一种基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法和装置

1.本发明涉及伪模拟视频传输和模拟信道编码领域，尤其是涉及一种基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法和装置。


背景技术：

2.传统的数字视频传输方式存在“悬崖效应”问题，无法适应组播场景中不同信道质量的用户需求。为了解决数字视频传输存在的“悬崖效应”问题，国外的研究提出伪模拟视频传输方案softcast。在发送端，伪模拟视频传输方案使用去相关、功率分配和白化来代替数字视频传输中的信源编码和信道编码。在接收端，伪模拟视频传输方案采用llse(linear least square estimator)译码来代替数字视频传输中的信道解码和信源解码。因为在伪模拟视频传输方案中的对于信源的变换都是线性的，所以重建视频信号与噪声信号呈线性关系。因此伪模拟视频传输方式对信道具有自适应性，可以消除“悬崖效应”。
3.混合数字模拟传输方式仍旧需要依靠数字视频传输的数据，会受到数字视频传输中“悬崖效应”的影响。此外，针对伪模拟视频传输方式本身的改进主要集中在视频源数据的处理和不同场景的应用。但是目前，从模拟信道编码的角度来提高softcast的相关研究较少。


技术实现要素：

4.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基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法和装置，从模拟信道编码的角度来提高伪模拟视频传输方式softcast对带宽的利用能力。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法，具体包括以下步骤：
7.s1、发送端获取需要传输的视频像素数据，对视频像素数据进行3d
‑
dct操作，得到3d
‑
dct系数并进行标准化处理；
8.s2、3d
‑
dct系数中的低频数据部分采用二维混沌编码进行编码保护，高频数据部分按照原始的softcast进行传输，并对其中需要传输的数据进行功率分配和白化操作后发送至接收端；
9.s3、接收端根据接收的数据进行llse译码，再对编码的低频数据部分使用二维混沌译码进行数据恢复，根据译码得到的3d
‑
dct系数进行逆dct操作，然后根据视频像素数据中每个像素块的顺序进行排列得到重建视频。
10.所述步骤s2中二维混沌编码具体过程为将混沌系统的初始状态作为数据信源，由混沌系统演变出新的状态，将新产生的状态作为编码数据，针对softcast传输的模拟实值信号进行编码保护，从而提高对带宽的利用能力。
11.进一步地，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码可以结合伪模拟视频传输方式softcast完成无线视频传输，完成无线视频传输所需的视频传输系统的框架包括发送端伪
模拟信道编码和接收端伪模拟信道译码两个部分。
12.所述步骤s2中二维混沌编码二维混沌编码采用改进的single
‑
input baker’s模拟编码算法，具体公式如下所示：
[0013][0014]
其中，max_v为3d
‑
dct系数绝对值的最大值，sign()为符号函数，x
n
和y
n
为当前的二维输入数据值，x
n+1
和y
n+1
为由当前二维输入数据值产生的冗余数据，形成混沌函数tent map数据序列x0,x1,...,x
n
‑1和混沌函数反函数数据序列y0,y1,...,y
n
‑1，x0和y0为相同的原始数据，n表示数据序列的长度。
[0015]
进一步地，所述混沌函数数据序列和混沌函数反函数数据序列组合形成低频数据部分的模拟编码数据序列x1‑
n
,x2‑
n
,...,x0,x0,x1,...,x
n
‑1进行传输。
[0016]
所述接收端接收到的冗余数据与原始数据之间的关系如下所示：
[0017][0018]
其中，x0和y0为相同值的原始数据，s＝[s0,s1,...,s
n
‑2]表示数据序列x0,x1,...,x
n
‑2的符号，x
k,s
和y
k,s
分别表示特定s情况下x0和y0产生的第k个冗余数据，a
k,s
、b
k,s
、c
k,s
和d
k,s
为特定s情况下的第k组系数，k＝0,1,...n
‑
1，n表示数据序列的长度；
[0019]
所述接收端接收到的信号如下所示：
[0020][0021]
其中，i＝0,1,...,n
‑
1，r
x,i
和r
y,i
表示接收到的第i组二维数据，x
i
和y
i
表示发送端传输的第i组二维数据，n
x,i
和n
y,i
表示第i组二维数据的加性高斯白噪声。
[0022]
进一步地，所述步骤s3中二维混沌译码采用改进的single
‑
input baker’s模拟译码，具体为最大似然译码，对应的最大似然译码估计值如下所示：
[0023][0024]
其中，e
l,s
和e
u,s
分别表示x0取值范围的最小值和最大值，r
x
和r
y
为接收到的二维数据，r
x,k
和r
y,k
表示接收到的第k组二维数据，x
k
和y
k
表示发送端传输的第k组二维数据，max_v为3d
‑
dct系数绝对值的最大值。
[0025]
进一步地，x0取值范围的最小值和最大值的计算公式如下所示：
[0026][0027]
进一步地，所述接收端的最大似然译码根据输入数据的相关性得到最优解如下：
[0028][0029][0030]
其中，为x方向上在特定s情况下最大似然译码的最优解，为x方向上在特定s情况下最大似然译码的计算值，为y方向上在特定s情况下最大似然译码的最优解，为y方向上在特定s情况下最大似然译码的计算值。
[0031]
进一步地，在无约束条件时可以将译码的结果表示为：
[0032][0033]
其中，a
s
、b
s
、c
s
和d
s
为特定s情况下的系数，为a
s
的转秩，为c
s
的转秩。
[0034]
进一步地，在有约束条件时表达式为：
[0035][0036]
其中，为x方向上在s1和s2情况下最大似然译码的计算值。
[0037]
所述低频数据部分中进行编码保护的数据对应的低频系数矩阵高度占据全部系数矩阵高度的1/d，其中d为保护系数。
[0038]
一种使用所述基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法的装置，所述包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器调用所述计算机程序执行如上所述方法中的步骤s1～s3。
[0039]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0040]
1.本发明对于3d
‑
dct系数中的低频数据部分采用二维混沌编码进行编码保护，通过加入信道编码方式来对传输的数据进行保护，进一步提高了对带宽的利用能力，提升了
softcast重建视频质量，有效解决softcast通过重复传输数据的方式对于带宽的利用能力比较低效的问题。
[0041]
2.本发明为了解决低信噪比情况下伪模拟编码视频质量不佳的问题，通过改进single
‑
input baker’s模拟编码来对低频数据进行保护，调整数据输入范围，使其适合dct系数的数据，选取数量更少的低频dct系数进行保护。改进后的二维混沌编码输入数据范围可以适应3d
‑
dct系数的数据范围，减少了原始single
‑
input baker’s模拟编码产生的冗余数据数量，减少了传输的数据数量，在低信噪比情况下，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法能够显著提升softcast接收端重建视频质量。
附图说明
[0042]
图1为本发明的流程示意图。
[0043]
图2为本发明实施例的系数保护示意图；
[0044]
图3为本发明基于二维混沌编码的伪模拟编码数据序列生成流程图；
[0045]
图4为本发明基于二维混沌编码的伪模拟译码流程图；
[0046]
图5为本发明参数设置对系统性能的影响效果图；
[0047]
图6为本发明重复传输两次的softcast传输效果图，其中图6(a)、(b)和(c)分别为
‑
10db、0db和10db信噪比下的效果图；
[0048]
图7为本发明基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast传输效果图，其中图7(a)、(b)和(c)分别为
‑
10db、0db和10db信噪比下的效果图；
[0049]
图8为本发明基于二维混沌编码的伪模拟信道编码传输效果图，其中图8(a)、(b)和(c)分别为
‑
10db、0db和10db信噪比下的效果图；
[0050]
图9为本发明实施例中三种无线视频传输方式性能对比图；
[0051]
图10为本发明实施例中三种无线视频传输方式性能对比图。
具体实施方式
[0052]
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。
[0053]
实施例
[0054]
如图1所示，一种基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法，在低信噪比的情况下显著提高提高对带宽的利用能力，具体包括以下步骤：
[0055]
s1、发送端获取需要传输的视频像素数据，对视频像素数据进行3d
‑
dct操作，得到3d
‑
dct系数并进行标准化处理；
[0056]
s2、3d
‑
dct系数中的低频数据部分采用二维混沌编码进行编码保护，高频数据部分按照原始的softcast进行传输，并对其中需要传输的数据进行功率分配和白化操作后发送至接收端；
[0057]
s3、接收端根据接收的数据进行llse译码，再对编码的低频数据部分使用二维混沌译码进行数据恢复，根据译码得到的3d
‑
dct系数进行逆dct操作，然后根据视频像素数据中每个像素块的顺序进行排列得到重建视频。
[0058]
步骤s2中二维混沌编码具体过程为将混沌系统的初始状态作为数据信源，由混沌系统演变出新的状态，将新产生的状态作为编码数据，针对softcast传输的模拟实值信号进行编码保护，从而提高对带宽的利用能力。
[0059]
基于二维混沌编码的伪模拟信道编码可以结合伪模拟视频传输方式softcast完成无线视频传输，完成无线视频传输所需的视频传输系统的框架包括发送端伪模拟信道编码和接收端伪模拟信道译码两个部分。
[0060]
发送端伪模拟信道编码由两部分组成，第一部分为softcast的功率分配过程，为每个系数分块分配不同的功率加权系数，第二部分为对低频数据的二维混沌编码，具体过程包含如下步骤：
[0061]
s21、获取视频源数据，对输入数据的范围进行扩展，可以适应不同范围的dct系数，改进的single
‑
input baker’s模拟编码冗余数据由下列表达式产生：
[0062][0063]
其中，x
n
和y
n
为当前的二维输入数据值，x
n+1
和y
n+1
为由当前二维输入数据值产生的冗余数据，x0和y0为相同的原始数据，max_v为3d
‑
dct系数绝对值的最大值，sign()为符号函数；
[0064]
s22、将由混沌函数tent map产生的数据序列x0,x1,...,x
n
‑1和由tent map反函数产生的数据序列y0,y1,...,y
n
‑1组成为新的数据序列，记为x1‑
n
,x2‑
n
,...,x0,x0,x1,...,x
n
‑1，n表示数据序列的长度，过程进行如图3所示；
[0065]
s23、将原始的dct系数数据、重复的低频数据和编码产生的冗余数据组合为待传输的数据进行传输。
[0066]
接收端的伪模拟信道译码包括两部分，第一部分为原始softcast的llse译码方式，对整体的dct系数进行重建，第二部分为改进的single
‑
input baker’s模拟译码，模拟译码采用最大似然译码。改进的single
‑
input baker’s模拟译码的流程图如图4所示。具体实施步骤如下：
[0067]
s31、接收端接收到的二维数据序列分别为x0,x1,...,x
n
‑1和y0,y1,...,y
n
‑1。n表示数据序列的长度，根据s21中的编码公式，可以得出冗余数据和原始数据之间的关系为：
[0068][0069]
其中，x0和y0为相同值的原始数据，s＝[s0,s1,...,s
n
‑2]表示数据序列x0,x1,...,x
n
‑2的符号，x
k,s
和y
k,s
分别表示特定s情况下x0和y0产生的第k个冗余数据，a
k,s
、b
k,s
、c
k,s
和d
k,s
为特定s情况下的第k组系数，k＝0,1,...n
‑
1，n表示数据序列的长度；
[0070]
s32、求得系数a
k,s
、b
k,s
、c
k,s
和d
k,s
的迭代关系为：
[0071][0072]
其中，max_v表示dct系数绝对值的最大值，s
k
为第k组数据对应的向量值，a
k+1,s
、b
k+1,s
、c
k+1,s
和d
k+1,s
为特定s情况下的第k+1组系数，k＝0,1,
…
,n
‑
2；
[0073]
s33、设定系数a
k,s
、b
k,s
、c
k,s
和d
k,s
的初始值为：
[0074][0075]
s34、假设信道中的噪声为加性高斯白噪声，则接收到的信号可以表示为：
[0076][0077]
其中，i＝0,1,
…
,n
‑
1，r
x,i
和r
y,i
表示接收到的第i组二维数据，x
i
和y
i
表示发送端传输的第i组二维数据，n
x,i
和n
y,i
表示第i组二维数据的加性高斯白噪声；
[0078]
s35、根据最大似然译码的估计值表示，可以求得译码数据的最优解，估计值表达式为：
[0079][0080]
其中，e
l,s
和e
u,s
分别表示x0取值范围的最小值和最大值，r
x
和r
y
为接收到的二维数据，r
x,k
和r
y,k
表示接收到的第k组二维数据，x
k
和y
k
表示发送端传输的第k组二维数据，max_v为3d
‑
dct系数绝对值的最大值。
[0081]
x0取值范围的最小值和最大值的计算公式如下所示：
[0082][0083]
接收端的最大似然译码根据输入数据的相关性得到最优解如下：
[0084][0085][0086]
其中，为x方向上在特定s情况下最大似然译码的最优解，为x方向上在特定s情况下最大似然译码的计算值，为y方向上在特定s情况下最大似然译码的最优解，为y方向上在特定s情况下最大似然译码的计算值。
[0087]
在无约束条件时可以将译码的结果表示为：
[0088][0089]
其中，a
s
、b
s
、c
s
和d
s
为特定s情况下的系数，为a
s
的转秩，为c
s
的转秩。
[0090]
在有约束条件时表达式为：
[0091][0092]
其中，为x方向上在s1和s2情况下最大似然译码的计算值。
[0093]
低频数据部分中进行编码保护的数据对应的低频系数矩阵高度占据全部系数矩阵高度的1/d，其中d为保护系数。如图2所示，接近左上角的系数为低频系数，接近右下角的系数为高频系数，低频系数的数值绝对值比高频系数绝对值相对更大，重要性更强。本实施例中，选取3d
‑
dct系数块中的低频数据部分作为编码原始数据进行保护。本实施例中，选取的保护系数为4。
[0094]
一种使用基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方法的装置，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器调用计算机程序执行如上方法中的步骤s1～s3。
[0095]
具体实施时，本实施例对基于二维混沌编码的伪模拟视频传输方式的视频传输性能进行仿真。基于matlab仿真测试平台，本例使用“carphone”作为测试序列来对结果进行分析。首先，通过调整编码公式中的参数值max_v来分析参数对传输视频质量的影响。其次，通过对比原始的softcast、重复传输的softcast和基于二维混沌编码的伪模拟视频传输方式来分析不同无线视频传输方式的性能。
[0096]
算法的性能表现和算法中的参数设置有着很大的关联，通过调整编码中参数max_v的值来分析该参数对视频传输的影响。当信道带宽与视频带宽之比为2时，通过计算得到
dct系数块中所有数据绝对值的最大值，本实施例将编码公式中的参数值分别设置成该最大值的二分之一、一倍和两倍，对比这三种情况下的接收端重建视频的峰值信噪比(psnr)。如图5所示，当编码参数不同值时接收端重建视频的质量将会受到影响。
[0097]
如图6所示为接收端信噪比(snr)分别为
‑
10db、0db和10db三种情况下重复传输两次的softcast接收端重建视频的第16帧图像。在接收端信噪比为
‑
10db时，重建视频的第16帧图像为图6(a)，图像的psnr为19.5db。在接收端信噪比为0db时，重建视频的第16帧图像为图6(b)，图像的psnr为27.5db。在接收端信噪比为10db时，重建视频的第16帧图像为图6(c)，图像的psnr为37.0db；如图7所示为接收端信噪比分别为
‑
10db、0db和10db三种情况下基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的第16帧图像。在接收端信噪比为
‑
10db时，重建视频的第16帧图像为图7(a)，图像的psnr为21.7db；在接收端信噪比为0db时，重建视频的第16帧图像为图7(b)，图像的psnr为27.5db；在接收端信噪比为10db时，重建视频的第16帧图像为图7(c)，图像的psnr为37.0db；如图8所示为接收端信噪比分别为
‑
10db、0db和10db三种情况下基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的第16帧图像。在接收端信噪比为
‑
10db时，重建视频的第16帧图像为图8(a)，图像的psnr为23.5db；在接收端信噪比为0db时，重建视频的第16帧图像为图8(b)，图像的psnr为28.6db；在接收端信噪比为10db时，重建视频的第16帧图像为图8(c)，图像的psnr为35.9db。
[0098]
在接收端的信噪比为
‑
10db的情况下，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建图像的psnr比重复传输两次的softcast高4.0db，比基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast提高了1.8db。在接收端的信噪比为10db的情况下，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比重复传输两次的softcast低了1.1db。
[0099]
本实施例中，通过对比上述无线视频传输方式接收端在不同信噪比情况下重建视频的psnr来对视频传输性能进行分析。如图9所示，在低信噪比的情况下，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比重复传输两次的softcast和基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast都要高。在接收端信噪比为
‑
10db时，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast高出1.9db。在接收端信噪比为20db时，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比重复传输两次的softcast低1.6db。
[0100]
如图10所示为重复传输的softcast、基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast和基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast三种无线视频传输方式在不同带宽情况下重建视频的psnr对比结果。当信道带宽与视频带宽之比小于5时，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr都比基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast要高。当信道带宽与视频带宽之比为2时，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比重复传输的softcast高出2.4db。当信道带宽与视频带宽之比为3时，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比重复传输的softcast高出4.1db。但是，当信道带宽与视频带宽之比超过5之后，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视
频的psnr将会低于基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast。因为本实施例中保护的低频系数数据数量较少，保护的低频系数占据总系数数据量的十六分之一。因此，随着带宽增加，对小部分低频数据保护带来的收益将会变低，而对所有系数重复传输降低噪声带来的收益将会比对低频系数保护高。
[0101]
综上所述，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast适用于低信噪比的情况。在低信噪比的情况下，基于二维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast接收端重建视频的psnr比重复传输的softcast和基于一维混沌编码的伪模拟信道编码结合softcast都要高，本发明可以在低信噪比情况下提升softcast接收端重建视频质量。
[0102]
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。