孫士潔，趙懷慈，郝明國(guó)

（1.中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110016；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100039；3.中國(guó)科學(xué)院 光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016；4.遼寧省圖像理解與視覺(jué)計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110016）

目前，無(wú)線圖像傳輸技術(shù)在軍事和民用諸多領(lǐng)域均已得到廣泛應(yīng)用，但在帶寬、能量等資源受限條件下，實(shí)現(xiàn)“高速運(yùn)動(dòng)中”無(wú)線圖像高質(zhì)量、高速率、高可靠的實(shí)時(shí)傳輸仍然是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題：1）壓縮圖像數(shù)據(jù)敏感。高效壓縮編碼使圖像數(shù)據(jù)碼流對(duì)信道傳輸差錯(cuò)愈加敏感，通過(guò)信道后產(chǎn)生的錯(cuò)誤無(wú)法定位，且可能在時(shí)間和空間上擴(kuò)展。2）無(wú)線傳輸信道復(fù)雜。無(wú)線傳輸信道受周?chē)h(huán)境物理屬性影響，陰影衰落、多徑干擾等條件很難遍歷，各種突發(fā)干擾也無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知。3）誤差特性描述困難。無(wú)線傳輸過(guò)程中，圖像數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)誤往往具有相關(guān)性，錯(cuò)誤比特長(zhǎng)度、發(fā)生頻率及位置等特征難以用精確的數(shù)學(xué)語(yǔ)言進(jìn)行描述。因此，進(jìn)行無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、論證，減小硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本，確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在高速移動(dòng)條件下保持魯棒性，準(zhǔn)確理解整個(gè)無(wú)線圖像傳輸鏈路的錯(cuò)誤屬性與傳遞規(guī)律至為關(guān)鍵。

對(duì)于通信鏈路誤差建模，現(xiàn)有方法主要是根據(jù)誤差描述的精細(xì)程度選取轉(zhuǎn)移狀態(tài)數(shù)量，構(gòu)建有限或無(wú)限狀態(tài)馬爾科夫鏈和隱性馬爾科夫鏈誤差模型[1-3]。這些模型要準(zhǔn)確描述鏈路誤差特征，需要確定的參數(shù)較多，算法也十分復(fù)雜。為此，本文在分析無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)鏈路誤差轉(zhuǎn)換過(guò)程基礎(chǔ)上，借鑒“瑞士奶酪模型”思想，提出了高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸誤差鏈概念模型，以幀差錯(cuò)間隔、幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)和錯(cuò)誤位置為隨機(jī)變量，采用具有兩個(gè)參數(shù)的Weibull分布近似幀差錯(cuò)間隔與幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)樣本統(tǒng)計(jì)分布，并假定錯(cuò)誤位置樣本分布服從均勻分布，建立了一種簡(jiǎn)單而靈活的高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸鏈路誤差模型，并對(duì)所提出的誤差模型性能進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所提出的誤差模型比較準(zhǔn)確地反映了真實(shí)高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)的鏈路誤差特性，進(jìn)而驗(yàn)證了誤差模型的正確性與有效性。

1 無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)誤差鏈概念模型

無(wú)線圖像傳輸過(guò)程是為實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用目的而對(duì)圖像信息進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換或變換的活動(dòng)。這些信息轉(zhuǎn)化活動(dòng)都不可避免地會(huì)造成原始圖像信息的丟失并引入一定量誤差，同時(shí)，各種誤差在信息傳遞與轉(zhuǎn)換過(guò)程中也會(huì)發(fā)生抵消、擴(kuò)大或累積等現(xiàn)象，構(gòu)成一種鏈?zhǔn)疥P(guān)系，所有的鏈?zhǔn)疥P(guān)系共同組成了誤差信息傳輸鏈，即誤差鏈。如圖1所示，按照典型數(shù)字通信系統(tǒng)構(gòu)成[4]，無(wú)線圖像傳輸誤差鏈可由圖像獲取環(huán)節(jié)、圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)、圖像發(fā)送環(huán)節(jié)、信道傳輸環(huán)節(jié)、圖像接收環(huán)節(jié)和圖像重構(gòu)環(huán)節(jié)所組成。

圖1 高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸誤差鏈

圖1中6個(gè)環(huán)節(jié)誤差轉(zhuǎn)換關(guān)系簡(jiǎn)要描述如下：1）在圖像獲取環(huán)節(jié)，目標(biāo)背景反射或輻射能量經(jīng)大氣衰減、吸收后被傳感器感受，并通過(guò)采樣、量化完成原始圖像數(shù)字化處理。在此過(guò)程中，誤差來(lái)源主要是大氣傳輸引入的目標(biāo)背景發(fā)射與輻射能量損失、傳感器和光學(xué)系統(tǒng)引發(fā)的圖像幾何失真和圖像數(shù)字化處理過(guò)程采樣量化誤差，以及信息傳輸時(shí)延。2）預(yù)處理環(huán)節(jié)重點(diǎn)完成原始數(shù)字圖像的壓縮編碼，誤差主要包括前一環(huán)節(jié)中采樣量化與大氣吸收引入誤差、壓縮編碼導(dǎo)致圖像部分信息丟失以及信息傳輸時(shí)延。3）發(fā)送環(huán)節(jié)包含從加密、信道編碼、調(diào)制到濾波、射頻的全部信號(hào)處理過(guò)程，誤差主要由對(duì)預(yù)處理環(huán)節(jié)數(shù)字圖像信號(hào)的調(diào)制誤差、濾波誤差和傳輸時(shí)延組成。4）信道傳輸過(guò)程中，多徑干擾和其他電磁干擾主要導(dǎo)致數(shù)字圖像傳輸信號(hào)的碼間串?dāng)_、陰影衰落等，以及圖像傳輸系統(tǒng)收發(fā)終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的非常大的多普勒頻移。5）接收環(huán)節(jié)組成與發(fā)送環(huán)節(jié)相反，包括射頻、濾波、解調(diào)、信道解碼和解密等信息處理單元，誤差組成主要表現(xiàn)為誤碼和傳輸時(shí)延。6）重構(gòu)環(huán)節(jié)主要完成圖像重構(gòu)，前述各環(huán)節(jié)誤差在這個(gè)環(huán)節(jié)表現(xiàn)為誤碼在時(shí)空域擴(kuò)散引起的圖像分組數(shù)據(jù)包丟包、包錯(cuò)誤以及傳輸時(shí)延，最終導(dǎo)致重構(gòu)圖像質(zhì)量嚴(yán)重惡化。

基于上面分析，借鑒安全科學(xué)領(lǐng)域“瑞士奶酪模型”[5]的思想（即所有系統(tǒng)都是由若干基本要素構(gòu)成，每個(gè)基本要素中存在的漏洞或缺陷形如每片奶酪上的孔洞，且孔洞的位置和大小不斷變化，當(dāng)所有奶酪上的孔在瞬間排列在一條直線上時(shí)，形成“事故機(jī)會(huì)彈道”，危險(xiǎn)就會(huì)穿過(guò)所有基本要素導(dǎo)致事故發(fā)生），以誤差鏈中各環(huán)節(jié)為基本要素，以各環(huán)節(jié)中存在誤差為漏洞或缺陷，形成高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸誤差鏈概念模型，如圖2所示。

圖2 高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸誤差鏈概念模型

2 高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)誤差鏈分析與建模

2.1 統(tǒng)計(jì)參數(shù)選取

高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸時(shí)，各種鏈路誤差因其屬性不同對(duì)圖像重建質(zhì)量的影響比重差異很大。如圖像獲取環(huán)節(jié)形成待傳輸?shù)脑紙D像信息，經(jīng)無(wú)線傳輸后要求重建圖像可以最大限度地準(zhǔn)確再現(xiàn)這些原始圖像信息，而大氣環(huán)境、采樣量化等引入的誤差造成原始圖像信息與真實(shí)目標(biāo)背景間的差異，與圖像重建質(zhì)量無(wú)因果關(guān)系；相反，信道傳輸環(huán)節(jié)中，多徑干擾、陰影效應(yīng)和多普勒頻移等引入的誤差，直接導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)解碼的誤碼，成為引發(fā)圖像重建質(zhì)量惡化的關(guān)鍵因素。加之各種鏈路誤差在傳遞過(guò)程中，其屬性和形式也發(fā)生變化且轉(zhuǎn)換復(fù)雜，很難用數(shù)學(xué)形式確切描述。因此，高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)誤差鏈，需要根據(jù)應(yīng)用需求，選取適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計(jì)參量進(jìn)行分析。

考慮實(shí)際無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)是根據(jù)所采用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議封裝成幀，以“幀數(shù)據(jù)”形式進(jìn)行傳輸；而每幀數(shù)據(jù)中錯(cuò)誤發(fā)生是隨機(jī)的，且錯(cuò)誤比特因發(fā)生位置不同導(dǎo)致其在數(shù)據(jù)幀內(nèi)或相關(guān)數(shù)據(jù)幀之間擴(kuò)展，直接造成端到端無(wú)線圖像傳輸質(zhì)量惡化。因而，建立無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)鏈路誤差模型，主要考慮引入以下統(tǒng)計(jì)參量[6-7]：

1）幀差錯(cuò)間隔（Frame Error Separation，F(xiàn)ES），表示兩個(gè)連續(xù)發(fā)生損壞的數(shù)據(jù)幀之間的間隔；

2）幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)（Number of Error per Corrupted Frame,NECF），表示每個(gè)損壞的數(shù)據(jù)幀中錯(cuò)誤比特個(gè)數(shù)；

3）錯(cuò)誤位置（Error Location,EL），表示每個(gè)損壞的數(shù)據(jù)幀中每個(gè)錯(cuò)誤比特在該數(shù)據(jù)幀所處的位置。

基于上述3個(gè)統(tǒng)計(jì)參量，可以給出高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸數(shù)據(jù)流的幀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。幀差錯(cuò)間隔與幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)的分布規(guī)律，可以通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并采用曲線擬合方法分別得到其概率密度函數(shù)。文獻(xiàn)[7]中，以數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)為例，將幀差錯(cuò)間隔、幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)和錯(cuò)誤位置的統(tǒng)計(jì)特性分別用離散的指數(shù)分布、高斯分布與均勻分布近似描述，在此基礎(chǔ)上，采用這3個(gè)隨機(jī)變量建立了誤差模型并驗(yàn)證其有效性。

圖3 無(wú)線圖像傳輸數(shù)據(jù)流的幀結(jié)構(gòu)

2.2 誤差模型的建立

建立誤差模型實(shí)質(zhì)上就是選取反映誤差特征的統(tǒng)計(jì)參量，并將其統(tǒng)計(jì)特性用經(jīng)典的概率分布或隨機(jī)過(guò)程近似描述的過(guò)程。遵循這一誤差模型設(shè)計(jì)思想，本節(jié)在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上，以幀差錯(cuò)間隔、幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)和錯(cuò)誤位置為隨機(jī)變量，提出以?xún)蓚€(gè)參數(shù)的Weibull分布分別替代離散的指數(shù)分布和高斯分布，對(duì)幀差錯(cuò)間隔與幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行近似，以均勻分布近似錯(cuò)誤位置樣本統(tǒng)計(jì)特性，建立高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸鏈路誤差模型。

Weibull分布主要用于可靠性工程和失效分析領(lǐng)域，因它具有多功能性，可通過(guò)參數(shù)調(diào)整獲得近似指數(shù)分布、正態(tài)分布等分布形式，因而在天氣預(yù)報(bào)、生存分析以及通信系統(tǒng)工程等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。具有兩個(gè)參數(shù)的Weibull分布概率密度函數(shù)定義為[8]式中：a和b分別為尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。確定這兩個(gè)參數(shù)的具體步驟如下：

1）設(shè)定高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸場(chǎng)景條件，進(jìn)行圖像傳輸試驗(yàn)并存儲(chǔ)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，形成分析圖像傳輸鏈路誤差統(tǒng)計(jì)特性的樣本數(shù)據(jù)集；

2）分析樣本數(shù)據(jù)集的幀差錯(cuò)間隔與幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)的統(tǒng)計(jì)特性，計(jì)算幀差錯(cuò)間隔、幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)的樣本統(tǒng)計(jì)均值、方差及概率分布；

3）采用曲線擬合方法，以Weibull分布近似幀差錯(cuò)間隔與幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)的樣本概率分布，進(jìn)而確定a和b數(shù)值。

如圖4所示，采用H.264+RS+OFDM方案的無(wú)線圖像收發(fā)系統(tǒng)，在車(chē)載高速移動(dòng)條件下實(shí)測(cè)無(wú)線圖像傳輸試驗(yàn)的樣本數(shù)據(jù)集，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析形成的樣本FES分布和NFES分布，并將兩個(gè)樣本分布與采用指數(shù)分布、高斯分布和具有兩個(gè)參數(shù)的Weibull分布的近似描述進(jìn)行了對(duì)比。從圖4中可以看出，確定適當(dāng)?shù)某叨群托螤顓?shù)，Weibull分布對(duì)樣本FES分布和NFES分布的近似效果要好于指數(shù)分布和高斯分布。

圖4 信噪比為20 dB條件下高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸樣本FES分布和NFES分布及其近似分布

3 仿真實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證

3.1 仿真方案設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證所提出誤差模型的有效性，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如圖5所示。該方案中，視頻序列傳輸分兩路處理：一路是原始視頻序列經(jīng)H.264編碼器后，加入誤差模型生成的錯(cuò)誤序列，然后由H.264解碼器完成解碼，整個(gè)過(guò)程由軟件仿真實(shí)現(xiàn)；另一路是在車(chē)載高速移動(dòng)條件下，由采用H.264+RS+OFDM方案設(shè)計(jì)的無(wú)線圖像收發(fā)硬件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)。最終，以重構(gòu)視頻序列的峰均值信噪比（PSNR）作為檢驗(yàn)誤差模型有效性的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 仿真實(shí)驗(yàn)原理圖

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

依據(jù)仿真方案，在不同信噪比（EbN0）條件下進(jìn)行了誤差模型的性能仿真，并將仿真結(jié)果與高速公路環(huán)境下的硬件系統(tǒng)實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。比較表1中兩組PSNR值，結(jié)果表明本文所提出的誤差模型比較準(zhǔn)確地反映真實(shí)高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)的鏈路誤差特性，進(jìn)而驗(yàn)證了誤差模型的正確性與有效性。

表1 H.264視頻重建質(zhì)量評(píng)估

4 小結(jié)

本文在分析無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)鏈路誤差轉(zhuǎn)換過(guò)程基礎(chǔ)上，借鑒“瑞士奶酪模型”思想，提出了高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸誤差鏈概念模型；以?xún)蓚€(gè)參數(shù)Weibull分布近似表示幀差錯(cuò)間隔和幀內(nèi)誤比特?cái)?shù)樣本統(tǒng)計(jì)特性、均勻分布近似表示錯(cuò)誤位置樣本統(tǒng)計(jì)特性，建立了具有3個(gè)隨機(jī)變量的高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸誤差鏈模型，并以PSNR值為指標(biāo)對(duì)所提出的誤差鏈模型性能進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，所提出的誤差模型比較準(zhǔn)確地反映了真實(shí)高速移動(dòng)無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)的鏈路誤差特性，進(jìn)而驗(yàn)證了誤差模型的正確性與有效性。

[1] BAI Haowei.Error modeling schemes for fading channels in wireless communications:a aurvey[J].IEEE Communications Surveys＆Tutorials，2003，5（2）：2-9.

[2]SALIH O S，WANG C-X，LAURENSON D I.Three layered hidden markov models for binary digital wireless channels[C]//Proc.IEEE International Conference on Communicaitons.[S.l.]：IEEE Press，2009：1-5.

[3]ROBERT P N，DARWISH A M，REED J W.Fast bit error generation for simulation of MPEG-2 transmission in wireless systems[C]//Proc.IEEE Wireless Communications and Networking Conference.[S.l.]：IEEE Press，1999：324-328.

[4]SKLAR B.數(shù)字通信原理與應(yīng)用[M].徐平平，宋鐵成，葉芝慧，等，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[5] REASON J.Human error[M].New York:Cambridge University Press,1990.

[6]FARRUGIA R A，DEBONO C J，MICALLEF P.Channel modeling and simulation of a Ka-band videoconferencing system[C]//Proc.IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference.[S.l.]：IEEE Press，2006：613-616.

[7] FARRUGIA R A，DEBONO C J.A statistical bit error generator for emulation of complex forward error correction schemes[C]//Proc.IEEE International Conference on Communications.[S.l.]：IEEE Press，2007：177-182.

[8]MURTHY D N P，XIE M，JIANG R.Weibull models[M].[S.l.]：John Wiley ＆ Sons,Ltd.，2004.