图像传输中的不等差错保护及码率分配方法研究

摘要

随着无线互联网技术的快速发展以及3G移动通信系统的逐渐普及,人们对高质量的多媒体无线通信业务的需求不断增长,因此对图像信息进行有效、可靠的通信传输也就日益受到人们的高度重视。对于带宽受限约束条件下的图像传输,一直以来存在着两方面的问题:一是系统对传输可靠性方面的要求,由于高压缩比的图像编码对噪声的影响十分敏感,即使单个比特错误都会造成图像在接收端灾难性的重建失败;二是系统对传输实时性方面的要求,这需要尽可能的减小系统的编译码时间。基于分离原理设计的图像传输系统由于其内在的局限性,在复杂多变的无线信道中很难实现信源及信道编码的最优化设计,更无法满足用户对图像传输实时性的需求。而基于信源信道联合编码的系统则从整体上进行考虑,通过系统中不同模块的合作、联合协同优化来提升传输可靠性以及降低系统延时。因此,本文从信源信道联合编码的角度对图像在无线信道中的传输方法进行探讨,围绕联合信源信道图像传输中的最优码率分配以及对图像传输的不等差错保护两方面问题展开相关研究,力求兼顾图像传输的可靠性和实时性。针对现有方法存在的不足,分别从降低算法计算复杂度和提高重建图像质量两方面入手,提出一系列的改进方法。全文的主要工作可归纳为以下几个方面:
　　(1)在对现有的图像编码算法进行总结和分析的基础上,明晰了变长码编码图像对噪声极度敏感的机理。针对变长码码流抗噪声能力不足这一缺陷,根据可伸缩式图像编码的特点,结合率兼容的信道编码,构建了一个适用于可伸缩式图像编码传输的系统模型。对于模型中的几种信道编码,给出了其编译码方法,并分析了它们在BSC,AWGN及Rayleigh衰落信道中的误码率,为后续对最优码率分配及信源的不等差错保护的研究提供了理论支持。
　　(2)针对基于失真最优的码率分配算法普遍具有的计算复杂度过高的缺点,提出了一种基于启发式搜索的失真最优码率分配快速方法。首先将最优码率分配问题转化为树图中最优路径查找问题,并提出一个可接受的启发式评价函数来计算图中路径的代价。利用此评价函数,通过A*算法可搜索出树图的最优路径,即可获得系统的失真最优码率分配。为了进一步减小算法的时间复杂度和系统时延,在全局最优算法的基础上,提出一个复杂度可控的快速算法。快速算法通过限制搜索深度来控制系统的计算复杂度,并查找出树图在给定深度下的最优码率分配路径。快速算法具有很强的通用性,通过改变搜索深度,算法既可以应用于对通信实时性要求较高的场合,也适用于对图像传输质量要求较高的情景。
　　(3)针对基于失真最优的码率分配不具备离线计算能力的缺点,提出了一种可进行离线计算的基于快速双向搜索的率最优码率分配算法。算法首先计算最优码率分配中的码率值上界,利用此码率上界值可缩小待分配码率集的范围。在确定最优码率分配的上下界后,使用前后向搜索算法进一步减小码率分配的计算时间。提出的双向搜索算法的恢复图像质量要低于失真最优算法,但由于双向搜索算法可离线计算,因此在图像传输时,其系统延时要远小于失真最优算法。
　　(4)针对一般小波分解对图像的高频区域分辨力不足的缺点,提出了一个基于联合信源信道最优小波包的图像不等差错保护传输方法。现有的小波包图像编码在剪枝小波包分解树时,仅是从信源率失真角度考虑其最优性,而没有考虑信道噪声的影响。因此在通过噪信道进行传输时,现有剪枝算法不再具有最优性。鉴于现有小波包剪枝算法的不足,将噪声信道的信息作为约束条件加载到最优小波包剪枝中,提出一个联合信道最优的小波包剪枝算法,可获得当前信道状况下的全局最优小波包子带分解。小波包系数的量化编码使用基于块分割的位平面编码,而信道编码使用具有节点度数递增性质的WIPC-LDPC码,利用其不同度数节点的不同保护能力,对位平面编码码流进行不等差错保护。由于小波包分解对图像信号具有更好的高频分辨力,因而所提出的基于小波包编码的图像传输系统比一般小波编码系统更适用于纹理信息丰富图像的传输。

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Contents

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2课题研究的目的及意义

1.3国内外研究现状及分析

1.4论文主要研究内容

第2章 图像传输中的一般模型及评价标准

2.1引言

2.2图像的信源编码

2.3信道模型

2.4信道编码

2.5本章小结

第3章 基于失真最优的码率分配算法

3.1引言

3.2基于失真最优码率分配的图像传输系统

3.3基于启发式搜索的失真最优码率分配算法

3.4仿真实验与分析

3.5本章小结

第4章 基于率最优的码率分配算法

4.1引言

4.2基于RCPT码的图像传输系统

4.3基于率最优的码率分配算法

4.4仿真实验与分析

4.5本章小结

第5章 联合信源信道最优化小波包的图像传输方法

5.1引言

5.2小波包联合编码传输系统

5.3 WIPC-LDPC码

5.4联合信道最优的小波包编码算法

5.5仿真实验与分析

5.6本章小结

结论

攻读博士学位期间所发表的论文及其它成果

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