基于多级校验级联编码结构的图像编码传输方案

郭 良

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

基于多级校验级联编码结构的图像编码传输方案

郭 良

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

由于图像中相邻像素点之间具有很大的相似性，因此，图像传输时就存在包含相同信息的分组。本文提出了多级校验级联编码结构（MPCCs），并给出了基于MPCCs的图像编码传输方案。

图像编码传输；相同信息分组；多级校验级联

1 引言

在图像传输中，尤其是在高清图像传输中，图像相邻像素点之间具有很大的相似性[1]，如图1所示。图中指定区域内的像素点基本相同，那么该图像进行传输时就存在包含相同信息的分组，如果将这些相同的分组都进行信道编码传输，就会浪费资源且传输性能不能保证。因此，本文研究的重点是如何充分利用图像中像素的相似性，保证图像传输性能。本文提出一种适合相同分组传输的多级校验级联编码结构（MPCCs），该结构只需要设计一个交织器，复杂度低，且对图像中相同分组采用MPCCs进行信道预编码方案显著提升了相同分组的传输质量。

图1 高清图像

2 多级校验级联编译码结构及性能仿真

2.1 图像传输编码方案分析

图2 常用图像编码传输系统

在图像传输中，通常首先对图像进行打包处理，将打包后的数据进行信道编码及调制以提高图像的传输抗干扰能力，保障传输质量（见图2）。由于图像相邻像素点之间具有很大的相似性，在图像打包中会产生很多包含相同信息的分组。因此，对这些相同分组进行信道编码之前进行一次信道预编码，如图3所示，即用其中任一分组的信道预编码的校验结果来代替其他的相同分组，这样不仅充分利用资源，而且保证了传输性能。如图3所示。

图3 基于信道预编码的图像相同分组编码传输方案

在图3中的信道预编码部分可以采用Tu rbo[2]和多维Tu rbo码的编码结构实现，假设有N+1个相同分组，多维Turbo码编码结构如图4所示，其中，A1是相同分组中的一个，用校验信息PA1～PΠN-2(A1)代替原来的另外N个相同分组，但是这种结构要获得良好的性能，要求所有的交织器各不相同，而多个交织器的设计非常困难。因此本文提出多级校验级联编码结构，实现图3中的信道预编码。

图4 多维Turbo码编码结构

2.2 多级校验级联编码结构

多级校验级联编码结构（MPCCs）如图5所示。以分量码码率为1/2为例说明多级校验级联编译码结构的编码过程为：信息序列u送入级联模块1产生校验序列P1，将第一个级联模块产生的校验序列P1，作为第二个级联模块的信息序列，第二个级联模块产生校验序列P2，作为第三个级联模块的信息序列，按照上面过程依次进行完成编码，最终被传输的码字序列为c= (u,P1, P2, …, PN)，其中N≥2。

图5 多级校验级联编码结构

从结构上来看，分量码码率为1/2的多级校验级联结构中每一级交织器是前面几级交织器串联形成的新的交织器，所以新型校验级联结构中每一级交织器可以相同，与多维Tu rbo码的编码结构相比，该结构不用考虑设计多个交织器，整个编码过程只需要考虑设计一个交织器即可，复杂度比多维Turbo码的编码结构要低。另外，如果各级编码器采用相同的卷积码编码器，那么每一个级联模块都包含相同的卷积码编码器和交织器。也就是说，这个多级校验级联编码结构是通过相同交织器和卷积码编码器的单一模块进行多级级联重复完成，多级校验级联编码器的这种结构特点便于硬件模块化设计实现。

2.3 多级校验级联译码结构

多级校验级联译码结构可以采用SISO[3]结构进行迭代译码，对应的译码结构如图6所示，其中相同分组数为3。

图6 3个相同分组的MPCCs译码结构

每个SISO译码器都是两进两出。在该译码结构中，SISO译码器1的两个输入分别为u的先验信息La(u)和的P1先验信息La(1)(P1)，其中，u的先验信息La(u)即u的信道信息Lc(u)，P1的先验信息La(1)(P1)由两部分相加而成，一部分是P1的信道信息Lc(P1)，另一部分是SISO译码器2输出的P1的后验信息Leo(2)(P1)经过解交织的结果Lei(1)(P1)；SISO译码器1的两个输出分别是经过SISO译码的u的后验信息Leo(u)和P1后验信息Leo(1)(P1)，其中，u的后验信息Leo(u)与u的先验信息La(u)作为最后的判决信息。SISO译码器2的两个输入分别为P1的先验信息La(2)(P1)和P2的先验信息La(P2)，其中，P2的先验信息La(P2)即P2的信道信息，P1的先验信息La(2)(P1)由两部分相加而成，一部分是P1的信道信息Lc(P1)，另一部分是SISO译码器1输出的P1的后验信息Leo(1)(P1)经交织的结果Lei(2)(P1)；SISO译码器2的两个输出分别是经过SISO译码的P1的后验信息Leo(2)(P1)和P2的后验信息Leo(P2)。

该译码结构与Turbo码译码结构[4]不同点在于：在Turbo的迭代译码过程中，是通过信息位之间的迭代完成译码，而此译码结构的迭代译码过程，是通过迭代校验位之间的迭代完成译码。但是两者的本质都是采用了相同的SISO结构。

用DECX表示每一级译码，对于（1+N）个相同分组的MPCCs译码结构，以相同分组数N+1=6为例其迭代译码过程如图7所示。

图7 6个相同分组的迭代译码结构

2.4 理论分析

参照Turbo码的EXIT图[5]的分析过程，用EXIT图来分析MPCCs译码结构的性能。EXIT图分析的是进行迭代的信息序列与之对应的输入L值之间的互信息和与之对应的输出L值之间的互信息的关系曲线。此译码结构中，迭代的信息是校验序列，所以用EXIT图分析此译码结构时，互信息不再是信息序列与相应L值之间的互信息，而是校验序列与对应的输出或者输入L值之间的互信息，由此可以分析迭代过程是否能够收敛，是否存在迭代译码门限等。

图8 不同信噪比下两种结构的外信息转移图

EXIT图中，当两条曲线刚好不相交的时候，代表正确译码通道开启，为该译码结构的迭代译码信噪比门限。根据仿真结果，可以看出在Eb/N0=-0.059时，两种译码结构到达迭代译码信噪比门限，即两种结构能够具有相同的瀑布区（误比特率曲线开始显著快速下降的信噪比区域），并且在不同信噪比下，两者的EXIT图曲线相似，由此可以看出，两种迭代译码结构的信息迭代效果基本相同。

3 性能仿真与结果

3.1 多级校验级联编码结构性能仿真

为了验证MPCCs的性能，对其进行性能仿真，并与Turbo码和多维Turbo码进行比较，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

仿真2中，参数为四个分组数时，两种结构分别采用相同交织器和不同交织器进行对比仿真；参数为三个分组数时，Tu rbo结构采用不同交织器，而MPCCs采用相同交织器进行对比仿真。所有SISO译码采用BCJR译码算法[7]。

图9

由图9的仿真结果可以看出：三个相同分组情况下，两种结构在0～1dB误比特性能基本相同，在1～2dB之间相差0.25dB，但是在2dB后，两者误比特性能趋于一致。误帧率新结构较Turbo码有一定提升，随着信噪比的提高，两者误帧率趋于一致。从图中可以看出两者的瀑布区基本相同，与EXIT图分析结果一致。

由图10的仿真结果可以看出：三个相同分组情况下，两种结构性能基本相同；四个相同分组情况下，新结构中采用同一交织器和不同交织器，性能基本相同，与采用不同交织器的Tu rbo结构相差0.35dB左右，但是明显好于采用相同交织器的Turbo结构。

3.2 基于MPCCs的图像编码传输方案仿真

图10

为了验证基于MPCCs信道预编码方案对图像中相同分组传输性能的影响，分别采用Turbo码和MPCCs完成预编码处理进行计算机性能仿真，仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数

图11 加入预编码的性能比较

从图11的仿真结果中可以看出，Tu rbo码和MPCCs两种结构做预编码处理，相比单纯的信道编码带来很大的性能增益；MPCCs比Tu rbo码的结构相比要差0.2dB左右，但是随着相同分组数的增加，多维Turbo码的多个交织器的设计就会很困难。因此，综合考虑性能和设计实现复杂度，MPCCs更适于作为基于信道预编码的图像编码传输方案中的预编码器。

3.3 相同分组数目对MPCCs信道预编码方案性能影响的仿真

图12 相同分组数对MPCC预编码方案的影响

在第3.2小节中的仿真结果可以看出，MPCCs适于作为基于信道预编码的图像编码传输方案中的预编码器，为了评估不同数目的相同分组对性能的影响，针对不同数目的相同分组，进行基于MPCCs信道预编码方案进行计算机仿真，仿真参数与表2中仿真3参数相同，但相同分组数分别为4～7。仿真结果如图12所示。

从图12的仿真结果可以看出：预编码处理中输入的相同分组数越多，整体性能越好，当分组数达到6，7时，性能开始渐进，提升不大，也就是说，当达到6个分组来做预编码处理时，预编码对性能提升已经不那么明显。

4 结束语

本文提出了一种适合图像中相同分组编码传输的多级校验级联编码结构，并对该结构进行分析仿真，理论分析和仿真结果显示不仅MPCCs性能逼近Tu rbo码和多维Tu rbo码的性能，并且整个编码结构只需要设计一个交织器，该结构相比多维Tu rbo码减少了多个交织器的设计复杂度，而且采用MPCCs进行信道预编码的图像中相同分组编码传输方案相比传统信道编码方式有很大的性能增益，明显提升了相同分组的传输性能。

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Multiple Parity Concatenation Coding Structure based Image Coding Transmission Scheme

Guo Liang
(CETC 20th, Xi’an, 710068, China)

There are great sim ilarity between ad jacent pixels in image, which results in packets with sameinformation in image transmission. Amultiple parity concatenation coding structure (MPCCs) and its applicationin image coding transm ission is proposed in this paper.

image coding transmission; same information packets; multiple parity concatenation

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.05.004

TN919.8

A

1672-7274（2014）05-0014-05