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1、无线信道中的联合信源信道编码【摘要】：本文提出了一种噪声軎道下传输渐诗 f17 像的璇合绪源悟道编码方法该方法 根据信遗条件的好坏动态的矾整信源编码速率和信道编码速率，阁此极大地提高了系统的 性能和编码教率同时该方法还具有结构简单，易于实现等优点试验证明本方法与以前 文献中提出的 EEP 打法以及 UEP 方法相比在信噪比低时即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】： 渐进，联合信源信道编码， SPlIHT，RCPC 序 言 随着多媒体技术的发展，在无线信道中(包括个人通信系统及卫星通信系统)如何传输 视频和图像已成为人们关注的一大焦点无线信道给人们带来的巨大挑战，就是
2、其传输的 不可靠性(极易出现误码)这是由其固有的特点一即频带资源有限，传输信道时变的错误 特性所决定的。以往的图像姬信中，人们往往将信源编码和信道编码分开进行，遵循于香 农 tSI-ail 儿 on)定理然而，由于无线信道车身特点造成的问题。照搬定律将不能获得 良好效果例如，香农定理没有对信道的错误特性做任何分析，并且没有考虑信源、信道 资源的充分利用问题等等近年来，将信源编码与信道编码相结合的思想受到了人们的日 益重视已有许多文献利用联合信源信道编码对无线唐道中的多媒体(图像、视频)传输做 了研究。 本文提出了一种无线信道中传输图像的基于小波 SPIHT 的联合信源信道编码方法，主要 思想是
3、采用基 f 小波 SPIHT 的信源编码，并对编码后的比特流按其重要性进行不等错误保 护。由于小波 SPIHT 算法的内嵌编码特性(渐进传输和码率可调)，我们根据无线信道的时 变特性自适应地改变信源编码的速率，同时改变 RCPG 信道编码速率，以达到既保证图像的 传输质量，又不增加额外的带宽的目的即当信道环境恶劣时，我们通过少传甚至不传非 重要部分(图像的高频分量)来降低信源编码的编码速率，同时增强对信源编码后重要部分 的信道编码的保护强度；而当信道环境较好时我们通过适当增加非重要部分(图像细节部 分)的传输来提高信源编码的编码速率，同时减小信道编码的保护强度。 1 基于小波 SPIHT 的图
4、像编码算法 SPIHT 算法是由 Said 和 Pearlnan 提出的对 Shapiro 的内嵌零树小波 EZW 算法的改进其 显著特点是极低的计算复杂度和高质量的恢复图像，它打破了传统编码算法中编码效率与 复杂度同步增长的界限，并且合理利用了小波分解后的多分辨率特性，获得了优良的编码 性能同现有的其它编码方法相比，它不仅在性能上具有很高的信噪比和较好的丰观视觉 质量，而且编译码速度快，同时具有内嵌编码的特征，能够终止千所需的码率或图像质量 处，适合于逐渐浮现式的图像传输。SPIHT 继承了如图 1 所示的小波系数的零树(空间定位树)结构，该算法将某一树结点及其 所有后继结点划归为同一集合，
5、集合的分割过程是不断地将一个集合分成 4 个子集再分别 对每个子集进行重要性测试的过程重要性测试函数定义为其中 Cij 表示坐标为(i，j)处的小波系数值，n 表示第 n 层比特平面，r 为某个子集如果 集合中所有元素的幅值小于某阀值(即该集合是不重要的)，则使片 j 一个比特即可表示， 这样就大大简化了集合的表示由于变换系数在空间定位树结构中的相似性，使采用这种 集合分割后的排序算法具有高效率的特点 SPIHT 算法分为 4 个步骤，即 (1)初始化：(2)排序过程：(3)细化过程：(4)步长更新： n 自减，跳回步骤（2） 。 从上述算法中可以看出；初始化过程与 EZW 完全相同，细化过程
6、类似干 EZW 编码的逐次逼 近量化过程，而 SPIHT 改进了 EZW 的重要图的表示方法，也就是重要像素在表中的排序 信息，使得集合的表示更为精简，从而提高了编码效率 2 基于不等错误保护的 RCPC 信道编码 RCPC 码是在增信删余卷积码的基础上提出来的一种速率可变卷积码它对一个速率为 1N 的码字以周期 P 进行增信删余，从而得到一组速率为 P(P+l)的码字，其中 f 可以是 从 l 到 1 到（N-1）P 中的任意一个整数RCPC 码的速率可变特性是由它的增信删余码表决 定的在码表中，所有高速率的码字都包含在低速率的码字中如果高速率的码字的纠错 能力不够强，我们只需增加先前删余的
7、码字来降低信道编码码率，提高其纠错能力。 假设码的自由距离为 df，码字中重量为 d 的码序列数为 ad，错误路径距离为 d 的概率为 Pd，则错误译码事件的概率的上界为：假设在一个增信删余周期内所有重量为 d 的非零信息位总数为 cd，则误比特率的上界为：3 联合信源信道编码原始图像经过信源 SPIHT 图像编码器)编码，产生的码流被打包分成长度固定的数据块对 每个数据块加以 16bit 的循环冗余校验(CRC)后，码流将通过 RCPC 信道编码器。经过信道 传输后，接收端将首先经过 RCPC 解码器，再经过 CRC 解码和解分组当 CRC 解码发现了 RCPC 未能纠正的错误时，为了防止错
8、误传播，解分组将结束，该错误所在数据块之后的所 有码流将被丢弃SPIHT 信源编码器只利用接收到的正确数据恢复原始图像RCPC 编码器 对不同的比特段给予不等错误保护，其初始的保护等级足预先确定好的并且对解码端是 已知的开始传输后，系统将根据解码端的反馈参数来实时的调节-信源编码的传输速率以 及各比特段的错误保护等级，并将新的 RCPC 编码参数放在码流头部，传输给解码端。当信 道条件恶劣时。系统将减少传输信源编码产生的码流的分组数，并且增加对码流的保护， 而当信道条件好时。系统将增加信源的传输分组数同时降低对码流的保护实际上，总的 传输速率是不变的信道条件差时增加对信源保护的冗余比特是以减少
9、的传输分组数为代 价的即原本为了提高恢复图像而传输的图像细节部分变成来保护前面图像主体部分的冗 余比特 系统所要解决的关键问题就在于，如何动态地调整信源的传输分组数以及各分组的错误保 护等级下面我们将对此问题做洋细讨论 假设将 SPIHT 编码器以编码速率 Rsbpp 产生的比特分成 N 组，每组 k 个比特则一幅图像 所包含的总比特数为总比特数：(1)其中 Ns 表示该图像的总样点数：(2) 如果有 i 个分组被正确接收则图像就以速率（ik/Ns）bpp 重建，因此我们定义 rs=k/Ns bpp 为每个分组的编码速率这样，Rs 即为所有的分组都被正确接收时的信源编码速率；(3) 假设信道编
10、码分配策略将速率分配给第 i 个信源分组，则分配策略集合即表 示为一系列信道编码速率的集合那么对应于策略的系统传输速率 Rt(信道符号数像素数)为(4) 式中 Rc 为总信道编码速率，表示第 i 个信源分组的信道编码速率由于信源采用 SPIHT 算法，编码出来的比特的重要性几码流呈递减的趋势，即越靠前的比 特越重要，因此我们对各分组的保护等级应满足以下关系：(5)为了便于分析，假设将信源分组进行三等分，并对这三部份分别进行不等错误保护则分 配策略即为,这里 L1+L2+L3=N(),且 L1=L2=L3如图 3 所示为了在信道恶劣的条件下仍保持较好恢复质量的图像，系统将根据接收端反馈的参数来动
11、 态调节信源的传输分组数和 RCPC 对备分组段的错误保护等级我们选择变量分组丢弃率 (plf)为接收端反馈的参数，并将其定义为接收端在 CRC 发现错误后丢弃的信源分组数与 SPIHT 编码器产生的总的信源分组数的比值系统编码端将根据此参数来确定信源的传输分组数以及 RCPC 对各分组的错误保护等级 根据 plf 的不同取值系统将采用不同的选择策略 (1)如果 23plf1，系统将增加对第三部分的保护等级，即降低，并且将 L3 减少 Ld则分配策略变为由于 RT 恒定，则有（4）式可得：由（5）式可知，Ld 应满足(2)当 13plf23 时，系统将增加对第二部分的保护强度，即降低，并将 L
12、3 减 少 Ld，则策略变为，与第一种情况类似，由（4）式可得， 选择 Ld 时应满足 (3)如果 oplfl3，则系统增加对第一部分的保护等级即降低，并将 L3 减少 Ld，此策略变为同理可得，选择 Ld 时应满足条件由于系统动态凋整信道编码策略，因此需要将信源各分组的错误保护等级做为附加信息传 递 给解码端又由于率系统采用 RCPC 编码，编译码器可预知供选择的 RCPC 速率值，这样我 们仅需传送 RCPC 的速率索引序号即可。对于三重不等错误保护，最多只需传送 3lg9 =12bit(例如分辨率为 512512，信源编码速率为 0.5bpp 的图像，系统仅增加了 0.009bpp 的附
13、加速率。)可见。附加信息对丁系统的传输速率膨响很小。 6 结论 本文提出了一种噪声信道下传输渐进图像的联合信源信遭编码方法该方法根据信道条件 的好坏动态地调整信源编码速率和信道编码速率，因此极大地提高了系统的性能和编码效 率 与以前提 Hl 的各方法相比，本文的方法具有以下优点： (1)许多文献提出的方法在设计信道编码时，为保证一定的传输质量，总是为最差的 j 占遵 情 况设计保护策略，这样当信道条件好时，编码的效率将降低因为过量的比特用丁做保护， 而 过少的比特用于信源编码而本文提出的方法能够根据信道条件的不同而自适应地调整信 道和 信源速率，既提高了编码效率，又提高了图像质量 (2)本文提出的算法由于采用了 SPIHT 信源编码算法和 RCPC+CRC 信道编码算法，硬件 结构简单并且易于实现，性能良好 (3)本文提出的方法，附加信息少，对编码效率的负影响很小 试验证明本文的方法与文献中提出的 EEP 方法以及 UEP 方法相比，在信噪比低时即信道 条件恶劣的情况下能够明显提高恢复图像的质量在信噪比高时，也能提供满足一定质 量要 求的恢复图像因而该方法能够应用于较大范围内的信噪比波动信道参考文献:
