混合数模传输中的图像视频处理理论与方法

The current wireless transmission of image and video, which is based on the framework of source and channel coding, provides an efficient way for point-to-point transmission. But limited by the cliff effect caused by coding, it requires real-time channel estimation and cannot efficiently support the point-to-plane transmission, such as multicast and broadcast. Recently, the emerged uncoded transmission (also named as pseudo-analog transmission) removes quantization and entropy coding from source coding and removes channel coding. It directly transmits processed pixel values or coefficients of image and video. The received quality of image and video for every user is proportional to its channel SNR, which can efficiently support the point-to-plane transmission. Hybrid digital-analog transmission is the mixture of point-to-point transmission and point-to-plane transmission. As a new research topic, it owns important research value and promising applications. This project devotes to develop the basic theory and methods for hybrid digital-analog transmission of image and video. In source coding, source separate model, random projection coding and distributed coding will be studied. In channel coding, the theoretic bound of hybrid digital-analog transmission will be analyzed and the optimal channel coding will be designed. In image and video transmission, the related methods, including multiplexing, modulation, resource allocation, will be studied in detail. Together, a high-efficient framework mixing digital and pseudo-analog transmissions will be desired.

现有的基于信源信道编码框架的图像视频无线数字传输方法提供了高效的点到点传输能力，但是受限于编码所导致的悬崖效应，需要实时准确的信道估计，无法高效地支持点到面的图像视频多播和广播。近年来出现的无编码传输（也叫伪模拟传输），去除了无线数字传输中信源编码的量化和熵编码以及信道编码，直接传输图像视频像素或者系数，用户接收的图像视频质量与信道质量成正比，能够很好地支持点到面的多播和广播。混合数模传输把点到点和点到面的传输融合为一体，具有重要的研究价值和广泛的应用前景。本项目致力于发展混合数模传输的图像视频基本理论和关键技术，在信源方面将研究信源分离模型以及伪模拟传输中的随机投影编码和分布式编码等方法；在信道方面将分析混合数模传输的性能极限并给出最优的编码设计；在图像视频应用方面研究相应的混合数模传输方法，包括调制复用、数据调度、资源分配等关键技术，实现数字传输和伪模拟传输的高效融合。

数字图像视频传输存在悬崖效应，难以高效利用功率、带宽等资源。本项目研究混合数模图像视频传输理论与技术，包括信源分离模型与伪模拟信源编码方法、混合数模编码的性能极限和伪模拟信道编码方法以及面向图像视频应用的混合数模调制复用、数据调度、资源分配等关键技术。项目的主要成果：1）提出了结合信源数据发送策略和标量量化的信源分离模型，得到了任意给定功率和带宽预算以及信道信噪比下失真的闭式表达。在伪模拟信源编码方面，提出了使用Shannon–Kotel’nikov映射来有效压缩伪模拟信号传输带宽，设计了基于感兴趣区域的压缩编码方案。面向高光谱卫星图像，提出了基于小波变换和分布式编码以及基于去除子带的传输方法。2）在性能极限方面，将混合数模编码看作联合信源信道编码的一种形式，对于无记忆信源通过无记忆广播信道的联合信源信道编码问题，得到了容许失真界的一个内界和若干个外界，进一步地，对于联合信源信道加密问题，得到了密钥速率、列表速率、窃听者失真和合法用户失真的容许区域的内界。对tent map混沌编码进行改进以适应伪模拟传输，提出了基于一维混沌编码的伪模拟信道编码，在此基础上，使用改进的Single-Input Baker’s模拟编码来代替改进的tent map混沌编码，提出了基于二维混沌编码的伪模拟信道编码方案。针对MIMO系统，构建了多相似空时块编码码字来最大化伪模拟传输分集增益。3）设计了用于视频传输的混合数模叠加调制方案，给出了视频传输系统实现性能增益的充分必要条件。提出了伪模拟传输中的代价失真优化和资源控制方法，提出了一种最优功率分配的调度算法获得带宽适应性，实现了渐进式伪模拟视频传输。在5G网络中，提出了面向切片的数模混合超高清视频传输方法。本项目的成果进一步发展了现有的信息论、信号处理和通信方法，为图像视频的高效处理和传输提供了基础理论支撑和技术手段。项目执行期间，获得了国家技术发明奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖及IEEE电路与系统学会Mac Van Valkenburg奖、1人入选长江学者（特岗）。