CN102438150B - 一种抗信道误码的图像无损压缩检纠错编解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗信道误码的图像无损压缩检纠错编解码方法，该方法采用熵编解码、块检错、(P，Q2)奇偶校验检纠错编解码联合的多级编解码方式，在保证图像无损压缩比较高的前提下，对由信道误码造成的无损压缩码流差错进行检纠错，减小图像无损压缩误像素率。
Description
技术领域
本发明属于图像编解码数据压缩领域，具体涉及一种图像无损压缩检纠错编解码方法。
背景技术
星载成像技术已广泛运用于深空探测、对地遥测、气象预测等领域，特别是在对地遥测领域，采用多波段相机对云层成像，可以为弱目标、点目标的地面检测与识别提供图像依据。抗信道误码的图像无损压缩编解码是对弱目标、点目标进行地面检测识别的关键技术，当重建图像的误像素率较大时，由于误像素与周围正确像素反差较大，根据重建图像进行点目标和弱目标检测识别时会产生大量虚警。
由于卫星与地面之间的通信信道数据传输容量有限，在保证图像信息不丢失的情况下，为了减少下传图像的数据量，一般要求在星上对图像进行实时无损压缩。但星地链路的信道条件十分复杂，即使受到信道编码保护的图像压缩码流依然会在星地传输过程中产生误码，若不对图像压缩码流中的误码进行检纠错，最终地面重建图像将会出现误码扩散，严重影响图像质量，信道条件过于恶劣时，甚至会导致重建图像失败而丢失数据。因此，在星上数据传输中不仅要采用信道编解码方法，降低信道传输误比特率，同时，对重要的图像数据无损压缩，可考虑信源端进行检纠错编码，减小图像误像素率，降低信道误码对图像无失真传输的影响。
目前通用的图像无损压缩编码多采用变长码，对码流中的差错十分敏感，无法避免在解码时产生误码扩散，抗干扰性不强，对不同信道条件的适应性较差，无法满足多波段成像图像无损压缩以及不同信道条件下抗误码性能的要求。
常见的奇偶校验编解码仅有比特错误检测能力，通过校验码流中“0”、“1”奇偶关系判断码流中是否存在误比特。某些奇偶校验编码通过特殊的校验组织形式可以对码流中的比特进行逐比特校验，可检测多比特错误或纠正单比特错误，但是当信道条件较差时，码流中误码较多且分布密集，为保证检纠错性能，常见奇偶校验编码方法需要增加的冗余信息量很大，严重影响多级编码的压缩性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗信道误码的图像无损压缩检纠错编解码方法，该方法能够实现图像无损压缩，同时提高压缩码流的抗误码性能，具有较大的适应性和抗干扰性，可满足多波段成像图像无损压缩以及不同信道条件下抗误码性能的要求，保证重建图像质量。
一种抗信道误码的图像无损压缩检纠错编解码方法，包括编码和解码步骤；
所述编码步骤如下：
(11)对原始图像作熵编码生成熵编码后码流；
(12)将原始图像分为多个M*N像素大小的分块，分别统计每个分块的熵编码后码流的特征信息；
(13)对步骤(11)生成的熵编码后码流作(P，Q2)奇偶校验编码生成抗误码码流，Q2为待编码信息比特长度，P为编码后的码流比特长度；
所述解码步骤如下：
(21)对抗误码码流作(P，Q2)奇偶校验解码，生成奇偶校验解码后码流和奇偶校验结果；
(22)对奇偶校验解码后码流分段，各分段一一对应步骤(12)中各M*N分块的全码流，依据每个分块的熵编码后码流的特征信息对各分段进行检错，得到块检错信息；
(23)将步骤(21)的奇偶校验结果和步骤(22)的块检错信息作为监督信息，对步骤(21)的奇偶校验解码后码流进行有监督的熵解码，得到各分块的图像重建信息。
所述分块的熵编码后码流的特征信息包括D0、D1、D2，其中，D0表示每个分块的熵编码后码流总位长，D1表示每个分块的熵编码后码流前半部分码流中1的位数，D2表示每个分块的熵编码后码流的后半部分码流中1的位数。
所述步骤(13)具体为：
对熵编码后码流依次提取Q2比特，将各Q2比特分别构建为Q*Q矩阵，对各Q*Q矩阵按照如下方式进行(P，Q2)奇偶校验编码：
(131)对Q*Q矩阵作矩阵子块划分，根据各矩阵子块内所有元素之和的奇偶性确定各矩阵子块的奇偶特征码；
(132)将步骤(131)确定的各矩阵子块的奇偶特征码作为新的矩阵元素组织生成监督码元生成矩阵G；
(133)对监督码元生成矩阵G的各行元素求和后除2取余得到各行的奇偶校验监督码元，对监督码元生成矩阵G的各列元素求和后除2取余得到各列的奇偶校验监督码元；
(133)将提取的Q2比特待编码与步骤(133)生成的行、列奇偶校验监督码元整合为P比特的抗误码码流。
所述步骤(21)具体为：
经过信道传输后，对抗误码码流依次提取Q2比特，将各Q2比特分别构建为Q*Q矩阵，对各Q*Q矩阵按照如下方式进行(P，Q2)奇偶校验解码：
(211)对Q*Q矩阵作与步骤(131)相同方式的矩阵子块划分，根据各矩阵子块内所有元素之和的奇偶性确定各矩阵子块的奇偶特征码；
(212)将步骤(211)确定的各矩阵子块的奇偶特征码作为矩阵元素按照与步骤(132)相同的组建方式得到奇偶校验矩阵G′；
(213)对奇偶校验矩阵G′的各行元素求和后除2取余得到各行的奇偶校验码元，对奇偶校验矩阵G′的各列元素求和后除2取余得到各列的奇偶校验码元；
(214)将G′各行和各列的奇偶校验码元分别与G对应各行和各列的奇偶校验监督码元进行比较，找到奇偶性不一致的行和列即得奇偶校验结果。
所述步骤(22)具体为：对奇偶校验解码后码流分段，各分段一一对应步骤(12)中各M*N分块的全码流，统计各分段码流中前半部分码流中1的位数和后半部分码流中1的位数，将其分别与该分段对应分块的特征信息D1和D2进行比较，若两特征信息中任意一个比较结果不同，则该分段码流对应的分块存在错误。
所述步骤(23)具体为：
(231)从奇偶校验解码后码流依次提取码流段作熵解码，各码流段长度分别等于步骤(12)确定的各分块的码流长度信息D0；
(232)若各码流段作熵解码没有恰好得到M*N个像素，则该码流段对应的分块存在错误；
(233)对步骤(22)和(232)确定的错误分块采用试错法重新作熵解码；
(234)依据步骤(233)的熵解码结果重建图像。
本发明的技术效果体现在：
本发明采用多级编解码方式对图像进行无损压缩检纠错编解码，不仅可以在保存图像全部信息的前提下减少传输数据量，而且使得编码后的码流具有较强的抗信道误码性能，克服了一般熵编码对差错敏感的局限性，有效地防止信道误码造成的误码扩散。
多级检纠错编解码以M*N像素分块为单位依次统计各分块经熵编码后码流长度及码流特征，为图像重建过程中的分块快速同步及错误分块定位提供校验信息，根据各分块码流长度可实现分块快速同步，使得某个分块码流中的误码不会扩散至其它分块，有效地控制了误码扩散；若分块码流中出现误码，则码流中“1”的个数及分布等特征信息会发生改变，根据分块码流特征可以检测出含有误码的错误分块。
本发明采用的基于抽样检纠错的(P，Q2)奇偶校验编解码，具相较于常见奇偶校验编解码在同样检纠错能力前提下，所需要增加的冗余信息仅为常用编码方式的1/4，大大提高了多级编码的压缩性能。
本发明采用熵编码压缩图像数据量，采用基于码流特征的块纠错及基于抽样检纠错的检纠错编码对熵编码后码流进行抗误码保护，可以有效地防止误码扩散，纠正信道误码造成的码流差错，检测重建图像中未被纠正的错误像素分块，根本上排除了重建图像中错误像素对弱、点目标检测所造成的虚警。该方法具有较大的适应性和抗干扰性，可满足多波段成像图像无损压缩以及不同信道条件下抗误码性能的要求。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为(72，64)奇偶校验编码示意图；
图3为图幅1024*2048的原始短波红外云图；
图4为重建图像及误像素定位示意。
具体实施方式
本发明在信道存在误码条件下，实现对多波段图像的无损压缩及抗误码保护，具体实施过程的流程图如图1所示：
(1)熵编码
熵编码可采用游程长编码、哥伦布编码、霍夫曼编码Huffman等编码方法，本实施方式采用Huffman编码方式生成熵编码后码流。
(2)块检错校验信息生成
将原始图像分为若干M*N像素的分块，每个分块大小为M行N列，原始图像的行数、列数分别为M、N的整数倍。(例如原始图像大小为1024*1024像素，M、N分别可取值8、32)依从上至下、从左至右的顺序依次统计各分块的熵编码后码流特征信息D0、D1、D2，其中码流特征的计算如下：
D0：每个分块熵编码后码流总位长
D1：每个分块经熵编码前半部分码流中“1”的位数
D2：每个分块经熵编码后半部分码流中“1”的位数
每个分块均可生成一组由D0、D1、D2组成的块检错校验信息，该校验信息将作为后续图像解码及重建过程中的监督信息。
(3)(P，Q2)奇偶校验纠错编码
(P，Q2)奇偶校验纠错编码用于向熵编码后码流中增加校验信息，在码流出现误码时，可利用校验信息进行误码检测和纠正。本实施方式具体选用(72，64)奇偶校验纠错编码作示例说明。
(72，64)奇偶校验纠错编码示意图如图2所示，编码时将一维码流组织为二维矩阵形式，根据矩阵各元素间关系以一定的准则生成奇偶监督码元，然后将信息序列和监督码元再次组织为一维差错控制码流。
(3.1)每次编码从码流中取64bit作为信息序列，将每一个信息码元依次组织为8*8的矩阵形式；
(3.2)以2*2为单位划分矩阵子依次求奇偶特征码Mk(k＝1，2，...，16)，
(3.3)将Mk(k＝1，2，...，16)依次组织为4*4的监督码元生成矩阵G；(3.4)
根据生成矩阵G求得8个奇偶监督码元；
对生成矩阵G的各行元素求和除2取余，生成G的行奇偶校验监督码元RCi(i＝1，2，3，4)，其中
RC1＝(M1+M2+M3+M4)％2 (2)
同理可得RC2、RC3、RC4；
对生成矩阵G的各列元素求和除2取余，生成G的列奇偶校验监督码元CCj(j＝1，2，3，4)，其中
CC1＝(M1+M5+M9+M13)％2 (3)
同理可得CC2、CC3、CC4；
(3.5)将64bit信息码元与8bit奇偶监督码元重新整合为72bit差错控制码流；
(4)(72，64)奇偶校验纠错解码
(4.1)从码流中取出72bit数据，前64bit为信息码元，后8bit为奇偶监督码元；
(4.2)将64bit信息码元组织为8*8的矩阵，再依次求得每2*2单元格内元素之和的奇偶性，化简为4*4的奇偶校验矩阵G′；
(4.3)对奇偶校验矩阵G′分别进行行、列奇偶校验；
行校验：判断G′中第i行与RCi是否具有一致奇偶性
列校验：判断G′中第j列与CCj是否具有一致奇偶性
(4.4)若64bit信息码元中出现单比特错误，则会出现一次行校验错误和一次列校验错误，此时可定位出错的2*2单元格，即该2*2单元格内的4个信息码元有1个出错；
(4.5)将信息码元重新整合为一维码流输出，根据步骤(4.4)生成奇偶校验结果，作为熵解码的监督信息；
(5)块检错
(5.1)根据各分块的码流长度信息D0将码流分段，每一段依次为各M*N分块的全码流；
(5.2)统计各段码流中“1”的分布规律，根据D1、D2判断各段码流是否出错；
(5.3)依次将各段码流输出给熵解码器解码，根据步骤(5.2)生成熵解码的监督信息。
(6)有监督的熵解码
根据奇偶校验、块检错生成的监督信息进行有监督的熵解码，实现分块快速同步，熵解码过程中采用试译码法对奇偶校验检测到的误码进行纠正，检测重建图像中的错误分块。
(6.1)根据块特征中的码流长度信息D0分段进行熵解码，可实现分块的快速同步，避免分块内的码流误码对其他分块的码流造成影响；
(6.2)熵解码中每段码流解码结束后，若存在剩余信息位或信息位不足，则表示该段码流对应的M*N分块存在错误；
(6.3)对步骤(6.2)和步骤(5.2)中确定的错误分块采用试错法重新熵解码，由步骤(4.5)的奇偶校验结果可确定某4bit信息位中存在1位误码，则依次将4bit信息位分别取反后进行熵解码，直至该分块正确解码为止；
(6.4)重建图像，输出检测到的误像素的分块位置。
Claims (1)
1.一种抗信道误码的图像无损压缩检纠错编解码方法，包括编码和解码步骤；
所述编码步骤如下：
（11）对原始图像作熵编码生成熵编码后码流；
（12）将原始图像分为多个M*N像素大小的分块，分别统计每个分块的熵编码后码流的特征信息；
（13）对步骤(11)生成的熵编码后码流作(P,Q2)奇偶校验编码生成抗误码码流，Q2为待编码信息比特长度，P为编码后的码流比特长度；
所述解码步骤如下：
（21）对抗误码码流作(P,Q2)奇偶校验解码，生成奇偶校验解码后码流和奇偶校验结果；
（22）对奇偶校验解码后码流分段，各分段一一对应步骤（12）中各M*N分块的全码流，依据每个分块的熵编码后码流的特征信息对各分段进行检错，得到块检错信息；
（23）将步骤（21）的奇偶校验结果和步骤（22）的块检错信息作为监督信息，对步骤（21）的奇偶校验解码后码流进行有监督的熵解码，得到各分块的图像重建信息；
所述分块的熵编码后码流的特征信息包括D0、D1、D2，其中，D0表示每个分块的熵编码后码流总位长，D1表示每个分块的熵编码后码流前半部分码流中1的位数，D2表示每个分块的熵编码后码流的后半部分码流中1的位数；
所述步骤（13）具体为：
对熵编码后码流依次提取Q2比特，将各Q2比特分别构建为Q*Q矩阵，对各Q*Q矩阵按照如下方式进行(P,Q2)奇偶校验编码：
（131）对Q*Q矩阵作矩阵子块划分，根据各矩阵子块内所有元素之和的奇偶性确定各矩阵子块的奇偶特征码；
（132）将步骤（131）确定的各矩阵子块的奇偶特征码作为新的矩阵元素组织生成监督码元生成矩阵G；
（133）对监督码元生成矩阵G的各行元素求和后除2取余得到各行的奇偶校验监督码元，对监督码元生成矩阵G的各列元素求和后除2取余得到各列的奇偶校验监督码元；
（133）将提取的Q2比特待编码与步骤（133）生成的行、列奇偶校验监督码元整合为P比特的抗误码码流；
所述步骤（21）具体为：
经过信道传输后，对抗误码码流依次提取Q2比特，将各Q2比特分别构建为Q*Q矩阵，对各Q*Q矩阵按照如下方式进行(P,Q2)奇偶校验解码：
（211）对Q*Q矩阵作与步骤（131）相同方式的矩阵子块划分，根据各矩阵子块内所有元素之和的奇偶性确定各矩阵子块的奇偶特征码；
（212）将步骤（211）确定的各矩阵子块的奇偶特征码作为矩阵元素按照与步骤（132）相同的组建方式得到奇偶校验矩阵G'；
（213）对奇偶校验矩阵G'的各行元素求和后除2取余得到各行的奇偶校验码元，对奇偶校验矩阵G'的各列元素求和后除2取余得到各列的奇偶校验码元；
（214）将G'各行和各列的奇偶校验码元分别与G对应各行和各列的奇偶校验监督码元进行比较，找到奇偶性不一致的行和列即得奇偶校验结果；
所述步骤（22）具体为：对奇偶校验解码后码流分段，各分段一一对应步骤（12）中各M*N分块的全码流，统计各分段码流中前半部分码流中1的位数和后半部分码流中1的位数，将其分别与该分段对应分块的特征信息D1和D2进行比较，若两特征信息中任意一个比较结果不同，则该分段码流对应的分块存在错误；
所述步骤（23）具体为：
（231）从奇偶校验解码后码流依次提取码流段作熵解码，各码流段长度分别等于步骤（12）确定的各分块的码流长度信息D0；
（232）若各码流段作熵解码没有恰好得到M*N个像素，则该码流段对应的分块存在错误；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131030 |
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