CN104486640B - 一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法,包括:星上编码步骤:把图像划分成互不重叠的子块;对每个子块进行JPEG‑LS编码;每K个子块后***一组EDC信息形成检错码流;进行RS(m,n)纠错编码;对检纠错码流按c*m字节分成等长的数据包;在压缩码流前加入每帧的压缩帧头,而在其压缩码流后加入每帧的压缩帧尾。地面解码步骤:采用距离最小化准则从码流中搜索压缩帧头,并提取一帧的压缩码流;在帧头中提出多份压缩信息;采用距离最小化准则从压缩码流中搜索包识别码,并提取c*m字节的数据包;进行RS(m,n)解码;搜索EDC识别码;每个子块独立进行JPEG‑LS解码,并拼接成完整的图像。本发明方法可以很好地对误码进行纠正。
Description
技术领域
本发明属于图像处理与信号传输相结合的交叉科技技术领域,具体涉及一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法。
背景技术
随着星载成像载荷种类和分辨率的提高,在有效观测时间段内卫星获取的图像数据量越来越大。受地面接收站地理分布、卫星数据存储、传输带宽能力等限制,海量的图像数据给卫星数据管理造成极大的压力,进行星载图像压缩是解决该问题的必然选择。由于卫星遥感成像一方面图像获取的代价高,另一方面获取的数据本身就很重要,因此,星载压缩***往往采用无损压缩技术。
在星地传输通信时,由于传输介质的开放性使得信号极易受外界环境的干扰,导致压缩码流传输过程中出现误码和丢包现象。基于预测的无损编码方法对误码或丢包现象非常敏感,即使一个比特的错误也会导致错误严重扩散,因此必须采取相应的措施提高码流数据的抗误码/丢包能力。一般在数据传输通信中,可以采用重传协议来保证数据的可靠传输。然而,对于卫星通信,重传并不可行。这一方面是由于卫星通信有实时性要求,另一方面卫星图像编码后的数据量大,反复重传会导致信道堵塞。地面解压缩***对存在误码和丢包的压缩码流进行解码,致使解压缩图像与真实的卫星观测图像出现误差,给卫星图像分析和解释以及后续的应用造成很大的困难。
综上所述,需要研究新的星载压缩算法,提高星载压缩***的稳定性,解决传输过程中出现的误码和丢包的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法。通过在信源编码时引入分块压缩技术和检纠错编码技术,该方法弥补了传统星载压缩算法对星地传输过程中出现误码或丢包现象非常敏感的问题;而地面解码时合理利用这些检纠错信息,从而较好地解决误码和丢包的问题。
在具体介绍本发明之前,先介绍一些概念和方法:
1)检纠错(Error Detection and Correction,EDC)编码:把图像分成M×N大小的子块,每个子块独立进行编码,然后统计该子块变长压缩码流的特征信息,例如码流长度,因此又称为块检错编码。
2)RS纠错编码:RS码是一类具有很强纠错能力的多进制BCH码,既能纠正随机错误也能纠正突发错误。
3)距离R:为了从码流中准确地辨识出帧识别码(FHead)和包识别码(PHead),我们定义两者距离R为:
其中aij表示第i个压缩码流的第j位二进制数据,而bij表示上述识别码的第i个符号的第j位二进制数据。
本发明提供的一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法,其步骤包括:
星上编码步骤:
(1)利用星载成像***获取图像f,把图像f划分成互不重叠且大小为M×N的子块fi,i=1,2,...,SumI,SumI为子块总数;
(2)对每个子块进行JPEG-LS编码,并统计其EDC信息;
(3)每K个子块后***一组EDC信息形成检错码流,K为预设值;
(4)对步骤3获得的检错码流(码流含图像压缩码流和EDC信息)进行RS(m,n)纠错编码;
(5)对步骤4获得的检纠错码流按c*m字节分成等长的数据包,每个数据包前加入包识别码和包计数,c为预设值;
(6)在步骤5获得的压缩码流前加入每帧的压缩帧头,而在其压缩码流后加入每帧的压缩帧尾。
地面解码步骤:
(1)采用模式识别中的距离最小化准则从码流中搜索压缩帧头,并提取一帧的压缩码流;
(2)在帧头中提出多份压缩信息,统计对应比特位,再进行筛选得到分块参数、近无损度、图像的行和列信息,供解码时使用;
(3)采用距离最小化准则从压缩码流中搜索包识别码,并提取c*m字节的数据包;
(4)对步骤3获得的数据进行RS(m,n)解码;
(5)在步骤4获得的数据中搜索EDC识别码,并对对应比特位统计的结果进行筛选,得到正确的EDC检错信息;
(6)利用步骤5提取的EDC信息分割压缩码流得到每个子块的码流,每个子块独立进行JPEG-LS解码,并拼接成完整的图像。
在星地传输通信过程中,传输介质的开放性使得信号极易受到外界环境的干扰。传统星载压缩***要么直接丢失该帧压缩码流;要么在图像压缩编码之后再加上纠错编码减少误码出现的概率,出现误码和丢包后同样舍弃该帧压缩码流。本发明提出的一种抗误码和丢包的信源编码和智能解码方法在误码出现时首先通过RS(m,n)方法可以很好地对误码进行纠正,其纠错能力接近100%;即使在高误码率条件下(即连续出错误码超过个字节,超出RS(m,n)纠错能力)存在未能纠正的错误码流,其次EDC信息可以把误码和丢包现象造成的解码错误限制在该局部子块内,在下一个局部子块又恢复正常解码。
附图说明
图1是卫星图像的编解码处理及其应用示意图;
图2是本发明方法中压缩输出帧格式简图;
图3是EDC信息的校验存放示意图;
图4是采用模式识别中的距离最小化准则从码流中智能化地辨识帧头的示意图;
图5是本发明方法中RS纠错结构图;
图6是本发明方法中EDC信息提取流程图;
图7是本发明方法中利用EDC信息解码的结构图;
图8是本发明实施例中实验流程图;
图9(a)是本发明实施例中实验测试左路图像;
图9(b)是本发明实施例中实验测试右路图像;
图10是本发明实施例中未施加分块策略和检纠错技术,存在1Byte丢失的解码图像;
图11是本发明实施例中压缩码流丢失导致一个数据包不能正确提取的解码图像;
图12是本发明实施例中压缩码流丢失导致中间部分多个数据包不能正确提取的解码图像;
图13是本发明实施例中压缩码流丢失导致尾部多个数据包以及帧尾相机格式数据不能正确提取的解码图像;
图14是本发明实施例中压缩码流丢失导致两处数据包不能正确提取的解码图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明通过研究新的星载压缩算法,在星上编码时引入分块压缩技术和检纠错编码技术;而地面解码时合理利用这些检纠错信息,从而较好地解决误码和丢包的问题,如图1所示。
本发明提供的一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法,其步骤包括:
(1)星上编码步骤:
(1.1)利用星载成像***获取图像f,把图像f划分成互不重叠且大小为M×N的子块fi,i=1,2,...,SumI,SumI为子块总数,(M,N)作为分块参数,以及图像的行和列信息保存在压缩帧头中,实例中(M,N)取值为(8,32);
(1.2)每个子块进行JPEG-LS编码,并统计其EDC信息;
(1.3)每K个子块后***一组EDC信息形成检错码流,K为预设值,所述一组EDC信息为该K个子块所对应的EDC信息;
每K个子块后***一组EDC信息,组成图2中第4层检错码流数据(K为预设值,实例中K优选取值为17)。由于码流长度因压缩比不同而变化,故定义为变长数据区。其中EDCn为第n个块的EDC信息,为防止误码破坏EDC信息,将EDC信息重复存放a次(a为预设值,实例中a优选取值为3)。考虑到压缩效率以及误码集中出现的特殊情况,将EDC信息存放的位置进行优化处理,即将同一个EDC信息存放在该帧码流的a个不同位置上,因此我们设计为每完成K个子块的EDC信息统计就向压缩码流中***一次EDC信息,每次***a组(每K个分块的EDC信息为1组)的EDC信息,如图3所示。解码时根据a选的策略筛选得到正确的EDC信息。
(1.4)对步骤(1.3)获得的检错码流(码流含图像压缩码流和EDC信息)进行RS(m,n)纠错编码;
图2中第3层是对第4层可变数据区进行RS(m,n)纠错编码。每次针对第4层数据截取n字节的码流计算出m-n字节的校验信息,添加在n字节码流后输出。每帧最后不足n字节的码流用最后一个字节的数据补齐至n字节,实例中m取值为255,n取值为223。
(1.5)对步骤(1.4)获得的检纠错码流按c*m字节分成等长的数据包,每个数据包前加入包识别码和包计数,c为预设值;
图2中第2层在第3层的基础上,将第3层码流按c*m字节分成等长的数据包(c为预设值,实例中c优选取值为12),作为第2层的码流字段,每个字段前分别添加d字节的包识别码和e字节的包计数。当帧结束时,若码流不足c*m字节,则需要补齐c*m字节,不足部分添加0,实例中d取值为4,e取值为2。
(1.6)在步骤(1.5)获得的压缩码流前加入每帧的压缩帧头,而在其压缩码流后加入每帧的压缩帧尾;
图2中第1层在第2层的基础上添加帧头信息和帧尾信息,得到最终的压缩码流。实例中帧头信息包括16字节的帧识别码、1字节的分块参数、1字节的近无损度、2字节的图像行计数和2字节的图像列计数。由于帧头信息特别重要,因此重复保存5份。
(2)地面解码步骤:
(2.1)采用模式识别中的距离最小化准则从码流中搜索压缩帧头,并提取一帧的压缩码流;
如图4所示,假设当前待识别的码流为Code1,Code2,Code3,….,辨别容忍干扰距离(WR)为4,则Code2为压缩帧头;
(2.2)在帧头中提出多份压缩信息,统计对应比特位,再进行筛选得到分块参数、近无损度、图像的行和列信息,供解码时使用;
在帧头中根据g(实例中g取值为5)选的策略筛选得到分块参数、近无损度、图像的行和列信息,供解码时使用;
(2.3)采用距离最小化准则从压缩码流中搜索包识别码,并提取c*m字节的数据包。
如果由于误码和丢包现象导致包识别码不能辨别或者包长度出错时,则丢弃该包码流。包长度是RS(m,n)单位编码的整数倍,因此在误码和丢包的情况下,RS都能正常地检纠错解码。
(2.4)对步骤(2.3)获得的数据进行RS(m,n)解码,得到图2中第4层数据,该层仅包含图像压缩码流和各分块的EDC信息。RS译码的结构图如图5所示,主要包括5个模块部分:伴随式计算、关键方程求解、钱氏(Chien)搜索计算错误位置、福尼(Forney)算法求错误值和错误纠正。
(2.5)在步骤(2.4)获得的数据中搜索EDC识别码,并对对应比特位统计的结果进行筛选,得到正确的EDC检错信息。
在第4层数据中采用距离最小化准则搜索EDC识别码。根据EDC信息头中位置标识Index是否等于PIndex+1(PIndex为上一次提取的EDC信息位置标识)辨识是否存在丢失。如果EDC信息存在丢失,则令丢失的EDC信息EDC[PIndex+1],…,EDC[Index-1]和保存两个相邻EDC之间真实压缩码流长度的数值DataLen[PIndex+1],…,DataLen[Index-1]为0;而EDC[Index]为当前EDC信息,DataLen[Index]为当前两个EDC之间码流的长度,同时令PIndex=Index,具体的流程如图6所示。最后根据a选的策略筛选得到正确的EDC检错信息;
(2.6)利用步骤(2.5)提取的EDC信息分割压缩码流得到每个子块的码流,每个子块独立进行JPEG-LS解码,并拼接成完整的图像。
如果记录第k组(每K个分块的EDC信息为1组)图像压缩码流的理论长度EDC[k]等于实际码流长度DataLen[k],并且实际码流长度DataLen[k]不为0(数据的有效性判断),则该K个分块对应的图像数据由JPEG-LS解码获得;否则该K个子块对应的图像数据全部赋值为0,具体的流程如图7所示;
仿真实验时,只需对图9中的测试图像压缩编码一次,然后对压缩码流循环注入误码,组成待解码的文件,再进行大规模解码实验,具体的流程如图8所示。将有误码的码流进行EDC+RS检纠错解码后,得到的熵编码码流与没有添加误码的熵编码码流进行比较可以统计得到纠错后的误比特数;以及将解码图像和原图进行对比,统计得到解码图像的误像素率。20次仿真实验平均统计结果如表1所示。
表1
从表1中所示的结果可以看出RS纠错编码具有出色的纠错能力,但是在高误码率条件下(超出RS纠错能力)也存在未能纠正的错误码流。为了防止误码扩散,利用EDC信息隔离误码是非常有必要的,因此EDC+RS检纠错方式可以达到较好的性能。
图10所示的结果反映了未施加分块策略和检纠错技术的压缩方法只要存在1Byte的丢失,解码图像就会从丢失数据处全部出错。分析发现17个子块的图像数据压缩后长度一般约为1440Byte,失败提取一个3060Byte的数据包会影响三份EDC信息提取压缩码流,从而影响51个子块的解压,共51*32=1632列,约占一行长度的1/2(每行共3256列),从图11和图14可以看出本发明提出的信源智能编解码方法可以很好地还原图像。
图12和图13所示的结果反映了即使出现大量数据丢失,本发明提出的信源智能编解码方法可以有效地隔离错误,可以最大化地还原图像。
本发明不仅局限于上述具体实施方式,本领域一般技术人员根据本发明公开的内容,可以采用其它多种具体实施方式实施本发明,因此,凡是采用本发明的设计结构和思路,做一些简单的变化或更改的设计,都落入本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种抗误码和丢包的信源编码与智能解码方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
(1)星上编码步骤:
(1.1)利用星载成像***获取图像f,把图像f划分成互不重叠且大小为M×N的子块fi,i=1,2,...,SumI,SumI为子块总数,(M,N)为预设值;
(1.2)每个子块进行JPEG-LS编码,并统计其EDC信息;
(1.3)每完成K个子块的EDC信息统计就向压缩码流中***α组的EDC信息,组成第4层检错码流数据,其中每一组EDC信息为该K个子块所对应的EDC信息,α为预设值;
(1.4)对步骤(1.3)获得的检错码流数据进行RS(m,n)纠错编码,具体为:对所述第4层检错码流数据,每截取n字节的码流计算出m-n字节的校验信息,添加在n字节码流后输出,每帧最后不足n字节的码流用最后一个字节的数据补齐至n字节,形成第3层检纠错码流数据;
(1.5)将所述第3层检纠错码流数据按c*m字节分成等长的数据包,作为第2层的码流字段,c为预设值,每个字段前分别添加d字节的包识别码和e字节的包计数,当帧结束时,若码流不足c*m字节,则补齐c*m字节,不足部分添加0;
(1.6)在步骤(1.5)获得的压缩码流前加入每帧的压缩帧头,而在其压缩码流后加入每帧的压缩帧尾;
(2)地面解码步骤:
(2.1)采用距离最小化准则从码流中搜索压缩帧头,并提取一帧的压缩码流;
(2.2)在帧头中提出多份压缩信息,统计对应比特位,再进行筛选得到分块参数、近无损度、图像的行和列信息,供解码时使用;
(2.3)采用距离最小化准则从压缩码流中搜索包识别码,并提取c*m字节的数据包;
(2.4)对步骤(2.3)获得的数据进行RS(m,n)解码,得到第4层数据,该层仅包含图像压缩码流和各分块的EDC信息;
(2.5)在步骤(2.4)获得的数据中搜索EDC识别码,并对对应比特位统计的结果进行筛选,得到正确的EDC检错信息;
(2.6)利用步骤(2.5)提取的EDC信息分割压缩码流得到每个子块的码流,每个子块独立进行JPEG-LS解码,并拼接成完整的图像。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2.2)具体为:在帧头中根据g选的策略筛选得到分块参数、近无损度、图像的行和列信息,供解码时使用。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述步骤(2.3)中:如果由于误码和丢包现象导致包识别码不能辨别或者包长度出错时,则丢弃该包码流。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2.5)具体为:在第4层数据中采用距离最小化准则搜索EDC识别码,根据EDC信息头中位置标识Index是否等于PIndex+1辨识是否存在丢失,PIndex为上一次提取的EDC信息位置标识,如果EDC信息存在丢失,则令丢失的EDC信息EDC[PIndex+1],…,EDC[Index-1]和保存两个相邻EDC之间真实压缩码流长度的数值DataLen[PIndex+1],…,DataLen[Index-1]为0;而EDC[Index]为当前EDC信息,DataLen[Index]为当前两个EDC之间码流的长度,同时令PIndex=Index,最后根据a选的策略筛选得到正确的EDC检错信息。
5.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2.6)具体为:如果记录第k组图像压缩码流的理论长度EDC[k]等于实际码流长度DataLen[k],并且实际码流长度DataLen[k]不为0,则该K个分块对应的图像数据由JPEG-LS解码获得;否则该K个子块对应的图像数据全部赋值为0。
6.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述步骤(1.1)中(M,N)的取值为(8,32)。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在所述步骤(1.4)中:m取值为255,n取值为223。
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