本發(fā)明屬于水聲信號(hào)處理，具體涉及一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著人類對(duì)海洋戰(zhàn)略地位和海洋科學(xué)研究?jī)r(jià)值認(rèn)識(shí)的深化，世界各國(guó)都加大了對(duì)海洋的研究，其中，水下通信技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。由于海水具有較高的介電常數(shù)和電導(dǎo)率，電磁波在海水中衰減嚴(yán)重，因而難以用于水下遠(yuǎn)距離信息傳輸。聲波是目前已知的唯一能在水下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的信息載體，特別是低頻聲波在海水中傳播距離可達(dá)到數(shù)百公里以上。在水下，相較于電磁波通信，水聲通信具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率較高、使用方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)。因而，水聲通信在水下設(shè)備遙控、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)以及水下信息化作戰(zhàn)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)國(guó)防、經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展起到重要作用。

2、如今，軍事、海洋探測(cè)等領(lǐng)域?qū)λ聢D像可靠、快速傳輸需求迫切，尤其是遠(yuǎn)距離圖像傳輸。但是，當(dāng)前的遠(yuǎn)程水聲通信難以達(dá)到此需求，主要有以下兩點(diǎn)原因：一方面，遠(yuǎn)程水聲通信可用帶寬窄、通信速率低，而傳統(tǒng)的jpeg等信源編譯碼方法壓縮率不夠高，壓縮后的比特?cái)?shù)仍然很大，難以在水下有效傳輸；另一方面，水聲信道具有多途時(shí)延擴(kuò)展長(zhǎng)、環(huán)境噪聲高以及多普勒頻移影響大等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可靠通信十分困難，而傳統(tǒng)的信源編譯碼方法抗誤碼性能較差，難以適應(yīng)復(fù)雜多變的水聲信道。

3、因此，為了能夠在水下實(shí)現(xiàn)圖像的可靠、快速傳輸，亟需探索一種兼具高壓縮率和高抗誤碼性能的信源編譯碼方法。近幾年，在無(wú)線通信領(lǐng)域，通過(guò)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的語(yǔ)義通信系統(tǒng)在高壓縮率和高抗誤碼性能上具有顯著優(yōu)勢(shì)，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。但是，目前在水下尚少見(jiàn)到相關(guān)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出了一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法及系統(tǒng)，在水下實(shí)現(xiàn)圖像的快速、可靠、遠(yuǎn)程傳輸。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，包括：

3、發(fā)送端將待傳輸?shù)脑紙D像輸入預(yù)先訓(xùn)練好的語(yǔ)義信源編碼模塊，依次進(jìn)行語(yǔ)義信息的提取，及對(duì)提取的浮點(diǎn)數(shù)的語(yǔ)義信息進(jìn)行量化，輸出0/1比特；對(duì)0/1比特進(jìn)行調(diào)制，得到的復(fù)數(shù)域符號(hào)發(fā)送至等效的符號(hào)域水聲信道進(jìn)行傳輸；

4、接收端對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行同步和解調(diào)后，經(jīng)信道均衡后輸出0/1比特；將0/1比特輸入預(yù)先訓(xùn)練好的語(yǔ)義信源譯碼模塊，經(jīng)去矢量量化和語(yǔ)義信息恢復(fù)，根據(jù)語(yǔ)義信息實(shí)現(xiàn)圖像的重構(gòu)。

5、優(yōu)選的，所述語(yǔ)義信源編碼模塊為基于cnn網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的編碼器架構(gòu)，包括：兩個(gè)跨步卷積層和一個(gè)矢量量化層，其中，

6、所述跨步卷積層的窗口大小為4x4,步幅為2，用于對(duì)原始圖像進(jìn)行語(yǔ)義信息的提??；

7、所述矢量量化層，用于將提取到的浮點(diǎn)數(shù)的語(yǔ)義信息量化為0/1比特。

8、優(yōu)選的，所述調(diào)制包括采用各階調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、正交幅度調(diào)制和多載波調(diào)制中的至少一種調(diào)制方式對(duì)0/1比特進(jìn)行調(diào)制。

9、優(yōu)選的，所述信道均衡包括采用線性均衡、頻域均衡、時(shí)間反轉(zhuǎn)和dfe均衡中的至少一種均衡方式。

10、優(yōu)選的，所述語(yǔ)義信源譯碼模塊為基于cnn網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的解碼器架構(gòu)，包括：一個(gè)去矢量量化層和兩個(gè)轉(zhuǎn)置卷積層；其中，

11、所述去矢量量化層，用于對(duì)0/1比特進(jìn)行去矢量量化操作，恢復(fù)出圖片的語(yǔ)義信息；

12、所述轉(zhuǎn)置卷積層窗口大小為4x4,步幅為2；用于根據(jù)語(yǔ)義信息實(shí)現(xiàn)圖片的重構(gòu)。

13、優(yōu)選的，所述方法包括語(yǔ)義信源編碼模塊和語(yǔ)義信源譯碼模塊的訓(xùn)練步驟；包括：

14、建立訓(xùn)練集，采用adam算法作為優(yōu)化器，分別對(duì)語(yǔ)義信源編碼模塊和語(yǔ)義信源譯碼模塊進(jìn)行訓(xùn)練，直至滿足訓(xùn)練要求，得到訓(xùn)練好的語(yǔ)義信源編碼模塊和語(yǔ)義信源譯碼模塊。

15、優(yōu)選的，所述adam算法的策略為：

16、

17、其中，gt表示損失函數(shù)l對(duì)模型參數(shù)θ的梯度值，mt和vt分別為一階動(dòng)量項(xiàng)和二階動(dòng)量項(xiàng)，β1和β2為指數(shù)衰減率，默認(rèn)取值為0.9和0.999，正則化項(xiàng)ε的默認(rèn)取值為1×10-8，和分別為各自的修正值，α為學(xué)習(xí)率，θt,θt-1分別為更新的參數(shù)和前一步求解的參數(shù)。

18、另一方面，本發(fā)明提出了一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼系統(tǒng)，包括：部署在發(fā)送端的語(yǔ)義信源編碼模塊和調(diào)制輸出模塊；以及部署在接收端的同步解調(diào)模塊、信道均衡模塊和語(yǔ)義信源譯碼模塊；其中，

19、所述語(yǔ)義信源編碼模塊，用于對(duì)待傳輸?shù)脑紙D像依次進(jìn)行語(yǔ)義信息的提取，及對(duì)提取的浮點(diǎn)數(shù)的語(yǔ)義信息進(jìn)行量化，輸出0/1比特；

20、所述調(diào)制輸出模塊，用于將0/1比特進(jìn)行調(diào)制，得到的復(fù)數(shù)域符號(hào)發(fā)送至等效的符號(hào)域水聲信道進(jìn)行傳輸；

21、所述同步解調(diào)模塊，用于對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行同步和解調(diào)；

22、所述信道均衡模塊，用于對(duì)解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行信道均衡，輸出0/1比特；

23、語(yǔ)義信源譯碼模塊，用于對(duì)0/1比特進(jìn)行經(jīng)去矢量量化和語(yǔ)義信息恢復(fù)，根據(jù)語(yǔ)義信息實(shí)現(xiàn)圖像的重構(gòu)。

24、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

25、1、本發(fā)明提出了一種基于語(yǔ)義的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)調(diào)制、解調(diào)、信道均衡相結(jié)合的水聲通信系統(tǒng)架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)水下圖像的快速、可靠傳輸。在所構(gòu)建的系統(tǒng)中，信源編譯碼由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練獲得，而調(diào)制、解調(diào)、信道均衡均采用非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)方法。本發(fā)明所提方法具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信性能顯著、實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)。

26、2、區(qū)別于傳統(tǒng)的水聲通信系統(tǒng)，本發(fā)明所提系統(tǒng)不需要信道編譯碼模塊，也可獲得很好的通信性能。在傳統(tǒng)的水聲通信系統(tǒng)中，通常需要有信道編譯碼模塊，目的為通過(guò)添加可控的冗余對(duì)信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)、降低誤比特率，從而提高通信性能。但是本發(fā)明中由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的信源編譯碼模塊自身具有一定的抗誤碼能力，在沒(méi)有信道編譯碼的情況下，也可實(shí)現(xiàn)水下圖像可靠傳輸。因而，可以將水聲通信有限的帶寬資源用于傳輸更多的有用信息、而不是添加冗余上，有利于提高頻帶利用率。

27、3、相較于jpeg等傳統(tǒng)的圖像編譯碼算法，本發(fā)明所提的語(yǔ)義信源編譯碼方法在壓縮率和抗誤碼性能方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。具體來(lái)說(shuō)，與jpeg等通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定重要壓縮參數(shù)的傳統(tǒng)圖像編譯碼算法相比，本發(fā)明所提方法可通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)充分學(xué)習(xí)并提取出圖像的重要語(yǔ)義信息，從而對(duì)圖像冗余進(jìn)行高度壓縮；此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身具有一定的抗誤碼能力，可以對(duì)經(jīng)過(guò)水聲信道后存在誤碼的信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)，進(jìn)而提升通信性能。

技術(shù)特征：

1.一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，其特征在于，所述語(yǔ)義信源編碼模塊為基于cnn網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的編碼器架構(gòu)，包括：兩個(gè)跨步卷積層和一個(gè)矢量量化層，其中，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，其特征在于，所述調(diào)制包括采用各階調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、正交幅度調(diào)制和多載波調(diào)制中的至少一種調(diào)制方式對(duì)0/1比特進(jìn)行調(diào)制。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，其特征在于，所述信道均衡包括采用線性均衡、頻域均衡、時(shí)間反轉(zhuǎn)和dfe均衡中的至少一種均衡方式。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，其特征在于，所述語(yǔ)義信源譯碼模塊為基于cnn網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的解碼器架構(gòu)，包括：一個(gè)去矢量量化層和兩個(gè)轉(zhuǎn)置卷積層；其中，

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，其特征在于，所述方法包括語(yǔ)義信源編碼模塊和語(yǔ)義信源譯碼模塊的訓(xùn)練步驟；包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法，其特征在于，所述adam算法的策略為：

8.一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼系統(tǒng)，其特征在于，包括：部署在發(fā)送端的語(yǔ)義信源編碼模塊和調(diào)制輸出模塊；以及部署在接收端的同步解調(diào)模塊、信道均衡模塊和語(yǔ)義信源譯碼模塊；其中，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于水聲信號(hào)處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于水下圖像傳輸?shù)恼Z(yǔ)義信源編譯碼方法及系統(tǒng)。該方法包括：發(fā)送端將待傳輸?shù)脑紙D像輸入預(yù)先訓(xùn)練好的語(yǔ)義信源編碼模塊，依次進(jìn)行語(yǔ)義信息的提取，及對(duì)提取的浮點(diǎn)數(shù)的語(yǔ)義信息進(jìn)行量化，輸出0/1比特；對(duì)0/1比特進(jìn)行調(diào)制，得到的復(fù)數(shù)域符號(hào)發(fā)送至等效的符號(hào)域水聲信道進(jìn)行傳輸；接收端對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行同步和解調(diào)后，經(jīng)信道均衡后輸出0/1比特；將0/1比特輸入預(yù)先訓(xùn)練好的語(yǔ)義信源譯碼模塊，經(jīng)去矢量量化和語(yǔ)義信息恢復(fù)，根據(jù)語(yǔ)義信息實(shí)現(xiàn)圖像的重構(gòu)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了水下圖像的快速、可靠傳輸，具備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信性能顯著、實(shí)用性高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：王海斌,李詩(shī)宇,汪俊,臺(tái)玉朋,張永霖,胡承昊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19