（仪器科学与技术专业论文）基于jpwl的无人机压缩图像可靠传输技术研究及应用.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 无人机作为军事侦察中的一种重要手段，被人们喻为“大气层侦察卫星 。 它以获取大量图像数据为目标，通过无线传输的方式将图像数据从空中发送回地 面。但对于无线信道而言，由于其传输带宽范围有限并常存在较高的传输误码等 问题，使得图像数据不但必须经过高效的压缩编码处理后才能进行无线传输，而 且还需要采取一定的措施来提高图像在无线信道中的抗误码传输能力，才能提高 传输效率以及保证接收图像的质量。 将新一代图像压缩标准j p e g2 0 0 0 标准应用于无人机图像无线传输领域的不 足之处在于：腰e g2 0 0 0 标准中所提出的熵编码层和数据包层容错工具不足以保证 图像数据在含有较高误码无线信道中传输的可靠性。为此，本文提出采用口e g 组 织专门为j p e g2 0 0 0 标准应用于无线领域所制定的j p w l 标准来解决这一问题。 本文以利用j p w l 标准提高无人机在含有较高误码无线信道中进行可靠图像传输 为具体实例，对j p w l 标准的实际应用展开了较全面的研究，对j p w l 标准中提 出的三种错误保护技术：标记头保护技术、不平等错误保护技术和错误隐藏技术 进行了具体的分析，并根据实际环境中无人机图像处理过程结合j p w l 标准，采 用m a t l a b 软件工具搭建了j p w l 仿真平台，模拟了图像数据的压缩过程、对图像 码流施加错误保护过程、图像码流在噪声环境下的发送、接收过程以及图像解码 恢复过程。从最终的仿真结果来看，采用方法可以有效的保护图像压缩码流中的 重要信息，并对误码错误进行有效的纠正和隐藏，以较低的代价极大的提高了解 码率，适合于无人机压缩图像的可靠传输。 本文最后对j p w l 系统的硬件实现方式进行了研究，给出了小波处理模块硬 件的具体设计过程，并对全文进行了总结。 主题词：图像压缩j p e g 2 0 0 0 无线传输 j p w l 错误保护 m a tia b 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t p a c t u a v ( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) ，a l li m p o r t a n tm e a n sf o rm i l i t a r y r e c o n n a - i s s a n c e ，i sc o m p a r e dt o “r e c o n n a i s s a n c es a t e l l i t ei na e r o s p h e r e ”b ym a n yp e o p l e a st o m a k eat a r g e t , t h eg r e a td e a lo fi m a g ed a t ao b t a i n e db yu a va t eu s u a l l yt r a n s r r f i t e d f r o mt h ea i rt ot h eg r o u n dv i aaw a yo fw i r e l e s st r a n s m i s s i o n b u tt h ew i r e l e s sc h a n n e l ， i ng e n e r a l ，e x i s t sc e r t a i np r o b l e m s ，s u c ha st h el i m i to ft r a n s f o r mb a n d w i d t ha n dt h e e x i s t e n c eo fh i g ht r a n s m i s s i o ne r r o r i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o na n d e n s u r et h eq u a l i t yo fi m a g ed a t ar e c e i v e d , t h ei m a g ed a t ai sn e e d e dt ob ed e a l 、析吐l e f f e c t i v ec o m p r e s s i o nb e f o r ew i r e l e s st r a n s m i s s i o na n da l s on e e d e dt oa d o p t e dc e r t a i n m e a s u r e st oe n h a n c et h ec a p a b i l i t yo fe r r o rr e s i l i e n c eo v e rw i r e l e s sc h a n n e l s a p p l i n gt h en e ws t a n d a r do fi m a g ec o m p r e s s i o nj p e g2 0 0 0t ot h ef i e l do fi m a g e w i r e l e s st r a n s m i s s i o nf o ru a v ，t h es h o r t c o m i n gi st h a t t h ee r r o rr e s i l i e n tt o o l s m e n t i o n e di nj p e g2 0 0 0f o re n t r o p yc o d i n gl a y e ra n dd a t ap a c k a g el a y e ra r en o t e n o u g ht og u a r a n t e et h er e l i a b i l i t yo fi m a g ed a t at r a n s m i s s i o no v e ra nh i g he r r o r - p r o n e w i r e l e s st r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t t os o l v et h i sp r o b l e m ，w ep r e s e n tan e ws t a n d a r d c a l l e dj p w l ，w h i c hi se s t a b l i s h e db yt h ej o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( j p e g ) f o r t h ea i mt ou s i n gj p e g2 0 0 0i nw i r e l e s sd o m a i n t h e r e f o r e ，m a k i n gt h ec o n t e x to f e n h a n c i n gt h er e l i a b i l i t yo fi m a g ed a t at r a n s m i s s i o no v e ra nh i g he r r o r - p r o n ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n ta sa ne x a m p l e ，t h ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c hi sm a d ef o rj p w l o ni t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h r e ee r r o rp r o t e c t i o nt e c h n o l o g i e ss u p p o r t e d b yj p w ls t a n d a r d ，s u c ha sh e a d e r sp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ，u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n t e c h n o l o g ya n d e r r o rc o n c e a l m e n tt e c h n o l o g y ，a r ed e s c r i b e di nd e t a i l a tt h es a m et i m e ， c o m b i n i n gt h ei m a g ed i s p o s a lp r o c e s sb yu a v i na c t u a le n v i r o n m e n tw i t hj p w l s t a n d a r d , as i m u l a t i o np l a t f o r md e s i g n e d 、析t 1 1m a t l a bs o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h e i m a g ec o m p r e s s i o np r o c e s s i n g ，t h ee r r o rp r o t e c t i o np r o c e s s i n gt oi m a g ec o d e s t r e a m , s e n d i n g r e c e i v i n gp r o c e s s i n gu n d e rt h en o i s ee n v i r o n m e n ta n dd e c o d i n gp r o c e s s i n gt o i m a g er e s t o r a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t , t h ep r o p o s e dm e t h o dh a v en o to n l y p r o t e c t e dt h es i g n i f i c a n tp a r t so fc o d e - s t r e a m , e f f i c i e n t l yc o r r e c ta n dc o n c e a lt h e t r a n s m i s s i o ne r r o r , b u ta l s oh a v el a r g e l yu p g r a d e dt h ed e c o d e di m a g e sq u a l i t yw i t hl i r l e c o s t t h u s ，t h em e t h o dh a v ep r o v e dt ob ea d a p t i v et ou a vi m a g ec o m p r e s s i o na n d t r a n s m i s s i o n f i n a l l y ，t h er e s e a r c ho fh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nf o rj p w ls y s t e mh a v ed o n ea n d t h ed e s i g ep r o c e s s i n go fw a v e l e td i s p o s a l 。m o d u l eh a v eb eg i v e n ，a sw e l la st h e s u m m a r i z a t i o no ft h ew h o l ep a p e r k e yw o r d s ：i m a g ec o m p r e s s i o n ，j p e g2 0 0 0w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ， jp w l ，e r r o rp r o t e c t i o n ，m a t l a b 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1j p e g2 0 0 0 其他特性一览表4 表1 2j p e g2 0 0 0 标准族5 表2 1m q 算术编码的概率状态转移表1 5 表4 1m 文件实现的主要功能说明表3 7 表4 2w a v e l e t c d f 9 7 m 调用说明表3 9 表4 3 码流中的标记标记段3 9 表4 4g f ( 2 8 ) 域初始数值表4 2 表4 5r s 码函数说明表4 3 表4 6 拼接块信息：4 4 表4 7 第l5 拼接块信息4 5 表4 8b p s k 基带调制器( b p s km o d u l a t o r ) 的参数设置4 6 表4 9b p s k 基带解调器( b p s kd e m o d u l a t o r ) 的参数设置4 7 表4 1 0 二进制对称信道( b h a a r ys y m m e t r i cc h a n n e l ) 的参数设置4 7 表4 1 1 工作区写入模块( t ow o r k s p a e e ) 的参数设置4 7 表4 1 2 误码率统计模块( e r r o rr a t ec a l c u l a t i o n ) 的参数设置4 8 表5 1 三种硬件设计方案比较5 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 图像通信系统模型l 图2 1j p e g2 0 0 0 编码、解码系统结构8 图2 2 图像数据的划分层次l o 图2 3e b c o t 的两层编码结构1 1 图2 4 编码块的结构1 2 图2 5 组合流的简单结构1 2 图2 6 位平面、系数比特平面结构。1 3 图2 7 位平面的扫描顺序1 3 图2 8 算术编码的概率估计模型1 4 图2 9 在错误恢复中s e g m a r k 的效果16 图2 1 0 皿e g2 0 0 0 码流组成1 6 图2 1 1 包结构1 7 图2 1 2 包分割示意图1 7 图2 13s o p 标记段18 图3 1j p w l 系统描述：j p w l 编、解码器2 1 图3 2j p w l 系统描述：j p w l 码流转换器2 1 图3 3j p w l 系统描述：其他结构形式2 1 图3 4j p w l 系统描述：其他结构形式2 2 图3 5e p c 标记段语法结构2 3 图3 6e p b 标记段语法结构2 4 图3 7e s d 标记段语法结构2 4 图3 8r e d 标记段语法结构2 5 图3 9r s ( n ，k ) 编码示意图2 6 图3 1 0 主标头中e p b 标记段的位置和保护区域2 6 图3 1 1 拼接块标头中e p b 标记段的位置和保护区域( 单e p b 情况) 2 6 图3 1 2 “打包 方式下拼接块标头中e p b 标记段的位置和保护区域2 7 图3 1 3 “未打包 方式下拼接块标头中e p b 标记段的位置和保护区域( 多e p b 情 况) 2 7 图3 1 4 不平等错误保护示例3 0 图3 1 5 包模式下r e d 标记段用于残余错误标记。3 1 图3 1 6 包模式下r e d 标记段用于数据包丢失标记3 1 第页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 基于j i ： w l 系统的错误保护仿真方案3 3 图4 2j p w l 系统仿真平台的总体搭建流程3 5 图4 3a d v 2 0 2 的码流格式3 6 图4 4a d v 2 0 2 的场标头结构。3 6 图4 5 实现j p e g2 0 0 0 编、解码程序名称及层次结构3 6 图4 6j p e g2 0 0 0 图像编、解码程序的运行流程图3 7 图4 7 一维c d f 9 7 小波分解滤波器的提升实现结构3 8 图4 8e np a c k e t1 m 程序的主要实现流程4 0 图4 9j p w l 编码程序流程图4 l 图4 1 0j p w l 解码程序流程图4 1 图4 1 1 部分运行效果4 5 图4 1 2u l 缸虹t 软件读取到的数据( 部分) 4 6 图4 1 3 无线信道仿真平台4 7 图4 1 4 有无执行头保护的码流可解码能力比较5 0 图4 1 5 峰值信噪比与传输误码率关系5 1 图5 1j p w l 系统硬件平台的总体设计( 压缩部分) 5 5 图5 2a d v 芯片的内部结构5 6 图5 3a d v 2 0 2 硬件电路图5 6 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 基王哑的歪厶扭压缠图像互靠笾猃盐苤盈究区廑周一 学雠文储摊：之红二吼叫年，1 月1 5 r 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：蕴支 作者指导教师签名：么= 生= 兰型羔 日期：7 年，1 月石日 吼7 年，月占日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 无人机( u a v ，u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) 又称为无人驾驶飞机、遥控飞机， 是一种由遥控设备或机上程序控制设备控制飞行的不载人飞机【1 1 。随着时代的不 断进步以及高新技术在武器装备上的广泛应用，用无人机代替有人飞机执行高风 险任务，已成为当今国际航天领域一个重要的发展方向【2 】。在军事作战方面，以 无人机为代表的高科技武器装备的广泛使用正逐步改变着传统的作战理念和作 战样式。从近几次的高技术局部战争来看，无人机多被用于对敌目标区域进行高 空战场侦察和监视，将获取的大量可靠信息实时地传回到己方，使己方指挥管能 够完成对战场态势的实时分析，对敌潜在辐射源威胁的精确定位以及较卫星和电 子侦察飞机更实时地评估作战毁伤效果等任务。通常情况下，由于多数无人机安 装有光电、红外和高分辨率大面阵c c d 等传感器，所以己方情报人员从无人机获 取的主要信息类型为高质量、高分辨率的目标侦察图像信息。例如：在伊拉克战 争中，美国利用两架享有“大气层侦察卫星 之美称的“全球鹰 无入机在伊拉 克上空共执行了4 5 2 次情报、监视与侦察行动，搜集了4 8 0 0 幅目标图像信息， 占无人机获取情报信息总数的8 0 以上，为美军提供了“广泛的作战能力 。可 见，为了确保无人机作战效果，只有通过在无人机与图像信息接收用户之间建立 一个实时、可靠的图像处理通信系统，才能确保无人机获取到的图像信息不但在 时间上能够及时、准确的发送回己方，而且在接收图像的质量上也能够保证一定 的图像精度和很高的图像分辨率，从而提供有效的信息能力。其中，采用何种技 术来保证图像处理和传输的可靠性则是无人机图像处理通信系统技术中的关键 之一。 针对无人机图像处理通信系统，这里可以用图像通信系统模型【3 】，如图1 1 所示进行描述： 图像 l 信息源| 。l 预处理| l 信源编码i i 编码| 。i 删。j 图謦信道_ 三曼 - 薹薹 匡薹蕊 图1 1 图像通信系统模型 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在整个图像通信系统模型中，对图像信息源进行图像信源编码和信道编码主 要是考虑到以下两个方面的因素： 1 侦察图像信息庞大的数据量和无线环境有限的传输带宽需要对图像信息 进行高效的压缩。为了能够提高无人机侦察和监视效果，机载相机往往采用高帧 频、大面阵的c c d 相机来获取高质量、高分辨率的图像信息，从而导致了图像的 数据量成倍地增长。例如：一幅航空拍摄的水平和垂直分辨率分别为2 3 4 0 x 3 2 4 0 ，采样精度为7 b i t 的图像，其数据量高达2 1 2 m b 。这么庞大的数据量给信 息的处理和存储带来了极大的压力。虽然通过提高硬件的处理能力，增大数据的 存储容量可以缓解这一问题，但新任务和新需求的不断涌现，这种单纯提高信息 平台的处理能力是不能有效解决这个问题的。同时，无人机获得的大量图像信息 需要通过无线的形式传送给用户，在一般情况下无线通信信道总会存在带宽的限 制。随着图像信息量的不断增大，仅依靠原有的带宽来传输图像信号将使得在图 像接收的实时性和图像的质量方面带来新的问题，而采用以扩大带宽为代价换取 高传输质量的传输方式，必将在技术上去面对另一个新的难题。因此，利用高效 图像压缩技术对数字化后的信源信号先进行数据压缩，然后再以压缩的形式进行 传输或存储，可以达到节省传输带宽及所需存储量并获得高质量图像信息的目 的。 2 无线传输环境中较高误码率的存在需要在信道中引入容错机制。由于无线 介质固有的开放性，无线传输容易受到环境的影响，加之白干扰特性也会对通信 产生影响，所以造成无线信道中存在高误码率的现象。图像信息经过图像压缩编 码后虽然具有一定的抗干扰能力，但由于压缩后的图像信息之间被消除了大量的 冗余信息，使得数字压缩图像对于信道噪声所起的比特错误依旧十分敏感，这必 然造成在较高误码率的环境下，信源解码器的稳定性差，存在“劳而无功”的现 象，接收到的图像质量也会无法得到保证。因此，在信源编码和信道编码中引入 合适的容错机制，将使得信源解码器在较高的误码率环境下仍然能够稳定的工 作，实现图像质量和编码开销的平衡。 可见，除了通过提高带宽来保证图像质量外，如何根据无线信道的特点，采 用合适的图像压缩算法以及图像容错机制，在无线环境高误码率、有限带宽的情 况下，提供更好的图像质量和实时传输性，对于无人机在军事侦察领域的不断发 展具有重要的意义。 1 2j p e g2 0 0 0 标准的发展现状分析 1 2 1j p e g2 0 0 0 的特点介绍 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 j p e g2 0 0 0 是由i s o i e c j t c t s c 2 9 w g l 制定的一种关于静态图像压缩的最 新国际标准 4 1 。j p e g2 0 0 0 标准的产生弥补了其前身j p e g 标准在码速率低、无法 在单一码流中实现有损和无损压缩以及压缩码流容错能力较差等方面的不足，该 标准采用离散小波变换的编码方式，使得它不仅在压缩性能方面明显优于j p e g 标准，而且还具有很多j p e g 标准无法提供或无法有效提供的新特点，如【5 】【6 】： 1 良好的低比特率压缩性能： 由于采用离散小波变换( d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ，d w t ) 和e b c o t ( e m b e d e db l o c kc o d i n gw i t ho p t i m a lt r u n c a t i o n ) 编码算法，使得j p e g2 0 0 0 获得平均比j p e g 高2 0 的压缩效率。同时，采用比较大的分区结构，在码率比 较低的情况下，可以使图像块效应得到很大的改善，所以非常适合当前移动通信 和网络等有限带宽的应用需要【7 】。 2 渐进传输： d w t 的多分辨率分解能力，使得j p e g2 0 0 0 支持四维渐进传输：质量、分辨 率、空间位置和分量。这种特性是在慢速连接中接收图像系列时极为有效的一种 技术，例如，按质量类型进行传输时，只要接收到约0 0 5 位样本后，通常就可 以辨认出一份图像，这样用户就可以根据图像轮廓信息来决定是否需要继续接收 图像；按分辨率类型进行传输时，前几个字节用于重新显示图像的一个小缩略图。 当接收到更多字节时，图像的分辨率( 或者尺寸) 会以每边倍乘2 的速度增加。 当数据流受到带宽波动影响的时候，系统能够通过这种渐进特性适当降低图像质 量或分辨率来保证图像的连续性。 3 有损无损压缩： j p e g2 0 0 0p a r tl 规定选用两种滤波器来实现d w t ，即d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 小 波和l eg a l l ( 5 ，3 ) 小波。用户通过选择不同的小波滤波器组可以同时实现在一。 个编码系统内中支持有损压缩和无损压缩，其中( 9 ，7 ) 小波用于浮点运算，它 只能用于有损压缩；而( 5 ，3 ) 小波用于整型运算，它既可以用于有损压缩，也 可以用于无损压缩。 4 感兴趣区域编码： 感兴趣区域( r e g i o no fi n t e r e s t ，r o i ) 编码是指将整个图像区域按照用 户的关心程度区分为“前景 和“背景两部分，并在编码时间中为感兴趣区域 赋予较高的优先级。如：用户可以对“前景 区域采用较低的压缩比编码以保证 该区域图像的精度和质量；而对“背景 区域采用较高的压缩比编码来降低编码 的开销，从而降低压缩整幅图像的总开销。 5 良好的容错机制： j p e g2 0 0 0 标准第1 部分中规定了一些容错性工具【羽，包括数据分割、误码 检测、再同步，以及在熵编码阶段和包层的编码模式等。文献 9 中，邱风等人 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 从编码的角度对j p e g2 0 0 0 的抗干扰性进行了研究，并对其在带有高斯白噪声信 道下的容错性进行了实验论证，实验结果表明j p e g2 0 0 0 的抗干扰性能要优于传 统的图像压缩标准。本文将在第二章对相关内容进行研究。 除此而外，j p e g2 0 0 0 还具有其他一些特性【1 0 1 如表1 - 1 所示。从这些特性可 以看出，j p e g2 0 0 0 被广泛应用于通信、图像处理、信号处理、信息理论和多媒 体等领域。 表1 1j p e g2 0 0 0 其他特性一览表 特性应用或说明 连续色调和二元压缩图像和文本的复合文档、包含评注信息的医疗图 像、图形、传真等 固定比率大小、有限内存 图像和文本的复合文档、包含评注信息的医疗图 像、图形、传真等 随机访问 旋转、平移、过滤、特征抽取、缩放 图像安全性图像的水印、商标、印章、指纹、加密等 基于内容的描述图像数据库的检索 1 2 - 2j p e g2 0 0 0 的组织结构 j p e g 委员会于2 0 0 0 年1 2 月公布了j p e g2 0 0 0 标准的第一部分后，到2 0 0 4 年底先后公布了j p e g2 0 0 0p a r t2 一p a r t6 为国际标准，该标准发展到今天， 共公布了1 3 部分标准，即：j p e g2 0 0 0 p a r tl p a r t1 3 ，形成了一个完整的 体系。表1 2 给出了j p e g2 0 0 0 标准家族的组成部分【1 1 1 。 j p e g2 0 0 0p a r t1 一核心编码系统：定义了核心编码且明确了其在标准的 其他部分中的使用，还规定了一种简单的文件格式j p 2 ； j p e g2 0 0 0p a r t2 一扩展部分：扩展了第l 部分解码部分的高级特征，包 括扩展文件格式支持和采用更复杂的算法提高压缩效率； j p e g2 0 0 0p a r t3 一动态j p e g2 0 0 0 ：定义了运动j p e g2 0 0 0 ( m j p 2 ) ，它 主要以第1 部分的附加文件格式技术为基础。编码器明显比m p e g 标准简单，主 要应用于如快速捕捉模式的数字摄影、视频编辑和数字电影的归档和发行； j p e g2 0 0 0p a r t 缸为保证标准高质量的实现定义了一致性测试； j p e g2 0 0 0p a r t5 ：定义两种参考软件来实现第1 部分，一种是由t j 2 0 0 0 工作组提供的j a v a 工具，另一种是c 工具，称作j a s p e r , j p e g2 0 0 0p a r t6 ：定义了一种混合图像文件格式； j p e g2 0 0 0p a r t8 ：j p s e c 与j p e g2 0 0 0 安全应用有关； j p e g2 0 0 0p a r t9 ：j p i p 为分配有关j p e g2 0 0 0 应用定义了一套高级网络 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 协议： j p e g2 0 0 0p a r t1 0 ：j p 3 d 与3 维数据和浮点数据压缩有关； j p e g2 0 0 0p a r t1 1 ：j p w l 使用j p e g2 0 0 0 处理无线应用； j p e g2 0 0 0p a r t1 2 ：是对第3 部分的增补； j p e g2 0 0 0p a r t ，t 3 ：主要是对j p e g2 0 0 0 编码器进行标准化； 表1 2j p e g2 0 0 0 标准族 部分名称 l核心编码系统 2 扩展部分 3 动态j p e g 2 0 0 0 ，4 一致性测试 5 参考软件 6 混合图像文件格式 7 ( 取消，没有用) 8 口s e c ：安全j p e g2 0 0 0 9j p 口：互动工具a p i s 和协议 1 0j p 3 d ：3 维数据和浮点数据 1 1 j p w l ：无线 1 2i s o 基本媒体文件格式 1 3进行标准j p e g2 0 0 0 编码器 1 2 3j p e g2 0 0 0 标准在无线环境下扩展和应用 在1 2 1 节，我们对j p e 62 0 0 0 标准的主要特点进行了介绍，并在1 2 2 节对j p e g2 0 0 0 标准的各组成部分及其应用场合分别进行了描述。从上面的内容 中我们可以看出，j p e g2 0 0 0 标准的发展过程是一个不断充实和完善的过程，在 解决新问题和面对新挑战的时候，不断通过对基本的j p e g2 0 0 0 标准引入新的标 准来扩展其应用领域，使得j p e g2 0 0 0 标准中的众多特性得以广泛应用。其中， j p e g2 0 0 0 标准在无线环境下的扩展和应用，已逐渐成为热点的研究内容之一。 j p e g2 0 0 0 在无线环境下的扩展，即；j p e g2 0 0 0 标准族第1 l 部分一j p e g 2 0 0 0w i r e l e s s ，j p w l 。j p e g 专家组从2 0 0 2 年开始j p w l 的研究工作，并与2 0 0 6 年完成了标准的最终制定，最后在2 0 0 7 年六月正式成为国际标准i s o i e c1 5 4 4 4 - 1 l 。本文在介绍j p e g2 0 0 0 特点( 1 2 1 节) 的时候，我们对j p e g2 0 0 0 标准 的容错机制进行了描述，并指出了j p e g2 0 0 0 标准第l 部分规定的一些容错性工 具，但在实际研究和应用这些工具的时候，发现这些工具只能用于提高压缩码流 一 第5 贡一 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在噪声信道中的传输性能，限制误码对压缩码流的影响，并不能纠正压缩码流中 的任何误码。如：当压缩码流的控制部分，即主信息头，拼接块头发送错误时， 相关部分的压缩码流就无法恢复( 文献 1 2 对该部分内容进行了具体研究) 。因 此，j p e g2 0 0 0p a r t1 中规定的这些容错工具不足以保证压缩码流无线传输的 可靠性。为此，j p w l 标准通过在j p e g2 0 0 0 标准第1 部分的基础上扩展了错误 保护和纠正部分，并规定了一些工具和方法保证j p e g2 0 0 0 码流在易误码无线信 道中的可靠传输【1 3 1 。同时，j p w l 标准提出了一个通用解决方案，而没有具体指 定应用环境，从而具有很广阔的应用潜力。本文将在第三章对相关内容进行研究。 1 3 本文研究的主要内容与方法 本文以无人机航空侦察为应用背景，在利用j p e g2 0 0 0 图像压缩标准对侦察 图像进行高效压缩的基础上，对采用j p w l 标准实现j p e g2 0 0 0 压缩码流在具有 较高误码率的无线信道中进行可靠传输为主要研究内容。全文以图像信息在无线 信道进行可靠传输为主线，通过标准研究、仿真分析和实验设计的方法，验证了 研究内容的可行性。 全文共分六章，具体安排如下： 第一章绪论。本章主要阐述了课题研究的具体背景和研究意义，同时，对 j p e g2 0 0 0 标准的发展现状进行了简要的介绍。 第二章j p e g2 0 0 0b a s e li n e 的容错性分析。本章在介绍j p e g2 0 0 0 标准核 心编码、解码过程后，主要从熵编码层和数据包层两个方面分别对j p e g2 0 0 0 b a s e l i n e 的容错性能进行分析研究，并在最后对j p e g2 0 0 0 标准所存在的一些 局限性问题进行了描述。 第三章j p w l 标准研究。本章在简要介绍了j p w l 标准的产生原因和应用范围 后，对j p w l 标准中规定的四中系统模型以及采用的几种相关语法结构进行了描 述，此后结合j p w l 标准中规定的各种标记段具体分析阐述了实现图像压缩码流 错误保护的几种方案。 第四章基于j p w l 的无人机图像压缩码流保护仿真分析。本章采用软件仿 真分析的方法，利用m a t l a b 软件编程实现了j p w l 系统仿真平台中的j p e g2 0 0 0 图像压缩、j p w l 编码和无线信道传输三个部分，此后利用该仿真平台模拟了图 像在含有误码的无线信道中的传输过程，在得到了利用j p w l 标准保护j p e g2 0 0 0 压缩码流的仿真效果的同时，对其仿真结果进行了分析。 第五章j p w l 系统平台的硬件设计。本章对j p w l 系统的实现方式进行了研 究，并对小波图像处理的硬件部分进行了具体设计。 第六章全文总结。对全文的主要研究内容以及仿真结果进行了概括性总结。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章j p e g2 0 0 0b a s e l i n e 的容错性分析 2 1 容错对图像编码的重要性 绪论( 1 1 节) 中，本文从无人机获取侦察图像数据量大和传输带宽受限的 角度，对实现图像数据压缩的必要性进行了一定的阐述。而对图像数据压缩的可 能性，结合图像数据自身的特点我们不难发现：由于图像是对具有很强相关的自 然景物的一种映射，使得获取到的图像样本之间也必然会具有很强的相关性，这 一特征反映到图像的统计特性上，体现出图像数据中大量冗余信息的存在，也正 是因为这个原因r 才使得图像数据的压缩成为可能。所以，以“解除或消弱存在 于图像信号内部的相关性，降低其结构上存在的冗余度 为目的的图像数据压缩 编码技术的研究，一直是人们关心的热点。 但是，最初对图像数据压缩编码算法的研究一直热衷于追求高效的压缩效 率，往往对下述问题考虑较少【1 9 】： 一方面，经过图像压缩编码以后的图像数据，图像样本间的空间相关性和冗 余度均得到一定的减少，这使得压缩后的图像样本数据，每一个样本数据值都可 能代表了整个图像中重要的图像信息。图像数据在信道中传输时，由于干扰会引 起的传输误码，特别是当信号表示越有效，即通过信源编码使得冗余度压缩越多 时，误码影响越严重，从而造成重构图像的质量降低。如：人们能够容易地发现 书刊中的印刷错误，并很可能根据上下文的意思把它纠正过来；但是，如果一封 电报，即使仅出现一个错字，一般也很难猜出愿意，这是因为电报的内容经过了 高度压缩。 另一方面，在图像和视频编码中，如预测编码，其在信道中传输的是预测误 差，预测误差在接收端与借助先前接收到的邻近像素值估计出来的预测值相加得 到重建像素值，而这个重建像素值又被用来参与估计后续传来像素的预测值。因 此，一旦某个像素的预测误差在传输过程中出现差错，则不仅该像素本身不能正 确重建，而且这个差错会在其后到达的像素中大面积扩散。如果视频编码的码流 在传输过程中出现误码，则差错不仅在一帧画面中扩散，而且很可能在帧间扩散， 即时间轴上扩散，造成严重后果。 可见，信道中的误码现象也会对图像传输质量产生严重的影响。单纯采用以 提高图像压缩效率的编码方式，将不再适合图像数据在含有误码信道中传输。因 此，提高图像编码的容错能力，如：在图像压缩编码算法中加入良好的、有效的 容错机制，实现在传输过程中对图像数据进行高效的抗误码保护，对研究图像在 含有误码环境中的高效传输具有十分重要的意义，应是我们需要考虑的另一个方 一第z 页一” 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 面。 2 2j p e g2 0 0 0 的容错工具介绍 j p e g2 0 0 0 标准采用可变长度编码( v a r i a b l el e n g t hc o d e s ，v l c ) 方式，这 种编码方式对传输错误特别敏感【1 2 1 。如果压缩码流中存在误码，解码器可能会 失去对压缩码流的同步，从而不能够继续解码，这不但丢掉了发生误码的码流， 而且在解码器重新同步之前的数据也会发生丢失【1 4 】。因此，为了提高解码器在 误码发生时的稳定性，j p e g2 0 0 0 提供了一些容错性工具。本节首先结合j p e g 2 0 0 0 标准的编码、解码结构对整个编码流程进行了简要的描述，其次按照其工 作原理分别从熵编码层和数据包层对j p e g2 0 0 0 标准第1 部分中规定的一些容错 性工具进行介绍。 2 2 1j p e g2 0 0 0 的编码、解码结构 j - p e g2 0 0 0 的编码、解码系统结构如图2 1 所示【1 5 1 。 原始图像 图像编码 ( a ) 编码系统结构 ( b ) 解码系统结构 图2 1j - p e g2 0 0 0 编码、解码系统结构 整个j p e g2 0 0 0 的编码过程如下【1 6 】： l 、图像数据的划分和分片。j - p e g2 0 0 0 的处理对象不是整幅图像，而是将 第8 页 研料降0 2 9 9 7 5 景一斟薹 ( 2 岍斜( 17 赫刊目 眩2 ， r c t ：f ，三、l ：r 。詈5 ! ；。宇5 r 菩 。2 3 ， l c 。jl 1 ：一1 o 知j n l 1 h l ，n l - 1 h h ，on 1 l h ，n l hl ，n 1 h h ，其中子带n l l l 对应的最低 ；= = _7 ， 1 7 1 f ：j f - _n 百i ；：= - i 第殳页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 而在每个子带中分区又进一步被细分为编码块( c o d e b l o c k s ) ，分区