（计算机应用技术专业论文）复杂网络环境下jpeg2000图像传送的关键问题研究.pdf

摘要 多媒体应用逐步成为移动网络业务的主体，如何在有限和不稳定的带宽、差 错率较高的无线网络环境提供高质量的多媒体传输服务，是移动业务部署必须解 决的问题。这其中涉及到多媒体数据压缩编码技术、多媒体数据访闯、数据容错 技术以及移动网络结构等领域的研究。 近些年来，除了传统的m p e g 视频压缩编码技术的研究外，基于小波技术 的j p e g 2 0 0 0 系列也正在获得业界的重视。j p e g 2 0 0 0 所独具的渐进传输机制、 r o i 编码、简单视频编码实现以及容错机制，在多个领域得到广泛的应用。 本文致力于研究j p e g 2 0 0 0 图像在复杂网络环境下的高效传输，力求在复杂 的移动网络中，使j p e g 2 0 0 0 图像视频的访问和传输效率得到一定的提高，并且 兼容现有的应用和协议。本文最后结合研究的理论成果，建立一个无线视频监控 网络模型，对研究成果进行验证，并提供相应的研究平台。 本文的创新点如下： 1 基于e b c o t 码块模型，提出分离码块的概念，实现r o i 编码。将包含 r o i 的区域分解为不同的逻辑模块，在率失真优化p c r d o p t 算法框架下，根据 r o i 区域与背景区域的相对重要性，调整r o i 码块的编码优先级，从而达到r o i 编码的效果。这种算法利用p c r d o p t 的码块组织算法。将r o i 码块优先编码。 同时。为了让解码器能够区分r o i 码块和非r o i 码块，算法对p a c k e t 头信息进 行调整，在p a c k e t 中的t a g 树中对r o i 码块和非r o i 码块进行区分。与已有的算 法相比，算法具有以下几个特点：能够在不传递r o i 形状的基础上，实现r o i 的精确分割；提供r o i 与非r o i 区域相对重要性的定义；使用码块选择实现r o i 编码，避免了提升系数范围，不会影响编码率；调整率失真斜率后的码块截断点 依旧通过p c r d o p t 算法进行质量层安排，所以生成的质量层改善与标准码流趋 势一致；算法的计算工作在小波系数空间进行，不对系数进行调整，所以算法非 常适合部署在媒体码流转换节点。 2 基于码块的j p i p 访问模型。j p i p 定义了j p e g 2 0 0 0 码流访问和传送的 方法和模型。与传送的字节流传送方式相比，基于拼接块( p r e c i n c t ) 的多通道传送 模型能够更好的提高传送效率。本文提出两种改进方案：i p o p t ( i n d e p e n d e n t p a c k e t o p t ) 和d a j p i p ( d y n a m i ca s s e m b l e j p i p ) ，在j p i p 的框架内，进一步提 高传送的并发度和降低对缓冲区的使用。i p o p t 在分析j p e g 2 0 0 0 码流基本单元 p a c k e t 间的依赖关系基础上，对p c r d o p t 算法进行调整，创建具有一定独立性 的p a c k e t 集合，提供码流的并发性；d a j p p 延续i p o p t 的思路，提出动态p a c k e t 生成的概念，在重传p a c k e t 结构中引入新的信息，描述重传码块扫描的位置，使 得j p i p 客户端能够对码块扫描重新排序，减少对缓存的使用。两种方案很好的利 用了码流间的独立性，提高传送的并发性，减少了消息的重发开销。d a j p i p 动 态的重组码流，实现基于码块的确认和重发，进一步增加码流传送的并发性，实 现更加优化的码流传送。 3 平等p e t 传送方法。传统p e t 算法将待发送的数据包进行交织，然后 分割，分割后的数据按照重要性的不同，使用不同保护等级的b s 编码进行保护。 平等p e t 算法根据j p e g 2 0 0 0 图像的特点，数据重要性是随着传输过程变化的， 使用多通道的p e t 传送模型，每个通道具有相同的保护级别，但通道的长度不一 样，适应图像码流传送的事实，码流的重要性是在一直改变的。平等p e t 通过不 同通道解码单元长度实现码流的非平等保护( u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ，u e p ) ，上 层应用无须进行p e t 的优先级计算；算法使用统一的容错参数，能够根据网络信 道的情况方便及时调整容错参数。 最后，围绕本文的研究内容，在o m n e t + + 网络仿真平台基础上，建立了一个 无线视频图像传输模型，为上述创新点提供平台和实验环境。 仿真实验系统以8 0 2 1 1w l a n 为网络环境，以建立一个无线视频监控网为目 标系统，使用j p e g 2 0 0 0 7 m j p e g 2 0 0 0 传送视频图像。在构建仿真系统过程中，本 文针对w l a n 终端漫游问题，提出一种基于i p i n l p 隧道的m o b i l ei p 网络架构。通 过虚拟h o m e a g e n t 实现移动i p 管理，f o r e i g n a g e n t 过滤终端的d h c p 请求实现 m o b i l ei p 的注册，从而实现与终端无关的m o b i l ei p 架构。同时，i p i n i p 使用避 免的i p 路由的更新和二层网络的广播问题。 关键词：j p e g 2 0 0 0 ；渐进传输；r o i 编码；j p i p ；p e t ；移动i p a b s t r a c t m u l t i m e d i as e r v i c ei sak i l l e ra p p l i c a t i o nf o rt h em o b i l en e t w o r k t h em o b i l e n e t w o r ki sah y b r i de n v i r o n m e n t ，w h i c hc o n s i s t so fw i r e l e s sn e t w o r ka n dw i r e l i n e n e t w o r k w i r e l e s sn e t w o r ki sas y s t e mw i t hl i m i t e db a n d w i d t h ，i n s t a b l et h r o u g h p u t a n dh i g h e rb e r ( b i te r r o rr a t e ) i ti sag r e a tc h a l l e n g et od e p l o yt h em u l t i m e d i a s e r v i c ei ns u c he n v i r o n m e n t t os o l v et h eb o t t l e n e c k 。i ti sr e q u i r e dt oa c h i e v e b r e a k t h r o u g ho nm u l t i m e d i ad a t ac o m p r e s s i o n ，a c c e s ss c h e m et om u l t i m e d i ad a t a , e r r o rr e s i l i e n c ea n dm o b i l en e t w o r ks t r u c t u r e i nr e c e n ty e a r s ，i na d d i t i o nw i t hm p e gv i d e oc o m p r e s s i o nr e l a t e dr e s e a r c h ，t h e i n d u s t r ya l s oi sf o c u s i n go nt h ej p e g 2 0 0 0s e r i e s ，w h i c hi sb a s e do nd i s c r e t ew a v e l e t t r a n s f o r m t h e r ea r em a n yf e a t u r e ss u p p o r t e db yj p e g 2 0 0 0c o d e s t r e a m ，p r o g r e s s i v e t r a n s m i s s i o n ，r o ic o d i n g ，l o wc o s tv i d e oc o m p r e s s i o na n de r r o rr e s i l i e n c e t h e s e f e a t u r e si n s p i r em o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n sm i g r a t e dt oj p e g 2 0 0 0 t h i sp a p e rw i l lf o c u so nt h ej p e g 2 0 0 0c o d e s t r e a mt r a n s m i s s i o ni nc o m p l e x n e t w o r ke n v i r o n m e n t t h et a g e ti st ow o r ko u tam o r ee f f i c i e n tm o d e lt ot r a n s f e rt h e c o d e s t r e a mo fs t i l li m a g ea n dv i d e oi nw i r e l e s sn e t w o r k a tt h es a n l et i m e t h e c o m p a t i b i l i t yw i t hj p e g 2 0 0 0r e l a t e ds t a n d a r di sa ni m p o r t a n c ec o n s i d e r a t i o n a tl a s t ， as i m u l a t i o ns y s t e mi sp r e s e n tt ob eas u m m a r yf o rt h ep a p e ro u t p u t ，w h i c hi si n t e n d e d t os i m u l a t eae 2 ei m a g e v i d e ot r a n s m i s s i o ni nw i r e l e s se n v i r o n m e n t t h i sp a p e rw i l li n c l u d et h ef o l l o w i n gt e c h n i c a lb r e a k t h r o u g ho nr e l a t e dp o i n t s 1 r o ic o d i n gw i t hs e p a r a t e dc o d eb l o c k b a s e dt h eo p t i m i z a t i o nt r u n c t i o np o i n ts e l e c t i o na l g o r i t h m ，p c r d o p t ，w h i c hi sa p a r to fe b c o te n t r o p yc o d i n g ，c o d eb l o c ki ss e l e c t e da sab a s i cu n i tf o rr o i c o d i n g a tf i r s t t h ec o d eb l o c ki n c l u d i n gr o ii sd i v i d e dt w oc o d eb l o c k t h eo n eo n l y i n c l u d i n gr o ii sc a l l e dr o ic o d eb l o c k ，a n o t h e ro n eo n l yi n c l u d i n gb a c k g r o u n d r e g i o ni s c a l l e db a c k g r o u n dc o d eb l o c k u n d e rt h ef r a m e w o r ko fp c r d o p t ，t h e r a t e - d i s t o r t i o ns l o p eo fr o ic o d eb l o c ki sa d j u s t e dt om a k ei ta s s e m b l e dt ob i t - s t r e a m w i t hh i g h e rp r i o r i t y t h em e t h o l dm o d i f i e st h ef o r m a to fj p e g 2 0 0 0p a c k e ta n dm a k e r o ic o d eb l o c ka n db a c k g r o u n dc o d eb l o c kb ep l a c e di nd i f f e r e n tl o c a t i o n sl o g i c a l l y d e c o d e rc a nd i s t i n g u i s ht h et w o t y p eo f c o d eb l o c k c o m p a r e dw i t ho t h e rm e t h o d s ， t h e r ea r es e v e r a lf e a t u r e si nt h ep r o p o s e da l g o r i t h m ：w i t h o u tt h et r a n s m i s s i o no fr o i s h a p ei n f o r m a t i o n ，t h er a n d o mr o is h a p ec a nb es u p p o r t e d ；t h er o ic o d i n gp r i o r i t y c a nb ea d j u s t e db a s e do nq u a l i t ya r r a n g e m e n t b a s e do nc o d eb l o c ks e l e c t i o n ，n o b i t p l a n ee x t e n s i o ni si n t r o d u c e d ，t h e r ei sn oi m p a c to nc o d i n ge f f i c i e n c y ；t h ea d j u s t e d 1 1 1 r a t e d i s t o r t i o ns l o p es t i l lk e e pt h es a m ed i s t r i b u t i o na st h er e s u l to fp c r d - o p t ，t h e t r a c eo fq u a l i t yi m p r o v e m e n tm a t c hw i t ht h es t a n d a r do n e 2 an e wj p i pt r a n s f e rm o d e lb a s e dp a c k e ts t r u c t u r e j p i pi so n eo fj p e g 2 0 0 0s t a n d a r ds e r i e s i tp r o v i d e st h em e t h o dt oa c c e s s j p e g 2 0 0 0b i t s t r e a ma n dt r a n s f e ri t c o m p a r e dw i t hn o r m a lt r a n s f e rm e t h o d ，j p i p p r o v i d e sm o r ee f f i c i e n tm u l t i c h a n n e lt r a n s f e rm e t h o da n df l e x i b l ea c c e s sm e t h o d t h ep a p e rp r e s e n tt w on e wm e t h o d s ，i p o p t ( i n d e p e n d e n tp a c k e t - o p t ) a n dd a j p i p ( d y n a m i ca s s e m b l ej p i p ) ，t oe n h a n c et h ej p i pb i t - s t r e a mt r a n s f e rm e t h o d t h ei p o p t a l g o r i t h mi si n t e n d e dt oa d dj p i p w a r ef e a t u r ei np c r d o p ta l g o r i t h m t h e na b i t s t r e a mf o rap r e c i n c tc a nb ep a r t i t i o n e dt oas e to fp a c k e t sw h i c hp r o v i d em o r e s i m u l t a n e o u s t h e nj p i pl a y e rg e n e r a t et h ep r e c i n c td a t a b i nm e s s a g ea t p a c k e t b u n d a r y t h em e t h o dp r o v i d e sm o r ee f f i c i e n tt r a n s f e ra n dl e s sb u f f e rc o n s u m p t i o n t h a no r i g i n a lj p i pm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h e r ei sn oc h a n g ei n t r o d u c e di n j p e g 2 0 0 0b i t - s t r e a ma n dj p i pp r o t o c 0 1 t h el a t e rm e t h o di n t e g r a t e st h ep a c k a g e a s s e m b l l i n gw o r kw i t hj p i ps t a c k t h ec l i e n tc a ng i v ea c k n o w l e d g eb a s e do nc o d e b l o c kp a s s s oa ts e r v e rs i d e ，t h ei n t e g r a t e dp a c k e ta s s e m b l i n gf u n c t i o nc a ng e n e r a t e t h ep a c k e ta e c o d i n gt or ds l o p ea n de a c hc o d eb l o c kw i n d o w s t h em e t h o di m p r o v e s t h et r a n s f e re f f i c i e n c yg r e a t e l yo nl o wq u a l i t yn e t w o r k t h ec o s to ft h em e t h o di sa n e wf i e l di si n t r o d u c e di np a c k e th e a d e ri n f o r m a t i o n 3 e q u a lp e t t r a n s f e rm o d e lf o rj p e 0 2 0 0 0 p e tm e t h o dp r o v i d e sau n e q u a le r r o rp r o t e c t i o nf u n c t i o nt ou p p e ra p p l i c a t i o n t h es e n tm e s s a g ei sp a r t i t i o n e di n t os e v e r a ls l i c e sa c c o r d i n gt h ed a t ap r i o r i t y t h e n r e l a t e df e c c o d i n gi sd o n e o n ee a c hs l i c ew i t hc o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t a tl a s tt h es l i c e sa n dr e d u n d e n td a t aa r ei n t e r l a c e di n t os e v e r a lp a c k e t s e a c hp a c k e ti s t r a n s f e r r e di n d e p e n d e n t l y i fa p p l yt h ep e tj p i ee a c hm e s s a g ew i t hr e l a t e dp r i o r i t y a r r a n g e m e n ti ss e n tp e t i ti sc r i t i c a lt os e tt h ec o r r e c tp r i o r i t ya r r a n g e m e n tt ot h e m e s s a g e b u ti nf a c t ，t h ep r i o r i t yf o rt h ep a r ti nj p i pm e s s a g ea l w a y sc h a n g e s i ti s h a r dt og i v eas t a t i co n ef o re a c hm e s s a g e an e w p e tm o d e li sp r o p o s e dw h i c h a l l o w st h ed i f f e r e n tl e n g t ho fs l i c ea n dt h es a m ef e ci sa s s i g n e d s oa ta n yt i m e ，t h e d i f f e r e n tm e s s a g es h a r et h ed i f f e r e n tp r o t e c t i o nl e v e li np e ts e s s i o n ，b u tg l o b a l l yf o r aj p i ps e s s i o n ，a l lp a r ti nm e s s a g es h a r et h es a m ep r o t e c t i o nl e v e l t h en e wm e t h o d a v o i d st h ec o m p l e xp r i o r i t ya s s i g n m e n ta n di m p l e m e n t st h eu n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n w i t ht h es a m ep r o t e c t i o nl e v e l t oc r e a t eap l a t f o r mt oi m p l e m e n ta n dv e r i f yt h ea b o v em e t h o d s ，b a s e daw i r l e s s v i d e os u r v e i l a n c ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t ，as i m u l a t i o ns y s t e mi sb u i l tb a s e do no p e n i v s o u r c ep r o j e c t 。0 m n e t + + i tc a ns i m u l a t ed i f i e r e n ts e n a r i oi nw i r e l e s sn e t w o r k t h es i m u l a t i o nt a r g e ti st oi m p l e m e n tt h ej p e g 2 0 0 0 m j 2 0 0 0v i d e ot r a n s f e ri n 8 0 2 1l b gn e t w o r k i nt h er e l a t e ds i m u l a t i o nw o r k ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm o b i l e 1 pa r c h i t e c t u r et os o l v et h er o a m i n gi s s u ei nw i r e l e s si pn e t w o r k t h ea r c h i t e c t u r ei s b a s e dr f c3 3 2 2 w i t hi p i n i pt u n n e lt e c h n o l o g y , av i r t u a lh o m ea g e n tr e g i s t e r st h e m o b i l en o d et u n n e ll o c a t i o nf r o mt h em o b i l ei pm e s s a g ew h i c hi ss e n tb ye a c h 8 0 2 1lap t h ea pw o r k sa sad h c pa g e n ta n df o r i e g na g e n t t h ea d v a n t a g eo fs u c h a r c h i t e c t u r ei st h a tn oa d d i t i o n a ir e q u i r e m e n ti si m p o s e dt om o b i l en o d e a tt h es a m e t i m e 。t h el a y e r - t w ob r o a d c a s ei s s u ei sa v o i d e db yt h ei p i n i pt u n n e l k e yw o r d s ：j p e g 2 0 0 0 ；p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ：r o i ：j p i p ；p e t ；m o b i l ei p v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承 眵 作者签名：2 物款日期： 。缉f 、月p 日 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，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校 有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 囤不保密。 学位论文全文电子版提交后： 曰同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：2d 矿，z f 。 日期：b ( ，忆1 弓 一汽 力玎 扒骂 ，。 乐 签 名师签教者导作指 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着信息技术的发展，用户对信息的展现的形式从早期纯本文形式到，简单 图表，语音到现在的多媒体信息。丰富的多媒体内容给人们的工作、生活带来极 大的便利，生产力获得极大的提高。 多媒体信息包含了语音、动态静态图像、动画等内容。这些内容的数据量是 惊人的，例如：( 1 ) 一页印在b 5 纸上的文件，若用中等分辨率( 3 0 0 b p i ) 的扫描仪 进行采样，其数据量约为5 2 9 m b 页；( 2 ) 数字电视图像中的s i f ( s o u r c ei n p u t f o r m a t ) 格式，n t s c 制式、彩色、4 ：4 ：4 采样，每帧数据量为3 5 2 x 2 4 0 x 3 = 2 5 3 k b ， 每秒数据量为2 5 3 x 3 0 = 7 6 0 3 m b ；( 3 ) 中等品质的数字图像，1 6 0 0 x 1 2 0 0 ，彩色，3 2 b i t 深度，其数据量为1 6 0 0 x 1 2 0 0 x 3 2 x 3 = 1 8 4 m b ；( 4 ) 卫星遥感图像的水平和垂直分 辨率分别为2 3 4 0 x 3 2 4 0 ，四波段，采样精度为7 b i t 的一幅图像的数据量为2 1 2 m b ， 按每天3 0 幅计，其数据量为6 3 6 g b ，而每年的数据量则高达2 3 0 0 g b 。这些数据 说明了多媒体信息的数据量相当庞大。 庞大的数据量给信息的存储、传输和处理带来极大的压力，这个问题是多媒体 技术发展中一个非常棘手的问题。虽然计算机硬件处理能力的提高、内存容量的 增大和通信带宽的提高能够缓解这一问题，但随着新的需求的不断涌现，新的业 务模式的出现，单纯提高信息平台处理能力是不能有效解决这个问题。 研究有效的多媒体压缩技术，提供多功能的多媒体描述形式，是解决这个问 题行之有效的方法。因为多媒体数据的主要消费者是人，由于人的感觉敏感度有 限，加上主观先验知识的影响，所以对多媒体数据进行压缩不会严重的降低人对 数据的主观效果。同时，由于多媒体数据产生于自然环境，如声音、图像，数据 之间存在比较高的相互关联性，如人的声带变化范围、自然景物颜色变化范围等， 这都给多媒体数据的压缩提供很好的条件和依据。 随着通信技术的发展，多媒体应用从早期的浏览到现在交互式多媒体信息访 问。同时，多媒体信息的通信平台由早期单纯模拟数据、有线或封闭的无线传输， 到现在的全数字化的有线无线融合的通信平台。无线通信技术的发展，将多媒体 信息带到用户的手边。多样性的需求和综合的通信平台意味着多媒体压缩技术从 传统的单纯追求压缩率，到提供更多特性支持应用需求，如图像数据的交互性、 华南理工大学博士学位论文 基于内容的编码、复合数据的描述能力、容错能力等。现阶段，多媒体应用主要 有如下几个方向： 1 融合的多媒体交互平台。随着无线网络技术的发展，通信网络逐步走向融合。 传统的有线语音交换网络、有线数据网络和移动网络，在相关协议支持基础上正 逐步统一为综合内容供应平台。统一网络要求其上的应用必须为不同的终端、应 用需求提供一致的界面。 2 无线多媒体传输。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。同时无线网络中的用户自身的移动和自干扰特性也对通信进行影响，造成了 无线信道的窄带性和高误码率。就通信技术本身而言，有两种途径解决无线通信 高误码率问题，信道编码和信源编码。信道编码是在通信信道中引入容错编码， 提供低误码率的虚拟通道。信源编码是在信息源引入容错机制，即使在通信过程 中发生误码，信息的消费者也能正确进行解码。 3 点对点多媒体通信。借助通信技术的发展，人与人之间的通信已经不局限于 传统的语音通信，基于视频、复合文档的通信方式已经逐步成为主流。作为终端 侧，装备摄像头的手机已经普及。用户侧的带宽已经能够提供初步的视频传输能 力。但是，需求和技术总是一对矛盾的事务，相互促进发展。相对人们对通信质 量的要求，现有的带宽和终端处理能力往往落后于需求。 4 灵活的个性化编码和传输方式。由于多种多样需求的存在，单一的编码技术 不能够解决所有的需求问题。例如，针对视频电话应用，高压缩率和容错特性是 基本技术要求；数字视频则要求高质量的图像重建和灵活的编辑能力；数码相机 则要求算法简单，能够及时保存。 图像和视频压缩一直是多媒体压缩编码领域研究的热点。一方面，与其他数 据相比，图像和视频的数据量更加巨大；另一方面，图像和视频是多维数据，压 缩的难度更大，用户的需求更加复杂。 通信技术方面，第三代移动通信技术日益临近，我们已经步入移动通信的时 代，通信内容从单纯的语音过渡到数据通信。在数据通信中，多媒体通信将是主 体。但在移动通信中的接入侧，无线信道，速率还相对有限：w c d m a 的理论速率 为2 m b p s ，演变到h s d p a 后，能达到l o m b p s ，但这个速率是共享速率，当用户量 增大时，实际速率会有很大的下降；8 0 2 1 1 无线网络，理论速率能够达到5 4 m b p s ， 但是随着网络节点的增加，有效速率会迅速下降。同时，无线信道是相对不稳定 的信道，传输速率与环境干扰、终端位置有着很大的关系。所以在以后一段时间， 无线网络还是一个带宽有线、较高误码率、性能不稳定系统，给多媒体通信带来 巨大的挑战。另一方面，传统的语音通信已经饱和，通信产业需要新的技术和应 用刺激消费。多媒体通信是未来移动网络运营商业务的关键。 所以，研究在未来无线网络中的图像、视频通信，针对不同的应用场景，提 供灵活的编码技术，支持不同业务的开展，对通信产业发展具有重大的意义。 2 第一章绪论 1 2问题的描述与分析 1 2 1 图像视频压缩编码系统模型 一个基本的图像压缩编码系统包括两个不同的结构块：编码器和解码器，如 图1 1 图像i 输入到编码器中。编码器根据信息源数据的特性，生成一系列符号。 在通过信道进行传输后，接收端将收到的信源符号送入解码器，经过重构后，就 生成了输出图像i 。可能输出的图像i 不是i 的完全版本。如果i 是i 的相同版 本，则系统就是无误差的或具有信息保持编码的系统；如果不是，则在重建图像 中就会呈现某种程度的失真。视频压缩系统也具有相同的结构和特征。 图1 1 基本编码模型 f i g u r e1 - 1b a s i ce n c o d i n gm o d e l 信源编码是对系统输入的原始图像进行变换处理，减少或消除输入图像的编 码冗余、像素冗余或心理冗余，其目的是为了减少描述图像的开销。而信道编码 是为应用提供具有某种特性的逻辑通信服务，使得数字信息产生者无须关心物理 信道的实现，对于不同的信道，信道编码由不同过程组成，如换能、调制、扰码 和发射等。解码对于上述过程的逆运算。在不同的系统，信道编解码与信源编 解之间的接口并不是固定的，两者的功能区分必须依照实际场景和实现条件决定。 信道，直观来说就是两个节点之间通信媒介，如线缆、无线传播空间、光纤 等，实际通信的两个端点之间可能存在不同的信道。如果对信道进行建模，可以 使用如下函数描述： 矿= f ( y ，n ，e )( 1 1 ) 函数输入是信道编码的结果、随机噪音、网络环境等，而输出时信道解码器 接收到的信息，可以看成噪音信号和正常或歧变信号的叠加。 图1 1 的图像压缩编码系统模型是一个最基本的版本，而实际部署的系统往 往是由多个混合的系统组成，图1 2 呈现终端间的多媒体对话经过中间节点进 行。 3 华南理工大学博士学位论文 终端a 节点n 终端b 图1 - 2 经过中间节点的多媒体对话模型 f i g u r e1 2m u l t i m e d i as e s s i o nw i t hm e d i u mn o d e 在图l 2 中，终端a 与b 之间建立基于x 图像编码器的视频图像对话，节 点n 进行无线信道和有线信道间编码转换，a b 间对话可能通过多个不同类型的信 道，所以节点n 可能有多个。位于节点n 的x 图像编码器是可选组件。在通常的 应用中，出于成本的考虑，很少选择在节点n 上部署x 图像编解码器。但当某种 多媒体应用成为网络的主要业务，并成为营收主要来源，网络运营商往往会针对 性的在节点n 上部署x 图像编解码器，这样可以很好的提高业务的q o s ，并且能 够提供多种附加业务。 在本文，我们将主要研究在复杂网络环境中，如何通过有效的手段，对现有 技术进行改进，实现高效的压缩图像传输。 1 2 2 图像压缩编码 通常对压缩编码的研究基于通信信道没有误码的假设，即在公式1 - 1 中，y 为y 的完整版本，这样，方便与问题的研究，图1 1 中的信道编码器和信道解码 器可以略去。简化的编码系统模型如图1 3 - 叶圆一圜 图1 - 3 简化的编码系统模型 f i g u r e1 - 3s i m p l i e de n c o d i n gm o d e l 在这个模型中，信源编码器的任务是减少和消除输入图像中的编码冗余、像 素冗余或心理冗余。 压缩编码理论的基础是信息论。从信息论的角度，压缩就是去掉信息中的冗 余，即保留不确定的信息，去除确定的信息( 可推知) ，也就是用一种更接近信息 4 第一章绪论 本质的描述来代替原有冗余的描述，信息的本质就是信息量( 即不确定因素) 。但 信息量不是孤立的、绝对的，它与信息的传递密切相关。信息接受者对信息量的 感知是受到其知识结构和主观因素的影响，使得很难对信息量感知进行统一的建 模。所以，数据的信息量是建立在具有普遍意义的某种界定，即以经典集合论为 基础，基于某种统计概率模型来描述信源，这就是香农信息论的基础。香农关于 信息量的定义和量度，通常也称为概率信息，有很多优点：1 ) 它是一个科学的定 义，有明确的数学模型和定量计算。2 ) 它与日常用语中的信息的含义是一致的。 例如，某一事件a 发生的概率等于1 ，即a 是预料中一定会发生的必然事件。所 以a 的发生。对于信息接受者不具有任何价值，即这个事件不具有任何信息量。 反之，如果a 发生的概率很小，一旦a 发生了，信息接受者就会觉得很意外和惊 讶，获得的信息量很大。3 ) 排除了对信息一词某些主观上的含义。即，同一消息 或事件，对于任何一接受者来说，所得的信息量都是一样的。因此，信息的概念 是纯粹的形式化的概念。 但是，香农信息论在描述图像视频等多媒体数据时具有一定的局限性。首先， 香农信息论的出发点是假定事物状态可以用一个以经典集合论为基础的概率模型 来描述，然而要为实际存在事物变化状态寻找一个合适的概率模型往往是很困难 的。而且，在很多情况中，是否存在这样一种概率模型还值得探讨。其次，多媒 体信息有很强的主观性和实用性，即使从概率论的角度看来具有相同信息量的数 据，由于人的主观性存在，这些数据对接受者的重要性是不同。香农信息论没有 考虑接受者的主观特征和主观意义，也抛开了信息的具体含义、用途、重要程度 和引起的后果等因素，这与实际应用的需求是不一致的。最后，基于信息量的编 码压缩了原始数据的冗余信息，当通信信道发生误码时，受误码污染的压缩数据 使得解码变得困难，甚至不可能。 虽然存在上述的局限性，但香农信息论对信息的定义和量度是科学的，是能 反映信息的某些本质。多媒体图像压缩编码的发展历程实际上就是以香农信息论 为出发点，并不断克服其缺陷的过程。 多媒体压缩编码技术可以分为三代：第一代是以香农信息论为基础的基于像 素的压缩编码方法，考虑图像信源的统计特征采用预测编码、变换编码方法等， 去掉的是数据冗余，称为低层压缩编码方法。具有代表性的编码方案如，g i f 编 码、b m pr l e 编码等；第二代编码算法建立在信号变换的基础上，利用视觉系统 的局限性，将多媒体数据从空间信息变换到频率域分布。根据视觉系统的特征， 根据数据对主观感官的贡献程度，使用信息论的方法进行编码，称为变换域压缩 编码方法，比较有代表j p e g ，j p e g 2 0 0 0 压缩编码。该类编码方法是本文研究的 重点；正在出现的第三代编码算法基于多媒体内容，分为基于对象( o b j e c t b a s e d ) 的方法和基于语义( s e m a n t i c s b a s e d ) 的方法。在这些方法中，对象代替像素，一 5 华南理工大学博士学位论文 幅图像视频可以看作为不能再分解的一组对象，通过纹理、形状、运动等方式来 表征没个对象的时间、空间信息。依据这个特性，这种压缩方式还带来一个重要 的功能，交互性i lj 。 尽管基于内容的压缩方法能够充分利用数据特性，根据不同的内容，选择不 同的参数和算法进行编码，实现更高的编码效率。同时，基于内容的编码还能够 提供强大的交互性功能。但是如何按照内容对图像进行划分，以及按照不同内容 选择不同的压缩算法，都是一个复杂的问题，实现时需要很多的计算量，这些大 大限制了这种编码的发展。而基于变换的编码技术经过多年的应用和改进，编码 效率得到很大的提高，同时，随着需求的推动，更多的特性加入，这类编码技术 将获得更广泛的应用。本文就是以移动网络应用为背景，研究j p e g 2 0 0 0 压缩编 码在复杂网络环境中的传输问题。 1 2 3 移动通信网