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。
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
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)
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
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
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
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。
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