r c ec o d e r i nc h a p t e r5 ，a l lu n e q u a le l t o rp r o t e c t i o n - b a s e dj s c ci m a g et r a n s m i s s i o n a p p r o a c h i sp r o p o s e d ， w h i c hc a l lo b t a i ns i g n i f i c a n tp e r f o r m a n c e 曲e l t o r - p r o n eh d m gc h a n n e l t h i sa p p r o a c hc o m b i n e sa s i m p l eb u ty e te l e g a n tc o n c e p t j o i ms o a r c e - c h a n n e lm a t c h i n g ( j s c m ) 、i t l lu e p t or e a l i z ea g e n e r a la n d e f f e c t i v ej s c c s y s t e m h 1o n rp r o p o s e ds y s t e m , w e r i s ew a v e l e tz e m t r e e - b a s e ds p i h t s o a r c ec o d e rc o m b i n e dw i t hr c p cc h a n n e lc o d e rt op e r f o r m u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n f o rt h es o u r c e d a t a a tt h er e c e i v e r , a l le 伍c i a n ta n d p r a c t i c a le n 0 rc o n c e a l m e n tm e t h o d w i t hl o wc o m p l e x i t yi s a d o p t e dt oi m p m v ei m a g eq u a l i t yg r e a t l y t h ee f f i c a c y , f e a s i b l ea n de r r o r - r e s i l i e n tp r o p e r t yo f t h e p r o p o s e di m a g et r a n s m i s s i o ns y s t e mh a v eb e e nd e m o n s t r a t e dt h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ff o u r d 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 r r a y l e i g hf a d i n g c h a n n e l k e y w o r d s ：j o i n ts o u r c e - c h a n n e lc o d i n g , e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m s ，v e c t o rq u a n t i z a t i o n ， i n d e xa s s i g n m e n t ，j o i n ts o u r c e - c h a n n e lm a t c h i n g ，u n e q u a lc i t o r p r o t e c t i o n 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密匿z ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 垮孑漫 日期：如2 年夕月日 静毳繇钽仑孵彬 日期：渺獐甲月日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 柱数 日期：a 的乙年罗月红日 申请上海交通大学工学博士学位论文 基于联合信源信道编码的图像传输研究 学科专业： 研究方向： 指导教师： 博士研究生： 通信与信息系统 i i t 曝i 叵信与多媒体技术 余松煜教授 每夭炙0 9 9 d 。罗9 2 6 上海交通大学图像通信与信息处理研究所 二零零二年六月 a e p a w g n b e r b p s k b s a b s c c o v q c s l d m c d m s d p c m e a l a a e e p e o l e p e r e c e s e z w f e c f l c g a g l a h m m h v s i a 1 , 1 d ， j s c c j s c m l b g l i p l i s l s p m a p m m s e m o s m s b m s e n c e 英文缩写列表 a s y m p t o t i ce q u a lp r i n c i p l e a d d i t i v ew 1 l i t eg a u s s i a nn e l s e b i te r r o rr a t e b m a r y p h a s es h i f tk e 撕n g b i n a r ys w i t c h i n ga l g o r i t h m b i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e l c h a n n e l - o p t i m i z e d v e c t o rq u a n t i z a t i o n c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i s c r e t em e m o r y l e s sc h a n n e l d i s c r e t em e m o r y l e s ss o u r c e d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d i n gm o d u l a t e e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m - b a s e di n d e xa s s i g r n n e n ta l g o r i t h m e q u a le r r o rp r o t e c t i o n e n do f l i n e e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g e r r o rr e s i l i e n te n t r o p yc o d i n g e v o l u t i o n a r ys t r a t e g y e m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e t f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f i x e dl e n g t hc o d e g e n e r i ca l g o r i t h m g e n e r a l i z e dl i e y d a l g o r i t h m h i d d e nm a r k o vm e d e l h u m a nv i s u a ls y s t e m i n d e x a s s i g n m e n t i n d e p e n d e n ti d e n t i f i e dd i s t r i b u t i o n j o i n ts o u r c e - c h a n n e lc o d i n g j o i n ts o u r c e - c h a n n e lm a t c h i n g l i l l d e ，b u z o ，g r a y “s to f i n s i g n i f i c a n tp i x e l s l i s to f i n s i g n i f i c a n ts e t s l i s to f s i g n i f i c a n tp i x e l s m a x i n l u n la p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y m i r t i m u l nm c a ns q u a r e de r r o r m c a no p i n i o ns c o r e m o s ts i g n i f i c a n tb i t m e a ns q u a r e de r r o r n o n b i n a r yc o n v o l u t i o n a le n c o d e r 英文缩写列表 0 p t a p c o v q p m f p s n r r c p c r s n r r v l c s m a p s p i t s s i u e p u v l c v l c v q w s s u s o p t i m a lp e r f o r m a n c et h e o r e t i c a l l ya t t a i n a b l e p a t t i a ld i s t o r t i o nt h e o r e mb a s e dc o v q p r o b a b i l i t ym a s sf u n c t i o n p e a ks i g n a ln o i s er a t i o r a t e - c o m p a t i b l e p u n c t u r e dc o n v o l u t i o n a lc o d e s r e c o n s t r u c t i o ns i g n a l - t o - n o i s er a t i o r e v e r s i b l e 血a b l el e n g t hc o d e s e q u e n c em a p s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s s o u r c es i g n i f i c a n c ei n f o r m a t i o n u n e q u a ie n o r p r o t e c t i o n u n i v e r s a lv a r i a b l el e n g 血c o d i n g a b l el e n g t d ac o d e v e e t o rq u a n t i z a f i o n w i d e - s e n s e s t a t i o n a r yu n c o r r e l a t e ds c a t t e r i n g 第一章绪论 1 1 引言 随着通讯技术，特别是i n t e r n e t 和个人无线移动通信的飞速发展，对多媒体通信的需 求也日益增加，其相关技术已成为当今通讯领域的研究重点和热点，在无线多媒体通信、多 媒体电子邮件、交互式多媒体、远程医疗、电子商务等应用中展现了广阔的前景。其中图像 和视频流( v i d e o s t r e a m i n g ) 传输技术作为多媒体通信中的一个基本的组成部分，正日益受到 重视。图像与视频传输成为多媒体通信系统中的主要瓶颈问题，因为它需要比其他信息源， 如语音和数据，更多的传输带宽。在现在实际的通信系统中，绝大多数情况下，信源编码器 无论是在结构上还是在理论上都是和信道编码器分离开来的。这种方法在涉及到视频、图像、 语音等传输的应用中效率很低，这就激发了进行更为有效的联合信源信道编码方法的探索和 研究，该方法将信源编码器和信道编码器联合组成一个共同的编解码传输系统。 在通信理论中一个基本的问题是，在发送端的信源和接收端的重建数据之间给定了某一 种可靠度评价的时候，如何实现从一点到另一点的可靠的数据传输。香农在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，称为该信道的容量【1 1 。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，香农在】9 5 9 年又指出，在给定了一个 离散的、稳定的、各态历经的信源和一个单字符失真测度时，存在一个率一失真函数，可以认 为是对于一给定失真度的信源的最小信息率”。这两个结论就建立了通讯研究领域中的两个 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。 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，对视频和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讯技术来传输压缩后的数据。这种分 第一章绪论 别设计的方法是基于香农的分离理论。香农的联合信源信道编码理论8 作为通讯系统设计的 理论基础，已经被，“为接受。该定理阐述了在何种条件下，通讯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引。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，更多的努力在设计信道稳健编码器上) ，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 信源和倍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不仅从实体结构上分 离开来，而且在概念上也是分离的，从而也就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4 “。 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 得到迅速的发展有着其内在的原因：( 1 ) 分离可以使得问题的分析得到简化，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