一种用于无线视频传输的混沌码构造方法与流程

本发明涉及无线视频传输领域，尤其是涉及一种用于无线视频传输的混沌码构造方法。
背景技术：
：现如今，随着移动互联网的日渐普及和智能终端的广泛使用，网络数据量呈现爆炸性增长，其中尤其以图像视频数据增长最快。思科视觉网络统计的最新报告显示，从2016年到2021年，移动视频将增长8.7倍，在所有移动应用的增长率中名列榜首。到2021年，移动视频将占移动数据总流量的78％。另一方面，传统的图像视频通信系统可靠性较低，有线网络的带宽时变性或者无线链路的信道时变性使得图像视频传输出现马赛克甚至停播，造成了系统性能的瓶颈。在无线视频研究领域存在以下几个问题：一是移动性，比如说用户手持移动的设备，位置在不停的发生变化，因此它的信道也是在变化的，所以信道的质量也是在不停变化的；二是对于无线视频的广播传输，不同的用户在不同的地点，信道也具有分集特性；三是随着视频应用的普及，接收端从手机到各人电脑，它们的时间分辨率和空间分辨率都不一样。因此希望视频的传输获得的质量，能够在一定的信道范围质量内达到比较好的视频质量，同时，希望视频的质量能支持多分辨率，包括时间分辨率和空间分辨率。在数字系统中，信道编码被用来保护压缩的比特流，模拟视频传输也有类似的要求。在模拟视频传输中，没有了量化和熵编码，传输的是实值的变换系数，因此传统的有限域信道编码不再适用。在模拟图像视频传输中的编码是实数编码，我们主要研究其中的一种混沌编码。早在上世纪80年代初，wolf和marshall就已经各自分别提出了有关模拟纠错编码的概念。在marshall的研究工作中将它命名为实数编码，在wolf的研究中将它称为模拟编码。与数字纠错的基本原理相似，一个性能好的模拟编码应该通过距离扩展有效的放大欧氏距离。chen和wornell发现，混沌动态系统具有这个优异的特点。它通过迭代地调用混沌函数来生成信号序列。混沌函数的特征在于它们的快速发散性，即蝴蝶效应。该效应意味着初始输入中的即使是非常小的差异也将很快导致明显不同的信号序列。从距离扩展的角度来看，这表明即使在信源空间中的一对近距离的点，其编码后的序列将产生很大的距离。因此他们提出了第一个模拟混沌编码，这个编码设计是直接使用非线性和实值混沌tentmap作为信道编码。liu还将模拟混沌编码用于直接对图像的像素进行编码，由于像素存在大量的空间和时间冗余性，因此效率很低，这不符合图像视频传输的真实的场景。以上这些模拟混沌编码都是基于输入信源是服从均匀分布而设计的，然而这种假设并不适用于图像和视频。技术实现要素：本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于无线视频传输的混沌码构造方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于无线视频传输的混沌码构造方法，包括以下步骤：s1、将原始视频序列划分为多个gop，求出每个gop的dct系数矩阵，将所述dct系数矩阵转换为第一实数符号序列s；s2、通过设计的混沌映射函数将步骤s1所述第一实数符号序列s映射为第二实数符号序列，所述混沌映射函数的公式为：s3、对步骤s2得到的第二实数符号序列进行功率分配。所述步骤s1中求出每个gop的dct系数矩阵的过程具体包括：对划分的每个gop分别进行3维dct变换，得到dct系数矩阵sl×w×g，其中，l是视频序列每帧图像的高度，w是视频序列每帧图像的宽度，g是一个gop内视频序列的帧数。所述步骤s1中将所述dct系数矩阵转换为第一实数符号序列具体包括：将dct系数矩阵sl×w×g中的元素按行依次取出，再依次相接排列为单行的第一实数符号序列s＝{s[i],i＝0,1,…,l×w×g-1}。所述步骤s2得到的第二实数符号序列用x＝{x(i),i＝0,1,…,l×w×g×n-1}表示，其长度为m×n，其中，m＝l×w×g，n为带宽扩展因子。所述步骤s3具体包括：s31、对所述第二实数符号序列重新编码，转换成二维的实数矩阵xchunk_num×chunk_size，其中，chunk_num表示一个gop中的块个数，chunk_size表示块内元素个数；s32、用pj表示分配给第j个块的功率，pj的计算公式为：其中，gj表示第j个块的功率缩放因子，λj表示模拟编码前的第j个块的方差，的计算公式为：其中，p表示总功率，λj′表示经过模拟编码之后扩展的第j个块的方差，j＝0,1,…,chunk_num-1。与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、与传统的无线视频数字传输方法相比，本发明充分利用模拟编码调制中的自适应性，在伪模拟传输softcast中引入基于模拟编码的混沌函数，能够对抗无线传输中的信道噪声并且提高数据传输的鲁棒性，在提高功率利用率的同时增强视频传输的重建质量。2、针对实值输入的模拟信道编码，将变换后的dct系数作为输入信源，将基于模拟编码的混沌函数用于dct码元，通过迭代地调用一些预定义的混沌映射函数来生成信号序列，因为在信源空间中的一对小距离点在编码空间中将产生很大的距离差，所以利用混沌动态系统的距离扩展的特征可以生成具有抗错性的模拟信号。3、提出的混沌映射函数对于从小到中等值的信号能保持线性关系，而大信号在映射函数的非线性特征下将被折回，对于类高斯的输入信号，编码的输出仍基本保持类似的统计特性，降低功率惩罚，与输入功率相比，输出功率略有增加。4、本发明解决了混沌模拟编码方案中针对自然图像的类高斯信源功率惩罚问题，能够适用于高斯分布的视频图像传输技术中，具有很强的实用性。附图说明图1为原始视频序列的dct系数利用本发明方法在高斯信道下的传输示意图；图2为传统的tentmap混沌编码的函数图像；图3为传统的modmap混沌编码的函数图像；图4为本发明所提出的混沌映射函数的图像；图5为均匀分布信源在三个混沌映射函数下的mse性能示意图；图6为自然图像的dct系数在三个混沌映射函数下的mse性能示意图。图中标注：1、混沌编码器，2、功率分配，3、llse译码器，4、混沌译码器。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。为了将模拟编码应用到图像视频传输中，提出一种用于无线视频传输的混沌码构造方法，具体是构造一种针对广义高斯分布或拉普拉斯分布的信源的混沌映射函数，旨在利用这个混沌映射函数，实现对于从小到中等值的信号保持线性关系，而大信号在映射函数的非线性特征下将被折回。因此，对于类高斯的输入信号，编码的输出仍基本保持类似的统计特性；与输入功率相比，输出功率略有增加。该混沌映射函数考虑了信号源的统计特性、映射函数的纠错能力、原始信号与校验符号之间功率互相的平衡关系。所提出的用于无线视频传输的混沌码构造方法，包括以下步骤：s1、建立类高斯分布信源：s11、将原始视频序列划分为多个gop；s12、求每个gop的dct系数矩阵：对划分的每个gop分别进行3维dct变换，得到dct系数矩阵sl×w×g，其中，l是视频序列每帧图像的高度，w是视频序列每帧图像的宽度，g是一个gop内视频序列的帧数；s13、将dct系数矩阵转换为第一实数符号序列：将dct系数矩阵sl×w×g中的元素按行依次取出，再依次相接排列为单行的第一实数符号序列s＝{s[i],i＝0,1,…,l×w×g-1}。s2、通过设计的混沌映射函数将步骤s1的第一实数符号序列s映射为第二实数符号序列，混沌映射函数的公式为：函数图像如图4所示，得到的第二实数符号序列用x＝{x(i),i＝0,1,…,l×w×g×n-1}表示，其长度为m×n，其中，m＝l×w×g，n为带宽扩展因子，对应的码率为1/n；s3、对步骤s2得到的第二实数符号序列进行功率分配：s31、对第二实数符号序列重新编码，转换成二维的实数矩阵xchunk_num×chunk_size，其中，chunk_num表示一个gop中的块个数，chunk_size表示块内元素个数，这也意味着，矩阵xchunk_num×chunk_size中的每行表示组合邻近空间dct的块组件和所有它们的奇偶校验符号在一起，每个组块共享相同的功率缩放因子；s32、用pj表示分配给第j个块的对应功率，pj的计算公式为：其中，gj表示第j个块的功率缩放因子，是用于在功率受限条件下最小化均方误差估计，λj表示模拟编码前第j个块的方差，的计算公式为：其中，p表示总功率，λj′表示做了模拟编码之后扩展的第j个块的方差，是基于这个块的dct分量和它们在这个块中的编码奇偶校验符号来计算，j＝0,1,…,chunk_num-1。图1所示为本发明原始视频序列的dct系数在高斯信道下的传输示意图，dct系数矩阵经过混沌编码器1编码后进行功率分配2，接收端接收的信号附加了加性高斯白噪声(awgn)，经过线性最小均方估计llse译码器3后，再经过混沌译码器4译码得到原始视频序列。下面对构造的混沌映射函数的正确性和有效性进行验证，以均方误差估计(mse)来评价系统性能。用z＝{z[i],i＝0,1,…,m×n-1}表示接收的符号流，其计算公式为：z[i]＝gi×x[i]+w′[i]其中，i＝0,1,…,m×n-1，w[i]是均值为0和方差的信道噪声。接收端信号经过llse解码后得到y[i]，可以以标量的形式重写为：在接收端做完llse解码之后的mse可以表示为：其中，表示信道噪声的方差。将提出的混沌映射函数与目前最先进的两个混沌映射函数tentmap和modmap函数相比较，其函数图像分别如图2和图3所示。公平起见，设置所有三个映射函数的模拟编码符号具有相同的平均功率，并比较它们映射解码后的mse。由于混沌映射函数的性能对输入信源的概率分布相当敏感，因此评估均匀分布和自然图像的dct系数这两种信源，它们的mse性能分别如图5和图6所示，其中每个图比较了编码率为1/2的混沌映射函数tent(tenthalf)、混沌映射函数mod(modhalf)、提出的混沌映射函数(proposedhalf)和编码率为1/3的混沌映射函数tent(tentthird)、混沌映射函数mod(modthird)、提出的混沌映射函数(proposedthird)的性能。图5所示为均匀分布信源在三个混沌映射函数下的mse性能。由于增益主要是由分段线性函数的斜率获得，因此所有三个混沌映射函数的总体性能接近。在高信噪比时，1/3码率的模拟编码优于1/2码率模拟编码，但在低信噪比时它们是相似的。图6是自然图像的dct系数在三个混沌映射函数下的mse性能，不论在1/3码率还是1/2码率的模拟编码，本申请提出的混沌映射函数的mse性能都要优于其他两个混沌映射函数。s和x的平均功率分别用ps和px表示，用ps/px表示功率惩罚系数，ps和px的计算公式分别为：功率惩罚系数ps/px不仅与混沌映射函数有关，还与模拟信号的分布有关。评估tentmap、modmap、baker’smap和本申请提出的四个混沌映射函数的功率惩罚时，分别用了三种不同分布的信源，如表1所示。对于均匀分布的源，所有四个混沌函数都是没有功率惩罚。对于高斯分布的信源，本申请提出的混沌映射函数有3.6db的功率惩罚，而其他三个映射函数分别产生了5.5～8.5db的功率惩罚。ggd或拉普拉斯分布的信源，即表中“dct系数”的差异则非常显著，所提出的映射函数仅仅只有1db的功率惩罚，而其他三个映射函数则会产生大于40db的功率惩罚。表1不同混沌映射函数的功率惩罚系数混沌函数均匀分布高斯分布dct系数tentmap0.05.542modmap0.08.545baker’smap0.05.542proposedmap0.03.61通过比较可知本申请相较于其他方法的有效性和优越性，无论在高信噪比还是低信噪比条件下，运用本申请混沌码构造方法，接收端的信号mse质量都高于其他两种混沌函数tentmap和modmap。同时，采用基于模拟编码的无线视频传输方法，克服了传统无线视频传输中的悬崖效应，实现了视频在无线信道中传输时随着信道质量变化能够达到连续的图像质量衰减，同时接收端的视频也能达到高质量的重建。当前第1页12