CN103974080B - 一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法 - Google Patents

Abstract

一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法，属于图像处理与数据传输领域，解决由于信道误码造成信宿段解码后错误扩散的问题，以减轻信源端数据处理负担和信道传输压力。本发明包括图像分块、校验编码、信道解码、试错法解码、选择最优纠错图像块、图像块特征判断以及图像恢复步骤；本发明有效地解决了由于信道误码造成信宿端解码后错误扩散的问题，能较好的减轻信源端数据处理负担和信道传输压力，适用于大数据率静态图像实时预测压缩编码和星地传输。

Description

一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法

技术领域

本发明属于图像处理与数据传输领域，具体涉及一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法。

背景技术

数字图像中局部区域像素相关性大，预测编码技术针对这种像素间冗余关系，利用预测器来减小输入图像的图像熵，实现图像信息的数据压缩。由于运算简单，硬件需求较低，能用较简单的结构设计出高效率的压缩编码算法，预测编码技术在大数据量静态图像实时压缩传输处理中应用较广。

图像数据压缩传输过程中由于误码会造成解压数据的错误，所造成的图像损害与图像数据的编码方式有关。当图像数据采取预测编码时，传输数据码流中某一位的误码不仅造成对应像素的灰度信息错误，还会对所有后续码流的解码结果产生影响，这样会形成误码的扩散，使恢复出来的信号面目全非。由于预测编码是对图像进行顺序编码，所以在解码得到图像中，误码扩散会显示在在图像的后半部分。

图像数据压缩在采用一维前值预测时，因为解码是用前面一像素作为预测点，恢复后一像素灰度，当前一像素点错误时，会影响到后一点，逐一传递下去，从而造成差错沿着该行的水平方向扩散，解码后的图像呈现一条撕裂带。当图像数据压缩采用二维预测时，差错会沿着水平方向和垂直方向扩散，解码后的图像呈现一片图像损伤。当图像预测编码压缩采用不等长编码时，误码造成的损害更严重，因为不等长编码会使得差错扩散到以下各行，使以后的各点图像数据发生错误，并使图像数据个数发生错误，影响程度取决于出错像素所在的位置。

在图像预测压缩编码传输过程中，当一组数据码流传输到信宿端后， 检测到其中存在误码位，该误码位之前数据码流对应图像的前半部分可以无错误的解码恢复成图像数据，而该误码位之后的数据码流会因为一个误码而全部出现错误解压。

图像数字通信中，当信道传输误码率超过一定限度，要保障正常通信，必须对误码实施纠错处理，这需要将信息进行一次纠错编码，即在信息码元序列中加入监督码元。监督码根据功能可分为检错和纠错两类，如奇偶校验码可以检测奇数个错误，汉明校验码可以检验和校正错误。常用的一种纠错技术是自动要求重发技术，当收端根据监督码检测到误码时，要求发端重发。另一种自动纠错的监督码，在收端可以自动纠正错误，从而使误码率下降。但是，自动纠错编码的缺点在于往往需要较大的延时、较大的运算量或增加较大的传输负担，这在很大程度上限制了自动纠错编码在有限带宽条件下高速据率实时数据传输中的应用。

星地之间等远距离大数据量静态图像的压缩传输，由于星上资源、传输带宽的限制和数据处理实时性要求，往往不能采用较复杂的纠错编码，也难以要求错误数据重发。因此，在较高信道误码率条件下，若采用预测编码压缩数据传输，会造成难以估计的图像信息损失。

发明内容

本发明提供一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法，解决由于信道误码造成信宿段解码后错误扩散的问题，以减轻了信源端数据处理负担和信道传输压力。

本发明所提供的一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)图像分块步骤：

在信源端对输入图像，从其左上端开始，按从左至右、从上至下的次序进行分块，得到n个相同大小的图像块，n≥2；

(2)校验编码步骤：

在信源端对每个图像块依次采用预测压缩编码进行信源编码，得到相应的n组数据码流，各组数据码流均由字段构成，每个字段的长度为K+1比特，其中，K比特为本体码，1比特为校验码，7≤K≤31；对各组数据码流按字段进行信道编码，共生成n组信道数据，顺序进行传输；

(3)信道解码步骤：

在信宿端依次对接收的一组信道数据进行信道解码，生成对应的数据码流，将数据码流分为字段，逐字段进行误码判断，确定数据码流内是否存在误码字段，是则标记该误码字段，并进行步骤(4)；否则对数据码流进行信源解码，得到当前无误码解码图像块，转步骤(7)；

(4)试错法解码步骤：

对数据码流中误码字段之前的各字段进行信源解码，得到前半解码图像块，对标记的误码字段，认为只存在一位误码，对K+1位的字段，从第1位开始，依次仅改变字段中的1位，得到K+1种可能字段；对K+1种可能字段以及误码字段后的各字段，进行信源解码，恢复为K+1种可能后半解码图像块，进行步骤(5)；

(5)选择最优纠错图像块步骤：

对所述前半解码图像块提取图像特征、所述K+1种可能后半解码图像块分别提取图像特征，对当前数据码流对应解码图像块的左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块分别提取图像特征；

根据前半解码图像块、所述左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块的图像特征，从K+1种可能后半解码图像块中选择图像特征最相近的后半解码图像块，将所述前半解码图像块与该后半解码图像块拼接为最优纠错图像块，然后进行步骤(6)；

(6)图像块特征判断步骤：

计算最优纠错图像块的图像灰度均值标准差σ_c、其左端相邻解码图像 块的图像灰度标准差σ_L和上端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_U，判断是否满足σ_C＜k×σ_L且σ_C＜k×σ_U，1.5≤k≤2.5，是则认为该最优纠错图像块误码纠错正确，进行步骤(7)，否则认为该最优纠错图像块误码纠错有误，对其进行标示，然后进行步骤(7)；当图像块尺寸较大时，k取值较小，图像块尺寸较小时，k取值较大；

(7)图像恢复步骤：

判断步骤(3)所述无误码解码图像块或者步骤(6)所述最优纠错图像块是否为最后一个图像块，是则将所有图像块按从左至右、从上至下的顺序拼接还原为完整图像，然后结束；否则转步骤(3)，对下一个图像块对应的信道数据进行处理。

所述的传输误码纠错方法，所述步骤(1)中，对输入图像分块时，根据误码率Ber和压缩率Cr确定分块图像块大小：

输入图像大小为R×C，R为输入图像的行数，C为输入图像的列数，每一个像素字长为L比特其中，10^-10≤Ber≤10^-5，1.5≤Cr≤10，1000≤R，1000≤C，8≤L≤384；图像块大小S＝M×N，图像块的行数M、图像块的列数N满足如下关系：

。

所述的传输误码纠错方法，所述步骤(2)中，所述信道编码为奇偶校验编码。

所述的传输误码纠错方法，所述步骤(3)中，所述信道解码是对应所述信道编码方法的解码方法，所述字段的误码判断是通过验证所述字段的校验码来进行的，所述信源解码是对应所述信源编码方法的解码方法。

所述的传输误码纠错方法，所述步骤(5)包括以下子步骤：

(5.1)对所述前半解码图像块计算图像灰度均值m₀和标准差σ₀，对所述K+1种可能后半解码图像块分别计算图像灰度均值m_i、标准差σ_i，i＝1、…、K+1；

(5.2)分别计算前半解码图像块和K+1种可能后半解码图像块的图像灰度均值差绝对值，得到对应的灰度梯度d_i，d_i＝|m₀-m_i|；

(5.3)对当前解码图像块左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块分别计算图像灰度均值m_L、m_U以及标准差σ_L、σ_U；若该解码图像块不存在左端相邻解码图像块，则令m_L＝0，σ_L＝0，若不存在上端相邻解码图像块，则令m_U＝0，σ_U＝0；

(5.4)计算灰度均值差Δm_i和方差均值差Δσ_i：

，其中，灰度均值为m₀、m_L、m_U的均值；

，其中，方差均值为σ₀、σ_L、σ_U的均值；

(5.5)计算对应灰度梯度d_i、灰度均值差Δm_i及方差均值差Δσ_i的均方和，取其中的最小值，得到其所对应的后半解码图像块，将所述前半解码图像块与该后半解码图像块拼接为最优纠错图像块。

本发明通过简单校验码定位错误字段，用试错法对错误字段进行假设性恢复，然后通过图像分析技术，挑选最优误码纠错假设，最后对误码纠错图像和无误码字段解码图像进行图像特征分析以确定纠错判断的正确性。具体为：首先在信源端对图像进行分块处理，采用预测压缩编码方法对输入图像块进行信源编码，生成数据码流，采用校验码编码对数据码流进行信道编码，生成信道数据进行传输；然后在信宿端对接受到的信道数据进行信道解码生成数据码流，根据校验码判断数据码流是否存在误码，若不存在误码，则进行信源解码，得到图像块，并检查该图像块与周围图像块的图像特征是否一致；若存在误码，则用试错法对含误码的数据流进 行信源解码，分析并选择最优误码纠错假设，然后检查最优误码纠错假设的解码图像的图像特征是否与周围图像块一致，若图像特征与周围图像块一致，则认为误码纠错正确，恢复完整的图像数据，若不一致，则对该图像块进行标示。

根据本发明图像分块步骤中所设定的条件：

，当误码分布均匀时，基于一组含误码数据码流中真实的误码位只有一个，且误码之后的数据码流为无误码数据码流；当误码分布不均匀时，有百分之五十以上的概率可以保证一组含误码数据码流中真实的误码位只有一个，且误码之后的数据码流为无误码数据码流。只有对该误码位进行传输纠错，才能正确的解码恢复后半部分图像数据。

与现有技术相比，本发明的技术方案能够取得下列有益效果：

由于采用了步骤(1)图像分块处理和步骤(2)校验码编码的信道编码方法，使得误码分散到图像块中，通过校验位能定位出误码字段，有效地解决了由于信道误码造成信宿段解码后错误扩散的问题；

由于采用了步骤(4)试错法解码和步骤(5)、(6)的图像特征分析方法对误码字段中的误码位进行推测和判定，在信宿端能自主实现图像压缩传输数据的误码位检测和信息恢复，不仅提高了数据压缩性能和传输质量，同时也减轻了信道传输压力，使远距离大数据量静态图像预测压缩编码传输的图像质量和实时性得到保证。

附图说明

图1为本发明的处理流程图；

图2为实施例二的待传输图像；

图3为实施例二的图像分块；

图4为实施例二的压缩数据误码影响效果图；

图5为实施例二的图像分块压缩数据误码影响效果图；

图6为实施例二的错误字段第1位试解压结果图；

图7为实施例二的错误字段第2位试解压结果图；

图8为实施例二的错误字段第3位试解压结果图；

图9为实施例二的错误字段第4位试解压结果图；

图10为实施例二的错误字段第5位试解压结果图；

图11为实施例二的错误字段第6位试解压结果图；

图12为实施例二的错误字段第7位试解压结果图；

图13为实施例二的错误字段第8位(校验位)试解压结果图；

图14为实施例二图形恢复拼接后的完整图像。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明。

实施例一，包括以下步骤：

(1)图像分块步骤：

在信源端对输入图像，从其左上端开始，按从左至右、从上至下的次序进行分块，其中误码率Ber＝10^-8，压缩率Cr＝4。

输入图像大小为R×C＝12000×12000，每一个像素字长L为32比特，图像块大小S＝M×N，图像块的行数M＝600、图像块的列数N＝600，满足如下关系：

；

得到400个相同大小的图像块。

(2)校验编码步骤：

在信源端对每个图像块依次采用预测压缩编码进行信源编码，得到相 应的400组数据码流，各组数据码流均由字段构成，每个字段的长度为32比特，31比特为本体码，1比特为校验码；对各组数据码流按字段进行信道编码，共生成400组信道数据，顺序进行传输；

(3)信道解码步骤：

在信宿端依次对接收的一组信道数据进行信道解码，生成对应的数据码流，将数据码流分为字段，逐字段进行误码判断，确定数据码流内是否存在误码字段，是则标记该误码字段，并进行步骤(4)；否则对数据码流进行信源解码，得到当前无误码解码图像块，转步骤(7)；

(4)试错法解码步骤：

对数据码流中误码字段之前的各字段进行信源解码，得到前半解码图像块，对标记的误码字段，认为只存在一位误码，对32位的字段，从第1位开始，依次仅改变字段中的1位，得到32种可能字段；对32种可能字段以及误码字段后的各字段，进行信源解码，恢复为32种可能后半解码图像块，进行步骤(5)；

(5)选择最优纠错图像块步骤，包括以下子步骤：

(5.1)对所述前半解码图像块计算图像灰度均值m₀和标准差σ₀，对所述32种可能后半解码图像块分别计算图像灰度均值m_i、标准差σ_i，i＝1、…、32；

(5.2)分别计算前半解码图像块和32种可能后半解码图像块的图像灰度均值差绝对值，得到对应的灰度梯度d_i，d_i＝|m₀-m_i|；

(5.3)对当前解码图像块左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块分别计算图像灰度均值m_L、m_U以及标准差σ_L、σ_U；若该解码图像块不存在左端相邻解码图像块，则令m_L＝0，σ_L＝0，若不存在上端相邻解码图像块，则令m_U＝0，σ_U＝0；

(5.4)计算灰度均值差Δm_i和方差均值差Δσ_i：

，其中，灰度均值为m₀、m_L、m_U的均值；

，其中，方差均值为σ₀、σ_L、σ_U的均值；

(5.5)计算对应灰度梯度d_i、灰度均值差Δm_i及方差均值差Δσ_i的均方和，取其中的最小值，得到其所对应的后半解码图像块，将所述前半解码图像块与该后半解码图像块拼接为最优纠错图像块；然后进行步骤(6)；

(6)图像块特征判断步骤：

计算最优纠错图像块的图像灰度均值标准差σ_c、其左端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_L和上端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_U，判断是否满足σ_C＜k×σ_L且σ_C＜k×σ_U，在这里k取2.5，则认为该最优纠错图像块误码纠错正确，进行步骤(7)，否则认为该最优纠错图像块误码纠错有误，对其进行标示，然后进行步骤(7)；

(7)图像恢复步骤：

判断步骤(3)所述无误码解码图像块或者步骤(6)所述最优纠错图像块是否为最后一个图像块，是则将所有图像块按从左至右、从上至下的顺序拼接还原为完整图像，然后结束；否则转步骤(3)，对下一个图像块对应的信道数据进行处理。

实施例二，如图1所示，包括以下步骤：

(1)图像分块步骤：

在信源端对输入图像，如附图2所示，从其左上端开始，按从左至右、从上至下的次序进行分块，其中误码率Ber＝10^-7，压缩率Cr＝2。

图2输入图像大小为R×C＝1024×1024，每一个像素字长L为8比特，图像块大小S＝M×N，图像块的行数M＝512、图像块的列数N＝512，满足如下关系：

；

得到4个相同大小的图像块，如图3所示。

(2)校验编码步骤：

在信源端对每个图像块依次采用预测压缩编码进行信源编码，得到相应的4组数据码流，各组数据码流均由字段构成，每个字段的长度为8比特，其中，7比特为本体码，1比特为校验码；对各组数据码流按字段进行信道编码，所述信道编码为奇偶校验编码，共生成4组信道数据，顺序进行传输；

(3)信源解码步骤：

在信宿端依次对接收的一组信道数据进行信道解码，生成对应的数据码流，将数据码流分为字段，逐字段进行误码判断，确定数据码流内是否存在误码字段，是则标记该误码字段，并进行步骤(4)；否则对数据码流进行信源解码，得到当前无误码解码图像块，转步骤(7)；

(4)试错解码步骤：

对数据码流中误码字段之前的各字段进行信源解码，得到前半解码图像块，对标记的误码字段，认为只存在一位误码，对8位的字段，从第1位开始，依次仅改变字段中的1位，得到8种可能字段；对8种可能字段以及误码字段后的各字段，进行信源解码，恢复为8种可能后半解码图像块，进行步骤(5)；

本实施例子里将选取图5最后一个图像块进行传输纠错方法说明。对本发明实施例中的最后一个图像块，采用试错法解码的结果图像如图6～图13所示。

其中，图6为错误字段的第1位试解压结果图像，图7为错误字段的第2位试解压结果图像，图8为错误字段的第3位试解压结果图像，图9为错误字段的第4位试解压结果图像，图10为错误字段的第5位试解压结果布图像，图11为错误字段的第6位试解压结果图像，图12为错误字段的第7位试解压结果图像，图13为错误字段的第8位(校验位)试解压结 果图像。

(5)选择最优纠错图像块步骤，包括以下子步骤：

(5.1)对所述前半解码图像块计算图像灰度均值m₀和标准差σ₀，对所述8种可能后半解码图像块分别计算图像灰度均值m_i、标准差σ_i，i＝1、…、8；

(5.2)分别计算前半解码图像块和8种可能后半解码图像块的图像灰度均值差绝对值，得到对应的灰度梯度d_i，d_i＝|m₀-m_i|；

(5.3)对当前解码图像块左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块分别计算图像灰度均值m_L、m_U以及标准差σ_L、σ_U；若该解码图像块不存在左端相邻解码图像块，则令m_L＝0，σ_L＝0，若不存在上端相邻解码图像块，则令m_U＝0，σ_U＝0；

(5.4)计算灰度均值差Δm_i和方差均值差Δσ_i：

，其中，灰度均值为m₀、m_L、m_U的均值；

，其中，方差均值为σ₀、σ_L、σ_U的均值；

(5.5)计算对应灰度梯度d_i、灰度均值差Δm_i及方差均值差Δσ_i的均方和，取其中的最小值，得到其所对应的后半解码图像块，将所述前半解码图像块与该后半解码图像块拼接为最优纠错图像块；然后进行步骤(6)；

(6)图像块特征判断步骤：

计算最优纠错图像块的图像灰度均值标准差σ_c、其左端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_L和上端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_U，判断是否满足σ_C＜k×σ_L且σ_C＜k×σ_U，在这里k取1.5，则认为该最优纠错图像块误码纠错正确，进行步骤(7)，否则认为该最优纠错图像块误码纠错有误，对其进行标示，然后进行步骤(7)；

经计算，图12所示的无误码解码图像块的图像特征满足正确纠错条件的关系式要求，该图像块误码纠错正确，然后进行步骤(7)；

(7)图像恢复步骤：

判断步骤(3)所述无误码解码图像块或者步骤(6)所述最优纠错图像块是否为最后一个图像块，是则将所有图像块按从左至右、从上至下的顺序拼接还原为完整图像，然后结束；否则转步骤(3)，对下一个图像块对应的信道数据进行处理。

如图12所示的无误码解码图像块为最后一个图像块，则将所有图像块按照分块次序进行完整图像的拼接和还原，图像恢复的结果如图14所示。

Claims (5)

1.一种图像预测压缩编码的传输误码纠错方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)图像分块步骤：

在信源端对输入图像，从其左上端开始，按从左至右、从上至下的次序进行分块，得到n个相同大小的图像块，n≥2；

(2)校验编码步骤：

在信源端对每个图像块依次采用预测压缩编码进行信源编码，得到相应的n组数据码流，各组数据码流均由字段构成，每个字段的长度为K+1比特，其中，K比特为本体码，1比特为校验码，7≤K≤31；对各组数据码流按字段进行信道编码，共生成n组信道数据，顺序进行传输；

(3)信道解码步骤：

在信宿端依次对接收的一组信道数据进行信道解码，生成对应的数据码流，将数据码流分为字段，逐字段进行误码判断，确定数据码流内是否存在误码字段，是则标记该误码字段，并进行步骤(4)；否则对数据码流进行信源解码，得到当前无误码解码图像块，转步骤(7)；

(4)试错法解码步骤：

对数据码流中误码字段之前的各字段进行信源解码，得到前半解码图像块，对标记的误码字段，认为只存在一位误码，对K+1位的字段，从第1位开始，依次仅改变字段中的1位，得到K+1种可能字段；对K+1种可能字段以及误码字段后的各字段，进行信源解码，恢复为K+1种可能后半解码图像块，进行步骤(5)；

(5)选择最优纠错图像块步骤：

对所述前半解码图像块提取图像特征、所述K+1种可能后半解码图像块分别提取图像特征，对当前数据码流对应解码图像块的左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块分别提取图像特征；

根据前半解码图像块、所述左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块的图像特征，从K+1种可能后半解码图像块中选择图像特征最相近的后半解码图像块，将所述前半解码图像块与该后半解码图像块拼接为最优纠错图像块，然后进行步骤(6)；

(6)图像块特征判断步骤：

计算最优纠错图像块的图像灰度均值标准差σ_c、其左端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_L和上端相邻解码图像块的图像灰度标准差σ_U，判断是否满足σ_C＜k×σ_L且σ_C＜k×σ_U，1.5≤k≤2.5，是则认为该最优纠错图像块误码纠错正确，进行步骤(7)，否则认为该最优纠错图像块误码纠错有误，对其进行标示，然后进行步骤(7)；当图像块尺寸较大时，k取值较小，图像块尺寸较小时，k取值较大；

(7)图像恢复步骤：

判断步骤(3)所述无误码解码图像块或者步骤(6)所述最优纠错图像块是否为最后一个图像块，是则将所有图像块按从左至右、从上至下的顺序拼接还原为完整图像，然后结束；否则转步骤(3)，对下一个图像块对应的信道数据进行处理。

2.如权利要求1所述的传输误码纠错方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对输入图像分块时，根据误码率Ber和压缩率Cr确定分块图像块大小：

输入图像大小为R×C，R为输入图像的行数，C为输入图像的列数，每一个像素字长为L比特；其中，10^-10≤Ber≤10^-5，1.5≤Cr≤10，1000≤R，1000≤C，8≤L≤384；图像块大小S＝M×N，图像块的行数M、图像块的列数N满足如下关系：

，。

3.如权利要求1所述的传输误码纠错方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述信道编码为奇偶校验编码。

4.如权利要求1所述的传输误码纠错方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述信道解码是对应所述信道编码方法的解码方法，所述字段的误码判断是通过验证所述字段的校验码来进行的，所述信源解码是对应所述信源编码方法的解码方法。

5.如权利要求1所述的传输误码纠错方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下子步骤：

(5.1)对所述前半解码图像块计算图像灰度均值m₀和标准差σ₀，对所述K+1种可能后半解码图像块分别计算图像灰度均值m_i、标准差σ_i，i＝1、…、K+1；

(5.2)分别计算前半解码图像块和K+1种可能后半解码图像块的图像灰度均值差绝对值，得到对应的灰度梯度d_i，d_i＝|m₀-m_i|；

(5.3)对当前解码图像块左端相邻解码图像块和上端相邻解码图像块分别计算图像灰度均值m_L、m_U以及标准差σ_L、σ_U；若该解码图像块不存在左端相邻解码图像块，则令m_L＝0，σ_L＝0，若不存在上端相邻解码图像块，则令m_U＝0，σ_U＝0；

(5.4)计算灰度均值差Δm_i和方差均值差Δσ_i：

，其中，灰度均值为m₀、m_L、m_U的均值；

，其中，方差均值为σ₀、σ_L、σ_U的均值；

(5.5)计算对应灰度梯度d_i、灰度均值差Δm_i及方差均值差Δσ_i的均方和，取其中的最小值，得到其所对应的后半解码图像块，将所述前半解码图像块与该后半解码图像块拼接为最优纠错图像块。