基于无线传感器网络的编码图像传输方法研究

摘要：针对于无线视频传感器网络能量受限的特点及其信道特征，对图像采用子树独立的无链表分层树集合划分算法进行编码，并对码流采用分段模式进行传输。仿真结果表明，提出的方法能有效提高算法的抗误码性能，并在满足图像质量的前提下尽可能减少节点能耗。

关键词：无线视频传感器网络；编码；传输；误码率

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 (2011) 18-0000-01

Coding Image Transport Method Study Based on Wireless Sensor Network

Tan Yan

(Suzhou Polytechnical Institute of Agriculture,Suzhou 215008,China)

Abstract:In response to the features of the limited energy and the communication channel in wireless visual sensor networks,this paper adopts a method of independent subtrees based on Set Partitioning in Hierarchical Trees to image,using a sectional transfer mode.The experiments and analysis show that the method has a good effect on error resilience,and on the premise of the quality of image,which saves the energy cost of node possibly.

Keywords:Wireless video sensor networks;Coding;Transmission;Error rate

一、引言

无线视频传感器网络是由一组具有计算、存储和通信能力的视频传感器节点组成的分布式感知网络。能量受限是其发展所面临的资源瓶颈之一，为节省有限的能量必须对图像进行压缩编码。另一方面，节点间通过无线信道连接，此类信道中普遍存在着误码现象。基于无线视频传感器网络的信道特征，本文采用子树独立编码的无链表集合划分算法对图像进行编码，极大提高压缩算法的抗误码性能，并采用码流分段传输的模式，该模式可在达到指定图像质量的前提下最大限度地减少节点的能耗，延长整个网络的寿命。

二、子树独立编码

为了减少误码传播，可采用子树独立编码[1]的无链表集合划分算法（（no list set partitioning in hierarchical trees，NLS）对各子树进行单独编解码，当一棵树中产生了误码，只有所在树的后续比特会发生错误，并不影响其它树，因此把错误传播限制在一个图像块中，每一个块中的父子关系仍然是完整的，因而保持了编码算法的高效性。

为了减少用于标志位的比特开销，可将最低频子带中的子树分块打包，使一定数目的相邻子树合并成一棵子树；另一方面，为了使监控端获得更多的信息，应尽量把错误控制在一个较小的范围内，因此改进的算法不采用子树分块编码的方式，只对各子树进行单独编码。由于子树间是完全独立的，索引值唯一决定了节点所属的子树，当线性扫描各节点索引值i时，首先求出节点所属子树n，再将排序过程中产生的当前码流将输入相应的子树中。每一棵树的码流前后添加包起始标志OxFF4F和结束标志OxFFD9[2]，表示该子树编码完成。

本文算法中的扫描方式仍采用线性索引技术，即用一个数 来代替小波系数的坐标 ，若为 小波系数行、列的比特数，则 、 可用二进制表示： ， 。线性索引 由 和 的交差表示得到： 。

三、传输模式

传统编码图像的通信采用完整传输的模式，即以一定的码率进行编码，并向终端传输完整的压缩码流。若在无线传感器网络中采用这种传输模式，在大码率条件下虽然能确保图像质量满足监控中心的要求，但系统功耗较大；若以较低的码率进行编码和传输，系统功耗较低，但不能保证图像质量符合要求。由于本文采用的是嵌入式编码技术，即编码器依照系数的重要性依次编码，解码时即使码流中断，也可在解码端得到一幅完整的图像，因此监控中心可以在获得码流的任一点停止解码，非常适用于无线传感器网络中图像的渐进传输。

有文献表明，传感器节点传输1bit至100m所消耗的能量可执行约3000条指令[3]，因此为了节省通信能耗，可采用分段传输模式，用较大码率对图像进行编码（如1bpp），并将编码后的码流分段。节点首先传送一个较低码率的码流，若解码图像质量已达到目标信噪比则结束解码，否则监控中心将一个继续传输的指令传送至节点，节点收到该指令后输出下一段码流，直至解码端所收到的全部码流的解码效果满足信噪比要求。采用该模式可以不断补充图像的细节信息以满足不同应用的需要。

四、实验结果与分析

本文在Matlab7.0开发环境下，分两种情况来测试算法的性能。当信道中存在误码时，分别对测试图像lena、barb采用0.5bpp进行编码，并在码流中加入高斯噪声。对每一种误码率下的PSNR值进行100次试验后取均值。数据表明，当误码率BER为10-4时，NLS算法的PSNR值下降了约20%，而本文算法的性能与无误码时相差不大；当误码率增大至10-3时，由于误码数量急剧增加，NLS算法的PSNR值下降至15dB，解码图像基本无法识别，而本文算法的PSNR值只下降了20%左右，可见本文算法能显著降低误码对整幅图像质量的影响，因此具有较好的容错性。

采用两种模式进行传输的图像质量PSNR如图1所示，其中分段传输模式分别以0.1bpp、0.2bpp为间隔对码流进行分段。当以0.1bpp分段间隔较小，需要添加较多对图像质量无用的包信息。

五、结束语

仿真结果表明采用编码算法及分段传输的通信模式，能有效减少差错的传播，具有较好的容错性，尤其适用于无线视频传感器网络，并能在满足图像质量的前提下有效减少系统功耗，在低码率的图像传输中其节能效果更为显著。

参考文献：

[1]Wang Zulin.Study of The Application of Wavelet Analysis in Sar Image Processing.Beijing:北京航空航天大学,1999,ll2-122

[2]David S Taubman,Michael W Marcellin.JPEG2000图像压缩基础,标准和实践[M].Xian:电子工业出版社,2004

[作者简介]谭彦（1985-），女，硕士，助教，主要研究方向：无线传感器网络、图像编码。