非規(guī)則LDPC碼圖像傳輸不等保護研究

王艷斌

(鄭州大學, 河南 鄭州 450001)

0 引言

在科技高速發(fā)展的今天，文字、語音在無線信道傳輸?shù)男问竭^于單調(diào)，早已無法滿足今天人們的多元化的需求。在多彩的信息社會，人們通過網(wǎng)絡(luò)等多種信息渠道，圖像，視頻，動畫等多媒體形式滿足自己的需要。問題是，人們希望獲得信息的速度越快越好，得到信息的質(zhì)量越高越好，這種需要激發(fā)人們的研究越來越深入，有效。

人類的視覺感官系統(tǒng)對于圖像較之聲音是敏感許多的，當圖像經(jīng)過無線信道的傳輸，受到不同的噪聲干擾，在接收端重建的圖像中，微小的錯誤讓人不舒服，重要的錯誤將導致圖像無法重建，滿足不了現(xiàn)在的需求。為了解決這一問題，使傳輸中的信息能有效地抗干擾受到保護，達到好的傳輸質(zhì)量，信道編碼技術(shù)是常用的技術(shù)之一。但是，加入多余的校驗碼元會降低傳輸?shù)男蔥1]，而且在現(xiàn)在大需求的情況下，頻譜功率是寶貴的資源，不能一味地增大需求而不顧其它，因此，在頻寬和功率的限制條件下，選擇好的信道編碼保證圖像的傳輸質(zhì)量是非常有意義的。

選擇信道編碼要綜合考慮信道特性，硬件的設(shè)計，時間的延遲等等因素，卷積碼，Tubor碼等等都有相關(guān)的應(yīng)用，現(xiàn)選擇的LDPC碼低密度奇偶校驗碼是Gallager 在1960 年提出的[2]，直到1996 年，Mackey 證明LDPC 具有接近香濃極限的性能不規(guī)則的LDPC碼除了自身帶有不等保護特性，比較其他的糾錯碼電路復雜度更低，可以并行譯碼，效能更加良好[3]。

1 非規(guī)則LDPC碼的不等保護

1.1 非規(guī)則LDPC碼的不等保護的基本原理

LDPC碼的檢驗矩陣和Tanner圖是等價的[4]，對應(yīng)的是一個LDPC碼C，而一個LDPC碼的集合可以用度數(shù)分布或碼生成函數(shù)表示。設(shè)最大變量節(jié)點的度為 dv，最大校驗節(jié)點的度為 dc， λi( ρi) 表示與度數(shù)為 i ≥ 2 的變量（校驗）節(jié)點相連的邊數(shù)在總的邊數(shù)中所占的比例，由此構(gòu)造多項式:

λ(x)，ρ(x)稱為度數(shù)分布或碼生成函數(shù)。設(shè)總的邊數(shù)目為E，度數(shù)為i的變量（檢驗）節(jié)點占總變量（校驗）節(jié)點的比例為 ai( bi)。如果變量節(jié)點數(shù)為n，校驗節(jié)點數(shù)為m,則有，如果所有變量節(jié)點具有相同的度，所有校驗節(jié)點具有相同的度，稱為規(guī)則LDPC碼。反之，為非規(guī)則的碼，其結(jié)構(gòu)由其度數(shù)分布決定。

非規(guī)則碼具有內(nèi)在的不等保護機制是由于變量節(jié)點的不規(guī)則性，度數(shù)較高的變量節(jié)點更快更多的得到校驗節(jié)點傳來的信息后得到正確值[5]，接著他們通過校驗節(jié)點能夠提供好的可靠信息給度數(shù)低的變量節(jié)點，稱為“波浪效應(yīng)”。另外，從變量節(jié)點的角度看，與其相關(guān)聯(lián)的檢驗節(jié)點越多，它從校驗節(jié)點得到的信息就越多，從而更容易判斷出正確值；從校驗節(jié)點的角度看，它的度數(shù)越高越容易受到錯誤信息的干擾，所以與之相連的變量節(jié)點數(shù)越低越好；非規(guī)則可以有效的平衡折中處理。

1.2 非規(guī)則LDPC碼的不等保護設(shè)計

為了更清楚的說明對圖像傳輸采取不等保護的措施能更好地有效地傳輸圖像，提高圖像重建的質(zhì)量，現(xiàn)用示意圖比較均勻保護措施進行簡要說明。

假如信源流分為三個不同的重要等級 c1 ＞ c2 ＞c3，由于前面的分析知道不規(guī)則的LDPC碼有內(nèi)在的不等保護特性，各個比特的誤碼率由于不同的度分布而不同，假如把一定長度的碼字分為三段示意，各個比特的誤碼率1＜2＜3,那么對一組信源的數(shù)據(jù)流進行信道編碼，如果不進行區(qū)別分級的編碼保護，而是按照原有的比特順序進行編碼的話，不難看出，c1,c2中可能有一部分會映射在 3中，沒有得到最有力的保護，而信源中不重要的部分或者是冗余比特映射在碼字的1部分，這樣的資源分配并不符合需要，受到信道中各個方面的影響，對恢復優(yōu)質(zhì)的圖像的質(zhì)量也不能給予保證。因此，需要進行不等保護措施來進行改善。

為了直觀的表達，將信源流的每一個等級做了三等分，LDPC碼的碼字也具有三種不同的誤碼率或者說保護度，在一個碼字中從左到右的比特保護度依次減弱的趨勢，所以根據(jù)實際的需求希望最重要的級別 c1受到最好的保護，能準確無誤的譯碼，是正確高質(zhì)量恢復圖像的關(guān)鍵，因此通過交織將 c1的信息分別映射到各個碼字的最左邊，次重要的信息 c2分別映射到各個碼字的中間，而最不重要的數(shù)據(jù)分別映射到各個碼字的最右邊，這樣就能將資源優(yōu)化組合，使整體性能得以改善，達到好的圖像重建，滿足人們的視覺需求。

2 WIPC-LDPC編碼的BMP圖像傳輸系統(tǒng)

2.1 BMP格式分級保護

這里不等保護的設(shè)計思想是由于BMP文件數(shù)據(jù)流在進行LDPC信道編碼以前，先根據(jù)它們自身及對信道干擾的敏感度不同和對圖像重建質(zhì)量的重要性不同進行數(shù)據(jù)分組實現(xiàn)分級保護措施。根據(jù)分析知道，BMP文件的四個組成部分中位圖文件頭和位圖信息頭是432 bit固定不變的格式[6]，包含了文件大小，類型，起始位置等等重要信息，一旦傳輸中受到干擾，導致錯誤，那么圖像重建必將失敗，由此必須進行重點保護。調(diào)色板的比特流一旦傳輸錯誤，雖不至圖像無法重建，但是人的眼睛對顏色非常敏感，對圖像要求比聲音要高得多，所以也需要重點保護才能達到高的重建質(zhì)量。相對來說，實際的圖像數(shù)據(jù)量很大且關(guān)聯(lián)性很強，即便發(fā)生微小的錯誤并不影響人的視覺效果，在人所接受的視覺冗余范圍之內(nèi)，因此，這部分數(shù)據(jù)可作為非重點保護對象。如圖 1所示。

圖1 BMP文件數(shù)據(jù)流分類

2.2 BMP格式的UEP方案的仿真與分析

選擇8bit灰度256色的64*64的Lena.bmp圖像進行仿真實驗。

根據(jù)上述實現(xiàn)方案，仿真時在AWGN信道下分別采用碼長8196，碼率1/2的一種規(guī)則碼和一種非規(guī)則碼，度分布分別為[7]：

碼一： λ ( x ) = x2,ρ ( x ) = x5;

碼二： λ( x ) = 0 .292439 x + 0 .253636 x2+ 0 .060454x3+0.031610 x8+0.361861 x9,ρ( x ) = 0 .007254 x5+ 0 .979220x6+0.013526x7。用碼一實現(xiàn)對圖像的數(shù)據(jù)流進行編碼，即均勻保護措施，為了比較用碼二對其實現(xiàn)的不等保護方案。為了提高頻帶有效性，可以采用16QAM或64QAM等高效調(diào)制方式，這里采用BPSK調(diào)制，設(shè)定最大迭代次數(shù)為50，采用BP譯碼方法。從BER和PSNR來觀察仿真效果。

如碼二所示，所有的信息比特可以分為五組，分別具有的度數(shù)是10、9、4、3、2，根據(jù)碼長和速率，系統(tǒng)編碼后得到的碼字前4 098個比特是校驗比特，后4 098個比特是信息比特，其中度數(shù)為10和9的比特位置為最低誤碼率的比特，對應(yīng)信息流的位圖文件頭和位圖信息頭，度數(shù)為4和3的對應(yīng)調(diào)色板信息，度數(shù)為2的對應(yīng)圖像數(shù)據(jù)。下圖給出了由PEG方法[8]直接生成的WIPC矩陣和系統(tǒng)編碼得到的非規(guī)則LDPC碼的不等保護性能曲線。由于度數(shù)為4和9的比特數(shù)較少，我們將4和3，9和10合并在一起統(tǒng)計誤比特性能。

圖2顯然易見，受比特度數(shù)為9和10保護的位圖頭文件的誤碼率性能要優(yōu)于受比特度數(shù)為3和4保護的調(diào)色板信息的誤碼率性能。

比較EEP和UEP的糾錯性能特性如圖3所示，可以看到規(guī)則碼和非規(guī)則碼的性能有所差別，當BER大于約 1 0-4的時候，非規(guī)則碼的糾錯性能好于規(guī)則碼，此時，碼二為 1.1 dB,碼二為1.5 dB,大約有0.4 dB的增益，當BER在接近 1 0-5時，BER并不隨著信噪比的增加而減小，出現(xiàn)錯誤平臺存在不可糾正的錯誤，是由于非規(guī)則碼具有一部分度數(shù)較低的變量節(jié)點造成的。

圖2 不同保護度的誤碼率曲線

圖3 規(guī)則碼和不規(guī)則碼的誤碼率

另外,峰值信噪比(PSNR)是衡量圖像質(zhì)量的一個重要參數(shù)當 S NR ( dB)=2.5時，如下圖所示。

與原始圖像圖4相比較，隨著信噪比的稍微增加，圖6圖像重建的質(zhì)量有明顯改變，與等保護方案圖5相比，位圖描述區(qū)和調(diào)色板的重點保護使得圖像的效果更滿足人的視覺感官，從客觀的峰值信噪比也說明了這一點。

圖4 原始圖像

圖5 EEP重建圖像 PSNR=26.3276 dB

圖6 UEP重建圖像 PSNR=30.4582 dB

3 結(jié)語

實驗說明了通過LDPC碼的列重增加的非規(guī)則結(jié)構(gòu)，利用度分布的不同和不等保護特性，將BMP文件格式的中對圖像傳輸重建質(zhì)量起關(guān)鍵作用的文件描述區(qū)碼流映射在度數(shù)高的碼元位置，進行重點保護，有效抗噪聲干擾，使正確譯碼率大大提高。相對一視同仁的均勻保護措施，更合理的分配帶寬和功率，使整體效果有所提高。隨著多媒體圖像的高可靠性傳輸?shù)男枨笤黾?，而無線信道的惡劣的衰落環(huán)境，突發(fā)連串錯誤的產(chǎn)生降低了圖像傳輸?shù)馁|(zhì)量，因此有必要采用信道編碼方案對圖像數(shù)據(jù)進行不等冗余保護。

[1] 鄭麗敏,張衛(wèi)黨,董艷.基于DRP交織器的Turbo碼碼率設(shè)計[J].通信技術(shù),2008,40(10)：180-182.

[2] GALLAGER R G. Low-density Parity-check Codes[J]. IRE Trans.Inform.Theory, 1962, 8(01)： 21-28.

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[6] 董艷,張衛(wèi)黨,鄭麗敏.具有 UEP特性的 Turbo碼圖像傳輸技術(shù)研究[J].通信技術(shù),2008,40(11)：41-43.

[7] HU Xiaoyu, ELEFTHERIOU Evangelos, MICHAEL Arnold Dieter.Regular and Irregular Progressive-Edge-Growth Tanner Graphs[J]. IEEE Transaction on Communications, 2005,51(01)：10-21.

[8] HOU Jilei, PAUL H S, LAURENCE B M, et al. Multilevel Coding with Low-density Parity-check Component Codes[J]. Globecom 200(11)：1016-1020.