一種基于Polar碼技術(shù)的可抗差錯(cuò)圖像傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及數(shù)字通信的信道編碼技術(shù)領(lǐng)域，尤其是設(shè)及一種基于化lar碼技術(shù)的 抗差錯(cuò)圖像傳輸方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)多媒體通信的需求也逐步增加。圖像傳輸是多 媒體通信中的關(guān)鍵技術(shù)，為了使圖像能得到有效且可靠的傳輸，需要對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理， 信源壓縮編碼和信道糾錯(cuò)編碼就是兩種常用的技術(shù)。信源壓縮編碼可W去除圖像中的冗余 信息，用較少的比特包含圖像的信息，提高傳輸?shù)男?；信道糾錯(cuò)編碼則可W使圖像避免受 到噪聲的干擾，增強(qiáng)傳輸?shù)目煽啃浴?br>[0003] Polar碼是2007年由化dalAr化an提出的一種新的信道編碼，首次在理論上被嚴(yán) 格證明能達(dá)到二進(jìn)制離散無(wú)記憶信道炬ina巧-discretememoiylesschannel,B-DMC)香 農(nóng)限，其性能優(yōu)異，已引起編碼領(lǐng)域的學(xué)者們廣泛關(guān)注和研究。Polar碼構(gòu)造的核屯、是信道 極化現(xiàn)象一一對(duì)N個(gè)相同且相互獨(dú)立的B-DMC信道W迭代的方式反復(fù)進(jìn)行合并和拆分后， 信道容量會(huì)發(fā)生偏移甚至極化。在極化過(guò)程中，設(shè)及兩個(gè)重要參數(shù)：對(duì)稱(chēng)容量I(W)和己氏 參數(shù)Z(W)。定義為；
[0006] 對(duì)稱(chēng)容量是在信道W上進(jìn)行可靠通信時(shí)能達(dá)到的最大傳輸速率，己氏參數(shù)是在信 道上傳輸一比特信息時(shí)，采用最大似然譯碼的錯(cuò)誤概率上限。對(duì)于N= 2"的化lar碼，給 定5G(0, 1)，iG(1，2,. . .，N}，當(dāng)NW2的n次方逐漸增大趨于無(wú)窮時(shí)，極化后信道的 /(啊。）e(1 - (5刀那部分信道容量將趨于I(W)，而乃啊''）e化列部分將趨于1-1 (W)。
[0007] 對(duì)于2個(gè)二進(jìn)制離散無(wú)記憶信道W，單步極化過(guò)程記作爪W) -（W'，W")，極化過(guò) 程中，對(duì)稱(chēng)容量和己氏參數(shù)有如下關(guān)系；I(W'）+I(W") = 2I(W)，I(W'）<I(W) <I(W"); Z(W'）+Z(W")《21 (W)，Z(W'）>Z(W) >Z(W")。極化操作對(duì)信道的總?cè)萘繘](méi)有影響，在容 量不變的情況下，與初始信道相比，極化操作后的兩個(gè)信道的信道條件發(fā)生變化，一個(gè)信道 的對(duì)稱(chēng)容量增加，高于初始信道，且己氏參數(shù)降低，信道條件變得更好。另一個(gè)信道容量降 低，己氏參數(shù)增大，信道條件變差。將其擴(kuò)展到N= 2"，n> 1，反復(fù)進(jìn)行單步極化操作，信道 條件會(huì)發(fā)生偏移甚至極化，每個(gè)信道具有不同的己氏參數(shù)和對(duì)稱(chēng)容量，且部分信道趨于無(wú) 噪信道，而部分趨于全噪信道。對(duì)極化后信道的條件進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)編碼使得有用信息只在 容量趨于1的無(wú)噪信道上傳輸，而在容量趨于0的全噪信道只傳輸固定的冗余比特。
[0008] 記和xf分別為輸入序列和編碼后序列，則Polar碼的編碼方式可表示為 xf= <Gw，其中Gn為生成矩陣，且
符號(hào)畫(huà)隸示Kronecker積，Bn 為線(xiàn)性變換矩陣，能將比特序列根據(jù)下標(biāo)進(jìn)行比特反序重排。
[0009] 譯碼時(shí)采用采用連續(xù)刪除（SuccessiveCancellation,SC)譯碼算法，譯碼過(guò)程相 當(dāng)于W比特為根節(jié)點(diǎn)的滿(mǎn)二叉樹(shù)深度優(yōu)先遍歷過(guò)程，圖1為一個(gè)簡(jiǎn)單范例。SC譯碼算法具 有較低的編譯碼復(fù)雜度，僅為O(NlogN)，且錯(cuò)誤概率僅為口口-2*"')(/; ^^)性能優(yōu)異。
[0010] 將化lar碼應(yīng)用于圖像傳輸中，可有效避免噪聲對(duì)圖像的干擾。但傳統(tǒng)的Polar 碼圖像傳輸系統(tǒng)中，將全部圖像信息作為信息比特進(jìn)行編碼映射為Polar碼序列后進(jìn)行傳 輸，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大，傳輸效率不高，并不利于實(shí)際通信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種充分考慮化lar碼構(gòu)造特點(diǎn)的新的圖像傳輸 方法，使得采用該一方法進(jìn)行圖像傳輸時(shí)，既可保證圖像傳輸?shù)目煽啃杂帜苡行岣呦到y(tǒng) 的傳輸效率，具有很好的實(shí)用化前景。
[0012] 為了達(dá)到W上目的，本發(fā)明提供了一種基于化lar碼技術(shù)的可抗差錯(cuò)圖像傳輸方 法，該方法將圖像頻率分量的重要性與極化信道的可靠性進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，然后挑選極化碼 的信息比特進(jìn)行編碼傳輸，其特征在于包括W下步驟：
[0013] 步驟1，對(duì)信道進(jìn)行極化操作，使信道條件發(fā)生極化并對(duì)極化后信道的可靠性進(jìn)行 評(píng)估，并對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行排序；
[0014] 步驟2,讀入圖像，對(duì)圖像進(jìn)行DCT變換獲取頻率分量，并對(duì)頻率分量根據(jù)其信息 滴值進(jìn)行排序；
[0015] 步驟3,將頻率分量與信道條件進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)；
[0016] 步驟4,將重要的低頻分量作為信息比特，將高頻部分作為凍結(jié)比特，按照化lar 碼編碼規(guī)則進(jìn)行編碼后送入信道傳輸。
[0017] 進(jìn)一步，步驟1中的對(duì)信道進(jìn)行極化W及可靠性評(píng)估的操作具體為：極化操作過(guò) 程設(shè)及對(duì)稱(chēng)容量/(Wf)和己氏參數(shù))，并W己氏參數(shù)作為信道可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，完成 信息比特位挑選，所述己氏參數(shù)通過(guò)如下計(jì)算公式獲得：
[0020] 其中N為碼長(zhǎng)，且N= 2> > 1，i為信道序號(hào)，1《i《N;遞歸地將長(zhǎng)度為N的 信道轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度為N/2的兩部分信道進(jìn)行計(jì)算，直到N= 1，此時(shí)Z(W) = 1-C。
[0021] 進(jìn)一步，如果信道為高斯信道，則通過(guò)高斯近似法計(jì)算極化信道的錯(cuò)誤概率來(lái)完 成信道可靠性的評(píng)估。
[0022] 進(jìn)一步，步驟2具體為讀入圖像后進(jìn)行8X8分塊的DCT變換，將頻率分量的離散 系數(shù)進(jìn)行Zig-Zag排序。
[0023] 進(jìn)一步，步驟3具體為將頻率分量的排序結(jié)果跟信道可靠性排序結(jié)果進(jìn)行一一對(duì) 應(yīng)。
[0024] 進(jìn)一步，在步驟4中，根據(jù)圖像頻率分量和信道可靠性間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)頻率分 量按照化lar碼編碼規(guī)則進(jìn)行編碼，具體為，記頻率分量為《1"，則編碼過(guò)程用公式表述為 < ，6,為生成矩陣且Gw=Avi^@"，其中
，符號(hào)@表示克羅內(nèi)克積，并且 定義=山，Bw為線(xiàn)性變換矩陣，相當(dāng)于對(duì)序列進(jìn)行一次比特反轉(zhuǎn)操作，使得序列中的元 素能根據(jù)下標(biāo)的奇偶性進(jìn)行重排；低頻分量作為信息比特，記作％，高頻分量作為凍結(jié)比 特，記作，則編碼公式可進(jìn)一步寫(xiě)為義^ =w,G\W?",,G,.(^ )，Gw(A)和Gw(A勺分別 為從生成矩陣向中根據(jù)信息比特集A和凍結(jié)比特集A吁兆選出的行向量組成的子矩陣，編碼 完成后送入信道進(jìn)行信息傳輸。
[0025] 進(jìn)一步，還包括步驟5,在接收端，采用連續(xù)刪除算法進(jìn)行譯碼，將低頻分量和高頻 分量組合后進(jìn)行DCT逆變換，重構(gòu)圖像。
[0026] 進(jìn)一步，接收端根據(jù)從信道中接收到信息序列yf，利用SC譯碼算法進(jìn)行化lar碼 譯碼判決，具體操作為：迭代計(jì)算每一個(gè)比特的似然率信息；
[002引其中4切~為-1)表示當(dāng)前第i個(gè)比特的似然率，通過(guò)上述公式，可將碼 長(zhǎng)為N的譯碼判決轉(zhuǎn)換成兩個(gè)碼長(zhǎng)為N/2的譯碼判決，迭代計(jì)算可一直進(jìn)行到 與 1)(於）=WCy,|0)/r(y,|l);
[0030] 判斷i屬于信息比特集A還是凍結(jié)比特集AS對(duì)于凍結(jié)比特，直接進(jìn)行賦值 ="尸對(duì)于信息比特，判決規(guī)則為：
[0031]
[0032] 進(jìn)一步，對(duì)譯碼后得到的頻率分量進(jìn)行組合，然后進(jìn)行DCT逆變換重構(gòu)圖像。
[0033] 在相同的壓縮比下，本發(fā)明提出的傳輸方法與直接掩模壓縮相比，具有明顯的抗 差錯(cuò)性，恢復(fù)圖像的PSNR比直接壓縮的圖像的PSNR有顯著的提高。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為本發(fā)明所提出的一種基于化lar碼技術(shù)的可抗差錯(cuò)圖像傳輸方法的流程框 圖。
[00巧]圖2為信道極化操作最小基礎(chǔ)單元。
[003引圖3為2個(gè)胖2組合為一個(gè)W4信道示意圖。
[0037] 圖4為N個(gè)W信道組合為一個(gè)聽(tīng)信