1、分布式信源編碼的研究、應用及實現摘要：無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術。與其他的無線網絡相 比，無線傳感器網絡中傳感器節點的能量有限而且不能夠實時更新。因此傳感節 點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， 需要設計能耗較低的通信協議和算法，其中，在編碼時采用分布式信源編 (Distributed SourceCoding，DSC)技術就是一種有效地解決方法。分布式信源編 碼利用多個信源之間的相關性，進行獨立編碼減少傳送的信息速率，并通過聯合 譯碼提高信息傳輸的整體有效性。DSC技術的作為無線傳感器數據傳送中的關鍵 技術，對于其的研究也越來越成熟，而對D

2、SC的應用也擴展到了無線攝像機網絡 等領域，成為了一種具有高效壓縮性和優秀譯碼性能的信源編碼。本文對分布式 信源編碼技術從理論到實現再到應用進行了重點研究。本文從以下幾個方面對 DSC進行了研究：首先介紹了分布式信源編碼的理論基礎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 的實現方式，即基于校驗子(Syndrome)的實現方式和基于校驗位(Parity)的實現 方式，詳細地舉例闡述了兩種方式的實現方法和仿真測試結果；最后，文章還重 點從平行多視角視頻系統出發，說明分布式信源編碼在無線攝像機網絡這一領域 的應用，在此，本文

3、還引入了視差補償和平行視差搜索技術，對基于不同建模方 式的平行視差搜索方式進行了研究，找出了搜索質量和計算復雜度最優折中的視 差搜索方式，并將此搜索方式應用于基于DSC的分布式視頻系統PRISM中去以實現 平行多視角視頻系統。文章最后還對這一系統進行了仿真對比，對比結果表明， 引入了平行視差搜索的平行多視角視頻系統能更好地重建視頻序列，同時，分布 式信源編碼在無線攝像機網絡的應用效果得到驗證。關鍵詞：無線傳感器網絡，分布式信源編碼，分布式聯合信源信道編 碼，視差搜索，多視角視頻系統，PRISM。一、課題研究的背景及意義1.1、課題背景近年來，無線傳感器網絡(wsN： Wireless Sens

4、or Network)引起人們 的廣泛關注和研究，在軍事、環境以及醫療等領域都得到了很好的利用fU。無 線傳感器網絡是一種新型的無線網絡，它能夠實時地感知，獲取所部署區域的信 息，并把這些信息進行處理和傳送到指定目的，具有十分廣闊的應用前景。與其 他的能夠提供持續能量的無線網絡相比，WSN中傳感器節點的能量有限，且無法 實時獲得能量補充。這使得傳感器節點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計低能耗的通信協議和算法。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今

5、世界，如何才能實現將信息無損地傳輸，如何才能將 數據量極大的信息有效地傳輸，已經成為人們關注的問題，前者是對于信息的可 靠性而言的，后者則是針對信息的有效性而言。以圖像視頻的處理和傳輸和信息 采集技術為代表的信息處理傳輸技術，無論對于信息的有效性和可靠性的都有很 高的要求。隨著人們對于圖像處理和信息采集關注度越來越高，新的編碼技術以 及對原有技術的進一步研究都有較快的發展，其中分布式信源編碼就是應用前景 最廣泛的一種。在圖像處理方面，由于人們對圖像的質量和傳輸都有很高的要求，主要表現 在既要求質量盡可能高，又要求傳輸盡可能快。而傳輸的速度和圖像的數據流大 小關系十分密切，要想快速傳輸，在對圖像

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量的要求相悖，根據信 息論的原理，圖像的質量越高，所需要的信息量就會越大，于是存儲或傳輸所需 的信息量越大。為了能在圖像的質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 點，同時由于譯碼端強大的計算能力，使得在譯碼端能準確地還原信源，保證信 息傳輸的質量。二、什么是信源編碼信源：指信息發生的來源。對通信系統而言，信源就是向其提供信息的人或 機器。信源本身十分復雜，在通信中我們所關注的是信源輸出后的信息的類型及 其所包含的信息量。信源編碼也稱數據

7、壓縮，它是將信源輸出信號有效地映射成 符號序列的過程，提高了信息傳輸的有效性，可進一步分為音頻編碼和視頻編碼。 任意給定的信源都有一個表征其不確定性的稱之為熵的量，它是無失真數據壓縮 的下限。信源編碼定理指出：在允許一定的失真情況下，存在最小數量的比特描 述獨立分布的信源輸出。模擬信號數字化后還不宜直接進行傳輸和存貯，在傳輸 和存貯前要進行各種處理，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行數碼率壓縮，我國采用國 際通用的MPEG-2視頻、音頻數碼率壓縮標準。三、分布式信源編碼與其他的能夠提供持續能量的無線網絡相比，WSN中傳感器節點的能量

8、有 限，且無法實時獲得能量補充。這使得傳感器節點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計低能耗的通信協議和算法。在WSN這 種特定環境中，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DSC的原理，其需要對多個相關的傳感器輸出進行編碼壓縮，但這些傳感器 并不需要通信。這些傳感器發送編碼壓縮后的信息到Sink節點（類似簇頭節點） 進行聯合譯碼。DSC的以下兩個特點使之可以匹配傳感器節點的能量要求：1） 低能耗和低復雜度的編碼器，這能夠延長無線傳感器節點的生存期；2）有效的 高壓縮率，因為數據的傳送速率直接影響到節點的能量消耗。下面將以無線視頻 傳感器網絡為例

9、說明無線傳感器網絡的特點：考慮一個無線視頻傳感器網絡，其 由多個視頻傳感器節點集群組成，每個集群除了有普通傳感器節點之外，還有一 個匯聚節點，同時有一個用于監控應用的基站節點。視頻傳感器節點用于獲取并 處理數據；匯聚節點將傳送上來的數據進行融合并傳送到外部網絡。為了保證這 種網絡能夠在長時間里無人操作地正常運行，視頻傳感器節點和匯聚節點需要嚴 格限制它們的功耗，這樣就導致了嚴重的系統限制。與此同時，傳統的視頻處理 機制都是建立在已經諸如H. 264等成熟的視頻編碼標準之上，而這些編碼標準具 有高的算法復雜度，而且絕大部分的計算都集中在編碼器（即傳感器節點）中處 理，并不適合在傳感器節點中使用。

10、由上文可知，在WSN嚴格的功耗限制的基礎 上，需要一種在編碼端具有低復雜度，而在解碼端能正確譯碼的編碼算法。而DSC 支持多對一的視頻編碼范例，這樣相對于傳統的一對多視頻編碼，有效的交換了 編碼器和解碼器復雜度，在這種范例下，每個傳感器節點用于編碼的編碼器的設計盡量簡單以及靈活，而在具有連續能量供給的基站節點上則需要配備一個譯碼 能力和計算能力強大的譯碼器。此外，每個視頻傳感器節點都能夠獨立于它的鄰 居進行操作；因此，在一個視頻傳感器節點不需要一個接收器進行視頻處理，這 使得系統節省了實際的硬件成本和通信(例如接收器)能量。四、信源編碼技術在廣播電視信號數字化中的應用各種數字信號需要利用信道來

11、傳輸，對于任何一種信道，都有一定的容量。 數字信道的容量是指單位時間所能傳送的最大數據量或比特數。為了實現實時傳 輸，必須使信道的容量超過被傳送數字信號的數碼率，即滿足信道容量與信號數 碼率相匹配，否則就會丟失信息。然而視頻信號數字化數碼率太高，要實現實時 傳輸，需要很大的信道容量，按4： 2： 2標準進行分量編碼時，當抽樣頻率2=13. 5 MHz、兩個色差信號的抽樣頻率2=6. 75 MHz、采用8 bit量化時，亮度信號的數 碼率為：R。=13. 5X8=108 Mb/s.兩個色差信號的數碼率為：R，=6. 75X8 X2=108 Mb / s.視頻信號的總數碼率為兩者之和：108+10

12、8=216 btb / s，可見 數碼率是很大的。傳輸信道的容量還與所采用的調制方法的傳輸效率有關。以我 們大家熟悉的衛星傳輸系統為例，采用QPSK調制方法的傳輸信道每1 Hz帶寬能傳 輸的最高碼率是2 bit/ s，可見用這種調制方法來傳輸數字視頻信號時，需要216 /2=108(MHz)的帶寬。從通信系統的觀點來看，數字信號的傳輸方式是以帶寬為 代價換取高的傳輸質量。如高清晰度電視要求的信道帶寬更寬，如果不經壓縮編 碼處理，現有的頻率資源僅能傳輸幾套標清電視節目。為了提高傳輸效率，一般 不是直接傳輸數字化后的信源信號，而是對數字化后的信源信號先進行壓縮編 碼，即信源編碼，然后再傳輸。視頻信

13、號的信源編碼是在保證所要求的圖像質 量前提下，設法壓縮所必須的傳輸碼率，以達到節省傳輸帶寬的目的。所以必須 對圖像進行壓縮編碼處理才能充分利用頻率資源。視頻信號的數碼率壓縮的機理來自兩個方面：一方面是圖像信號中存在大量 冗余度可供壓縮，如空間相關冗余、時間相關冗余、結構相關冗余等。這些冗余 度在編碼后還可無失真地恢復。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，通過減少表示信號的精度，以一定的客觀失真換取數據的壓縮。 圖像編碼是將需要傳輸的圖像按一定的算法進行編碼處理，去除冗余部分用盡量 低的速率傳輸盡量高質量的圖像。圖像壓縮編碼方法，常用的有以下幾類：預測 編碼、變換編碼、統

14、計編碼、量化編碼。（1）預測編碼：根據會議電視所攝取的 人物的活動量很小的特點，每幅圖像內容相差不大，或者說某幅圖像（幀）與它前 面的一幅圖像（幀）相關性能很強。利用這個相關性，首先把一幅完整內容的圖像 傳到對方，以后的每幅畫面就只需把不同的內容傳過去。一幅圖像是由許多像素 點組成的這些像素點包含了色度及色差信號。從易于編碼的角度考慮，把每幅畫 面分成許多小方塊，每個塊由16像素X16像素點亮度塊和8像素X8像素點的色差 塊組成，將它稱為“宏塊”MB（MacroBlock）。若將畫面變動部分內容傳到對方， 那么，在前一幀圖像中與當前幀的“宏塊”所對應的位置附近，找到一個與當前 “宏塊”的亮度塊

15、最近的“宏塊”，并作為當前“宏塊”的預測值，然后將當前 的畫面內宏觀與最佳預測塊相減，得到一個誤差，僅對差塊進行編碼即可。這種 方式的目的在于消除圖像信號的空間相關冗余（幀內預測）和時間相關冗余（幀間 預測），消除圖像的統計相關冗余。（2）變換編碼：這是利用圖像在空間分布上的 規律性來消除圖像冗余的另一種編碼方式。把圖像的光信號空間矩陣變換到系數 空間矩陣上進行處理。在空間上具有很強相關性的信號，反映在變換域上則表現 為某些特定區域內能量很集中，或者系數矩陣具有某種規律性。這就把時域相關 信號的傳送，變成了變換域上有限個系數量化比特數的傳送，達到壓縮碼率的目 的。（3）統計編碼：也叫熵編碼。根

16、據信息的概率分配碼字，概率大的用短的碼 字，概率小的用長的碼字，即采用變字長編碼，使總的平均碼長要比用固定碼長 編碼的短很多。視頻信號的概率密度分布是不均勻的，因此統計編碼實際上是建 立在圖像的統計特征基礎之上的壓縮編碼，統計編碼包括哈夫曼（Huffman）編碼、 游程編碼、基于字典的編碼、算術編碼。哈夫曼編碼是可變字長的統計編碼，編 碼效率高，應用也最廣泛。MPEG-2中就應用哈夫曼編碼。其貢獻是在信息表示方 面大大減少了冗余度，即減少了傳輸的信息量，它是一種無損壓縮。（4）量化編 碼：這里的量化編碼是指在模/數轉換之后進行的數字的映射變換。它與模/數 轉換過程中的“量化”是不同的兩個概念。

17、根據工作特性的不同，又分為自適應 量化編碼和矢量量化編碼等。目前針對不同的圖像類型主要有下列3類圖像編碼 標準。（1）靜止圖像壓縮編碼標準（Joint Photographic ExpertsGroup，觚G）JPEG 是適用于彩色和單色多灰度或連續色調靜止數字圖像標準。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 ）進行無損壓縮， 然后對DCT系數進行量化，對量化后的OCT系數進行哈夫曼編碼使其熵達到最小。 可達80： 1的壓縮效果。（2）運動圖像壓縮編碼標準（Moving Pictures Experts Gpoup，MPEG）MPEG標準是針對運動

18、圖像而設計的，平均壓縮比可達50： 1，有統 一的格式，兼容性好，包括3個部分。MPEG視頻壓縮：進行全屏幕動態視頻圖 像的數據壓縮。MPEG音頻壓縮：進行數字音頻信號的壓縮。MPEG系統（視音 頻同步）：MPEG標準的算法、軟件和硬件。常用的MPEG標準如下：MPEG - 1:是 為有限帶寬傳輸設計的，針對傳輸速率為1 Mbit/s1. 5 Mhit / s的普通電視 質量信號的壓縮，是VCD動態圖像采用的標準。MPEG-2:主要針對高清晰度電 視（1 440X1 152）的視頻和音頻信號的傳輸，面向寬帶網絡的圖像傳輸，是DVD 動態圖像采用的標準。MPEG-4：主要針對因特網多媒體應用、交互式視頻游戲、 可視電話和電視會議等應用而開發的標準，能以有限的帶寬實現高清晰度圖像傳 輸。MPEG-7:是針對多媒體信息的查詢而開發的標準。（3）視頻會議圖像壓縮 編碼標準一H. 26x標準ITU-T針對視頻會議系統制定了相應的視頻會議圖像壓縮 編碼標準，主要有如下幾項：H. 261:用于可視電話、電視會議的建議標準， 壓縮比可達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、總結本文主要介紹了什么是分布式信源編碼和研究的