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L.Atzori：JPEG 2000图像在不均匀功率分配的无线信道上的传输
JPEG 2000图像在不等功率分布无线信道上的传输
Luigi Atzori，IEEE成员
摘要
本文提出了一种新的鲁棒性方法。JPEG 2000(JP2)图像在无线信道上的传输。它依赖于使用小波转换器，该转换器允许在JP2之间传输功率的适当不均匀分配编码单元根据它们对解码图像的贡献质量。在所提出的系统中，JP2流被划分为发送一定数量的分组和每个分组。以不同的速度和力量通过一个单独的子通道。数据包分组和功率分配由本机驱动。JP2率失真函数该方法的主要优点是灵活性为每个源JP2数据包分配不同的保护级别从连续范围内选择传输功率可能的价值。在AWGN和Rayleigh信道的情况下评估了此技术的性能。
关键词：稳健的图像传输，JPEG 2000，错误恢复能力，小波变换复用。
- 引言
移动应用有望大幅增强视觉数据在无线信道中的传输。未来，由于多媒体手机的广泛使用用于个人和商业目的的交流。这将很快产生对无线设备的强烈需求有效地传输多媒体数据和传输图像可能是最需要的功能。关键点对于这些应用程序的总体性能来说，质量是提供最终用户的数据。在这种情况下，通常采用压缩技术来减少宽带方面的需求的同时，确保可接受的重建质量。然而，由于广泛的使用在预测和可变长度代码中，压缩流是一般来说，更易受伤害对数据损耗和传输错误，这会使解码器去同步，从而导致空间以及时间误差的传播。
为了解决这个问题，人们提出了几种方法。以增强图像传输的鲁棒性。利用前向纠错方案(FEC)能够最大限度地保护的重要部分比特流。能复原的译码使在不可靠的情况下也可能进行流解码传送。在提议的技术中，主要的可以根据所采用的基本标准加以区分。信源和信道联合编码(ObjeCC)与联合信源信道匹配(JSCM)编码见[1]。当这可以被认为是关键的特征，在那里。是否允许进行其他分类，例如：等错误保护(EEP)或不等错误保护(EEP)(Uep)方案；大多数提议的技术都是指SPHIT[2]编码图像的传输JPEG 2000(JP2)图像[3]。
事实上，jscc的方法更多。比JSCM更常用。事实上，技术通常是为了优化一个几乎没有噪音的通道，这要归功于独立的最佳信道编码。这有点不同在JSCC中，信源和信道编码的方法联合优化。因此，在[4]中，速率兼容。使用穿孔卷积(RCPC)编码器，以便不完全图像解码概率为0.01传输速率剩下的比特被优化地用于SPIHT信源编码。这表示由于通过源比特流实现统一的错误保护。该方案的发展情况在[5]中作了介绍，其中作者建议使用产品信道编码方案，该方案具有适合于出现的衰落信道的重要特征无线应用。此外，探讨UEP的潜力并与简单EEP的方法进行了比较。在[6]和[7]中，由零树生成的源流的错误恢复力中的重新排序和分组，从而获得编码器。这样的一种方式，使得小波系数的完备树是包含在数据包中。这允许优雅地降低图像人面前关于封包擦除，而不是丢失同步通常经历误差敏感零树编码器。在[8]中，这种方法与在[4]中，这是为了实现一种混合技术而提出的。它提供了更强大的性能，可以在可能的信道上使用。同时丰富的行业经验数据包丢失和比特错误，一块探讨问题未丢失的数据包。在[1]中，提议的UEP JSCM设计了宽带无线传输方案。使用具有空间分集的OFDM系统的信道，，即发射端和接收端的多个天线，以减少衰落的影响。
关于JSCC的方法，一种新的鲁棒技术[9]中提出了jp 2图像的传输方法，并利用JP2信源编码中的失真函数分配每个发送的适当重要性的算法包。这种UEP方案在BSC信道上进行测试。带着关于JP2图像编解码器的使用，[10]建议RCPC(速率兼容穿孔卷积)的使用代码实现两级UEP方案。BSC Rayleig衰落信道和吉尔伯特-埃利奥特。实际上，这不是ISCC方法，因为没有定义用于错误保护和信源编码的信道优化。
从研究的工作中，它产生了UEP方法允许更好地保护可视信息。不同的错误鲁棒性水平通常由不同信道编码速率rc分配给每个信源编码组件。对此，RS或Turbo码经常被使用。不同的是，本文提出了一种通过区分传输功率的方法。 传输功率电平代替信道编码速率来实现不等差错保护。可以观察到，传输功率可以在一个连续的值范围内进行选择。 而RC则不是这样。这是因为信息符号数K与符号总数N之间的选择受到一些约束的限制：n不能取得太大， 通常是固定的；保护级别的分辨率是在代码符号级别而不是比特级别；有时，只能在一组可能的值中选择K。这限制了 关于信源和信道编码之间的信道带宽分配。从这些考虑出发，建议的方法应允许更灵活地分配不同的保护级别。 对每个源编码组件比传统方法。在此基础上，提出了一种利用小波复用技术识别AL的潜力的新技术。 低子带调制和基于功率的UEP在图像传输中的应用。
这篇论文组织如下。第二节简要介绍了使用的工具：小波变换复用和JP2错误恢复特性。第三节和第四节提供了一个说明 分别对系统和功率分配进行优化。最后，第五节给出了实验结果。
二、背景
- 小波变换复用
近年来，正交合成/分析变换结构(TransMultipleer)在通信中的应用越来越广泛。更重要的是，几个常见的通信应用程序 可以用子带变换的综合/分析结构来描述。码分多址(CDMA)、频分多址(FDMA)和时分多址( TDMA(TDMA)方案可以从这个角度来看待。特别是fdma(也称为正交频分复用，简称ofdm)或基于离散多音调制(Dmt)的系统hav E比其他的系统得到更广泛的应用。一种特殊的ofdm技术是小波分组多路复用(Wdm)技术，它使用一组自正交摇摆形式代替源自傅里叶理论的波形。小波的使用在时间定位和频率定位之间提供了更好的折衷。另外，因为我们没有要求“护卫带”或“守卫时间”以确保在实际系统中，通过正交性，可以增加给定信道的容量，而不是传统的有限差分和TDM[11]。
为了定义小波包基函数，设 g0 n 为长度为L的单位能量实际因果冷杉滤波器，与其平移正交，即 i.e., sum;n g0 n g 0 n minus; 2m delta; m ，其中delta; m 是Knoneker变量，设 g1n 为(共轭)正交镜像滤波器， g1n minus; 1n g0 L minus; 1 minus; n。如果 g0 n 满足一些温和的技术条件〔12〕，我们可以用一种迭代算法去寻找函数在随后的任意区间内。我们在以下（二进制）树形结构方式中可以定义函数族
（1）
（2）
这里。对任意被给的树形结构，则可以使用在树的末端形成一个小波包。它们有一个有限的持续时间，L minus; 1Tl ，并且是自我的和相互的-正交的整数倍的并进间隔，因此，他们是一个自然的选择多路复用应用[11]。
- JP2编码的弹性
在JP2中，首先将图像分割成矩形区域，称为“瓷砖”，并对每一块瓷砖进行独立编码。图像在瓷砖中的分割是可选的，然后，图像通常被视为 一块瓷砖。利用小波变换对每个瓷砖进行编码。利用均匀死区标量量化器对小波系数进行量化，并将量化系数划分为不重叠的矩形。 被称为代码块。采用一种基于位平面上下文的算术编解码器对量化的系数码块进行码块压缩，并对代码块和每一位平面进行三遍编码，命名意义传播。 完善和清理。各个比特流，每个代码块中的一个，被组织成分组并分布在多个层。层层的整理包括最终的Jp2溪流。
图1 基于电源的UEP系统示意图
为了提高jp 2位流的鲁棒性，标准中包含了一些特定的特征，如下所示：与不同代码块相关的量化系数是熵。 独立编码，使错误不会在受影响的代码块上传播；算术编码器可以在每次传递后被终止和重置，这样它甚至可以继续解码后续的传递。 如果在前一个错误中发生错误；在数据包开始时，可以插入分组重新同步标记的开始，以确保解码器在分组级别重新同步。可选算术编码旁路功能允许编码器绕过算术编码以防止错误传播；分段符号是在每个位平面的末尾编码的特殊符号，它允许解码器检测到正确接收这样的位平面。
- Atzori：JPEG 2000图像在不均匀功率分配的无线信道
三、系统描述
所提出的图像传输方案依赖于本机jp 2的错误恢复特性的优点，以及使用允许分配不同信号功率级别的小波转换复用器得到不同的图像子流。因此，每个编码单元(即jp 2包)都具有基于功率的错误鲁棒性，这是其对整体图像质量的贡献的函数。
图1描述了所设计系统的草图。图像编码器输出被分成N个子流，每个子流由JP2编码单元的群 G j ( j 1,..., N )组成。单独的信道编码应用于每个子流，以保护源包(例如RS码或卷积码)。然后，由二进小波变换器将子流复用成信号。 以较高的比特率将多路复用器转换成信号，并在不同的子信道上传输。相应地，在子信道间分配传输功率，以求出增益因子，从而优化期望接收的质量。
系统的关键功能由控制单元模块完成，用于计算最佳系统参数：信源编码的每像素b的平均位数；子流N的个数(这也对应于wdm子通道的数目)；每个像素的平均位数Bc 或信道编码；每个子通道j的比特能量 Ebj ( j 1,..., N ).这应该在每像素B的目标总位的约束下执行B ( B Bs Bc )和目标平均能量每像素。要完成此任务，控制单元需要访问 Qip ( i 1,..., M ，其中M代表数字流中的JP2数据包)对每包的每一个数据包的整体图像质量。然后，它必须驱动组一代，信道编码和小波变换多路复用器模块。
- 所该控制单元旨在平衡信源编码和信道编码，并优化传输功率。
在JP2包之间的分布。为此目的，该模块使用表一中列出并按默认、输入和系统参数分组的几个输入和输出参数。前者表示那些通常保持不变的值。使用默认值的动机是，图像特定的最优值的计算相当复杂，并不会对s造成影响。 重大改进。它们是：JP2代码块的维度、JP2分辨率级别的数量、WPDM树级别的最大数量以及帮助分配的默认搜索向量。 有助于分配信源和信道编码的默认搜索向量的操作，其含义在下面描述。述控制单元第二组与驱动图像编码和传输操作的设置相关。这些是由操作者提供的，或者是由图像特征产生的，例如： 关于JP2数据包的数量、每个像素的目标总比特数、每发送比特的目标平均能量、信道状态(预期信道条件)和搜索向量。后来的组包括系统根据分配给前两个组参数的值自动执行的所有设置：子通道数(也对应于 分组的数目)，每像素的信源和信道编码位，分组质量的贡献，转换复用树结构，每个子信道的比特能量，分组错误感应器。 可移植性、分组错误概率和误比特率。计算这些值，以便最大限度地提高接收机对图像质量的期望。假设质量贡献 只有在正确接收到以前的数据包时，解码器才能利用数据包i，图像质量EQ的期望可以写成下式 （3）
这里代表信道译码之后在i包中至少有一个错误的概率为便于符号表示，等于1。这个表达式与[9]中使用的表达式非常相似，除了考虑分组质量，而不是在不正确的分组接收情况下的失真。
表1 主控单元参数
最大化(3)非常复杂，因为EQ依赖于多个参数(命名的系统参数)。此外，并不是所有EQ与这些参数之间的关系都具有解析性。 表示法具体而言，信源编码BPP和分组对图像质量的依赖是难以表示的。在此基础上，提出的解决方案实现了 特别是，最优(实际上次优)在由搜索矢量搜索表示的一组可能的值中搜索每个像素BS的源编码比特的数量 Bsearch : Bhsearch Bh B，其中 h 1,..., bdim。B是默认搜索向量，其元素表示用于源编码的整个BPP B的百分比值。对于h1，...，BDIM，执行以下步骤：输入图像的JP2编码在每个像素的比特处执行。然后，利用最优速率分配算法提取包质量贡献向量 。 JP2[3]中的位平面编码通过分析每一个分组的错误敏感性，将JP2分组划分为不同的组，从而驱动要提供给每个分组的保护级别。数据包i的灵敏度因子估计如下：
（4）
虽然分组质量贡献在此阶段是可用的，但对于分组错误概率则不是这样。事实上，这只能在分组和传输p之
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