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1、基于小波 SPIHT 的联合信源信道编码及一种改进设计摘 要 分析了一种传输小波 SPIHT 编码图像的联合信源信道编码方法和方法的一种改进设计，该方法是一种基于分层编码和小波 SPIHT 算法的联合编码方法，而改进的设计针对SPIHT 编码码流重要性的不同而进行不同程度的保护，并利用无线信道的时变特性自适应地调整信源和信道编码速率,从而在不增加额外带宽的前提下有效地提高了系统的性能和可靠性。在瑞利信道和 GE 信道下的仿真表明本方法与前文献中提出的EEP 方法以及 UEP 方法相比，在信道条件恶劣的情况下，能够明显提高恢复图像的质量。关键词 分层编码； SPIHT； 联合信源信道编码Join
2、t Source Channel Coding and an Improved Design Based on Wavelet SPIHTAbstract This paper analyses the transmission of a coded image wavelet SPIHT the joint source and channel coding method and an improved design of the method, and the method of joint coding method is based on a hierarchical coding a
3、lgorithms and wavelet SPIHT. The improved design protects against the different varying degrees of coding for SPIHT Bitstream importance and use time-varying characteristics of the wireless channel to adjust adaptively to source and channel coding rate, resulting in effectively enhancing the systems
4、 performance and reliability without additional bandwidth. In Rayleigh channel and GE channel simulation show that in the poor channel conditions the method proposed in the paper can improve the quality of the image restoration more significantly than the method in documents on EEP and UEP.Key Words
5、 HDM hierarchical coding; SPIHT; joint source channel coding1. 引言信息论是一门研究信息传输、存储和处理的科学，作为严谨、庞大的理论体系，虽然其枝蔓众多、内容丰富，但如何提高系统信息的有效性和可靠性，却始终是它的中心课题。根据通信系统的框图，如图 1.1 所示，编码器的作用就是对信源发出的消息做某种变换，这种变换技能有效的表示消息，又能克服信道中信源 信源信道编码 信道 信源信道译码 信宿图 1.1 通信系统简略示意图的干扰。译码就是编码的逆过程，将编好的码字还原成信源发出的消息传递给信宿。长期以来，有效性和可靠性作为一对矛盾，存在
6、于通信编码的问题中，这种矛盾，正可以从信源编码和信道编码的关系中体现出来。信源编码的目的在于提高系统的有效性，而信道编码则以提高系统可靠性为核心。在信息论发展的这几十年历史中，信源编码和信道编码的研究几乎一直处于相互独立、相互分离的的状态，这就促使了信源编码和信道编码的设计相互分离格局的形成。其实这种局面的形成是有其深层次的原因的，将一个比较复杂的问题分解为若干个比较简单的问题或者是将一个繁琐的步骤分解成几个比较易于执行的甚至是已经有现成理论的步骤，是科学发展史上一种惯用而且行之有效的方法，而信源和信道的编码分离，更是极大简化了编码这一非常复杂的过程。而根据理论证明也可知该分离系统理论上并不影
7、响系统的最佳性能，极限的情况是信源编码信道编码的级联系统平均失真将逐渐收敛于信道容量意义上的失真率限。既然如上所说分离编码可以得到较好的性能，那么联合信源信道编码的研究意义何在？无论是分离编码，还是联合编码，其最终的目标仍然是系统整体的最佳性。举一个极端的例子，如果信道性能不好，那么信源空间划分过细不但在信道传输时加重信道编码负担使系统复杂，反而也得不到很好的性能，所以具体问题还是要综合考虑的。所以联合信源信道编码就是一种综合考虑信源和信道编码的设计方法，其主要目的仍是是系统整体达到最佳。近年来，联合编码不断受到重视，使之成为编码理论中的一个重要的课题。随着通信网络的发展，在资源受到限制的通信
8、系统、多用户共享信道的通信系统、异质信源、异类信道或异种用户共存的通信系统以及信源、信道具有时变特性的通信系统中，应用信源信道联合编码的系统可以得到更好的效果。目前，国内外对于信源信道联合编码研究主要在以下三个方面展开:基本理论的研究，设计方法的研究和实际应用方面的研究。现在信源信道联合编码的理论研究主要集中在两方面。一是理解质量、延迟、计算复杂度、信道利用和消耗功率之间的关系，二是如何评估联合编码。信源信道联合编码的具体设计方法是这个研究领域中最受关注的问题，很多学者在这方面做了大量工作。当前关于信源和信道联合编码的设计方法的研究大致有以下几种:基于信源优化的信道编码设计，基于信道优化信源编
9、码，迭代优化信源和信道编码以及信源信道的联合译码。从具体的编码器的结构来说，联合编码的编码器有两种。一种是合并式编码器，这一类编码器设计起来较为复杂。另一种是级联编码器，它与传统编码器结构类似，将信源编码器和信道编码器串联起来。随着通信的发展，人们对图象、视频传输的需求越来越大，要求也越来越高。无线网络是一种多用户共享的网络，具有资源有限，时变，异质，易受干扰，误码率高等特点，图象、视频的信息量又非常大。基于分离原则的编码绝对无法适用无线视频编码的复杂情况，而联合编码在这方面则大有可为。近年来，在联合编码的设计方面很多工作是针对在无线信道上图象和视频的传输来展开的。本文首先介绍了一种利用了小波
10、 SPIHT 算法的分层联合编码的设计方法，然后又介绍了一种基于小波 SPIHT 的联合信源信道编码新方法，并对它们的性能进行比较。2. 正文2.1 基本方法首先介绍一种基于小波 SPIHT 的分层联合信源信道编码方法。分层编码是目前较受关注的一种信源信道编码。它相当于基于信源优化信道设计编码。在分离原则中，信道编码不考虑信源编码的意义，信道编码对信源编码器送出的码流进行同等保护。分层编码是把信源编码分成几个部分：最重要的部分(MSP)和次重要的部分(LSP)。MSP 包含图象中粗糙的但对于识别图象很重要的信息，LSP 部分包含提高图象质量所要求的更精细的信息，在信道中可以对 MSP 部分重点
11、保护。用这种方法，不仅可以提高图象传输对信适应力，还可以适应网络的 QoS 要求，对不同同户实行不同质量的传送。图象分解可用小波变换(DWT)和离散余弦变换(DCT)等。现在多采用 DWT 分解，一级DWT 把图象分解成一个近似子图象和包含水平、垂直、和斜线细节的子图象。这个近似子图象或细节子图象可以用 DWT 被进一步分解。经过 DWT 分解后，一个图象被分成几个层次，这些层次对应着不同的不同的频率范围，人眼对这些不同的频率范围有不同的敏感度。近似子图象的编码信息包含了原始图象最重要的能量，把它放入 MSP 包中，细节编码放入 LSP 包中。小波SPIHT (Set Partitioning
12、 In Hierarchical Trees)算法定义的编码树的结构如图2.1所示。树的每一个节点与一个系数相对应，并且用坐标(i,j)来标识，每一个节点的直接子孙或者叫做子节点与相同空间方向的高一级子带的系数相对应。编码树定义为每一个节点有4个直接子孙或者没有直接子孙。最高级子带的低频子图像和最高低子带的最高频子图像没有子孙。如果c i,j是父节点，它的子节点定义为c 2i,2j，c 2i,2j+1，c 2i+1,2j和c 2i+1,2j+1。SPIHT算法中，使用坐标标记的方法，定义了4种坐标图 2.1 SPIHT 编码树结构示意图集来表示小波系数的类型，并用符号表示：O(i,j)：所有子
13、节点(i,j)的坐标集；D(i,j)：所有子孙节点(i,j)的坐标集；H(i,j)：所有树根的坐标集(所有最高级子带的节点)；L(i,j)= D(i,j)- O(i,j)：除子节点之外的所有子孙节点的坐标集。在 SPIHT 编码算法中，使用最频繁的坐标集是 D(i,j)和O(i,j)。因此，如果说 D(i,j)或者 L(i,j)坐标集是重要的，就意味着这个坐标集中至少有一个系数的幅度大于或者等于阈值。或者反过来说，如果 D(i,j)或者 L(i,j)坐标集中至少有一个系数的幅度大于或者等于阈值，那么该坐标集是重要的。由于测试重要系数的次序很重要，在实际执行 SPIHT 算法的过程中，重要信息存
14、储在 3 种次序列表变量中，因此执行 SPIHT 算法就变成了对 3 种表格的维护。它们是不重要像素列表(LIP，list of insignificant pixels)，不重要子集列表 (LIS，list of insignificant sets)和重要像素列表(LSP，list of significant pixels)。在所有列表中，每个集合内的元素用坐标(i,j)来标识，LIP 和 LSP 中的元素代表单独的象素，在 LIS中的元素代表集合 D(i,j)或 L(i,j)。为了区分它们，如果它代表 D(i,j)，我们说一个 LIS 元素是 typeA 型的;如果它代表L(i,j)，
15、我们说它是 typeB 型的。下面看一下用 SPIHT 算法对图像进行编码后编码比特流各个部分的重要性。用 SPIHT 算法对图像进行编码要执行两次扫描：排序扫描(sorting pass)和量化扫描 (refinement pass)。排序扫描确定符号值，明确重要小波系数的位置信息，量化扫描发送重要系数的精细的值。我们定义在排序扫描中产生的比特作为 SPB(Sorting Pass Bitstream)，量化扫描中所产生的比特作为 RPB(Refinement Pass Bitstream)。在 SPB 中的比特差错是致命的，如果在 SPB 中发生错误，那么很可能导致错误扩散造成全部译码的失
16、败；在 RPB 中的错误不是致命的，它只局限在发生错误的位置，不会造成错误扩散。因此在 SPB 中比特的重要性要远远大于在 RPB 中比特流的重要性。同时，SPIHT算法根据幅度大的系数先传送的原则对系数进行排序，幅度大的系数先传输，因此比特流中的比特根据它们在比特流中的位置不同而有不同的容错性。越接近比特流结束位置的比特的重要性(它在重建图象上的影响)越小。这种特性使得在一个比特流中实现不同段的非平等保护成为可能。这样，我们就可以根据比特流的容错性将它们分成不同的层，分别进行保护。编译码结构如图 2.2 所示信源 信源编码S P B层 1层 i层 2R P B层 1层 i层 2C R C R C P CC R C R C P CC R C R C P CR C P CR C P CR C P C分层 信道编码信 道信源 信源译码S P B层 1层 i层 2R P B层 1层 i层 2C R CR C P C 译码C R CR C P
