Transmission Of 2-d İmages For Turbo Codes

Abstract

Hata Düzeltme Kodlamaları, Gürültülü ve sönümlü ortamlarda güvenilir ve etkin haberleşmeyi mümkün kılan günümüz modern kablosuz iletişimin vazgeçilmez bir unsuru haline gelmiştir. Son yüzyıldan beri, Turbo Kodlama bu alanda en güçlü bir Hata Düzeltme aracı olarak görülmektedir. Düşük Kodlama karmaşıklığına sahip olacak şekilde bilginin, maksimum kanal kapasitesi hızına yakın, verimli ve etkin bir şekilde iletilebilmesi bu sayede mümkün olabilmiştir. Bu tez, İkili Turbo Kodlamanın, gürültülü kanallarda, görüntü iletimine ilişkin bir uygulaması niteliğinde olup, üç amacın gerçekleştirilmesini hedeflemektedir. Bunlar, "Hata Düzeltme", "İlerlemeli İletim" ve "Görüntü bağımlı sıkıştırma" dır. (İkili turbo kodlama, semboller arasındaki mesafelerinin uzak olması nedeniyle, işaret/gürültü oranı düşük durumlarda tercih edilir). İlk olarak, 2 boyutlu görüntülerin Turbo Kodlama yoluyla iletilmesi araştırılmıştır. Kablosuz ortamda resim bilgisinin iletilmesinde meydana gelebilecek bit hataları, alıcıda elde edilecek resmin kalitesinde son derece önemli bir role sahiptir. Bu yüzden resim iletiminde kanal etkilerine karşı bazı koruma önlemlerinin kullanılması bir zorunluluktur. İkinci olarak, iletim band genişliği ihtiyacını azaltmaya yönelik bazı metodlar geliştirilmiştir. Genellikle yüksek hızlı donanım kullanımı bu problemi çözmekte yeterli olmayıp yüksek veri hızı gereksinimi gün geçtikçe de artmaktadır. Üçüncü olarak resim-ilişkili sıkıştırma ve ilerlemeli iletim olanakları araştırılmıştır. Önerilen bu metot da görüntünün her aşamada artırımlı olarak iletimi söz konusudur. Özellikle hızlı taramaların önemli olduğu durumlarda bu metod ilgi çekici neticeler verir. Tezin yapısı aşağıdaki gibidir: Bölüm 1 de, haberleşme sistemleriyle ilgili temel bilgiler, Shannon Teoremi v.b. gibi genel bilgileri içeren giriş bölümü yer alır. Literatürde mevcut olan geleneksel Turbo Kodlamanın gelişim süreci bu bölümde verilmiştir. Bölüm 2 de Turbo Kodlama/Kod çözme sistemine ilişkin temel ilkeler yer alır. Buradan, güçlü bir hata düzeltme aracı olan bu kodlamanın, farklı blok uzunluğu ve farklı kodlama hızlan için makul bir yapı karmaşasına sahip olduğu anlaşılabilir. xıı Bölüm 3 de, Turbo Kodlama yoluyla görüntü iletimi problemi ele alınmıştır. îlk olarak, 256 seviyede bir uydu görüntüsünün dizi dizi (1 Boyutlu olarak) iletimi düşünülmüştür. Resme ait 8 bitlik her piksel önce BPSK işaretlerine dönüştürülmüş, kodlanmış ve iletim kanalına verilmiştir. Kanal, sonlu darbe cevaplı (ve doğrusal- zamanla değişmeyen, fakat kanal parametrelerinin bilinmediğinin varsayıldığı) ve Toplamsal Beyaz Gürültünün de ilave olarak mevcut olduğu bir kanaldır. Yani veriler genlik ve faz bozulmasının yanında Beyaz gürültüye de maruz bırakılmaktadır. Kanal etkilerinin azaltmak ve ters kanal filtre katsayılarını bulmak, bu durumda (Beyaz gürültü etkisinden dolayı) daha da zorlaşmaktadır. Kanal dengelemesi LMS, RUS ve Kalman tabanlı algoritmalar ile gerçekleştirilmiş olup, sonuçlar 4 dB ve yukarısı için kanalın başarılı bir biçimde dengelendiğini göstermiştir. İkinci olarak, resim komşuluk ilişkileri de dikkate alınarak (2 Boyutlu olarak) iletilmiştir. Bu amaçla, 2 boyutlu resim Bit Düzlemlerine ayrıştırılmıştır. Bu yaklaşım, 4 bitlik durum için 16 seviyede olan bir resmin hem İkili Turbo Kodlarıyla iletimini mümkün kılmış, hem de komşuluk ilişkilerini alıcıya taşımış, böylece kod çözme işleminden önce resim işleme algoritmalarını kullanabilmemize olanak sağlamıştır. Literatürde mevcut olmayan bu iki yaklaşımın beraber düşünülmesi ile AW-TS ve ICIPA-TS sistemleri oluşturulmuş ve mevcut geleneksel Turbo Kodlama yöntemlerine göre 2dB lik bir kazanç sağlanmıştır. Bölüm 4 de, "sıkıştırma" ve "aşamalı görüntü iletimi"ni gerçekleştiren bir yöntem geliştirilmiştir. Bu yöntem, istenilen oranda yüksek kalitede bir sıkıştırma ve yüksek hata başarımlı iletim olanağı sağlar.. İlk olarak "Sıkıştırma" işlemi gerçekleştirilmiştir.. Sıkıştırma, "Bit Düzlemleri" ve "JPEG" yaklaşımlarıyla ayrı ayrı gerçekleştirilmiştir. Bu iki yaklaşım, sıkıştırma oranlan ve alıcıda elde edilen resim kalitesi anlamında kıyaslanmıştır. Bu bölümde görülür ki, Bit Düzlemi yaklaşımlı iletim ile elde edilen en büyük avantaj, resmin alıcıda çok düşük SNR'lı durumlarda bile elde edilebilmesidir. Fakat JPEG tabanlı sıkıştırmalı iletimin tatminkar olabilmesi için SNR'ın daha yüksek oranda olması gerekir. Diğer yandan JPEG'li iletimde daha yüksek oranda bir sıkıştırma gerçekleştirilebildi. Bu da bize "iletim zamanı" açısından bu yöntemin diğerine göre daha avantajlı olduğu anlamına gelir. Ancak Bit Hata Oranının önemli olduğu durumlarda, "Bit Düzlemi sıkıştırması"na dayalı iletim tercih edilmelidir.. İkinci olarak, "Aşamalı iletim" gerçekleştirilmiştir. İlerlemeli Görüntü iletiminde, görüntü kalitesi ilerlemeli iletim tekniği ile her adımda kontrol edilebilir ve daha detaylı görüntü bilgilerini alabilir. Bu yöntem sayesinde; i) Hızlı tarama ihtiyacına bağlı olarak, iletimden önce sıkıştırma oranı önceden kullanıcı tarafından ayarlanabilir. xııı ii) Sıkıştırma oranı resim ilintili olarak otomatik ayarlanabilir. Yöntem, resmi küçük alt resimlere bölmek ve her bir alt resme detay derecesine göre düzlem sayısı tahsis etmekten ibarettir. Düzlem sayısı (detay bilgisi) alt resimlerin DCT katsayıları ile ilişkilidir. Eğer alt resimlerin DCT katsayılarının genlik değerleri büyükse, o bölge fazla detaya sahiptir anlamına gelir ve o alt resme daha fazla düzlem tahsis edilir. Daha az detaya sahip alt resimler böylece daha az sayıda düzlemle gönderilerek sıkıştırma sağlanmış olur. Bu şekilde kanalın band genişliği değiştirilmeksizin kayıplı ama hızlı resim iletimi sağlanmış olur.. Üçüncü olarak, Resim ilintili sıkıştırma ve aşamalı iletim gerçekleştirilmiştir. Yöntem, orijinal görüntünün kısmi bilgilerinin sırasıyla her bir adımda alıcıya aşamalı olarak gönderilmesi şeklindedir. Her bir aşamada gelen bu kısmi bilgiler görüntünün iyileştirilmesinde kullanılır. Böylece Her bir adımda verici tarafından görüntü hakkında ilave bilgiler gönderildikçe (WWW. Tarayıcılarında olduğu gibi) alıcıda, bir önceki adımda elde edilen bilgilerin de kullanılmasıyla, daha detaylı görüntü elde edilmiş olur. Bu işlem yinelendikçe alıcıda daha fazla bilgi toplanmış olur ve orijinal resme her bir adımda daha fazla yaklaşılmış olur. Son olarak Bölüm 5'de tezde elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş ve bu doğrultuda gelecekte yapılabilecek çalışmalar için öneriler getirilmiştir.

Error corrective coding has become a vital part of modern digital wireless systems, enabling reliable and efficient transmission to be achieved over noisy and fading channels. Over the past decade, turbo codes have been widely considered to be the most powerful error control code due to its practical importance. It has low decoding complexity and enhances the transmitted information's efficiency and accuracy with the rate close to the channel capacity. This thesis investigates an application of binary turbo codes over image transmission problem in the noisy channel and aims to achieve the three objectives: "error correction", "progressive transmission" and "image oriented compression" (Binary turbo coding is preferrable in low SNR case, due to symbol distances are far from each other). First, we begin with the investigation of the transmission of the 2-D images via turbo codes. The transmission of the pictorial information over wireless channels are extremely sensitive to the bit errors and they severely degrades the quality of the image at the receiver. This necessitates the provision of protection methods against these possible channel effects. Second, we continue to develop some methods that reduces the bandwidth requirements. Generally, high speed hardware enhancements are not likely to solve this problem and the need for rapid data transfer grows continuously. Third, a search is also made for image oriented compression and progressive transmission. This proposed method is very usefull when frequent incremental visual inspections of images are needed. Especially in quick search, this method is attractive. The organization of this work is as follows: Chapter 1 is the introduction section, giving some basic concepts related to general communication system, Shannons theorem etc. We investigate the literature review of Turbo Codes in this section. Chapter 2 gives the general information of Turbo coding/decoding concept. It can be seen that they have a very powerful error correcting capability, reasonable complexity, and flexibility in terms of accommodating different block lengths and code rates. IX In Chapter 3, the problem of image transmission via Turbo codes is investigated. First, A satellite test image with 256-gray level is transmitted frame by frame (i.e. 1- D transmission case). Every 8-bit pixel of the image is converted to BPSK signal, coded and transmitted over the communication channel.The channel is considered as FIR (and Linear-Time invariant, but the channel parameters are unknown) plus AWGN (A common model in satellite communication). That means, the magnitude and phase of data are distorted and corrupted additionaly (at the same time) by the AWGN. To compansate the channel effect and predict the inverse channel coefficients are more difficult (due to AWGN) in this situation. LMS, RLS and Kalman based adaptive algorithms are implemented for equalization and the results showed that above 4dB SNR, the proposed system equalized the channel effects successively. Second, the image is transmitted with its neighborhood properties (i.e. 2-D transmission case). For this purpose, the 2D image is sliced into its Bit Planes. This approach reveals using the binary turbo codes enabling to carry the neigborhood relations to the receiver. Two different systems AW-TS (Adaptive Wiener-Turbo System) and ICEPA-TS (Iterative Cellular Image Processing Algorithm-Turbo System) are proposed here and the results are discussed. By the help of these systems, we obtained 2dB additional SNR improvements compared to that of conventional (in the literature) turbo coding systems. In Chapter 4, Some new efficient techniques are proposed which successfully achieves the objectives of "compression" and "progressive image transmission". They provided high compression ratios, with high image quality as desired and enabled an efficient transmission with high Bit Error Rates.. First, we achieved "Compression". The compressions are based "bit plane slicing" and "JPEG "approach. They are compared in terms of their compression ratios and image qualities at the receiver. It can been seen in this chapter that the fundamental advantage of bit plane based algorithm is that it can recover the image at very low SNR's, but JPEG based algorithm needs SNR to be high. On the other hand, it could acheive much greater compressions. So we concluded that, JPEG based compression and transmission would need considerably less transmission time. But, in the cases of BER is important, bit plane based algorithm should be preferred.. Second, we achieved "progressive transmission". In progressive Transmission technique, the quality of the image could be controlled at each stage. This enables the user to receive a more refined image. According to these techniques; i) Users could determine the compression ratio before transmission depending on the fast inspection. ii)The Compression Ratio was determined image orientedly. The basic approach is to segment the image into regions and allocate the number of Bit Planes (resulting the compression) according to their DCT coefficients. If the DCT magnitudes of subimages are high, more planes are allocated, meaning this region has a greater detail in. An image with lower details have less number of planes and may be more efficiently compressed. This method allowed a lossy image transfer with fast extraction of an image, while the bandwidth of communication channel is preserved.. Third, we achieved the image oriented compression and progressive transmission.The procedure is based on the idea that only partial information from the original image is provided to the receiver at each step. The receiver will use the limited information and perform the enhancement. In the next step, additional information about the image will be sent to the receiver (like WWW browsers). The new data, together with data already on the receiver side, is used to build a new and more complete image at the receiver, achieving a better image representation. As the procedure is iterated, for more enhancement, the receiver gathers more image data so that eventually it is able to recreate the image in its original form. Finally, in Chapter 5 we present some concluding remarks together with suggestions for future work.