CN111726635A - 一种基于滑窗bats码的低时延图像渐进传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于图像通信技术领域，具体来说是涉及一种基于滑窗BATS码的低时延图像渐进传输方法。本发明的目的在于克服传统BATS码的高时延缺点的同时，实现可靠的图像渐进传输，提升用户对通信系统的QoE。其中实现降低时延和渐进传输主要是通过滑窗BATS码与小波SPIHT编码相结合而实现，而基于编码统计的滑窗BATS码的主要思想是对普通的滑窗结构进行改进，统计当前窗口的编码信息得出未参与编码的压缩数据包，并在下一个窗口中继续对其进行编码，通过增大编码概率实现成功恢复概率的提高，从而降低BATS码的码长变短以及编码随机性对方案可靠性的影响。

Description

一种基于滑窗BATS码的低时延图像渐进传输方法

技术领域

本发明属于图像通信技术领域，，具体来说是涉及一种基于滑窗BATS码的低时延图像渐进传输方法。

背景技术

随着多媒体通信技术的发展，图像通信作为其中的一个重要组成部分，正逐渐渗透到人们的日常生活中，譬如远程医疗、远程监控、电子商务以及交互式多媒体等。在图像通信中，信源编码和信道编码是必不可少的两个环节。信源编码通过减少图像数据中的冗余信息来达到数据压缩的目的，从而节省了信道带宽资源；信道编码通过添加一定的冗余信息来实现纠错的目的，保证压缩数据流的可靠传输。因此，信源编码方案和信道编码方案的选择对图像通信来说尤为重要。

目前，针对静态图像的常用信源编码方案主要有两种：基于离散余弦变换(DCT)的图像压缩编码和基于离散小波变换(DWT)的图像压缩编码。由于采用DCT在高压缩比条件下会出现明显的方块效应，严重影响图像主观质量，而小波变换不仅可以弥补DCT的不足，还能为后续的压缩编码提供频率分离的变换数据。因此，基于小波变换的图像压缩编码成为当下热门的图像压缩算法。目前，应用最广泛的三种基于小波变换的图像压缩编码算法是：嵌入式零树编码(EZW)、多集树集合分裂编码(SPIHT)以及优化截断点嵌入式块编码(EBCOT)。上述三种算法的基本原理都是利用小波变换后图像子带分离的性质，将小波系数排列构造为树状结构，对所有数据按照其重要程度进行量化和熵编码的过程。因此，它们都具有渐进传输特性和中断可译性。

对于信道编码方案，BATS码作为一种适用于多跳丢包网络中的新型编码方案，能保证数据在无线网络中的可靠传输的同时渐进最大网络容量。将BATS码作为图像通信中的信道编码方案，可以保证压缩数据流在多跳丢包网络中的可靠传输。但采用传统的BATS码对压缩数据流进行编码传输存在一些问题。由于BATS码译码存在无序性，译码端需要在接收到足够数量(编码包数略大于源信息包数)的编码包之后才能开始译码和恢复图像，产生了大量的等待时延的同时无法体现渐进传输特性，从而降低了用户对图像通信系统的体验质量 (QoE)。滑窗BATS码可较好地解决上述问题。通过将整个压缩数据流分成多个部分重叠的窗口，每次仅对窗口内的数据包进行编译码，不仅可以降低传输时延，还能实现渐进传输特性。但是由于其码长变短且编码存在随机性，导致其传输的可靠性得不到保证。

发明内容

本发明的目的是，针对上述针对编码随机性问题，本发明对普通滑窗BATS的滑窗结构进行了改进，提出了一种基于编码统计的滑窗BATS码，并将其与SPIHT编码相结合，可实现低时延、可靠的图像渐进传输，提升图像通信系统的QoE。

为了使本发明的技术方案更易于理解，对本发明中采用的部分技术进行如下说明：

1.BATS码

BATS是一种将喷泉码和网络编码相结合的一种新型编译码方案，由外码和内码构成。其中，外码编码为喷泉码编码，在信源节点处进行；内码编码为随机线性网络编码，在网络中间节点进行。其基本思想是在发送端把将要传送的信息数据分成特定长度的源信息包，根据度分布函数选出源信息包并对其进行喷泉码编码，生成以编码批次为单位的数据包在信道上进行传输。在网络中间节点，对接收到的编码包进行批次内部的随机线性网络编码后，再传输到接收端。在经过信道传输后，接收端不需要考虑信道条件只要保证接收到足够数量的编码包，就可以以较高的概率成功恢复源信息。

BATS码的编码原理：

BATS码编码分为外码编码和内码编码，其整个编码过程的如图1所示。外码编码生成一个编码批次的过程，可以表示为：

X_i＝B_iG_i

其中，B_i为根据度分布随机选出的d个数据包，G_i为生成矩阵，维度为d×M，X_i为生成的编码批次。

内码编码采用随机网络编码，即网络中间节点将接收到的属于同一个批次的编码包再次进行随机线性组合，从而生成新的编码包。内码编码过程表示为：

Y_i＝X_iH_i＝B_iG_iH_i

上式中，H_i为随机生成的转移矩阵，维度为m×M，m为中间节点接收到的编码包的个数；Y_i为重新编码后生成的新的编码批次。

BATS码译码：

BATS码译码采用一种迭代算法。在译码的每一次迭代中，译码器都在接收到的编码批次中寻找度等于其系数矩阵的秩的批次，这些批次组成的集合称为输出可译集。它们连接的信息包组成的集合称为输入可译集。在此之后，译码器将每一个译出的信息包与跟它相连的所有编码包分别进行线性组合，计算结果取代对应编码包原来的值，完成之后删去与它们之间的连接关系。重复上述过程直至不存在度等于其系数矩阵的秩的批次为止。如果所有数据包都被恢复则译码成功，否则译码失败。

BP译码算法本质上是一种低复杂度的矩阵求逆法。假设发送数据包和收到的编码包矢量分别为X＝[x₁,x₂,...,x_k]^T和Y＝[y₁,y₂,...,y_n]^T。接收端可以根据某种协议(如包头信息)重构出BATS码的系数编码矩阵G·H。因此有

Y＝G·H·X

如果能计算出(GH)^-1，则可以通过X＝(GH)^-1·Y计算出原始数据包矢量X，这可以获得最大似然译码的效果，译出最多的数据。

2.滑窗BATS码

滑窗BATS码将源信息分割为若干个部分区域重叠的窗口，以窗口为单位进行BATS码的编码传输，其结构如图2所示。在编码端，窗口以部分信息重叠的方式向前滑动，从而虚拟扩展了源信息长度K。同时重叠信息有助于相邻窗口间的辅助译码，可改善码长变短对译码效果的影响。在译码端，译码器在接收到的数量略大于窗口长度的编码包后便可开始译码并输出恢复的源信息，在保证了输出信息有序性的同时大大降低了传输时延。

普通滑窗BATS码的发送端编码结构如图3所示，源信息被划分为部分重叠的等长窗口进行BATS码编码传输，且相邻窗口间的重叠区域大小相同。普通滑窗BATS码虽然能较大地降低传输时延，但是由于其将源信息分为多个窗口进行传输，码长变短使得编码的随机均匀特性得不到保证，因此其在窗口编码冗余很高的情况下仍然可能存在部分信息包未参与编码的情况，而这部分信息包在接收端无法恢复，从而导致滑窗BATS码的错误平层较高。

针对上述问题，本发明中对普通滑窗BATS码的滑窗结构进行改进，提出了基于编码统计的滑窗BATS码。在优化方法中，发送端以固定的窗口长度，变化的重叠区域大小的方式对源信息进行BATS码的编码传输，如图4所示。通过在发送端统计每个窗口编码后的窗内信息包的编码情况，提取出未参与编码的信息包并将其加入到下一个窗口中进行编码，提高其编码概率，从而减小编码随机性导致的未参与编码的信息包数，降低错误平层。

3.小波SPIHT编码

图像小波变换：

一幅图像经过一级小波分解后得到低频(LL)、水平(LH)、垂直(HL)以及对角(HH)共4个子图像，根据需要可对低频子图像继续分解，经k级分解可得到3k+1个子图像。将这些子图像按照塔式结构进行排列组合，得到的图像即为小波图像。图5为三级小波分解得到的小波图像示意图。与其对应的具有相同空间位置的高频子图像中的点被称为是它的子孙，从低频子带开始依照子孙关系延伸，得到树状结构，图6为三级小波图像的空间方向树结构示意图。小波变换使图像的能量集中在低频子带和少数高频子带中，为压缩编码奠定了基础。

SPIHT算法：

SPIHT算法是对小波图像进行子带编码，由初始化、扫描和熵编码组成。经过小波变换，不同子带的小波系数形成树状结构，如图6所示。其中，最低频子带中的系数为树根，最高频子带中的系数为树叶。

为了确定子带中小波系数的重要性，需要经过多次扫描。每次扫描都有一个阈值，当小波系数大于等于这个阈值时，则该小波系数就是重要的。初始阈值设定为小波图像中绝对值最大的系数，每次扫描对阈值进行二等分。SPIHT算法的精髓是对子树的扫描，其通过使用三个链表来跟踪扫描过程。其中两个链表是用来存储不重要信息的，即不重要系数集合链表 (List of Insignifications Set3，LIS)和不重要像素链袭(List ofInsignifications Pixels，LIP)，而重要像素链表(List of Significations Pixels，LSP)用来存储重要信息的。使用上述三个链表对子树进行扫描的过程如图7所示。

由于熵编码的引入不仅会增大计算复杂度，还可能导致错误传播，且其对图像起到的压缩作用有限。因此本发明中对SPIHT编码进行了简化，省略掉最后的熵编码环节。

本发明的技术方案如下：

本发明的原理框图如图8所示。目的在于克服传统BATS码的高时延缺点的同时，实现可靠的图像渐进传输，提升用户对通信系统的QoE。其中实现降低时延和渐进传输主要是通过滑窗BATS码与小波SPIHT编码相结合而实现，而基于编码统计的滑窗BATS码的主要思想是对普通的滑窗结构进行改进，统计当前窗口的编码信息得出未参与编码的压缩数据包，并在下一个窗口中继续对其进行编码，通过增大编码概率实现成功恢复概率的提高，从而降低BATS码的码长变短以及编码随机性对方案可靠性的影响

具体包括以下步骤：

发送端

根据实际应用需求以及信道条件，确定方案中相关参数的设置，其中主要包括：小波分解级数N、信源编码压缩比ratio、压缩数据包的长度T、滑窗BATS码的窗口长度w、初始滑动步长s′、每个窗口的编码冗余ε、有限域F_q、BATS码编码批次的尺寸M；

S1、对原始图像进行N级小波分解，得到大小为图像尺寸的小波系数矩阵M_w；

S2、对小波系数矩阵M_w中的元素进行SPIHT编码，生成长度满足信源编码压缩比ratio 的二进制位流信息S_b；

S3、将位流信息S_b以T比特为单位进行打包封装，若S_b的长度

不能整除T，则末尾补零，生成K个压缩数据包，其中

S4、取出前w个压缩数据包，构成第一个窗口的信息包集合B，并用集合B初始化当前窗未参与编码的数据包集合S_i，即S_i＝B，此时i＝1；

S5、对集合B中的信息按照下列步骤进行BATS码外码编码，生成编码批次并发送：

S51、从外码编码度分布Ω＝[Ω₁,…,Ω_w]中随机选择一个度值d；

S52、从集合B中随机选取d个不同的压缩数据包，构成当前的编码信息集合B_i；

S53、在有限域F_q中，随机产生一个大小为d×M的系数矩阵G_i；

S54、将d个压缩数据包按照矩阵G_i中相应的系数向量进行线性组合，生成M个编码包，即一个编码批次并发送；其中，第i个编码批次X_i的生成过程表示如下：

X_i＝B_i·G_i

S6、按照步骤S5连续进行外码编码，直至生成并发送数量n个编码批次。其中

ε为窗口编码冗余；

S7、整理编码统计集合S_i，得到第i个窗中前s′个数据包中未参与编码的压缩数据包集合 S′_i和其元素个数Num′_i；将S′_i中元素作为起始数据包，窗口向前滑动sⁱ＝s′-Num′_i得到第i+1个窗口中的信息数据，从而更新数据包集合B，i＝i+1，S_i＝B；

S8、重复执行步骤S5-S7，对更新后集合B中的信息进行编码传输并统计，直至窗口滑到压缩数据流末尾；

接收端：

S9、接收端将当前收到的编码批次与前面所有未译码成功的编码批次进行联合译码，译码结束后继续将未译码成功的编码批次和当前恢复的压缩数据包分别进行缓存；当译码端对第一个窗口进行译码时，缓存中无任何数据；

S10、根据译码恢复的情况，判断是否存在可输出的数据；若有则进入步骤S11；否则重复步骤S9直至最后一个编码批次译码结束；

S11、根据包号对当前缓存中所有已恢复的压缩数据包进行排序，假设缓存中共有m个压缩数据包，则其中最多存在n′个包号从1～n′连续不中断的压缩数据包，n′≤m，则称这n′个压缩数据包为有效压缩数据包；

S12、将有效压缩数据包进行展开，得到长度为n′T的位流信息S′_b；

S13、对所得到的位流信息S′_b进行SPIHT解码，得到小波系数矩阵M′_w；

S14、对小波系数矩阵M′_w进行小波逆变换，得到重构图像并输出显示。

本发明的方案中，在编码端的特征是：固定窗口长度但滑动步长不固定，且第2个及其之后的窗口中包含的信息包＝前一个窗口中前滑动步长个信息包中未参与编码的信息包+窗口滑动引入的新信息包。通过提高未参与编码包的编码概率，从而降低编码随机性对BATS码性能的影响；在接收端的特征是：根据SPIHT编码留的顺序可译性，只将BATS码译码器输出的从头开始连续且正确的压缩数据包，即有效压缩数据包，进行拆分级联得到压缩比特流，随后将其一次通过SPIHT解码器、小波逆变换得到相应的重构图像。

另外，对于删除信道与中间节点：

(1)编码数据包在删除信道上传输时，由于信道中存在干扰、噪声等因素导致部分编码包受损出错或直接丢失；

(2)编码包传输到中间节点后，中间节点将受损和出错的编码包丢弃后，对接收到的正确的外码编码包按顺序进行批次内的随机线性网络编码，每个批次内又重新生成M个内码编码包。其中，第i个编码批次的内码编码过程表示如下：

Y_i＝X'_i·H_i

其中，X_i′为中间节点接收到的第i个编码批次，H_i是大小为dim(X′_i,2)×M的转移系数矩阵，Y_i为内码编码后重新生成的编码批次。

(3)将重新生成的编码数据包发送，通过删除信道传输到下一网络中间节点；

(4)重复步骤(1)到(3)，直至编码数据包到达接收端。

本发明的有益效果为，本发明结合小波SPIHT编码后的压缩数据流特性，以滑窗形式进行BATS码编码，可实现多跳网络下低时延、可靠且具有渐进传输特性的图像传输；同基于传统BATS码和SPIHT编码的图像传输方案、基于普通滑窗BATS码和SPIHT编码的图像传输方案相比，其仅可较好地改善BATS码的编码随机性对传输可靠性的影响，还能在保证方案具备渐进传输特性的同时大大地降低传输时延，从而提高用户对图像通信系统的QoE

附图说明

图1为BATS码的编码示意图；

图2、图3、图4分别是滑窗BATS码的结构意图、普通滑窗BATS码和基于编码统计的滑窗BATS码的编码结构示意图；

图5、图6、图7分别是三级小波分解的子带图像结构图、小波树结构示意图以及SPIHT 编码的扫描示意图；

图8是所设计的图像传输方案的整体框图；

图9、图10、图11分别是发送端、中间节点和删除信道、接收端的算法流程图；

图12为仿真系统模型图；

图13、图17分别是压缩比与峰值信噪比、压缩比和传输时延的曲线关系图；

图14、图15、图16分别是滑窗BATS码、普通滑窗BATS码、基于编码统计的滑窗BATS码方案下重构图像随着输出时间的增大而增大的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和仿真实例，详细描述本发明的技术方案：

本发明是基于编码统计的滑窗BATS码和小波SPIHT编码在图像传输中的一种应用设计，适用于多跳网络中图像的低时延可靠传输。在图像通信中，为了节约网络资源，图像通常需要进行信源编码压缩后再传输。考虑到用户体验感受(QoE)，本发明采用的是具有渐进传输特性的小波SPIHT编码作为其信源编码方案。而为了保证压缩数据在多跳网络中的可靠传输，本发明拟采用BATS码作为其信道编码方案。BATS码可靠性高且复杂度低，但其要求接收端需在接收到足够数量的编码包后才能开始译码，且用户只能在译码结束后才能看到重构图像，导致产生较大的等待时延且图像传输不具备渐进特性，使得用户对图像通信系统的QoE较低。普通滑窗BATS码可以解决高时延以及渐进传输的问题，但由于其采取的是部分重叠式分块编码，且BATS码编码存在随机性，使得图像传输的可靠性得不到保证。因此，针对上述问题，本发明提出了一种基于编码统计的滑窗BATS码和小波SPIHT编码的图像传输方案。该方案同基于传统BATS码和SPIHT编码的图像传输方案、基于普通滑窗BATS码和SPIHT编码的图像传输方案相比，其不仅可较好地改善BATS码的编码随机性对传输可靠性的影响，还能在保证方案具备渐进传输特性的同时大大地降低传输时延，从而提高用户对图像通信系统的QoE。

仿真示例

将分辨率为512×512的标准静态图像Lena分别通过基于传统BATS码、普通滑窗BATS码和编码统计的滑窗BATS码的图像传输方案在两跳线性网络中进行传输。仿真系统模型如图 12，其中每条链路的丢包率均为0.1。

对于信源编码部分，首先对原始图像Lena进行3级小波分解，得到子带分离的小波系数矩阵，随后小波系数矩阵经SPIHT编码生成长度为 N＝{250000,300000,350000,400000,450000,500000}的二进制位流信息，对应的压缩比为 ratio＝{8.3886,6.9905,5.9919,5.2429,4.6603,4.1943}，接着以T＝100比特为单位对位流信息进行封装打包，得到原始信息包的数量分别K＝{2500,3000,3500,4000,4500,5000}。

对于信道编码部分，由于源信息为二进制数据，因此设置有限域GF(2)，批次尺寸M＝32。在滑窗BATS码中，固定窗口长度

滑动步长s＝500，根据经验设置每个窗的编码冗余ε＝0.6。而每个窗口的编码度分布根据有限长BATS码的度分布设计方法生成，其中

c′＝0.5。当完成对第2个窗口的译码后，BATS码译码器开始输出已恢复的有效压缩数据包，用于重构图像并显示。

在以上仿真参数的设置下，分别对三种图像传输方案进行了仿真，并基于用户体验质量 (QoE)对两种传输方案进行了性能分析和对比。用户体验质量QoE直观地反映了终端用户通过感知体验，对所使用的应用软件以及通信系统的满意程度。在图像通信系统中，重构图像质量、传输时延以及图像传输与显示方式等因素都会影响用户体验质量。因此，本文主要从重构图像质量、渐进传输特性以及传输时延三个方面对图像传输方案的性能进行分析。

(1)重构图像质量

峰值信噪比PSNR是客观评测重构图像质量的主要参数。对于一幅分辨率为N×M，像素值为255的图像，PSNR可如下计算：

其中，f(x,y)为原始图像，g(x,y)为重构图像。PSNR值越高说明重构图像质量越好， PSNR值越低则说明重构图像质量越差。因此本文将PSNR作为衡量方案性能的重要指标之一。

在保证基于编码统计的滑窗BATS码的窗口长度与普通滑窗BATS码相同的情况下，由于基于编码统计的滑窗BATS码的窗口滑动步长是根据前一个窗口中未参与编码的压缩数据包的数量而定的，因此基于编码统计的滑窗BATS码的窗口数会随着编码环境、信道状况的变化而变化，从而导致两种滑窗方案产生的编码批次数量不同，而编码批次的数量会直接影响到方案中重构图像的质量。因此，为了公平地分析比较基于不同滑窗结构的图像传输方案的性能，本文采取先对基于编码统计的滑窗改进方案进行多次仿真，统计得到其平均编码批次数，再以相同数量的编码批次对基于普通滑窗的设计方案进行仿真，以保证两者在编码批次数量近乎相同的情况下进行重构图像质量的比较。经100次仿真，在不同压缩比下改进方案传输的编码批次总数为{205，260，320，358，410，465}，则在相应压缩比下普通滑窗BATS码中每个窗口产生的编码批次数依次约为{51,52,53,51,51,52}。依据上述编码批次数，仿真得到不同压缩比下三种方案下的重构图像质量曲线对比图。

从图13中可以看出，三种图像传输方案下的重构图像质量随着压缩比的增大而降低。由于压缩比增大，被压缩的低质量层图像信息的数量随之增加，使得SPIHT编码产生的位流信息减少，从而造成BATS码码长变短且压缩数据流中细节信息丢失的后果。而由第二章对BATS 码的性能分析和前文对SPIHT编码的介绍中可知，码长和图像细节信息都会对重构图像的质量产生一定的影响。码长越大，细节信息越多，则图像重构质量越好；若相反，则重构图像质量越差。对比图中三条曲线可知，基于编码统计的滑窗BATS码的图像传输方案的重构图像质量要比其余两种方案都要好很多。由于基于编码统计的滑窗BATS码一直让未参与编码的压缩数据包参与编码，通过提高这些包的编码概率来增大它们的译码恢复率，从而增大接收端输出的有效压缩数据包数，以降低BATS码的编码随机性对重构图像质量的影响。而在其余两种方案中，由于编码随机性导致部分压缩数据包未参与编码的情况没有得到改善，因此其重构图像质量相较于改进方案要差。

(2)渐进传输特性

渐进传输特性是随着图像数据的传输，终端用户能观看并感受到重构图像逐步完善且清晰的过程。本文以重构图像的输出时间为自变量，以重构图像质量为因变量，通过统计重构图像质量随输出时间变化的规律来分析设计方案的渐进传输特性。

表1统计了在压缩比ratio＝4.1943时，三种传输方案下重构图像质量随输出时间变化的数值规律。

表1基于传统BATS码、普通滑窗方案和基于编码统计的滑窗方案下PSNR随输出时间渐进变化统计

为了便于统计，忽略小波正向和逆向变换、SPIHT编解码以及BATS码编译码等过程的处理时延，假设传输一个窗口的编码信息需要1个单位时间，则在对第i(i＞1)个窗口译码完成并输出的时间为i。因此，基于传统BATS码和普通滑窗BATS码的图像传输方案的输出时间范围为[2,9]，基于编码统计的滑窗BATS码的图像传输方案的输出时间范围为[2,10]。

结合表1和图14、15、16可以看出，三种方案下重构图像的都会随着输出时间的增大而增大，且不同输出时间下的重构图像都具有渐进完善特性，因此三种图像传输方案都可实现渐进传输。但通过对比三种传输方案在不同输出时间的PSNR值与具体的重构图像质量，可以得知相比于传统BATS码的传输方案，普通滑窗BATS码可以降低图像基本信息恢复和逐渐完善的时间；而在普通滑窗BATS码的基础上，基于编码统计的滑窗BATS码还能够提高重构图像质量，在输出时间为3时重构图像的质量就超过基于普通滑窗BATS码的传输方案最终输出的重构图像。因此，在三种方案中，基于编码统计的滑窗BATS码能使用户更早更清晰地看到图像并及时地做出判断或选择，提高用户对图像通信系统的QoE。因此，基于编码统计的滑窗BATS码的图像传输方案较基于普通滑窗BATS码的图像传输方案更适用于图像通信领域。

(3)平均传输时延T_delay

由于对小波变换、SPIHT编解码和BATS码编译码的时间开销的计算过程较为复杂，因此本文对方案整体时延的计算进行了简化。忽略小波变换、SPIHT编解码和BATS码编译码的处理时延，本文只统计压缩数据包的传输时延。假设一个压缩数据包从发送端到接收端的时间开销为1，则对于传统BATS码而言，由于位流信息必须在K个压缩数据包全部编译码结束后才能输出，因此其每个压缩数据包的传输时延为K。

对于滑窗BATS码，当接收端完成对第L(本文中设置L＝2)个窗口的译码后，可将已恢复的连续的压缩数据包(即有效数据包)转换为位流信息，位流信息在经SPIHT解码器和小波逆变换后，可得到重构图像并输出显示。因此，在完成对第j(j≥L,j≠N_w)个窗口的译码后，可将刚恢复的压缩数据包与前面窗中已恢复的数据进行融合，统计出根据当前窗口的编码信息译码恢复的有效数据包的数量n_j，这些包中每个包对应的传输时延为

而在由最后一个窗口的编码信息译码恢复的有效压缩数据包中，每个包的传输时延为K。对于在整个编译码过程结束后还未成功恢复的压缩数据包，假设其传输时延为K。因此，第i次仿真中每个有效压缩数据包成功恢复所需要的平均传输时间可定义如下：

经过m次仿真，通过对每次仿真中得到的

取均值便可得到每个有效压缩数据包成功恢复所需要的平均传输时间，表示如下：

从图17中可以看出，三种方案的传输时延按从大到小顺序依次为：传统BATS码、普通滑窗BATS码、基于编码统计的滑窗BATS码。其中，基于编码统计的滑窗BATS码的传输时延比传统BATS码降低了20％～35％，比普通滑窗BATS码降低了8％～15％。图像传输方案的传输时延越低，即意味着用户能看到清晰的图像的时间越早，并能根据重构图像信息越早的进行下一步操作。因此，基于编码统计的滑窗BATS码和SPIHT图像编码方案相对于前两种方案更适用于图像实时传输及实时识别等应用场景中。

Claims (1)

1.一种基于滑窗BATS码的低时延图像渐进传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端

S1、对原始图像进行N级小波分解，得到大小为图像尺寸的小波系数矩阵M_w；

S2、对小波系数矩阵M_w中的元素进行SPIHT编码，生成长度满足信源编码压缩比ratio的二进制位流信息S_b；

S3、将位流信息S_b以T比特为单位进行打包封装，若S_b的长度

不能整除T，则末尾补零，生成K个压缩数据包，其中

S4、取出前w个压缩数据包，构成第一个窗口的信息包集合B，并用集合B初始化当前窗未参与编码的数据包集合S_i，即S_i＝B，此时i＝1；

S5、对集合B中的信息按照下列步骤进行BATS码外码编码，生成编码批次并发送：

S51、从外码编码度分布Ω＝[Ω₁,…,Ω_w]中随机选择一个度值d；

S52、从集合B中随机选取d个不同的压缩数据包，构成当前的编码信息集合B_i；

S53、在有限域F_q中，随机产生一个大小为d×M的系数矩阵G_i；

S54、将d个压缩数据包按照矩阵G_i中相应的系数向量进行线性组合，生成M个编码包，即一个编码批次并发送；其中，第i个编码批次X_i的生成过程表示如下：

X_i＝B_i·G_i

S6、按照步骤S5连续进行外码编码，直至生成并发送数量n个编码批次，其中

ε为窗口编码冗余；

S7、整理编码统计集合S_i，得到第i个窗中前s'个数据包中未参与编码的压缩数据包集合S′_i和其元素个数Num′_i；将S′_i中元素作为起始数据包，窗口向前滑动sⁱ＝s'-Num′_i得到第i+1个窗口中的信息数据，从而更新数据包集合B，i＝i+1，S_i＝B；

S8、重复执行步骤S5-S7，对更新后集合B中的信息进行编码传输并统计，直至窗口滑到压缩数据流末尾；

接收端：

S9、接收端将当前收到的编码批次与前面所有未译码成功的编码批次进行联合译码，译码结束后继续将未译码成功的编码批次和当前恢复的压缩数据包分别进行缓存；当译码端对第一个窗口进行译码时，缓存中无任何数据；

S10、根据译码恢复的情况，判断是否存在可输出的数据，若有则进入步骤S11；否则重复步骤S9直至最后一个编码批次译码结束；

S11、根据包号对当前缓存中所有已恢复的压缩数据包进行排序，假设缓存中共有m个压缩数据包，则其中最多存在n'个包号从1～n'连续不中断的压缩数据包，n'≤m，则称这n'个压缩数据包为有效压缩数据包；

S12、将有效压缩数据包进行展开，得到长度为n'T的位流信息S′_b；

S13、对所得到的位流信息S′_b进行SPIHT解码，得到小波系数矩阵M′_w；

S14、对小波系数矩阵M′_w进行小波逆变换，得到重构图像并输出显示。

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