CN103716657A - 一种信道的码率分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信道的码率分配方法，该方法用于信源信道联合编码的传输系统，其中信源编码为嵌入式信源编码且其率失真函数为凸函数，该方法包括：根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂；在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。本发明还公开了一种信道的码率分配系统。通过上述方式，本发明能够减少码率分配时间，提高图像传输质量。

Description

一种信道的码率分配方法及系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种信道的码率分配方法及系统。

背景技术

图像传输系统与一般的通信系统一样，也是将信源图像经信源编码和信道编码后，再经调制进行传输的。

在带宽受限的图像传输系统中，传输总编码速率R_T要满足关系：R_T=R_s/R_c，R_s是信源编码码率，R_c是信道编码码率；固定传输总编码速率R_T的值，通过调整R_s来定性的考察重构图像的失真D。为了找到一个最佳的信道编码码率分配策略以使得接收端的重构图像失真D最小，可以将这一技术难题抽象为求解以下公式（1）的最小化问题：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{\mathrm{\π}}{\min }g\left(\mathrm{\π}\right)=\underset{\mathrm{\π}}{\min }\left(\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}D\left(i\right)q(i,\mathrm{\π})\right)\\ R_{\mathrm{\π}}^S\≤B\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，π表示信道编码码率分配策略；B为图像传输系统传输带宽限制下的最高传输速率；

为采用信道编码码率分配策略π时图像传输系统的传输速率；N为图像传输系统传输时的信源编码码流分组的个数；D(i)图像译码器将前i个分组译码后所得重构图像的失真；q(i,π)为前i个分组能正确译码，而第i+1个分组不能正确译码的概率。通常D(i)的函数形式是十分复杂的，目前通用的解决方法是将D(i)简化，即将所有图像的D(i)简化成线性函数。具体来说是将公式(1)中的最优准则转变成下面公式（2）所述的准则：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{\mathrm{\π}}{\max }{E}_N\left(\mathrm{\π}\right)=\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}V\left(i\right)q(i,\mathrm{\π})\\ R_{\mathrm{\π}}^S\≤B\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中E_N(π)指使用信道编码码率分配策略π能正确接收到信息比特的个数的数学期望；V(i)为前i个分组中包含信息比特的个数；q(i,π)仍为第i个分组能被正确接收，而第i+1个分组不能被正确接收的概率。对于公式(2)的求解，Stankovic V.等人利用嵌入式码流的重要性等级递减的关系推导出率最优码率分配也是降序排列的性质，并在计算各信源编码输出码流分组的最优信道编码时，通过计算使用相同信道编码的码流分组的个数来降低分配算法的计算时间。

由于Stankovic算法将压缩图像的率失真关系等效成线性关系，虽然获得较高的计算效率，但是降低了传输图像的重构质量；另外，需要在整个给出的信道编码码率集合中搜索，这在实施上导致了现有搜索算法的计算效率存在一定的浪费。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种信道的码率分配方法及系统，能够减少码率分配时间，提高图像传输质量。

为解决上述技术问题，本发明的一方面是：提供一种信道的码率分配方法，该方法用于信源信道联合编码的传输系统，其中信源编码为嵌入式信源编码且其率失真函数为凸函数，该方法包括：根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂，其中，第一信道编码集合R₁是信道编码的信道编码码率组成的集合，第二信道编码集合R₂是第一信道编码集合R₁的子集；在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。

其中，

r_i为第一信道编码集合R₁中第i个信道编码的信道编码码率，R₁={r₁,r₂,…,r_m}，p_i为使用第i个信道编码在当前信道下传输时发生错误的概率。

其中，在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略的步骤，包括：计算信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP，其中，

N是信源编码码流分组的个数；根据信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄，其中，R₂={r₁,r₂,…,r_up}，R₃={r₁,r₂,…,r_EEP}，R₄={r_EEP,r_EEP+1,…,r_up}；利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄中分别确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略；将第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略。

其中，利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合R₃中确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略的步骤，包括：计算使用信道编码进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数t_i；令i＝i+1，用第一公式计算j_i，其中，第一公式是：

若

则返回计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数t_i的步骤，若

则输出信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略，第二最优码率分配策略是：

其中，利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第四信道编码集合R₄中确定信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略的步骤，包括：计算使用信道编码进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数s_u；令u＝u+1，用第二公式计算v_u，其中，第二公式是：若

则返回计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数s_u的步骤，若

则输出信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略，第三最优码率分配策略是：

其中，第一最优码率分配策略是：

其中，根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up的步骤之前，包括：按照多级树集合分裂算法SPIHT，对待传输图像进行编码，获得信源编码码流；按照信源编码码流重要性的不同，对信源编码码流进行分组，其中，信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时信源编码码流对图像失真的贡献的大小。

其中，该方法还包括：在分组后的信源编码码流的末端加入校验码；按照信源编码码流已分配的信道编码码率，对加入校验码的分组的信源编码码流进行率兼容穿孔Turbo码RCPT信道编码；对已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。

为解决上述技术问题，本发明的另一方面是：提供一种信道的码率分配系统，该系统是信源信道联合编码的传输系统，其中信源编码为嵌入式信源编码且其率失真函数为凸函数，该系统包括：第一确定模块，用于根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；第二确定模块，用于通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R1，确定第二信道编码集合R2，其中，第一信道编码集合R1是信道编码的信道编码码率组成的集合，第二信道编码集合R2是第一信道编码集合R1的子集；第三确定模块，用于在第二信道编码集合R2中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；分配模块，用于根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。

其中，

r_i为第一信道编码集合R₁中第i个信道编码的信道编码码率，R₁={r₁,r₂,…,r_m}，p_i为使用第i个信道编码在当前信道下传输时发生错误的概率。

其中，第三确定模块包括：计算单元，用于计算信源编码码流在均等差错保护时的最优均等差错保护信道编码码率r_EEP，其中，

N是信源编码码流分组的个数；第一确定单元，用于根据信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄，其中，R₂={r₁,r₂,…,r_up}，R₃={r₁,r₂,…,r_EEP}，R₄={r_EEP,r_EEP+1,…,r_up}；第二确定单元，用于利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄中分别确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略；合并单元，用于将第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略。

其中，第二确定单元包括：第一计算子单元，用于计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数t_i；第二计算子单元，用于令i＝i+1，用第一公式计算j_i，其中，第一公式是：

在

时，返回第一计算子单元；第一输出子单元，用于在

时，输出信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略，第二最优码率分配策略是：

其中，第二确定单元包括：第三计算子单元，用于计算使用信道编码进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数s_u；第四计算子单元，用于令u＝u+1，用第二公式计算v_u，其中，第二公式是：在

返回第三计算子单元；第二输出子单元，用于在

时，输出信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略，第三最优码率分配策略是：

其中，第一最优码率分配策略是：

其中，该系统还包括：信源编码模块，用于按照多级树集合分裂算法SPIHT，对待传输图像进行编码，获得信源编码码流；分组模块，用于按照信源编码码流重要性的不同，对信源编码码流进行分组，其中，信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时信源编码码流对图像失真的贡献的大小。

其中，该系统还包括：校验码加入模块，用于在分组后的信源编码码流的末端加入校验码；信道编码模块，用于按照信源编码码流已分配的信道编码码率，对加入校验码的分组的信源编码码流进行率兼容穿孔Turbo码RCPT信道编码；调制发送模块，用于对已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明信道的码率分配方法根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂；在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。通过在R₁的子集中R₂确定第一最优码率分配策略能够减少码率分配时间；此外根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性确定r_up，实现使用下凸的函数形式对率失真进行近似，对信源编码的率失真估计更准确，进而提高图像传输质量。

附图说明

图1是本发明信道的码率分配方法第一实施方式中R-D曲线的示意图；

图2是本发明信道的码率分配方法第一实施方式的流程图；

图3是本发明信道的码率分配方法第一实施方式中在第二信道编码集合中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略步骤的流程图；

图4是本发明信道的码率分配方法第二实施方式的流程图；

图5是本发明信道的码率分配方法第二实施方式中实验图像Lena在BSC信道中传输后的PSNR；

图6是本发明信道的码率分配系统一实施方式的原理框图；

图7是本发明信道的码率分配系统一实施方式中第三确定模块的原理框图；

图8是本发明信道的码率分配系统一实施方式中第二确定单元的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，均属于本发明保护的范围。

本发明的信道的码率分配方法用于信源信道联合编码的传输系统，信源信道联合编码中的信源编码为嵌入式信源编码，且嵌入式信源编码的率失真函数为凸函数。进一步地，嵌入式信源编码为嵌入式图像编码，对于嵌入式图像编码有：若图像编码器能够生成的码流长度R′可构成一个正整数集合R′＝{R₁′,…,R_n′}，其中R₁′<…<R_n′，且任意编码器生成长度为R_i′的码流是长度为R_j′的码流的前缀，其中1≤i<j≤n，则此图像编码器为嵌入式的图像编码器，其对应生成的码流为嵌入式图像编码码流。率失真函数具体为凸函数，率失真函数表示嵌入式图像编码码流的失真与编码码率之间的关系，该关系满足率失真理论。码率即比特率，视频、图像中的码率是指声音、图像由模拟信号转换为数字信号的采样率，采样率越高，还原后的音质和图像越好，因此图像的失真D_s会随着图像压缩编码码率R_s的增加而减少，凸函数的R-D曲线具体如图1所示。

请参阅图2，本发明信道的码率分配方法第一实施方式包括：

步骤S11：根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值。

数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传输的数据流中产生误码，从而使接收端产生图像跳跃、不连续、出现马赛克等现象，所以通过信道编码这一环节，对码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力，可极大地避免码流传输中误码的发生。提高数据传输效率，降低误码率是信道编码的任务。信道编码的本质是增加通信的可靠性，但信道编码会使有用的信息数据传输减少，信道编码的过程是在原码流中加插一些码元，从而达到在接收端进行判错和纠错的目的。在带宽固定的信道中，总的传送码率也是固定的，由于信道编码增加了数据量，其结果只能是以降低传送有用信息码率为代价了，将有用比特数除以总比特数等于信道编码码率，不同的编码方式，其信道编码码率有所不同。信道编码码率越高，传输的有用的信息比特越多，但是系统的判错和纠错的能力越低，信道编码码率越低，传输的有用的信息比特越少，但是系统的判错和纠错的能力越高。对于大多数图像编码器而言，其编码码流中不同的部分对噪声影响的敏感度是不一样的，若对整个信源编码码流使用同样强度的信道编码保护则会造成带宽的浪费，因此基于不等差错保护（Unequal Error Protection，UEP）的思想，在进行本步骤之前还包括对信源编码码流进行重要性判断，按照信源编码码流重要性的不同，对信源编码码流进行分组获得各个重要性不同的码流分组，其中，信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时信源编码码流对图像失真的贡献的大小。

在本步骤中，根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up，即重要性最低的信源编码码流分组对应的信道编码码率小于或等于r_up，其中r_i为第一信道编码集合R₁中第i个信道编码的信道编码码率，第一信道编码集合R₁是待进行码率分配的所有信道编码的信道编码码率组成的集合，R₁={r₁,r₂,…,r_m}，p_i为使用第i个信道编码在当前信道下传输时发生错误的概率。下面对信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值为

进行具体说明：

令

为信道编码码率分配策略中第i个码流分组分得的信道编码码率；D_i为使用i个码流分组译码后重构图像的失真；

为前N-i个码流分组被正确接收后，再正确接收下一个码流分组时，接收端可获得失真减少的增益，所以当i=N时，有：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\&Psi;}}_N\left(\right\{r_{t_1}{r}_{t_2}...r_{t_N}\left\}\right|D_0)=D_N\left(\right\{r_{t_1}{r}_{t_2}...r_{t_N}\left\}\right)\\ =(1-p_{t_1})\&times;(\mathrm{\&Delta;}{D}_1+{\mathrm{\&Psi;}}_{N-1}\left(\right\{r_{t_2}...r_{t_N}\left\}\right|D_1)\end{array}---\left(3\right)$

其中，

为将

作为信道编码码率时系统会发生错误的概率；因此，系统的最优化码率分配可转化为最大化

所以，当给出的N-1个码流分组的最优信道编码码率分配为

时，则其第N个码流分组的最优信道编码码率为：

$r_{t_N}=\underset{r_{t_N}\&Element;R_C}{\mathrm{arg\&nbsp;}\max }\left\{(1-p_{t_N})\mathrm{\&Delta;}{D}_{N,t_N}\right\}---\left(4\right)$

其中

表示采用信道编码码率

对最后一个码流分组进行差错保护后，带来减少失真的增益。其中最后一个码流分组的重要性最低。

设最后一个码流分组有两种可能的信道编码码率，即

不妨令r_i<r_j，由于每个码流分组的长度都相等，若令分组长度为L，那么最后一个码流分组中的信息长度l_i=L·r_i<L·r_j=l_j。最后一个码流分组的失真增益分别为ΔD_N,i＝D_N-1-D_N,i与ΔD_N,j＝D_N-1-D_N,j。当(1-p_i)·r_i>(1-p_j)·r_j时，有

$\frac{1-p_i}{1-p_j}>\frac{l_j/L}{l_i/L}=\frac{D_{N-1}-D_{N,j}}{D_{N-1}-D^{*}}---\left(5\right)$

其中，D^*与D_N-1的差值与D_N,j同D_N-1的差值等比于l_j与l_i的比值，如图1所示。由于信源的R-D曲线为凸函数，因此D^*>D_N,i，不等式(5)进一步可写成：

$\frac{1-p_i}{1-p_j}>\frac{l_j/L}{l_i/L}=\frac{D_{N-1}-D_{N,j}}{D_{N-1}-D^{*}}>\frac{D_{N-1}-D_{N,j}}{D_{N-1}-D_{N,i}}---\left(6\right)$

因此有：(1-p_i)ΔD_N,i＞(1-p_j)ΔD_N,j，故而对于任意大于公式中r_up的r_i均有，(1-p_up)ΔD_N,up＞(1-p_i)ΔD_N,i，因此信道的最优码率分配中的小于或等于r_up。

步骤S12:通过信道编码码率所能达到的最大值和第一信道编码集合，确定第二信道编码集合。

通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R_l，确定第二信道编码集合R₂，其中，第二信道编码集合R₂是第一信道编码集合R₁的子集，R_２＝{r₁，r₂，…，r_up}。

步骤S13:在第二信道编码集合中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略。

请参阅图3，在第二信道编码集合R_２中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略的步骤具体包括:

子步骤S131:计算信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率。

信源编码码流在均等差错保护(Equal Error Protection，EEP)时的最优信道编码码率

N是信源编码码流分组的个数。

子步骤S132：根据信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率和第二信道编码集合，确定第三信道编码集合和第四信道编码集合。

根据信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄，其中，R₃={r₁,r₂,…,r_EEP}，R₄={r_EEP,r_EEP+1,…,r_up}。

子步骤S133：利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合和第四信道编码集合中分别确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略。

在本步骤中，利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合R₃中确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略的步骤具体包括：

A1、计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数t_i，t_i的计算公式具体如公式（7）所示：

其中，E_N(π)表示使用分配策略π能正确接收到信息比特的个数的数学期望，分配策略

或r_k、或r_j、或

p(r_i)或p(r_k)或

表示在当前信道下系统使用信道编码码率r_i或r_k或

进行信道编码时接收端的误码率，运算符

表示向下取整。

B1、令i＝i+1，用第一公式计算j_i，其中，第一公式是：

C1、若判断得到

则返回计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数t_i的步骤即返回步骤A1。

D1、若判断得到

则输出信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略，结束以r₁为搜索起点、r_EEP为搜索终点的后向搜索过程，第二最优码率分配策略是：

在本步骤中，利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第四信道编码集合R₄中确定信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略的步骤具体包括：

A2、计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数s_u，s_u的计算公式具体如公式（8）所示：

B2、令u＝u+1，用第二公式计算v_u，其中，第二公式是：

C2、若则返回计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数s_u的步骤即返回步骤A2。

D2、若

则输出信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略，结束以r_up为搜索起点、r_EEP为搜索终点的前向搜索过程，第三最优码率分配策略是：

子步骤S134：将第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略。

将第二最优码率分配策略

和第三最优码率分配策略

合并为第一最优码率分配策略π₁：

本实施方式中通过同时进行后向搜索过程以及前向搜索过程从而确定第一最优码率分配策略π₁；在其他实施方式中，也可以r₁为搜索起点且r_up为搜索终点在集合R₂中确定第一最优码率分配策略π₁，或者以r_up为搜索起点且r₁为搜索终点在集合R₂中确定第一最优码率分配策略π₁，此处不作过多限制。

需要说明的是，步骤S13在第二信道编码集合中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略，除了利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法外，还可以采用其它的方法在第二信道编码集合中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略，例如：Nosratinia等人通过建立经验模型，利用参数逼近的方法来解决最优码率分配问题：此方法主要是将信道译码错误概率作为信道编码的函数建立一个经验模型；在无记忆信道中，该模型具有闭合形式的表达式；通过模型的建立可以获得该模型意义下的最优码率分配，此方法的算法复杂度较低，然而其性能的优劣严重依赖于对信道译码错误概率估计的正确性，这在实际应用中有一定的局限性。而Chande等人通过将基于失真最优码率分配的约束优化问题抽象化为动态编程问题，从而可以使用目前流行的一些优化方法求解此类约束优化问题，如基于遗传算法和基于启发式搜索的方法来求解约束优化问题。另外，还有基于网格（Trellis-Based）的搜索技术，以及基于拉格朗日乘数法等方法可用于计算码率的分配策略。

步骤S14：根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。

第一最优码率分配策略π₁包括信源编码码流的各个分组将使用的信道编码码率，进一步根据第一最优码率分配策略π₁，对信源编码码流进行信道的码率分配。例如对t₁个码流分组分配信道编码码率

以实现t₁个码流分组在信道上传输时对其进行保护。

可以理解，本发明信道的码率分配方法第一实施方式根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂；在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。通过在R₁的子集中R₂确定第一最优码率分配策略能够减少码率分配时间；此外根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性确定r_up，实现使用下凸的函数形式对率失真进行近似，对信源编码的率失真估计更准确，进而使得利用本实施方式的码率分配方法进行图像传输时能够提高图像传输质量。

请参阅图4，本发明信道的码率分配方法第二实施方式包括：

步骤S21：按照多级树集合分裂算法SPIHT，对待传输图像进行编码，获得信源编码码流。

在传输图像时首先确定总的传输码率，然后按照多级树集合分裂算法（Set Partition In Hierarchical Trees，SPIHT）对待传输图像进行编码，获得信源编码码流。SPIHT算法是一种基于小波变换的量化编码算法，SPIHT算法也是最具代表性的嵌入式编码算法之一。在使用SPIHT算法对一幅信源图像进行编码时，在编码器生成的一组不同编码码率的码流中，其编码码率低的码是编码码率高的码的前置码流。因此使用SPIHT算法进行信源编码的码流可以在任意低于信源编码码率的位置被截断，此时可获得一个码率较低的码流，从而可用此码流重构一个质量较差的低码率图像。

步骤S22：按照信源编码码流重要性的不同，对信源编码码流进行分组。

对信源编码码流进行分组获得各个码流分组，信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时信源编码码流对图像失真的贡献的大小，信源编码码流的重要性越高其对图像失真的贡献越大。

步骤S23：在分组后的信源编码码流的末端加入校验码。

在各个码流分组的末端加入校验码，具体可为16bits的CRC等校验码。

步骤S24：根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值。

步骤S25：通过信道编码码率所能达到的最大值和第一信道编码集合，确定第二信道编码集合。

步骤S26：在第二信道编码集合中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略。

进一步地，本步骤包括：

计算信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP。

根据信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄。

利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄中分别确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略。

将第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略。

步骤S27：根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。

步骤S28：按照信源编码码流已分配的信道编码码率，对加入校验码的分组的信源编码码流进行率兼容穿孔Turbo码RCPT信道编码。

Turbo码是一种并行级联的信道编码，在译码时通过适当的迭代可使其抗误比特率性能接近香农极限。RCPT（Rate-Compatible PuncturedTurbo）码首先选择一个Turbo码作为母码，再在母码的基础上通过穿孔（Punctured）生成一组信道编码码率各不相同但又相互兼容的信道编码。其中率兼容是指由母码穿孔衍生而成的这一组信道编码均可使用母码的译码器进行译码。由母码及其穿孔衍生出的信道编码所构成的集合称为一组RCPT码。一组RCPT码具有如下性质：一组RCPT码可由母码及其穿孔矩阵确定；RCPT码中所有信道编码均可使用母码的译码器进行译码；各个子码的信道编码码率互不相同，且均小于母码的信道编码码率；适当选择译码迭代次数可以使各子码性能接近各自香农限，因此信道编码码率越小的子码其误比特率性能越好。

步骤S29：对已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。

进行RCPT信道编码的信源编码码流即为数据包，在调制发送数据包后，接收端首先对解调后的信号进行信道译码以获得译码结果，然后对译码结果进行CRC检测，当检测到RCPT码的译码错误时，则停止接收剩下的数据包，并用之前成功译得的数据包进行SPIHT译码，进而重构信源图像。

本实施方式信道的码率分配方法应用于基于SPIHT+RCPT码的图像传输系统，在其他实施方式中，也可应用于例如JEPG2000+RCPC码等其他图像传输系统，此处不作过多限制。

下面以利用本实施方式信道的码率分配方法传输实验图像Lena为例进行说明。实验信道使用BSC信道，在传输图像时首先确定总传输速率，本例将总传输速率分别设定为1.0bpp和0.5bpp以便于对比。然后将待传输的实验图像：512×512像素的Lena图像进行SPIHT编码，信源编码码率为1.0bpp。信道编码使用RCPT码，其母码由[31,27]_(Oct)的递归系统卷积码生成，各子信道编码的码率取自集合R₂={4/5,4/6,4/7,4/8,4/9,4/10,4/11,4/12}，集合R₂中各码率的抗误码性能如表1所示。

表1 RCPT码在BSC信道中的误比特率特性

设定传输的每个码流分组的长度为2048bit，由于待传输的实验图像的大小为512×512像素，因此对于总传输速率为1.0bpp的传输模式，系统将传输128个码流分组，即取信源编码码流分组的个数N₁=128；而对于总传输速率为0.5bpp的传输模式，取信源编码码流分组的个数N₂=64。利用本实施方式所提供的码率分配方法在几种不同的信道条件下分别对上述2种传输模式进行最优码率分配策略的计算，表2为相同传输条件下本发明的码率分配方法与使用Stankovic算法在码率分配计算过程中的迭代次数。

表2 码率分配算法在BSC信道下的计算迭代次数

由表2可以看出，本发明的码率分配方法的迭代次数相比Stankovic算法较少，计算效率较高。

使用本发明的码率分配方法对大小为512×512像素的实验图像Lena进行信道的码率分配，其对应的第一最优码率分配策略如表3所示。

表3 第一最优码率分配策略

在每个码流分组中加入16bit的CRC校验位后，进入RCPT编码器进行信道编码。在译码时若CRC检测到RCPT译码发生错误时，则立即停止接收剩余数据包并将其丢弃，而SPIHT译码仅对接收到的正确数据包进行。图5中给出了实验图像Lena在不同错误率的BSC信道中使用上述第一最优码率分配策略进行图像传输后的峰值信噪比（PeakSignal to Noise Ration，PSNR），PSNR为衡量图像传输质量的一种客观标准，PSNR越高则图像传输质量越好；图5中的基于失真最优的结果为理论上能够达到的最好结果，而由于其过高的计算复杂度使得该计算方法不能应用于实际传输过程中。另外，图5中也给出了相同传输条件下使用Stankovic算法进行图像传输后的PSNR，从图5中可以看出，使用第一最优码率分配策略进行图像传输对应的PSNR相比Stankovic算法越接近于基于失真最优的结果，图像传输质量较高。

可以理解，本发明信道的码率分配方法第二实施方式根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂；在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配；按照信源编码码流已分配的信道编码码率，对加入校验码的分组的信源编码码流进行RCPT信道编码；对已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。通过上述方式能够减少码率分配时间；此外根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性确定r_up，实现使用下凸的函数形式对率失真进行近似，对信源编码的率失真估计更准确，在重构图像的失真度上有较大的增益，提高图像传输质量。

本发明还提供一种信道的码率分配系统，该系统是信源信道联合编码的传输系统，其中信源编码为嵌入式信源编码且其率失真函数为凸函数。

请一并参阅图6-8，本发明信道的码率分配系统一实施方式包括：

第一确定模块31，用于根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up。进一步地，

r_i为第一信道编码集合R₁中第i个信道编码的信道编码码率，R₁={r₁,r₂,…,r_m}，p_i为使用第i个信道编码在当前信道下传输时发生错误的概率。

第二确定模块32，用于通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R1，确定第二信道编码集合R2，其中，第一信道编码集合R1是信道编码的信道编码码率组成的集合，第二信道编码集合R2是第一信道编码集合R1的子集。

第三确定模块33，用于在第二信道编码集合R2中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略。进一步地，第三确定模块包括：

计算单元331，用于计算信源编码码流在均等差错保护时的最优均等差错保护信道编码码率r_EEP，其中，

N是信源编码码流分组的个数。

第一确定单元332，用于根据信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄，其中，R₂={r₁,r₂,…,r_up}，R₃={r₁,r₂,…,r_EEP}，R₄={r_EEP,r_EEP+1,…,r_up}。

第二确定单元333，用于利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄中分别确定信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略。进一步地，第二确定单元333包括：

第一计算子单元3331，用于计算使用信道编码

进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数t_i。

第二计算子单元3332，用于令i＝i+1，用第一公式计算j_i，其中，第一公式是：

在

时，返回第一计算子单元3331。

第一输出子单元3333，用于在

时，输出信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略，第二最优码率分配策略是：

进一步地，第二确定单元333还包括：

第三计算子单元3334，用于计算使用信道编码进行信道编码保护的信源编码码流分组的个数s_u。

第四计算子单元3335，用于令u＝u+1，用第二公式计算v_u，其中，第二公式是：

在返回第三计算子单元3334。

第二输出子单元3336，用于在时，输出信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略，第三最优码率分配策略是：

合并单元334，用于将第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略，其中，第一最优码率分配策略是：

分配模块34，用于根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。

此外，本发明信道的码率分配系统还包括：

信源编码模块，用于按照多级树集合分裂算法SPIHT，对待传输图像进行编码，获得信源编码码流。

分组模块，用于按照信源编码码流重要性的不同，对信源编码码流进行分组，其中，信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时信源编码码流对图像失真的贡献的大小。

校验码加入模块，用于在分组后的信源编码码流的末端加入校验码。

信道编码模块，用于按照信源编码码流已分配的信道编码码率，对加入校验码的分组的信源编码码流进行率兼容穿孔Turbo码RCPT信道编码。

调制发送模块，用于对已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。

总之，本发明实施方式根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；通过信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂；在第二信道编码集合R₂中确定信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；根据第一最优码率分配策略，对信源编码码流进行信道的码率分配。通过在R₁的子集中R₂确定第一最优码率分配策略能够减少码率分配时间；此外根据嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性确定r_up，实现使用下凸的函数形式对率失真进行近似，对信源编码的率失真估计更准确，进而使得利用本实施方式的码率分配方法进行图像传输时能够提高图像传输质量。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (16)

1.一种信道的码率分配方法，其特征在于，所述方法用于信源信道联合编码的传输系统，其中信源编码为嵌入式信源编码且其率失真函数为凸函数，所述方法包括：

根据所述嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；

通过所述信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R₁，确定第二信道编码集合R₂，其中，所述第一信道编码集合R₁是所述信道编码的信道编码码率组成的集合，所述第二信道编码集合R₂是所述第一信道编码集合R₁的子集；

在所述第二信道编码集合R₂中确定所述信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；

根据所述第一最优码率分配策略，对所述信源编码码流进行信道的码率分配。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述r_i为第一信道编码集合R₁中第i个信道编码的信道编码码率，R₁={r₁,r₂,…,r_m}，p_i为使用第i个信道编码在当前信道下传输时发生错误的概率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述第二信道编码集合R₂中确定所述信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略的步骤，包括：

计算所述信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP，其中，

N是所述信源编码码流分组的个数；

根据所述信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和所述第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄，其中，R₂={r₁,r₂,…,r_up}，R₃={r₁,r₂,…,r_EEP}，R₄={r_EEP,r_EEP+1,…,r_up}；

利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在所述第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄中分别确定所述信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略；

将所述第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在所述第三信道编码集合R₃中确定所述信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略的步骤，包括：

计算使用信道编码

进行信道编码保护的所述信源编码码流分组的个数t_i；

令i＝i+1，用第一公式计算j_i，其中，所述第一公式是：

若

则返回所述计算使用信道编码

进行信道编码保护的所述信源编码码流分组的个数t_i的步骤，若

则输出所述信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略，所述第二最优码率分配策略是：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在所述第四信道编码集合R₄中确定所述信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略的步骤，包括：

计算使用信道编码

进行信道编码保护的所述信源编码码流分组的个数s_u；

令u＝u+1，用第二公式计算v_u，其中，所述第二公式是：

若

则返回所述计算使用信道编码

进行信道编码保护的所述信源编码码流分组的个数s_u的步骤，若

则输出所述信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略，所述第三最优码率分配策略是：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第一最优码率分配策略是：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up的步骤之前，包括：

按照多级树集合分裂算法SPIHT，对待传输图像进行编码，获得所述信源编码码流；

按照所述信源编码码流重要性的不同，对所述信源编码码流进行分组，其中，所述信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时所述信源编码码流对所述图像失真的贡献的大小。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述分组后的信源编码码流的末端加入校验码；

按照所述信源编码码流已分配的信道编码码率，对所述加入校验码的分组的信源编码码流进行率兼容穿孔Turbo码RCPT信道编码；

对所述已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。

9.一种信道的码率分配系统，其特征在于，所述系统是信源信道联合编码的传输系统，其中信源编码为嵌入式信源编码且其率失真函数为凸函数，所述系统包括：

第一确定模块，用于根据所述嵌入式信源编码的率失真函数的凸函数性，确定信源编码码流的信道编码码率所能达到的最大值r_up；

第二确定模块，用于通过所述信道编码码率所能达到的最大值r_up和第一信道编码集合R1，确定第二信道编码集合R2，其中，所述第一信道编码集合R1是所述信道编码的信道编码码率组成的集合，所述第二信道编码集合R2是所述第一信道编码集合R1的子集；

第三确定模块，用于在所述第二信道编码集合R2中确定所述信源编码码流的信道的第一最优码率分配策略；

分配模块，用于根据所述第一最优码率分配策略，对所述信源编码码流进行信道的码率分配。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述

r_i为第一信道编码集合R₁中第i个信道编码的信道编码码率，R₁={r₁,r₂,…,r_m}，p_i为使用第i个信道编码在当前信道下传输时发生错误的概率。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第三确定模块包括：

计算单元，用于计算所述信源编码码流在均等差错保护时的最优均等差错保护信道编码码率r_EEP，其中，

N是所述信源编码码流分组的个数；

第一确定单元，用于根据所述信源编码码流在均等差错保护时的最优信道编码码率r_EEP和所述第二信道编码集合R₂，确定第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄，其中，R₂={r₁,r₂,…,r_up}，R₃={r₁,r₂,…,r_EEP}，R₄={r_EEP,r_EEP+1,…,r_up}；

第二确定单元，用于利用嵌入式编码差错保护的率最优快速算法，在所述第三信道编码集合R₃和第四信道编码集合R₄中分别确定所述信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略；

合并单元，用于将所述第二最优码率分配策略和第三最优码率分配策略合并为第一最优码率分配策略。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第二确定单元包括：

第一计算子单元，用于计算使用信道编码进行信道编码保护的所述信源编码码流分组的个数t_i；

第二计算子单元，用于令i＝i+1，用第一公式计算j_i，其中，所述第一公式是：

在

时，返回第一计算子单元；

第一输出子单元，用于在

时，输出所述信源编码码流的信道的第二最优码率分配策略，所述第二最优码率分配策略是：

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述第二确定单元包括：

第三计算子单元，用于计算使用信道编码进行信道编码保护的所述信源编码码流分组的个数s_u；

第四计算子单元，用于令u＝u+1，用第二公式计算v_u，其中，所述第二公式是：

在

返回所述第三计算子单元；

第二输出子单元，用于在时，输出所述信源编码码流的信道的第三最优码率分配策略，所述第三最优码率分配策略是：

14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一最优码率分配策略是：

15.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

信源编码模块，用于按照多级树集合分裂算法SPIHT，对待传输图像进行编码，获得所述信源编码码流；

分组模块，用于按照所述信源编码码流重要性的不同，对所述信源编码码流进行分组，其中，所述信源编码码流的重要性用于指示在接收端重建图像时所述信源编码码流对所述图像失真的贡献的大小。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

校验码加入模块，用于在所述分组后的信源编码码流的末端加入校验码；

信道编码模块，用于按照所述信源编码码流已分配的信道编码码率，对所述加入校验码的分组的信源编码码流进行率兼容穿孔Turbo码RCPT信道编码；

调制发送模块，用于对所述已进行RCPT信道编码的信源编码码流进行调制发送。

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