1、分布式信源編碼的研究、應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。與其他的無線網(wǎng)絡(luò)相 比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限而且不能夠?qū)崟r(shí)更新。因此傳感節(jié) 點(diǎn)的信息處理能力和無線通信的容量都受到了很大的影響。為了克服這些限制， 需要設(shè)計(jì)能耗較低的通信協(xié)議和算法，其中，在編碼時(shí)采用分布式信源編 (Distributed SourceCoding，DSC)技術(shù)就是一種有效地解決方法。分布式信源編 碼利用多個(gè)信源之間的相關(guān)性，進(jìn)行獨(dú)立編碼減少傳送的信息速率，并通過聯(lián)合 譯碼提高信息傳輸?shù)恼w有效性。DSC技術(shù)的作為無線傳感器數(shù)據(jù)傳送中的關(guān)鍵 技術(shù)，對(duì)于其的研究也越來越成熟，而對(duì)D

2、SC的應(yīng)用也擴(kuò)展到了無線攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò) 等領(lǐng)域，成為了一種具有高效壓縮性和優(yōu)秀譯碼性能的信源編碼。本文對(duì)分布式 信源編碼技術(shù)從理論到實(shí)現(xiàn)再到應(yīng)用進(jìn)行了重點(diǎn)研究。本文從以下幾個(gè)方面對(duì) DSC進(jìn)行了研究：首先介紹了分布式信源編碼的理論基礎(chǔ)S1印ian. Wolf編碼 定理和Wyner-Ziv定理，從理論上說明了DSC的可行性；其次，分別說明了兩種DSC 的實(shí)現(xiàn)方式，即基于校驗(yàn)子(Syndrome)的實(shí)現(xiàn)方式和基于校驗(yàn)位(Parity)的實(shí)現(xiàn) 方式，詳細(xì)地舉例闡述了兩種方式的實(shí)現(xiàn)方法和仿真測(cè)試結(jié)果；最后，文章還重 點(diǎn)從平行多視角視頻系統(tǒng)出發(fā)，說明分布式信源編碼在無線攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)這一領(lǐng)域 的應(yīng)用，在此，本文

3、還引入了視差補(bǔ)償和平行視差搜索技術(shù)，對(duì)基于不同建模方 式的平行視差搜索方式進(jìn)行了研究，找出了搜索質(zhì)量和計(jì)算復(fù)雜度最優(yōu)折中的視 差搜索方式，并將此搜索方式應(yīng)用于基于DSC的分布式視頻系統(tǒng)PRISM中去以實(shí)現(xiàn) 平行多視角視頻系統(tǒng)。文章最后還對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行了仿真對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明， 引入了平行視差搜索的平行多視角視頻系統(tǒng)能更好地重建視頻序列，同時(shí)，分布 式信源編碼在無線攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用效果得到驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，分布式信源編碼，分布式聯(lián)合信源信道編 碼，視差搜索，多視角視頻系統(tǒng)，PRISM。一、課題研究的背景及意義1.1、課題背景近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wsN： Wireless Sens

4、or Network)引起人們 的廣泛關(guān)注和研究，在軍事、環(huán)境以及醫(yī)療等領(lǐng)域都得到了很好的利用fU。無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的無線網(wǎng)絡(luò)，它能夠?qū)崟r(shí)地感知，獲取所部署區(qū)域的信 息，并把這些信息進(jìn)行處理和傳送到指定目的，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。與其 他的能夠提供持續(xù)能量的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限，且無法 實(shí)時(shí)獲得能量補(bǔ)充。這使得傳感器節(jié)點(diǎn)的信息處理和傳輸能力受到了很大的限 制。為了克服這些限制需要設(shè)計(jì)低能耗的通信協(xié)議和算法。在編碼過程中采用分 布式信源編碼(DSC： Distributed Source Coding)為此提供了解決的辦法。1.2、課題的意義在信息極度膨脹的當(dāng)今

5、世界，如何才能實(shí)現(xiàn)將信息無損地傳輸，如何才能將 數(shù)據(jù)量極大的信息有效地傳輸，已經(jīng)成為人們關(guān)注的問題，前者是對(duì)于信息的可 靠性而言的，后者則是針對(duì)信息的有效性而言。以圖像視頻的處理和傳輸和信息 采集技術(shù)為代表的信息處理傳輸技術(shù)，無論對(duì)于信息的有效性和可靠性的都有很 高的要求。隨著人們對(duì)于圖像處理和信息采集關(guān)注度越來越高，新的編碼技術(shù)以 及對(duì)原有技術(shù)的進(jìn)一步研究都有較快的發(fā)展，其中分布式信源編碼就是應(yīng)用前景 最廣泛的一種。在圖像處理方面，由于人們對(duì)圖像的質(zhì)量和傳輸都有很高的要求，主要表現(xiàn) 在既要求質(zhì)量盡可能高，又要求傳輸盡可能快。而傳輸?shù)乃俣群蛨D像的數(shù)據(jù)流大 小關(guān)系十分密切，要想快速傳輸，在對(duì)圖像

6、的編碼上就必須要用盡可能少的比特 編碼，使得圖像壓縮率盡可能高。而這一要求又恰恰與質(zhì)量的要求相悖，根據(jù)信 息論的原理，圖像的質(zhì)量越高，所需要的信息量就會(huì)越大，于是存儲(chǔ)或傳輸所需 的信息量越大。為了能在圖像的質(zhì)量和傳輸速度中找到一種最好的折中，就是信 源編碼的主要目的。分布式信源編碼擁有信源編碼的傳輸速度快，壓縮率高等優(yōu) 點(diǎn)，同時(shí)由于譯碼端強(qiáng)大的計(jì)算能力，使得在譯碼端能準(zhǔn)確地還原信源，保證信 息傳輸?shù)馁|(zhì)量。二、什么是信源編碼信源：指信息發(fā)生的來源。對(duì)通信系統(tǒng)而言，信源就是向其提供信息的人或 機(jī)器。信源本身十分復(fù)雜，在通信中我們所關(guān)注的是信源輸出后的信息的類型及 其所包含的信息量。信源編碼也稱數(shù)據(jù)

7、壓縮，它是將信源輸出信號(hào)有效地映射成 符號(hào)序列的過程，提高了信息傳輸?shù)挠行裕蛇M(jìn)一步分為音頻編碼和視頻編碼。 任意給定的信源都有一個(gè)表征其不確定性的稱之為熵的量，它是無失真數(shù)據(jù)壓縮 的下限。信源編碼定理指出：在允許一定的失真情況下，存在最小數(shù)量的比特描 述獨(dú)立分布的信源輸出。模擬信號(hào)數(shù)字化后還不宜直接進(jìn)行傳輸和存貯，在傳輸 和存貯前要進(jìn)行各種處理，這些處理包括為了提高傳輸效率的信源編碼和為了提 高信息傳輸可靠性的信道編碼。信源編碼的目的是進(jìn)行數(shù)碼率壓縮，我國(guó)采用國(guó) 際通用的MPEG-2視頻、音頻數(shù)碼率壓縮標(biāo)準(zhǔn)。三、分布式信源編碼與其他的能夠提供持續(xù)能量的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量

8、有 限，且無法實(shí)時(shí)獲得能量補(bǔ)充。這使得傳感器節(jié)點(diǎn)的信息處理和傳輸能力受到了 很大的限制。為了克服這些限制需要設(shè)計(jì)低能耗的通信協(xié)議和算法。在WSN這 種特定環(huán)境中，基于以上的需求，分布式信源編碼能夠提供一種解決的途徑，根 據(jù)DSC的原理，其需要對(duì)多個(gè)相關(guān)的傳感器輸出進(jìn)行編碼壓縮，但這些傳感器 并不需要通信。這些傳感器發(fā)送編碼壓縮后的信息到Sink節(jié)點(diǎn)（類似簇頭節(jié)點(diǎn)） 進(jìn)行聯(lián)合譯碼。DSC的以下兩個(gè)特點(diǎn)使之可以匹配傳感器節(jié)點(diǎn)的能量要求：1） 低能耗和低復(fù)雜度的編碼器，這能夠延長(zhǎng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的生存期；2）有效的 高壓縮率，因?yàn)閿?shù)據(jù)的傳送速率直接影響到節(jié)點(diǎn)的能量消耗。下面將以無線視頻 傳感器網(wǎng)絡(luò)為例

9、說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：考慮一個(gè)無線視頻傳感器網(wǎng)絡(luò)，其 由多個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)集群組成，每個(gè)集群除了有普通傳感器節(jié)點(diǎn)之外，還有一 個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)有一個(gè)用于監(jiān)控應(yīng)用的基站節(jié)點(diǎn)。視頻傳感器節(jié)點(diǎn)用于獲取并 處理數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點(diǎn)將傳送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并傳送到外部網(wǎng)絡(luò)。為了保證這 種網(wǎng)絡(luò)能夠在長(zhǎng)時(shí)間里無人操作地正常運(yùn)行，視頻傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)需要嚴(yán) 格限制它們的功耗，這樣就導(dǎo)致了嚴(yán)重的系統(tǒng)限制。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的視頻處理 機(jī)制都是建立在已經(jīng)諸如H. 264等成熟的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)之上，而這些編碼標(biāo)準(zhǔn)具 有高的算法復(fù)雜度，而且絕大部分的計(jì)算都集中在編碼器（即傳感器節(jié)點(diǎn)）中處 理，并不適合在傳感器節(jié)點(diǎn)中使用。

10、由上文可知，在WSN嚴(yán)格的功耗限制的基礎(chǔ) 上，需要一種在編碼端具有低復(fù)雜度，而在解碼端能正確譯碼的編碼算法。而DSC 支持多對(duì)一的視頻編碼范例，這樣相對(duì)于傳統(tǒng)的一對(duì)多視頻編碼，有效的交換了 編碼器和解碼器復(fù)雜度，在這種范例下，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)用于編碼的編碼器的設(shè)計(jì)盡量簡(jiǎn)單以及靈活，而在具有連續(xù)能量供給的基站節(jié)點(diǎn)上則需要配備一個(gè)譯碼 能力和計(jì)算能力強(qiáng)大的譯碼器。此外，每個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)都能夠獨(dú)立于它的鄰 居進(jìn)行操作；因此，在一個(gè)視頻傳感器節(jié)點(diǎn)不需要一個(gè)接收器進(jìn)行視頻處理，這 使得系統(tǒng)節(jié)省了實(shí)際的硬件成本和通信(例如接收器)能量。四、信源編碼技術(shù)在廣播電視信號(hào)數(shù)字化中的應(yīng)用各種數(shù)字信號(hào)需要利用信道來

11、傳輸，對(duì)于任何一種信道，都有一定的容量。 數(shù)字信道的容量是指單位時(shí)間所能傳送的最大數(shù)據(jù)量或比特?cái)?shù)。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳 輸，必須使信道的容量超過被傳送數(shù)字信號(hào)的數(shù)碼率，即滿足信道容量與信號(hào)數(shù) 碼率相匹配，否則就會(huì)丟失信息。然而視頻信號(hào)數(shù)字化數(shù)碼率太高，要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí) 傳輸，需要很大的信道容量，按4： 2： 2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分量編碼時(shí)，當(dāng)抽樣頻率2=13. 5 MHz、兩個(gè)色差信號(hào)的抽樣頻率2=6. 75 MHz、采用8 bit量化時(shí)，亮度信號(hào)的數(shù) 碼率為：R。=13. 5X8=108 Mb/s.兩個(gè)色差信號(hào)的數(shù)碼率為：R，=6. 75X8 X2=108 Mb / s.視頻信號(hào)的總數(shù)碼率為兩者之和：108+10

12、8=216 btb / s，可見 數(shù)碼率是很大的。傳輸信道的容量還與所采用的調(diào)制方法的傳輸效率有關(guān)。以我 們大家熟悉的衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)為例，采用QPSK調(diào)制方法的傳輸信道每1 Hz帶寬能傳 輸?shù)淖罡叽a率是2 bit/ s，可見用這種調(diào)制方法來傳輸數(shù)字視頻信號(hào)時(shí)，需要216 /2=108(MHz)的帶寬。從通信系統(tǒng)的觀點(diǎn)來看，數(shù)字信號(hào)的傳輸方式是以帶寬為 代價(jià)換取高的傳輸質(zhì)量。如高清晰度電視要求的信道帶寬更寬，如果不經(jīng)壓縮編 碼處理，現(xiàn)有的頻率資源僅能傳輸幾套標(biāo)清電視節(jié)目。為了提高傳輸效率，一般 不是直接傳輸數(shù)字化后的信源信號(hào)，而是對(duì)數(shù)字化后的信源信號(hào)先進(jìn)行壓縮編 碼，即信源編碼，然后再傳輸。視頻信

13、號(hào)的信源編碼是在保證所要求的圖像質(zhì) 量前提下，設(shè)法壓縮所必須的傳輸碼率，以達(dá)到節(jié)省傳輸帶寬的目的。所以必須 對(duì)圖像進(jìn)行壓縮編碼處理才能充分利用頻率資源。視頻信號(hào)的數(shù)碼率壓縮的機(jī)理來自兩個(gè)方面：一方面是圖像信號(hào)中存在大量 冗余度可供壓縮，如空間相關(guān)冗余、時(shí)間相關(guān)冗余、結(jié)構(gòu)相關(guān)冗余等。這些冗余 度在編碼后還可無失真地恢復(fù)。另一方面可以利用人的視覺特性，在不被主觀視 覺察覺的容限內(nèi)，通過減少表示信號(hào)的精度，以一定的客觀失真換取數(shù)據(jù)的壓縮。 圖像編碼是將需要傳輸?shù)膱D像按一定的算法進(jìn)行編碼處理，去除冗余部分用盡量 低的速率傳輸盡量高質(zhì)量的圖像。圖像壓縮編碼方法，常用的有以下幾類：預(yù)測(cè) 編碼、變換編碼、統(tǒng)

14、計(jì)編碼、量化編碼。（1）預(yù)測(cè)編碼：根據(jù)會(huì)議電視所攝取的 人物的活動(dòng)量很小的特點(diǎn)，每幅圖像內(nèi)容相差不大，或者說某幅圖像（幀）與它前 面的一幅圖像（幀）相關(guān)性能很強(qiáng)。利用這個(gè)相關(guān)性，首先把一幅完整內(nèi)容的圖像 傳到對(duì)方，以后的每幅畫面就只需把不同的內(nèi)容傳過去。一幅圖像是由許多像素 點(diǎn)組成的這些像素點(diǎn)包含了色度及色差信號(hào)。從易于編碼的角度考慮，把每幅畫 面分成許多小方塊，每個(gè)塊由16像素X16像素點(diǎn)亮度塊和8像素X8像素點(diǎn)的色差 塊組成，將它稱為“宏塊”MB（MacroBlock）。若將畫面變動(dòng)部分內(nèi)容傳到對(duì)方， 那么，在前一幀圖像中與當(dāng)前幀的“宏塊”所對(duì)應(yīng)的位置附近，找到一個(gè)與當(dāng)前 “宏塊”的亮度塊

15、最近的“宏塊”，并作為當(dāng)前“宏塊”的預(yù)測(cè)值，然后將當(dāng)前 的畫面內(nèi)宏觀與最佳預(yù)測(cè)塊相減，得到一個(gè)誤差，僅對(duì)差塊進(jìn)行編碼即可。這種 方式的目的在于消除圖像信號(hào)的空間相關(guān)冗余（幀內(nèi)預(yù)測(cè)）和時(shí)間相關(guān)冗余（幀間 預(yù)測(cè)），消除圖像的統(tǒng)計(jì)相關(guān)冗余。（2）變換編碼：這是利用圖像在空間分布上的 規(guī)律性來消除圖像冗余的另一種編碼方式。把圖像的光信號(hào)空間矩陣變換到系數(shù) 空間矩陣上進(jìn)行處理。在空間上具有很強(qiáng)相關(guān)性的信號(hào)，反映在變換域上則表現(xiàn) 為某些特定區(qū)域內(nèi)能量很集中，或者系數(shù)矩陣具有某種規(guī)律性。這就把時(shí)域相關(guān) 信號(hào)的傳送，變成了變換域上有限個(gè)系數(shù)量化比特?cái)?shù)的傳送，達(dá)到壓縮碼率的目 的。（3）統(tǒng)計(jì)編碼：也叫熵編碼。根

16、據(jù)信息的概率分配碼字，概率大的用短的碼 字，概率小的用長(zhǎng)的碼字，即采用變字長(zhǎng)編碼，使總的平均碼長(zhǎng)要比用固定碼長(zhǎng) 編碼的短很多。視頻信號(hào)的概率密度分布是不均勻的，因此統(tǒng)計(jì)編碼實(shí)際上是建 立在圖像的統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)之上的壓縮編碼，統(tǒng)計(jì)編碼包括哈夫曼（Huffman）編碼、 游程編碼、基于字典的編碼、算術(shù)編碼。哈夫曼編碼是可變字長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)編碼，編 碼效率高，應(yīng)用也最廣泛。MPEG-2中就應(yīng)用哈夫曼編碼。其貢獻(xiàn)是在信息表示方 面大大減少了冗余度，即減少了傳輸?shù)男畔⒘浚且环N無損壓縮。（4）量化編 碼：這里的量化編碼是指在模/數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)行的數(shù)字的映射變換。它與模/數(shù) 轉(zhuǎn)換過程中的“量化”是不同的兩個(gè)概念。

17、根據(jù)工作特性的不同，又分為自適應(yīng) 量化編碼和矢量量化編碼等。目前針對(duì)不同的圖像類型主要有下列3類圖像編碼 標(biāo)準(zhǔn)。（1）靜止圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)（Joint Photographic ExpertsGroup，觚G）JPEG 是適用于彩色和單色多灰度或連續(xù)色調(diào)靜止數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)。基本JPEG算法先將圖 形分割成8X8的二維塊，再以塊為單位采用離散余弦變換（DCT ）進(jìn)行無損壓縮， 然后對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，對(duì)量化后的OCT系數(shù)進(jìn)行哈夫曼編碼使其熵達(dá)到最小。 可達(dá)80： 1的壓縮效果。（2）運(yùn)動(dòng)圖像壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)（Moving Pictures Experts Gpoup，MPEG）MPEG標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)運(yùn)動(dòng)

18、圖像而設(shè)計(jì)的，平均壓縮比可達(dá)50： 1，有統(tǒng) 一的格式，兼容性好，包括3個(gè)部分。MPEG視頻壓縮：進(jìn)行全屏幕動(dòng)態(tài)視頻圖 像的數(shù)據(jù)壓縮。MPEG音頻壓縮：進(jìn)行數(shù)字音頻信號(hào)的壓縮。MPEG系統(tǒng)（視音 頻同步）：MPEG標(biāo)準(zhǔn)的算法、軟件和硬件。常用的MPEG標(biāo)準(zhǔn)如下：MPEG - 1:是 為有限帶寬傳輸設(shè)計(jì)的，針對(duì)傳輸速率為1 Mbit/s1. 5 Mhit / s的普通電視 質(zhì)量信號(hào)的壓縮，是VCD動(dòng)態(tài)圖像采用的標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-2:主要針對(duì)高清晰度電 視（1 440X1 152）的視頻和音頻信號(hào)的傳輸，面向?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)的圖像傳輸，是DVD 動(dòng)態(tài)圖像采用的標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4：主要針對(duì)因特網(wǎng)多媒體應(yīng)用、交互式視頻游戲、 可視電話和電視會(huì)議等應(yīng)用而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，能以有限的帶寬實(shí)現(xiàn)高清晰度圖像傳 輸。MPEG-7:是針對(duì)多媒體信息的查詢而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。（3）視頻會(huì)議圖像壓縮 編碼標(biāo)準(zhǔn)一H. 26x標(biāo)準(zhǔn)ITU-T針對(duì)視頻會(huì)議系統(tǒng)制定了相應(yīng)的視頻會(huì)議圖像壓縮 編碼標(biāo)準(zhǔn)，主要有如下幾項(xiàng)：H. 261:用于可視電話、電視會(huì)議的建議標(biāo)準(zhǔn)， 壓縮比可達(dá)50： l左右。H. 263:是支持傳輸速率低于64 kbit / s的窄帶信道 的視頻編碼。五、總結(jié)本文主要介紹了什么是分布式信源編碼和研究的