CN101222637A

CN101222637A - 具有特征标志的编码方法

Info

Publication number: CN101222637A
Application number: CN 200810057411
Authority: CN
Inventors: 陆建华; 谢旭东; 裴玉奎
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2008-07-16

Abstract

具有特征标志的编码方法是一种数据块编码技术领域。其特征在于，编码时，码流被分割成固定长度的码流段，特征标志作为一类特殊的码字，在生成后被放置在每个码流段的固定位置，其位置和长短唯一设定。特征标志放置的位置和长短被用来在解码侧进行特征标志的提取。提取出的特征标志在解码侧被用作关键信息以实现检错和纠错的功能。本发明在保持算术码高编码效率特性的同时，具有很强的潜在检错和纠错的能力，进而可以在无线传输条件下，实现很低误编码率的传输效果。

Description

具有特征标志的编码方法

技术领域

本发明涉及一种数据编码方法，特别涉及到利用加入特征标志的方法进行编码的方法。

背景技术

随着通信技术的高速发展，通信网的宽带化和通信业务的多媒体化是未来网络的发展方向。高数据率是多媒体业务的主要特点之一，人们需要借助有高压缩率的信源编码方法来降低数据率。算术码作为一种在信源熵编码部分常用的无损压缩方法，被越来越多的最新的图像、视频压缩标准选为熵编码工具：图像压缩标准方面，二值静止图像压缩标准JBIG采用了差分脉冲编码调制和算术码结合的编码方案，静止图像压缩标准JPEG也采用了二进制算术编码作为可选择编码工具，最新的图像压缩标准JPEG2000采用了基于上下文的二进制算术码以对量化后的小波系数进行编码。视频压缩标准方面，作为最新的视频编码标准之一的H.264/AVC，提供了基于上下文的自适应二进制算术码(CABAC)作为熵编码部分的压缩工具。

算术码的一些主要特点是：

■具有很高的压缩性能，在任意信源符号分布下都能渐进达到信源的熵率，能够有效地降低视频和图像这类多媒体业务的数据率。

■不需要事先构造码字表，可动态适应信源统计特性。

但是算术码也存在一些问题：

■算术码的高压缩率导致了算术码对信道的残余误码更敏感，即使只是单个比特的错误也会造成后续码流解码完全错误，造成数据的重建质量严重下降。

■算术码的构造原理决定了信道误码将一直对解码器透明，直至码流的末尾才因其他辅助信息而检测出误码。

■算术码码流中，无线通信恶劣的信道环境中的噪声、衰落和多用户干扰是对算术码码流的最大威胁。

基于以上考虑，本发明针对无线传输环境，提出了一种新型数据编码方法。该方法利用加入特征标志的方法，在编码时加入特征标志；该特征标志在传输后的解码侧，被用于编码块的同步检测和错误检测，以及对检出错误的纠错处理。同已有的系统相比，本发明可以有效地提高传输系统的对抗差错能力，尤其在无线传输条件下，可以明显改善传输图像、视频以及多媒体等数据质量，提供高质量的多媒体服务。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数据块编码方法，该方法在保持算术码高编码效率特性的同时，具有潜在的检错和纠错能力，进而可以实现很低误编码率的传输效果。

本发明的特征在于所述方法是在编码端用一个电子集成芯片实现的，由信源编码器和信道编码器串接而成的所述编码端依次按以下步骤实现信源编码和信道编码的过程：

步骤(1).把原始数据送入所述信源编码器中的码流分割电路，按设定长度的数据段对原始数据进行分割，得到分割后的码流；

步骤(2).把步骤(1)中得到的分割后的码流送入特征标志生成电路，生成特征标志，所述特征标志是水印信息；

步骤(3).把步骤(2)得到的特征标志送到所述信源编码器中的特征标志插入电路，按设定的延时时间延迟后送入所述码流分割电路，把特征标志插入分段后的码流的最左端，形成具有特征标志的分段码流；

步骤(4).把步骤(3)得到的带特征标志的分段码流送入一个算术编码器，按以下步骤进行算术编码：

步骤(4.1).估计输入码流的累计概率；

步骤(4.2).根据步骤(4.1)获得的累计概率，把当前编码区间分割为两个子区间，并通过重归一化后映射到标准编码长度区间；

步骤(4.3).对步骤(4.2)得到的结果进行编码，把经过压缩编码的字节输出；

其中，所述算术编码器是一种采用自适应二进制算术编码器的MQ编码器；

步骤(5).把步骤(4.3)得到的经过压缩编码的字节送入所述信道编码器进行信道编码，这里所述的信道编码器是低密度奇偶校验码编码器。

本发明所述的具有特征标志的编码方法具有的特征还在于，所述的特征标志可以是时钟同步标志，或者是根据码流的时域、频域、空域以及变换域的特征而生成的特征标志。

本发明针对无线传输中误码率高的信道特点，提出了一种高效的、基于算术码的编码方法，以满足高质量的无线信息传播应用需求。所提出的具有特征标志的编码方法，不仅具有算术码编码效率高、编码复杂度低的优点，同时通过引入特征标志的方法，具备了在解码侧检错和纠错的能力，可以有效地降低传输中误码的影响，提高数据传输的质量。

附图说明

图1具有特征标志的编码方法流程框图。

图2将特征标志插入到待编码码流示意图：是插入的特征标志。

图3MQ编码器解码算法流程图。

图4算术码在解码码树上的状态转移图。

图5堆栈算法的流程。

图6BSC信道差错概率为10^-5，JPEG2000图像传输质量曲线：a.普通JPEG2000图像标准解码情况；b.具有特征标志的编码图像序列解码情况。

具体实施方式

为实现本发明的目的，本发明提出的具有特征标志的编码方法的工作包括以下几个方面：

1)特征标志的建立。在算术码编码的码表中，包含有一类特殊的码子，被称为特征标志，该特征标志被用于抗差错编码中的检错和纠错处理。此处所指的特征标志，指的是用于标志编码对象的某种属性、并可用于解码时检错纠错的信息标志单元，其形式可以为时钟同步标志、水印或者其他具有类似功能的单元。

■时钟同步标志。利用一个系统的全局时钟，对输入码流进行时序标记，可以用其来处理重建信息的同步问题。

■水印。利用输入码流的某一特性(如变换域特性、压缩域特性)，提取出可以标该编码对象的特征数据，该数据由全部输入码流完整生成，并且具有唯一性，因此可以利用其在解码侧进行检错和纠错处理。

■其他处理对象的特征。可以是输入码流的时域、频域、空域，或者变换域的相关特征。该特征应该具有唯一性，并因此可以被用来在解码侧进行检错和纠错处理。

2)在编码侧，主要步骤依次如下：步骤(1)将码流进行分段分割，将特征标志插入分段后的码流中的固定位置，如最左侧；步骤(2)对输入信源符号的累积概率进行估计；步骤(3)根据获得的累积概率，将当前编码区间分割为两个子区间用于算术编码；步骤(4)将当前编码区间通过重归一化映射到标准编码长度区间；步骤(5)将获取的压缩编码后的字节输出。

本发明提出的具有特征标志的编码方法流程图如附图1所示，原始数据101经过码流分割电路102被分成一系列标准长度的码流段，特征生成电路103基于待处理码流段生成特征标志，特征标志插入电路104将生成的特征标志插入经过延迟电路的码流段，将特征标志插入编码数据段的示意图如图2所示。码流被分割成固定长度的码流数据段，特征标志被插入码流间的固定位置。然后将插入特征标志后生成的新的码流送入算术码编码器105进行算术编码，紧接着信道编码其106利用LDPC码对码流进行信道编码，然后生成的编码后的码流通过信道进行传输107。图1中也给出了解码端的参考流程，LDPC信道解码器108首先对接收到的码流进行信道解码，然后送入算术解码器109进行算术解码。解码后的码流经过码流分割电路110分割成固定长度的码流段。然后特征标志提取电路111根据插入特征标志的位置和长度，对特征标志进行提取，然后送入特征检错电路112进行检错，如果发现码流中存在误码，则序列纠错电路113进行序列纠错，并将最后纠错后的重构收据114输出。

在解码侧，特征检错电路112利用标志特征的属性来校验编码对象中是否存在错误：

■对于时钟同步标志，用来校验获取的时钟信息是否保持了时序上的连续性和一致性，如果出现不一致，则说明码流中错误存在；

■对于水印信息，只需按照同样的水印生成规则，利用解码后的码流重新生成新的水印，然后比较新的水印和提取到的特征标志是否一致，如果不一致，则说明码流中存在错误；

■对于其他处理对象的特征，需要利用编码时提取该特征标志的同样方法，对解码后的码流提取相应的特征，并将重建的特征标志和提取的特征标志进行比对，以校验是否存在误码，当两者不一致时，则说明码流中有错误存在。

在实施例1中，我们给出了一个利用水印作为特征标志进行检错以及纠错的应用示例，在该实例中，我们利用序列解码方法对检测到的错误进行纠正。在实施例2中，我们给出了一个利用时钟同步标志作为特征标志的应用实例，在该实施例中，我们对检测到错误后的码流截断抛弃，要求发送端对产生错误的码流重新进行传输。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式说明如下。

本发明的实施例1采用水印为特征标志，即对待处理数据进行离散余弦变换(DCT)，然后将变换域中幅值最大的系数(不包括直流分量)作为输出特征标志。在解码侧，对解码后的数据同样计算其水印信息，将计算出的水印信息同提取到的水印信息进行比对，如果发现两者不一致，即说明出现了解码错误，需要进行纠错处理。本实施例中采用了序列解码方法对误码进行纠正，下面将进行详细说明。

本实施例中采用了JPEG2000所采用的算术码编码器：MQ编码器，它是JPEG2000标准所采用的一种改进的编码器，采用了自适应二进制算术编码算法。

在编码侧，码流被分割为长度为200字节的数据段，生成水印的长度为8个字节，水印信息被放置在码流数据段的最左侧，插入特征标志后，算术码编码主要分为以下4个步骤：

1)概率估计：对输入信源符号的积累概率进行自动估计；

2)区间分割：根据获得的累计概率，对当前编码区间进行分割，划分为两个子区间。

3)重归一化：将当前编码区间通过重归一化映射到标准编码长度区间。

4)压缩字节输出：将获取的压缩编码后的字节输出。

在解码侧，经过信道解码的码流被送入算术解码器进行解码。解码过程类似于编码过程，MQ编码器解码算法流程图如图3所示。主要分为以下4个步骤：

1)分割区间：根据获得的累计概率，对当前编码区间进行分割，划分为两个子区间。

2)根据压缩序列选择子区间。

3)输出解码信息符号：根据对应的子区间，输入相应的0或者1字符。

4)重归一化：将当前编码区间通过重归一化映射到标准编码长度区间。

当所有的输入符号都已经解码完毕，则解码结束，否则，重新从步骤1开始。在该解码过程中，图1中111特征标志提取电路是根据插入特征标志的位置和长度信息(此实施例中为数据段的最左侧，以及8个字节)，在解码后的码流中对原始水印信息进行提取，同时利用解码后的数据段，重新计算其新的水印信息。将计算得到的水印同提取的原始水印相比较，当检错到有误码出现时，则需要进行进一步的纠错处理，进入图1中的113序列纠错处理。

我们采用序列解码方法对解码结果进行纠错。所谓序列解码方法是利用信号检测中的最大后验概率准则(MAP)在码树中寻找一条最大度量路径作为解码结果，即解码器按图4中的模型搜索并计算路径度量，从而得到度量最大路径。图4中给出算术码在解码码树上的状态转移图。我们可以将算术码解码器视为一个有限状态机(FSM)，输入驱动信号是部分压缩序列，状态信息包括当前区间情况和缓存的未解码信息。图4中，b_d ^t表示从t-1到t比特时刻读入的第d条路径，各种解码器因解码机制不同，不同的解码器对应的路径可能有着不同的比特数，对于MQ编码器，每个分支对应一个压缩字节，因此每个节点可能向下一级节点扩展出2⁸＝256条路径，每一个可能的压缩序列都能找到解码树中相应的路径。a_d ^t表示第d条路径对应的信源符号序列，不同的路径可能对应不同长度的信源符号序列。s_d ^t表示t比特第d个可能的解码器状态。0到T为解码时间序列。

由于实用的算术编码器状态数很多，而且每个状态结点伸展出的分支数较多，我们选择堆栈算法作为搜索方法。堆栈算法的流程图如图5所示。堆栈算法中，501按照路径度量从大到小将路径保存在堆栈中，每次502将最优路径进行伸展，然后503重新计算每个路径的度量，504再按照路径度量从大到小保存在堆栈中，超出堆栈容量的路径将被丢弃。505判断最优路径是否合法，如果最优路径伸展出的路径都被检出有错，则丢弃最优路径而伸展次优路径，重新回到501。堆栈算法在每个比特时刻需要记录下此刻的路径度量和对应的FSM状态。在506判断最优路径是否满足解码中止条件，如果为是，则507将保留的最优路径作为纠错后的结果输出，否则重新回到501。

这里需要指出的是，在本实例中，我们利用序列解码方法对检测到的错误进行纠正，其中利用到堆栈算法作为搜索方法，但利用水印信息进行纠错处理的算法并不唯一，本实施例仅实现其中的一种算法，以显示利用特征标志进行检错和纠错的可行性。

为了证实本实施例中，利用水印作为特征标志的抗差错算术码的性能，我们将经过具有特征标志的算术码改进的系统和传统的JPEG 2000图像传输系统进行比较。图6给出了两者的图像传输质量曲线。其中BSC信道差错概率为10^-5，解码算法中堆栈容量选择为128。可以看出，利用本发明提出的利用特征标志的编码方法，可以有效地降低传输误码的影响。

本发明的实施例2中，我们利用时钟同步标志作为特征标志。在该实施例中，我们在码表中建立一个特殊的码字，长度为16字节，用来标志时钟同步信息。在编码时，该码字被放置在码流段的最左端，码流数据段的长度为500字节；当解码后，在相应码流段的同样位置，如果能够检测到该特殊码字的存在，则说明时钟同步性没有被破坏，否则，说明检测到错误。我们以离当前最近的正确解码的时钟同步标志为界，之前的数据被保留，将之后的错误数据丢弃，并要求发送端对产生错误的码流重新进行传输。仿真实验在BSC信道假设下进行，信道的误码率为10^-5，结果显示74.5％的错误可以被系统检测到。

虽然采用水印和时钟同步标志为特征标志作为实例，解释了本发明的实施例，但是本发明并不限于该两种形式的应用。通过将特征标志替换为其他处理对象在时域、频域或空域上的特征，并采取相应的检错手段和纠错方法，本发明可容易地在不同层次上实现算术编码。本领域普通技术人员可在本发明的精神及观点内对本发明进行多种不同的修改，但凡依本发明权利要求书范围所做的同等的变化及修饰，皆为本发明所保护的范围。

Claims

1.具有特征标志的编码方法，其特征在于，所述方法是在编码端用一个电子集成芯片实现的：

在由信源编码器和信道编码器串接而成的所述编码端依次按以下步骤实现信源编码和信道编码的过程：

步骤(3).把步骤(2)得到的特征标志送到所述信源编码器中的特征标志插入电路，按设定的延时时间延迟后送入所述码流分割电路，把特征标志插入分割后的码流的最左端，形成具有特征标志的分段码流；

步骤(4.1).估计输入码流的累计概率；

其中，所述算术编码器是一种采用自适应二进制算术编码的MQ编码器；

2.根据权利要求1所述的具有特征标志的编码方法，其特征在于，所述的特征标志是时钟同步标志。

3.根据权利要求1所述的具有特征标志的编码方法，其特征在于，所述的特征标志是根据码流段的时域、频域、空域以及变换域的特征而生成的。