Параметрический синтез систем наблюдения динамических сцен на основе принципа доминантной информации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Параметрический синтез систем наблюдения динамических сцен на основе принципа доминантной информации

А. К. Цыцулин¹, А. И. Бобровский², А. В. Морозов¹

¹Акционерное общество «Научно-исследовательский институт телевидения» (АО «НИИ телевидения», Санкт-Петербург, Россия

²Федеральное государственное унитарное предприятия «Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем» (ФГУП «ГосНИИПП»), Санкт-Петербург, Россия

Аннотация

Рассмотрено приложение принципа доминантной информации к параметрическому синтезу систем наблюдения динамических сцен. Показано, что рассмотрение системы наблюдения с матричными фотоприемниками как кодера источника позволяет оптимизировать дискретизацию (кадровую частоту и четкость), и квантование по критерию максимума качества информации. Приведена иллюстрация рассмотренных теоретических основ синтеза на примере концептуального проектирования измерительной адаптивной видеосистемы наблюдения динамических сцен.

Ключевые слова: доминантная информация, фоновая информация, шумовая информация, кодирование источника

PARAMETRIC SYNTHESIS OF THE SURVEILLANCE DYNAMIC SCENES SYSTEM BASED ON THE PRINCIPLE OF DOMINANT INFORMATION

А. К. Tsytsulin¹, А. I. Bobrovsky², А. V. Моrozov¹

¹Joint stock company "research Institute of television" (JSC "Research Institute of television", St. Petersburg, Russia

² Federal state unitary enterprise "State scientific-research Institute of applied problems" (FSUE "GosNIIPP"), Saint-Petersburg, Russia

Abstract. The application of the dominant information principle to the parametric synthesis of dynamic scene observation systems is considered. It is shown that consideration of the observation system with matrix photodetectors as a source encoder allows to optimize the discretization (frame rate and clarity), and quantization by the criterion of maximum quality of measurement information. The illustration of the considered theoretical bases of synthesis is given on the example of conceptual design of measuring adaptive video system of observation of dynamic scenes.

Keywords: dominant information, background information, noise information, source coding

динамичный матричный фотоприемник кодер

Принцип доминанты А. А. Ухтомского [1?3], по современной классификации относящийся к теории семантической информации, нашей научной школой Основана профессором Л. И. Хромовым (1926-2018). применен и развит в приложении к теории передачи синтаксической информации, основы которой заложены К. Шенноном [4] для борьбы с шумом канала. Для многих систем в радиоэлектронике, и, особенно, в оптико-электронике, важно, что в модели системы присутствуют как минимум два источника шума, не сводимых к одной точке приложения - входной и шума канала. Не случайно Н. Винер писал [5, с. 43]: «Гораздо более принципиальное значение, чем этот пример <шум канала>, имеет тот факт, что сам свет имеет атомарное строение». Дополнительным стимулом для нас явилось мнение А. Н. Колмогорова [6] о главенстве понятия взаимной информации и о том, что информация не является скалярной величиной. Из этого и выводится ключевая аксиома об априорном равноправии сигналов: взаимность может быть у получателя (наблюдателя) с любой из компонент доступной информации - доминантной, фоновой Фон может пониматься с различных позиций в зависимости от моделей полезного сигнала: при случайном сигнале (принятой в теории связи) для учёта фона достаточно учесть корреляцию отсчётов динамического процесса (поля), при сигнале неслучайной формы с неизвестными параметрами следует учитывать наличие внешнего фона, входящего в состав физического стимула на входе чувствительного элемента измерительного прибора., шумовой).

Принцип доминанты

Принцип доминанты А. А. Ухтомского, сформулированный в рамках физиологии до рождения теории связи [4], развит в принцип доминантной информации [7?10]. Он является плодом осмысления передачи информации о зашумлённых сигналах, в силу чего его ядром является отход от устаревшего отождествления понятий информация и польза, и переход к учёту информаций различного вида - доступной, доминантной, фоновой, шумовой. Принцип доминантной информации сформулирован в рамках теории связи, которую можно подразделить на связь человек?человек и природа?человек. Важной частью связи природа?человек является измерительная техника, что обусловило интерес создателей измерительных систем к теории информации [11]. Использование теории информации при синтезе информационных систем, хотя и внедрило в практику понятие измерительной информации, но давало ограниченные результаты в силу того, что математическая теория связи [4] по сути является теорией каналов связи [6], и не охватывает этапа рождения информации, крайне важного в теории измерений. Ниже показано, как принцип доминантной информации обосновывает синтез методов обработки измерительной информации.

А. А. Ухтомский не ограничивал принцип доминанты областью только физиологии, а относил его к фундаментальным вопросам человеческого бытия и познания. Такая связь с познанием характерна и для измерительной информации (см., напр., [11], с. 7). Что же главное в принципе доминанты Ухтомского, что использовано в принципе доминантной информации? Это то, что воздействия подразделяются на доминантные, фоновые и шумовые, и для выделения доминанты необходимо её усиливать, а остальные компоненты - тормозить. Ухтомский писал о необходимости для выделения доминанты и интегрирования [2, с. 439], и дифференцирования [3, с. 235]. Эти два инструмента - накопление и дифференциация - в доминанте А. А. Ухтомского объединяются [2, c. 440]: «В первоначальном увязывании случайных раздражений с доминантою ("генерализование") я вижу момент не "анализирования" среды, а напротив - момент слепого синтезирования, из которого лишь потом и во вторую очередь выделяется "важное" и "подходящее", причем "внутренне торможение" служит фактором отличения "неважного" и "случайного" от повторяющегося, и, стало быть, примечательного». Может показаться противоречием то, что доминанта у Ухтомского - и накопление-интегрирование, и новизна-дифференцирование, но это лишь отражение наличия двух видов ложных сигналов - неконтролируемых флуктуаций и фона, и с первыми можно бороться только накоплением, а с фоном - вычитанием. Из этих идей на современном этапе формирования теоретических основ синтеза информационно-измерительных систем вытекает не только признание нескольких видов информации - доминантной, фоновой, шумовой, но многозвенная структура системы, которая должна учитывать различные процедуры обработки информации для борьбы с фоновой информацией и с шумовой информацией.

Принцип доминантной информации

Трудности приложения теории информации к многозвенным системам, в которых не просто передаётся, но и рождается информация, и имеют место несколько источников помех, проявились, например, в том, что К. Шеннон писал [4, с. 404]: «В телевидении, например, источником информации является передаваемая сцена, сообщением - выходной сигнал телекамеры и сигналом - выходной сигнал передатчика». Вместе с тем на схеме системы связи у Шеннона сообщение формируется на выходе источника. Так куда отнести телекамеру? Если на её выходе сообщение, которое передатчик переделывает в сигнал, - то к источнику, а если источник - сцена, то телекамера входит в состав передатчика, т. е. является первичным кодером. Если для теории каналов связи достаточно было считать источник сигнала, в роли которого выступал телеграфный ключ, заданным, то при построении теории измерительных систем необходимо рассматривать источники принципиально иного типа, которые включают «первичное восприятие и выделение (селекцию) измеряемой физической величины и формирование измерительного сигнала» [11, с. 7].

В радиоэлектронных и оптико-электронных приложениях они являются и источниками измерительной информации, и кодерами. Для потребителей информации измерительная система - источник измерительной информации ([11], с. 11), для проектировщика этой системы она, несомненно, - кодер ([9], с. 11). Такой кодер, например, в адаптивной измерительной телевизионной системе [10] (рис. 1), должен осуществлять операции, направленные на подавление шумовой информации (непосредственно в телекамере - в матрице и АЦП) и фоновой информации в цифровом оценивающе-вычитающем устройстве.

Намерение разделить различные виды информации известно [12]: «Задача приёмника ? извлечь из принятого сигнала всю возможную информацию о переданном сигнале (а, следовательно, и о представленном этим сигналом сообщении) и отбросить имеющуюся «фиктивную информацию» об источнике шума». Это значит, что выделение доминантной информации, насыщение доступной информации доминантой - это крупная проблема, но до формулировки принципа доминантной информации она была плохо формализована. Так, часто (напр., [11], с. 110) считалось, что квантование - это метод борьбы с потенциально бесконечной информацией в непрерывном сигнале, без разделения её на доминантную и шумовую.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурная схема адаптивной видеоинформационной системы

Попытки применения теории информации в измерительной технике с помощью учёта потери информации ([11], с. 298), так же, как и аналогичные попытки в теории связи, не дали конструктивных результатов. Принцип доминантной информации обосновывает введение в теорию кодирования зашумлённых сигналов оптимальной стратегии, заключающейся в минимизации информационного риска, состоящего из совокупности разнородных взаимных информаций. Как в теории решений критерий среднего риска (Байеса) строится из совокупности разнородных вероятностей [13], в теории доминантной информации он строится из совокупности разнородных взаимных информаций, введением вектора из двух вероятностей различных видов ошибочных решений. Проблема оптимизации в теории информации не могла быть решена с помощью только потери одной из информаций, она должна решаться введением вектора, включающего сумму (в общем случае взвешенную Точно так же, как из критерия Байеса при отказе от различных цен при ошибках различного рода следует критерий идеального наблюдателя Котельникова-Зигерта, из критерия минимума информационного риска следует критерий экономного связиста [8?10].) потери доминантной информации, фоновой и шумовой.

В рамках старой концепции считалось, что никакая обработка не может увеличить количества информации о сигнале в его смеси с шумом, т. е. что при любой обработке кодером G сигнала X, доступного лишь в виде его смеси Y с шумом источника о (кодировании, преобразующем его в код Z) количество информации о нем I(X, Z) не может стать больше потенциального значения I (X, Y):

I(X, Z) ? I(X, Y); Z = G{Y}. (1)

Принцип доминантной информации диктует переход от неравенства (1) для модели сигнала Х (доступного лишь в смеси с фоном F и шумом о, через канал связи с шумом з по схеме ) к системе из трёх неравенств [7], включающей возможные изменения в ходе кодирования источника всех трёх количеств взаимной информации о сигналах: доминантном (в доступном сигнале, потенциальное значение Iд(Х, Y), в полученном коде Iд(Х, Z)) , шумовом (в доступном сигнале Iш(о, Y), в полученном коде Iш(о, Z)) и фоновом (в доступном сигнале Iф(F, Y), в полученном коде Iф(F, Z)) сигналах:

(2)

В процессе подавления фоновой и шумовой информаций обычно возникает потеря доминантной информации ДIд. Возможность подавления вредных компонент информации согласно этим неравенствам является обоснованием цели и возможностей обработки информации при выделении доминанты. Недоподавленные кодером источника фоновая Iф(F, Z) и шумовая Iш(о, Z) информации совместно с потерей доминантной информации ДIд порождают соответствующие информационные риски из-за влияния фоновой информации Rф, из-за влияния шумовой информации Rш, и их совместного влияния R:

R = Rn + Rф; Rn = ДIд + Iш(о, Z); Rф = ДI + Iф(F, Z). (3)

Существование информационного риска позволяет аналогично нормированному среднему риску (нормированной среднеквадратической ошибке [13, с. 570]) определить качество Q передаваемой через канал информации Это понятие не противоречит, а дополняет понятие качества изображения, доставленного получателю. Оно заведомо меньше, чем для системы связи, рассмотренной Шенноном, в силу закона о существования нижней границы информационного риска, Rn ? 1 бит/символ [8, 9]:

. (4)

На основе принципа доминантной информации уже разработана концепция оптимальности и адаптации кодирования источника в цифровом кодере и в фотоприёмнике телекамеры, в том числе при динамическом смазе изображений [9, 10], обосновано его широкое применение в видеоинформатике [7].

При этом оптимальность соответствует максимуму качества информации, передаваемой в канале. Реализация различных инструментов для повышения качества информации (рис. 2) системы со структурой рис. 1 позволяет достичь максимума качества информации как при оптимизации квантования сигнала (рис. 3), так и при дискретизации с учётом возможности сложения сигналов соседних пикселов («бинировании», рис. 4; экспериментальные значения качества информации приведены для матрицы формата 1 Мегапиксел [10]).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Родство методологии синтеза систем наблюдения на основе теории решений (теорий проверки гипотез и теории оценивания) и на основе теории передачи информации (принципа доминантной информации) проявляется во многом:

· Общие модели и априорная информация, формулируемые на языке статистической теории;

· Критерии строятся как (взвешенная) сумма двух различных показателей, характеризующих, с одной стороны, ущерб по отношению к доминантному сигналу, с другой стороны - преобладание мешающих сигналов;

· Качество решения (оценок) и качество информации определяются не только наличием шумов, но и наличием фона (часто моделируемого коррелированным или «окрашенным» шумом), обуславливающего использование устройств подавления фона (оценивающе-вычитающих устройств, «выбеливающих» спектр фона) - в теории решений качество определяется энергией полезного сигнала, искажённого «выбеливающим» фон фильтром, в теории информации качество определяется потерей доминантной информации из-за того же «выбеливающего» фон оценивающе-вычитающего устройства.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вместе с тем теория передачи информации при синтезе измерительных систем позволяет не только учесть большее количество ограничений, свойственных кодирующим устройствам и каналам связи, чем входят в арсенал теории решений, но и, благодаря принципу доминантной информации, оптимизировать этап рождения сигнала. В частности, максимизация качества информации даёт обоснование и аналитическое решение для спектральной характеристики оптимального кодирующего фильтра, включающего ограничения спектра зашумлённого сигнала по пороговому спектральному отношению сигнал/шум, которого в теории решений нет (фильтр Винера требует использования всего неограниченного спектра зашумлённого сигнала), а в теории передачи ограниченность спектра сигнала В. А. Котельниковым и К. Шенноном введено без каких-либо обоснований.

Заключение

Проектирование систем наблюдения с привлечением понятий теории информации имеет не только прошедший этап использования теории Шеннона, но и перспективу в виде опоры на принцип доминантной информации. Его суть - в новых понятиях различных видов взаимной информации. Только принцип доминантной информации даёт ответ на вопрос «зачем с точки зрения теории информации ведётся кодирование зашумлённых сигналов?» ? для выделения доминантной информации и подавления ложной информации, повышения качества (4) передаваемой информации. Основой аналитических решений для оптимальных информационно-измерительных систем, включающих рождение и преобразования измерительной информации, в частности о динамических сценах, являются формализованные с помощью принципа доминантной информации критерий минимума информационного риска (3) и связанное с ним понятие качества информации (4).

Литература

1. Ухтомский А. А. Доминанта. ? СПб.: Питер, 2002. ? 448с.

2. Ухтомский А. А. Заслуженный собеседник. Этика. Религия. Наука. Рыбинск: Рыбинское подворье, 1997. - 576 с.

3. Ухтомский А. А. Доминанта души: Из гуманитарного наследия. Рыбинск: Рыбинское подворье, 2000. - 608 с.

4. Шеннон К. Работы по теории информации и кибернетике. М.: Иностр. литер.1963. 832 с.

5. Винер Н. Творец и будущее. М.: Издательство АСТ, 2003. - 732 с.

6. Колмогоров А. Н. Теория информации и теория алгоритмов. М.: Наука, 1987. - 304 с.

7. Принцип доминантной информации и его приложение к видеоинформатике/ Цыцулин А. К., Бобровский А. И., Морозов А. В. и др. /Вопросы радиоэлектроники, серия Техника телевидения, 2018, вып. 4. - С. 3-16.

8. Хромов Л. И., Цыцулин А. К. Основания космической видеоинформатики. Вопросы радиоэлектроники, серия Техника телевидения, 2011, вып. 1. - С. 6-31.

9. Твердотельные телекамеры: накопление качества информации/ Цыцулин А. К., Адамов Д. Ю., Манцветов А. А, Зубакин И. А.// СПб., Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014. - 272 с.

10. Теория и практика космического телевидения/ Под ред. А. А. Умбиталиева и А. К. Цыцулина. СПб, НИИ телевидения, 2017. - 368 с.

11. Кавалеров Г. И., Мандельштам С. М. Введение в информационную теорию измерений. М., Энергия, 1974. - 376 с.

12. Черри К. Человек и информация. М. Связь. 1972. 368 с.

13. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценивания и модуляции. М.: Сов. Радио, 1972, т. 1. 744 с.

References

1. Ukhtomsky A. A. Dominanta. ? SPb.: Peter, 2002. - 448c.

2. Ukhtomsky A. A. Honored interlocutor. Ethics. Religion. Science. Rybinsk: Rybinsk farmstead, 1997. ? 576 p.

3. Ukhtomsky A. A. Dominanta souls: humanitarian heritage. Rybinsk: Rybinsk farmstead, 2000. ? 608 p.

4. Shannon C. E. Works on information theory and Cybernetics. M.: Foreign. liter.1963. ? 832 p.

5. Wiener N. The Creator and the future. M.: Publishing house AST, 2003. ? 732 p.

6. Kolmogorov, A. N. Information theory and theory of algorithms. M.: Science, 1987. ? 304 p.

7. The dominant information principle and its application to videoinformation/ Tsytsulin A. K., Bobrovsky A. I., Morozov A. V. et al. /Problems of Radioelectronics, series Television technique, 2018, vol. 4. ? P. 3?16

8. Khromov, L. I., Tsytsulin A. K. Base space videoinformation. Questions of Radioelectronics, a series Television technique, 2011, vol. 1. ? P. 6?31.

9. Solid state cameras: the accumulation of information quality/ Tsytsulin A. K., Adamov D. Yu., Mantsvetov A. A., I. A. Zubakin// SPb. Publishing GETU "LETI", 2014. ? 272 p.

10. Theory and practice of space television/ Edited by A. A. Umbitaliev and A. K. Tsytsulin. St. Petersburg, Institute of television, 2017. ? 368 p.

11. Kavalerov G. I., Mandelshtam M. S. Introduction to information theory measurements. M., Energy, 1974. ? 376 p.

12. Cherry K. Man and information. M. Communication. 1972. ? 368 p.

13. Van Tris G. Theory of detection, estimation and modulation. M.: Sov. Radio, 1972, vol. 1. ? 744 p.

Размещено на Allbest.ru