本發(fā)明涉及無線視頻傳輸領(lǐng)域，尤其是涉及一種用于無線視頻傳輸?shù)幕煦绱a構(gòu)造方法。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)如今，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的日漸普及和智能終端的廣泛使用，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆炸性增長，其中尤其以圖像視頻數(shù)據(jù)增長最快。思科視覺網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)的最新報(bào)告顯示，從2016年到2021年，移動(dòng)視頻將增長8.7倍，在所有移動(dòng)應(yīng)用的增長率中名列榜首。到2021年，移動(dòng)視頻將占移動(dòng)數(shù)據(jù)總流量的78％。另一方面，傳統(tǒng)的圖像視頻通信系統(tǒng)可靠性較低，有線網(wǎng)絡(luò)的帶寬時(shí)變性或者無線鏈路的信道時(shí)變性使得圖像視頻傳輸出現(xiàn)馬賽克甚至停播，造成了系統(tǒng)性能的瓶頸。在無線視頻研究領(lǐng)域存在以下幾個(gè)問題：一是移動(dòng)性，比如說用戶手持移動(dòng)的設(shè)備，位置在不停的發(fā)生變化，因此它的信道也是在變化的，所以信道的質(zhì)量也是在不停變化的；二是對(duì)于無線視頻的廣播傳輸，不同的用戶在不同的地點(diǎn)，信道也具有分集特性；三是隨著視頻應(yīng)用的普及，接收端從手機(jī)到各人電腦，它們的時(shí)間分辨率和空間分辨率都不一樣。因此希望視頻的傳輸獲得的質(zhì)量，能夠在一定的信道范圍質(zhì)量內(nèi)達(dá)到比較好的視頻質(zhì)量，同時(shí)，希望視頻的質(zhì)量能支持多分辨率，包括時(shí)間分辨率和空間分辨率。在數(shù)字系統(tǒng)中，信道編碼被用來保護(hù)壓縮的比特流，模擬視頻傳輸也有類似的要求。在模擬視頻傳輸中，沒有了量化和熵編碼，傳輸?shù)氖菍?shí)值的變換系數(shù)，因此傳統(tǒng)的有限域信道編碼不再適用。在模擬圖像視頻傳輸中的編碼是實(shí)數(shù)編碼，我們主要研究其中的一種混沌編碼。早在上世紀(jì)80年代初，wolf和marshall就已經(jīng)各自分別提出了有關(guān)模擬糾錯(cuò)編碼的概念。在marshall的研究工作中將它命名為實(shí)數(shù)編碼，在wolf的研究中將它稱為模擬編碼。與數(shù)字糾錯(cuò)的基本原理相似，一個(gè)性能好的模擬編碼應(yīng)該通過距離擴(kuò)展有效的放大歐氏距離。chen和wornell發(fā)現(xiàn)，混沌動(dòng)態(tài)系統(tǒng)具有這個(gè)優(yōu)異的特點(diǎn)。它通過迭代地調(diào)用混沌函數(shù)來生成信號(hào)序列?；煦绾瘮?shù)的特征在于它們的快速發(fā)散性，即蝴蝶效應(yīng)。該效應(yīng)意味著初始輸入中的即使是非常小的差異也將很快導(dǎo)致明顯不同的信號(hào)序列。從距離擴(kuò)展的角度來看，這表明即使在信源空間中的一對(duì)近距離的點(diǎn)，其編碼后的序列將產(chǎn)生很大的距離。因此他們提出了第一個(gè)模擬混沌編碼，這個(gè)編碼設(shè)計(jì)是直接使用非線性和實(shí)值混沌tentmap作為信道編碼。liu還將模擬混沌編碼用于直接對(duì)圖像的像素進(jìn)行編碼，由于像素存在大量的空間和時(shí)間冗余性，因此效率很低，這不符合圖像視頻傳輸?shù)恼鎸?shí)的場(chǎng)景。以上這些模擬混沌編碼都是基于輸入信源是服從均勻分布而設(shè)計(jì)的，然而這種假設(shè)并不適用于圖像和視頻。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種用于無線視頻傳輸?shù)幕煦绱a構(gòu)造方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種用于無線視頻傳輸?shù)幕煦绱a構(gòu)造方法，包括以下步驟：s1、將原始視頻序列劃分為多個(gè)gop，求出每個(gè)gop的dct系數(shù)矩陣，將所述dct系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列s；s2、通過設(shè)計(jì)的混沌映射函數(shù)將步驟s1所述第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列s映射為第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列，所述混沌映射函數(shù)的公式為：s3、對(duì)步驟s2得到的第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列進(jìn)行功率分配。所述步驟s1中求出每個(gè)gop的dct系數(shù)矩陣的過程具體包括：對(duì)劃分的每個(gè)gop分別進(jìn)行3維dct變換，得到dct系數(shù)矩陣sl×w×g，其中，l是視頻序列每幀圖像的高度，w是視頻序列每幀圖像的寬度，g是一個(gè)gop內(nèi)視頻序列的幀數(shù)。所述步驟s1中將所述dct系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列具體包括：將dct系數(shù)矩陣sl×w×g中的元素按行依次取出，再依次相接排列為單行的第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列s＝{s[i],i＝0,1,…,l×w×g-1}。所述步驟s2得到的第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列用x＝{x(i),i＝0,1,…,l×w×g×n-1}表示，其長度為m×n，其中，m＝l×w×g，n為帶寬擴(kuò)展因子。所述步驟s3具體包括：s31、對(duì)所述第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列重新編碼，轉(zhuǎn)換成二維的實(shí)數(shù)矩陣xchunk_num×chunk_size，其中，chunk_num表示一個(gè)gop中的塊個(gè)數(shù)，chunk_size表示塊內(nèi)元素個(gè)數(shù)；s32、用pj表示分配給第j個(gè)塊的功率，pj的計(jì)算公式為：其中，gj表示第j個(gè)塊的功率縮放因子，λj表示模擬編碼前的第j個(gè)塊的方差，的計(jì)算公式為：其中，p表示總功率，λj′表示經(jīng)過模擬編碼之后擴(kuò)展的第j個(gè)塊的方差，j＝0,1,…,chunk_num-1。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、與傳統(tǒng)的無線視頻數(shù)字傳輸方法相比，本發(fā)明充分利用模擬編碼調(diào)制中的自適應(yīng)性，在偽模擬傳輸softcast中引入基于模擬編碼的混沌函數(shù)，能夠?qū)篃o線傳輸中的信道噪聲并且提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)聂敯粜?，在提高功率利用率的同時(shí)增強(qiáng)視頻傳輸?shù)闹亟ㄙ|(zhì)量。2、針對(duì)實(shí)值輸入的模擬信道編碼，將變換后的dct系數(shù)作為輸入信源，將基于模擬編碼的混沌函數(shù)用于dct碼元，通過迭代地調(diào)用一些預(yù)定義的混沌映射函數(shù)來生成信號(hào)序列，因?yàn)樵谛旁纯臻g中的一對(duì)小距離點(diǎn)在編碼空間中將產(chǎn)生很大的距離差，所以利用混沌動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的距離擴(kuò)展的特征可以生成具有抗錯(cuò)性的模擬信號(hào)。3、提出的混沌映射函數(shù)對(duì)于從小到中等值的信號(hào)能保持線性關(guān)系，而大信號(hào)在映射函數(shù)的非線性特征下將被折回，對(duì)于類高斯的輸入信號(hào)，編碼的輸出仍基本保持類似的統(tǒng)計(jì)特性，降低功率懲罰，與輸入功率相比，輸出功率略有增加。4、本發(fā)明解決了混沌模擬編碼方案中針對(duì)自然圖像的類高斯信源功率懲罰問題，能夠適用于高斯分布的視頻圖像傳輸技術(shù)中，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。附圖說明圖1為原始視頻序列的dct系數(shù)利用本發(fā)明方法在高斯信道下的傳輸示意圖；圖2為傳統(tǒng)的tentmap混沌編碼的函數(shù)圖像；圖3為傳統(tǒng)的modmap混沌編碼的函數(shù)圖像；圖4為本發(fā)明所提出的混沌映射函數(shù)的圖像；圖5為均勻分布信源在三個(gè)混沌映射函數(shù)下的mse性能示意圖；圖6為自然圖像的dct系數(shù)在三個(gè)混沌映射函數(shù)下的mse性能示意圖。圖中標(biāo)注：1、混沌編碼器，2、功率分配，3、llse譯碼器，4、混沌譯碼器。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。為了將模擬編碼應(yīng)用到圖像視頻傳輸中，提出一種用于無線視頻傳輸?shù)幕煦绱a構(gòu)造方法，具體是構(gòu)造一種針對(duì)廣義高斯分布或拉普拉斯分布的信源的混沌映射函數(shù)，旨在利用這個(gè)混沌映射函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于從小到中等值的信號(hào)保持線性關(guān)系，而大信號(hào)在映射函數(shù)的非線性特征下將被折回。因此，對(duì)于類高斯的輸入信號(hào)，編碼的輸出仍基本保持類似的統(tǒng)計(jì)特性；與輸入功率相比，輸出功率略有增加。該混沌映射函數(shù)考慮了信號(hào)源的統(tǒng)計(jì)特性、映射函數(shù)的糾錯(cuò)能力、原始信號(hào)與校驗(yàn)符號(hào)之間功率互相的平衡關(guān)系。所提出的用于無線視頻傳輸?shù)幕煦绱a構(gòu)造方法，包括以下步驟：s1、建立類高斯分布信源：s11、將原始視頻序列劃分為多個(gè)gop；s12、求每個(gè)gop的dct系數(shù)矩陣：對(duì)劃分的每個(gè)gop分別進(jìn)行3維dct變換，得到dct系數(shù)矩陣sl×w×g，其中，l是視頻序列每幀圖像的高度，w是視頻序列每幀圖像的寬度，g是一個(gè)gop內(nèi)視頻序列的幀數(shù)；s13、將dct系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列：將dct系數(shù)矩陣sl×w×g中的元素按行依次取出，再依次相接排列為單行的第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列s＝{s[i],i＝0,1,…,l×w×g-1}。s2、通過設(shè)計(jì)的混沌映射函數(shù)將步驟s1的第一實(shí)數(shù)符號(hào)序列s映射為第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列，混沌映射函數(shù)的公式為：函數(shù)圖像如圖4所示，得到的第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列用x＝{x(i),i＝0,1,…,l×w×g×n-1}表示，其長度為m×n，其中，m＝l×w×g，n為帶寬擴(kuò)展因子，對(duì)應(yīng)的碼率為1/n；s3、對(duì)步驟s2得到的第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列進(jìn)行功率分配：s31、對(duì)第二實(shí)數(shù)符號(hào)序列重新編碼，轉(zhuǎn)換成二維的實(shí)數(shù)矩陣xchunk_num×chunk_size，其中，chunk_num表示一個(gè)gop中的塊個(gè)數(shù)，chunk_size表示塊內(nèi)元素個(gè)數(shù)，這也意味著，矩陣xchunk_num×chunk_size中的每行表示組合鄰近空間dct的塊組件和所有它們的奇偶校驗(yàn)符號(hào)在一起，每個(gè)組塊共享相同的功率縮放因子；s32、用pj表示分配給第j個(gè)塊的對(duì)應(yīng)功率，pj的計(jì)算公式為：其中，gj表示第j個(gè)塊的功率縮放因子，是用于在功率受限條件下最小化均方誤差估計(jì)，λj表示模擬編碼前第j個(gè)塊的方差，的計(jì)算公式為：其中，p表示總功率，λj′表示做了模擬編碼之后擴(kuò)展的第j個(gè)塊的方差，是基于這個(gè)塊的dct分量和它們?cè)谶@個(gè)塊中的編碼奇偶校驗(yàn)符號(hào)來計(jì)算，j＝0,1,…,chunk_num-1。圖1所示為本發(fā)明原始視頻序列的dct系數(shù)在高斯信道下的傳輸示意圖，dct系數(shù)矩陣經(jīng)過混沌編碼器1編碼后進(jìn)行功率分配2，接收端接收的信號(hào)附加了加性高斯白噪聲(awgn)，經(jīng)過線性最小均方估計(jì)llse譯碼器3后，再經(jīng)過混沌譯碼器4譯碼得到原始視頻序列。下面對(duì)構(gòu)造的混沌映射函數(shù)的正確性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證，以均方誤差估計(jì)(mse)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能。用z＝{z[i],i＝0,1,…,m×n-1}表示接收的符號(hào)流，其計(jì)算公式為：z[i]＝gi×x[i]+w′[i]其中，i＝0,1,…,m×n-1，w[i]是均值為0和方差的信道噪聲。接收端信號(hào)經(jīng)過llse解碼后得到y(tǒng)[i]，可以以標(biāo)量的形式重寫為：在接收端做完llse解碼之后的mse可以表示為：其中，表示信道噪聲的方差。將提出的混沌映射函數(shù)與目前最先進(jìn)的兩個(gè)混沌映射函數(shù)tentmap和modmap函數(shù)相比較，其函數(shù)圖像分別如圖2和圖3所示。公平起見，設(shè)置所有三個(gè)映射函數(shù)的模擬編碼符號(hào)具有相同的平均功率，并比較它們映射解碼后的mse。由于混沌映射函數(shù)的性能對(duì)輸入信源的概率分布相當(dāng)敏感，因此評(píng)估均勻分布和自然圖像的dct系數(shù)這兩種信源，它們的mse性能分別如圖5和圖6所示，其中每個(gè)圖比較了編碼率為1/2的混沌映射函數(shù)tent(tenthalf)、混沌映射函數(shù)mod(modhalf)、提出的混沌映射函數(shù)(proposedhalf)和編碼率為1/3的混沌映射函數(shù)tent(tentthird)、混沌映射函數(shù)mod(modthird)、提出的混沌映射函數(shù)(proposedthird)的性能。圖5所示為均勻分布信源在三個(gè)混沌映射函數(shù)下的mse性能。由于增益主要是由分段線性函數(shù)的斜率獲得，因此所有三個(gè)混沌映射函數(shù)的總體性能接近。在高信噪比時(shí)，1/3碼率的模擬編碼優(yōu)于1/2碼率模擬編碼，但在低信噪比時(shí)它們是相似的。圖6是自然圖像的dct系數(shù)在三個(gè)混沌映射函數(shù)下的mse性能，不論在1/3碼率還是1/2碼率的模擬編碼，本申請(qǐng)?zhí)岢龅幕煦缬成浜瘮?shù)的mse性能都要優(yōu)于其他兩個(gè)混沌映射函數(shù)。s和x的平均功率分別用ps和px表示，用ps/px表示功率懲罰系數(shù)，ps和px的計(jì)算公式分別為：功率懲罰系數(shù)ps/px不僅與混沌映射函數(shù)有關(guān)，還與模擬信號(hào)的分布有關(guān)。評(píng)估tentmap、modmap、baker’smap和本申請(qǐng)?zhí)岢龅乃膫€(gè)混沌映射函數(shù)的功率懲罰時(shí)，分別用了三種不同分布的信源，如表1所示。對(duì)于均勻分布的源，所有四個(gè)混沌函數(shù)都是沒有功率懲罰。對(duì)于高斯分布的信源，本申請(qǐng)?zhí)岢龅幕煦缬成浜瘮?shù)有3.6db的功率懲罰，而其他三個(gè)映射函數(shù)分別產(chǎn)生了5.5～8.5db的功率懲罰。ggd或拉普拉斯分布的信源，即表中“dct系數(shù)”的差異則非常顯著，所提出的映射函數(shù)僅僅只有1db的功率懲罰，而其他三個(gè)映射函數(shù)則會(huì)產(chǎn)生大于40db的功率懲罰。表1不同混沌映射函數(shù)的功率懲罰系數(shù)混沌函數(shù)均勻分布高斯分布dct系數(shù)tentmap0.05.542modmap0.08.545baker’smap0.05.542proposedmap0.03.61通過比較可知本申請(qǐng)相較于其他方法的有效性和優(yōu)越性，無論在高信噪比還是低信噪比條件下，運(yùn)用本申請(qǐng)混沌碼構(gòu)造方法，接收端的信號(hào)mse質(zhì)量都高于其他兩種混沌函數(shù)tentmap和modmap。同時(shí)，采用基于模擬編碼的無線視頻傳輸方法，克服了傳統(tǒng)無線視頻傳輸中的懸崖效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了視頻在無線信道中傳輸時(shí)隨著信道質(zhì)量變化能夠達(dá)到連續(xù)的圖像質(zhì)量衰減，同時(shí)接收端的視頻也能達(dá)到高質(zhì)量的重建。當(dāng)前第1頁12