19

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.327: 681.5

05.12.13 радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕТОД СКОРОЧЕННЯ ОБ'ЄМІВ ВІДЕОДАНИХ, ЯКІ ПЕРЕДАЮТЬСЯ В ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВІ КОДУВАННЯ ДЖЕРЕЛ ЗОБРАЖЕНЬ

Слободянюк Олександр Васильович

Харків 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному економіко-технологічному університеті транспорту, Міністерства транспорту та зв'язку України, м. Київ.

Науковий керівник доктор технічних наук, старший науковий співробітник Бараннік Володимир Вікторович провідний науковий співробітник наукового центру Повітряних Сил Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Міністерства оборони України, м. Харків.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Хаханов Володимир Іванович, декан факультету «Комп'ютерна інженерія та управління» Харківського національного університету радіоелектроніки, Міністерства освіти і науки України, м. Харків;

кандидат технічних наук, доцент Корольова Наталія Анатоліївна, доцент кафедри «Транспортний зв'язок» Харківської державної академії залізничного транспорту, Міністерства транспорту та зв'язку України, м. Харків.

Захист відбудеться «9» червня 2010 р. о «14» годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: Україна, 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий «12» квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д 64.052.03 Є.В. Дуравкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

стиск відновлення телекомунікаційний

Актуальність теми. Розвиток інфраструктури великих виробництв нерозривно пов'язаний з територіальною розподіленністю організаційних і технологічних процесів, обробкою і передачею великих об'ємів відеоінформації, автоматизацією функцій відносно обробки, аналізу та прийняття рішень, але із збереженням важливої ролі людини, підвищенням вимог відносно оперативності і достовірності отримуваної інформації, використанням різноманітних інформаційних та комунікаційних технологій (ІКТ). На перший план висувається необхідність забезпечення обробки і передачі даних в існуючих телекомунікаційних системах (ТС) на великі відстані із заданим рівнем достовірності за необхідні часові інтервали. Однак існуючі ІКТ мають обмеженні можливості відносно обробки і передачі даних. Це призводить до

збільшення навантаження на канали зв'язку, росту часу доставки даних, підвищення вартості отримуваної інформації, зниження ступеня достовірності інформації, зменшення оперативності прийняття рішень. Один із напрямків вирішення цих питань полягає у компактному представленні зображень. Отже, існує актуальна науково-прикладна задача, яка полягає у скороченні сумарного часу на обробку і передачу в ТС різних класів статичних зображень зі збереженням заданого рівня достовірності за рахунок кодування відеоданих.

Великий вклад в розвиток і побудову теорії та методів компактного представлення внесло багато вчених. Серед них Александров В.В., Гларіозов Г.Л., Горський Н.Д., Зубарев Ю.М., Корольов А.В., Котєльніков В.А., Красильников Н.Н., Крічевський Р.Е., Мановцев А.П., Онищенко Ю.А., Рябко Б.Я., Свириденко В.А. та ін. З іноземних дослідників великий вклад внесли Барнслі М., Девіссон Л.Д., Джайн А.К., Зів Дж., Кунт М., Претт У.К., Шеннон К., Хартлі Р.Л., Хаффман Д.А., Хеммінг Р.В. та ін.

Аналіз підходів відносно стиснення зображень виявив, що:

1) найбільші ступені стиснення досягаються за рахунок попередньої обробки відеоданих на базі ортогональних і вейвлет перетворень, та усунення психовізуальної надмірності. При цьому вносяться безповоротні втрати

інформації та витрачається велика кількість операцій. Такі недоліки обмежують області використання методів даного класу;

2) серед методів стиснення, що забезпечують обробку в реальному часі без внесення похибки найбільші ступені стиснення досягаються для кодів, які основані на виявленні локальних закономірностей (серії однакових елементів) і які базуються на скороченні статистичної надмірності. В цьому випадку знижується: степінь компресії реалістичних зображень; завадостійкість стиснених даних при їх передачі по каналах зв'язку. Це призводить до збільшення часу передачі інформації і зниження рівня достовірності відновлюваних даних;

3) для різних класів зображень властива наявність розподілених областей однакових елементів. Однак підходи і методи, що забезпечують стиснення відеоданих, за рахунок скорочення даних видів надмірності не отримали необхідного опрацювання в теорії інформації та кодування.

Таким чином, є актуальною тема дисертаційних досліджень направлених на розробку методів компактного представлення відеоданих із заданим рівнем достовірності в ТС на основі скорочення надмірності, обумовленої наявністю в зображеннях інтегрованих характеристик, що забезпечують додаткове підвищення ступеня стиснення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження проводились в рамках завдань, що регламентуються наступними нормативними документами: Концепція розвитку зв'язку України до 2010 р. (постанова Кабінету Міністрів України від 9.12.99 р. № 2238), Національною програмою інформатизації України до 2010 року, Національними космічними програмами України, Закону України «Про телекомунікації» (2004), комплексної цільової програми Укрзалізниці: «Програми підвищення безпеки руху на залізницях», планів наукової науково-технічної діяльності Кам'янець-Подільського національного університету імені Івана Огієнка та Харківського університету Повітряних сил імені Івана Кожедуба, в рамках яких була виконана НДР «Розробка методів обробки інформації в інформаційно-телекомунікаційних системах» (№0101U000615), в якій дисертант був виконавцем.

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка методів стиску та відновлення відеоданих для зниження сумарного часу обробки і передачі в ТС із заданим рівнем якості відновлення на основі їх структурного представлення в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєфу зображень. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

1. Обґрунтувати підхід відносно виявлення інтегрованих структурних

характеристик зображень різних класів для забезпечення можливостей підвищення ступеню стиснення відеоданих із заданим рівнем достовірності.

2. Розробити метод стиснення відеоданих на основі скорочення структурної та комбінаторної надмірності, обумовлених виявленням інтегрованих структурних характеристик зображень.

3. Створити метод взаємооднозначного відновлення зображень із заданим рівнем достовірності.

4. Побудувати програмно-апаратні реалізації розроблених методів стиснення та відновлення зображень.

Об'єкт дослідження. Процеси та методи генерування, обробки і кодування зображень в телекомунікаційних системах.

Предмет дослідження. Методи та засоби цифрової обробки відеоданих для їх компактного представлення із заданим рівнем якості відновлення в телекомунікаційних системах на основі виявлення інтегрованих структурних характеристик зображень.

Методи дослідження. Дослідження можливостей технологій компактного представлення зображень відносно зниження часу на обробку та передачу даних в інформаційно-телекомунікаційних системах проводилось із використанням положень системного аналізу й теорії складних систем. Аналіз методів та підходів відносно скорочення надмірності зображень базувався на положеннях статистичної теорії зв'язку, теорії інформації і кодування. Дослідження локальних та інтегрованих характеристик зображень організовувалось із використанням методик статистичного та структурного аналізу зображень. Побудова інформаційної моделі мультиізотопного представлення рельєфу зображення і розробка методів структурного кодування та декодування даних в архітектурному просторі рельєфу зображення ґрунтувались на теорії кодування, апараті комбінаторного аналізу. Оцінка степені стиску зображень, часу на обробку та адекватності отриманих результатів здійснювалась на основі методів математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Отримав подальший розвиток рельєфний опис зображень за рахунок формування архітектурного позиціонування висот мультиізотопних рівнів. Дане

представлення рельєфу зображень на відміну від інших є інтегрованим та ґрунтується на побудові позиціонуючих масивів (ПМ), елементи яких взаємооднозначно задають координати висот рельєфу в зображенні. Це дозволяє зберегти переваги абсолютного позиціонування (безпосереднє визначення координат висот рельєфу) та відносного позиціонування (скоротити кількість розрядів на кодове представлення позиціонуючої інформації про висоти рельєфу), що призводить до зниження часу обробки та підвищення ступеня компактного представлення.

2. Вперше побудована інформаційна модель архітектурного представлення рельєфу зображень, яка основана на представлені його архітектури у вигляді комбінаторного об'єкту, і яка відрізняється від існуючих тим, що враховуються обмеження зв'язності між ізотопними рівнями в двійковому поліадичному просторі. Це забезпечує підвищення потенціальних можливостей відносно скорочення об'ємів відеоданих, які передаються в телекомунікаційних системах.

3. Вперше розроблено метод компресії відеоданих на основі структурного кодування двійкових даних в непозиційному архітектурному просторі. На відміну від інших методів кодування розроблене засноване на структурній нумерації зв'язних перестановок з повтореннями в двійковому двомірному поліадичному просторі із врахуванням переформатування архітектури рельєфу зображення у відповідності з непозиційністю та взаємовиключністю їх ізотопних рівнів. Це дозволяє скоротити час обробки і передачі даних в ТС за рахунок підвищення ступеня стиснення зображень.

4. Вперше побудований метод відновлення зображень на основі реконструкції рівнів архітектури рельєфу. На відміну від існуючих методів реконструкції базується на структурному декодуванні в непозиційному архітектурному просторі, яке враховує обмеження на кількість позицій із забороною одиничних значень та обмеження на динамічні діапазони елементів позиціонуючих масивів. Це дозволяє відновлювати зображення без втрат їх якості й забезпечувати заданий рівень достовірності інформації в ТС.

Новизна отриманих результатів підтверджується відсутністю в існуючих положеннях теорії інформації і цифрової обробки зображень розроблених в дисертаційній роботі моделей та методів компактного представлення відеоданих.

Практичне значення отриманих результатів досліджень полягає в тому, що розроблено методи та програмно-апаратні реалізації процесів стиснення та відновлення зображень без втрати їх якості на основі структурного представлення даних в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєфу зображень, які дозволяють в залежності від ступеня насиченості зображення однорідними областями забезпечити:

1) коефіцієнт стиснення в середньому відповідно від 1,5 до 5 разів, та виграш відносно існуючих методів відповідно 15% - для сильно насичених зображень (коефіцієнт кореляції не більше 0,7), та 20% - для насичених зображень (коефіцієнт кореляції змінюється від 0,9 до 0,97);

2) середній час стиснення зображень розміром 800Ч600 та 2048Ч1536 елементів на універсальних обчислювальних засобах, що змінюється від 0,8 до 5 с.;

3) в системах з комутацією каналів для розміру зображення 800Ч600 елементів і швидкості передачі 57 Кбіт/с середній виграш по часу доведення

відносно методу JPEG на рівні 16%, а передачі відеоданих без стиснення на рівні 2,7 раз і розміру зображення 2048Ч1536 елементів й швидкості передачі 2,048 Мбіт/с середній виграш по часу доведення відносно методу JPEG на рівні в середньому 2,26 разів;

4) в системах з комутацією пакетів для розміру зображення 800Ч600 елементів і швидкості передачі 57 Кбіт/с середній виграш по часу доведення відносно методу JPEG на рівні 19%, а передачі відеоданих без стиснення в середньому в 3,4 рази і розміру зображення 2048Ч1536 елементів і швидкості передачі 2,048 Мбіт/с середній виграш по часу доведення відносно методу JPEG на рівні 37ч42%.

Результати науково-прикладних досліджень дисертації використовувалися при виконанні експериментально-конструкторських робіт на НТ СКБ «ПОЛіСВіТ» філії ДНВП «Об'єднання Комунар» (акт реалізації від 17.12.2009 р.).

Достовірність отриманих результатів ґрунтується на адекватності результатів експериментальних досліджень (отриманих в результаті машинної обробки реалістичних зображень), теоретичних даних отриманих на основі побудованих інформаційних моделей, обґрунтованому використанні в процесі проведення науково-прикладних досліджень математичного апарату теорії інформації і кодування, відновленні вихідних даних цифрованих зображень на приймальній стороні без втрат, що забезпечується взаємооднозначністю структурного представлення даних в непозиційному архітектурному просторі, використанні необхідної та достатньої інформації для проведення відновлення трьохмірних двійкових структур (ТДС), використанні цілочисельних арифметичних операцій.

Особистий внесок автора дисертаційної роботи в публікаціях, які виконані в співавторстві, полягає в наступному:

у статті [2] - побудована інформаційна модель архітектурного представлення мультиізотопного опису рельєфу зображення, яка враховує закономірності в структурному вмісті окремих позиціонуючи масивів. Визначено кількість архітектур ізотопного опису рельєфу, які розглядаються як перестановки з повтореннями тривимірної структури в двійковому просторі з додатковими обмеженнями на динамічний діапазон елементів; у статті [3] - створена рельєфна модель опису зображень, яка дозволяє узагальнити різні формати оцифрованого представлення зображень. Розроблене мультиізотопне представлення рельєфного опису зображень на основі виділення рівнів, що є горизонтальними площинами, які проходять через висоти рельєфу, розташовані на одному рівні; у статті [4] - розроблені базові елементи архітектурного позиціонування висот рельєфу зображення. Обґрунтовано, що архітектурне позиціонування забезпечує зниження часу формування і обробки відеоданих, представлених на основі ізотопного опису рельєфу зображення і архітектурного позиціонування, потенційну можливість для формування компактного представлення відеоданих без втрати інформації для зниження часу їх передачі в телекомунікаційних мережах; у статті [5] - розроблена інформаційна модель архітектурного представлення мультиізотопного опису рельєфу зображення. Оцінена максимальна і мінімальна кількість розрядів, яку потрібно витратити для взаємооднозначного опису архітектурного позиціонування висот рельєфу зображення, залежно від динамічних діапазонів елементів позиціонуючих масивів та від характеру зв'язності ізотопних рівнів архітектури; у статті [6] - розроблена нумерація тривимірних двійкових структур із урахуванням зв'язності ізотопних рівнів рельєфу зображення в двовимірному поліадичному просторі; у статті [7] - розроблено метод відновлення зображень без втрат на основі декодування позиціонуючої інформації, що базується на структурному декодуванні даних в непозиційному архітектурному просторі; у статті [8] - побудовано структурне кодування в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєфу зображення, яке ґрунтується на переформатуванні архітектури рельєфу зображення, основаного на властивостях непозиційності і взаємовиключності ізотопних рівнів та структурній нумерації переформатованої архітектури рельєфу зображення в непозиційному мультиізотопному просторі.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались і були схвалені на наступних науково-технічних конференціях та семінарах: VIIІ міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы информатики и моделирования» (м. Харків, 2008); Четверта та П'ята наукова конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (м. Харків, 2008, 2009 рр.); І міжнародна науково-практична конференція «Безпека та захист інформації в інформаційних і телекомунікаційних системах» (м. Харків, 2008); науково-практична конференція «Проблема інтеграції інформації - 2008: дослідження, розробки, інтелектуальна власність» (м. Харків, 2008); Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science. Proceedings of the International Conference TCSET'2009 (Lviv-Slavsko, Ukraine, February 20 - 24, 2009); IEEE East-West Design & Test International Symposium (Moscow, Russia, September 18 - 21, 2009).

Публікації. За темою дисертації автором самостійно та у співавторстві опубліковано 15 наукових праць, які включають 8 наукових статей, 7 тез доповідей. При цьому основні положення дисертації опубліковано в 8 статтях, з яких 1 написана автором самостійно, а також у 7 матеріалах і тезах доповідей на конференціях. Усі статті опубліковані в журналах та збірниках наукових праць, що входять до переліку видань, дозволених ВАК України для публікацій матеріалів дисертації з технічних наук.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, списку використаної літератури і 2 додатків. Загальний обсяг дисертації складається із 170 сторінок, з них 26 ілюстрацій 10 сторінках, 10 таблиць на 5 сторінках, перелік використаних скорочень на 1 сторінці, списку використаної літератури зі 118 джерел на 11 сторінках і додатків на 5 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність тематики дисертаційних досліджень, сформульовано науково-прикладну задачу, мету та завдання дисертації, представлені наукова новизна і практичне значення отриманих наукових результатів.

У першому розділі проводиться огляд особливостей та проблемних аспектів функціонування сучасних інформаційно-телекомунікаційних систем (ІТС). Для забезпечення ефективності виробничих процесів їх інформаційно-технічна структура має ґрунтуватися на основі інтеграції різних інформаційно-обчислювальних і телекомунікаційних технологій, при накладанні таких додаткових умов функціонування як наявність великої кількості джерел та одержувачів інформації, забезпечення заданого рівня достовірності інформації й обмеженості по часу її передавання та інших. Водночас підвищення рівня ефективності багатьох технологічних і управлінських задач пов'язане із додатковим (часто досить значним) збільшенням об'ємів даних, що обробляються, передаються та аналізуються від різних джерел інформації. Подібна залежність є причиною різкого зростання цифрових об'ємів даних, які потрібно перерозподілювати між багаточисельними користувачами на великі територіальні відстані. Разом із порівнянням темпів зростання цифрових об'ємів проводиться оцінка можливостей по обробці та передачі даних сучасними інформаційно-обчислювальними телекомунікаційними технологіями. Це призводить до висновку, що для підвищення рівня відповідності ІТС існуючим обсягам даних можна використовувати методи компактного представлення інформації, зокрема відеоданих, як найбільш інформативного та об'ємного типу даних.

Показником технології компактного представлення даних є здатність забезпечити мінімізацію величини часу Т необхідного для передачі даних об'ємом V, (). Дану величину можна інтерпретувати як сумарний час, необхідний на стиснення, передачу та відновлення даних

,

де - час передачі стиснених даних; , - час на стиск та відновлення даних. Іншим показником ефективності компресії даних є величина коефіцієнта стиску . Він визначається відношенням об'єму V_поч початкових даних до об'єму V_ст стиснених даних . Важливою характеристкою є показник достовірності отриманих даних, в якості якого в теорії обробки зображень є показник середньоквадратичної похибки відновленого зображення та пікове відношення сигнал/шум. Пікове значення відношення сигнал/шум h на виході підсистеми передачі даних визначається співвідношенням .

За допомогою аналізу систем стиснення зображень виділяється п'ять типів надмірності, які можуть зустрічатися у відеокадрах: структурна, комбінаторна, ймовірнісно-статистична, семантична та психовізуальна. Робота всіх існуючих методів стиснення зображень заснована саме на усуненні цієї надмірності. Існуючі методи стиснення зображень класифікуються в залежності від того, який тип надмірності скорочується, В загалі методи стиску розподіляються на два великих класи, а саме: методи стиснення із втратами інформації та методи стиснення без втрат інформації.

Аналіз характеристик існуючих методів стиснення відеоінформації показав, що найбільші коефіцієнти стиснення досягаються при застосуванні методів із втратами інформації, які використовують різноманітні ортогональні та вейвлет перетворення. Однак, для методів даного класу характерні два основні недоліки: великі затрати часу на обробку; використання даних методів може привести до безповоротних втрат важливої інформації. Серед методів стиснення без втрат найбільші коефіцієнти стиску досягаються методами кодування, які засновані на виявленні довжин серій однакових елементів та скороченні статистичної надмірності (арифметичні коди). Однак даним методам властиві такі недоліки: різке зниження ступеня стиснення при обробці реалістичних зображень; зниження завадостійкості стиснених даних при їх передачі по каналах зв'язку із помилкою, скорочення надмірності зображень проводиться за рахунок виявлення лише локальних закономірностей зображень. Це призводить до збільшення часу передачі даних по каналах зв'язку та до зниження рівня достовірності відновлюваних даних.

В теж час для різних класів зображень характерна наявність розподілених областей серій однакових елементів. Однак методи та засоби, що забезпечують стиснення відеоданих, за рахунок скорочення даних видів надмірності не отримали належного опрацювання в теорії інформації та кодування. Проте методи компактного представлення відеоданих на основі скорочення надмірності, обумовленої наявністю в зображеннях інтегрованих характеристик, дозволяють додатково підвищити ступень стиску при збереженні прийнятного часу обробки та заданого рівня достовірності. Тому розробка таких методів із заданим рівнем якості відновлених зображень є актуальним напрямком науково-прикладних досліджень.

У другому розділі розробляється рельєфна модель опису зображень, яка дозволяє узагальнити різні формати цифрового представлення зображень. Враховується складна нестаціонарна форма цифрових зображень, що є нерівномірно-розподіленою сукупністю впадин та підвищень, які мають неправильну структуру в результаті формування сукупності вершин, висоти яких визначаються значеннями елементів площини зображення, розташованих на відповідних координатах. До основних інформативних характеристик ізотопного опису відносяться кількість ізофотних зрізів, їх висота і кількість висот рельєфу, що знаходяться між його нижнім і верхнім рівнями.

Розробляється архітектурний підхід до позиціонування висот

рельєфу зображення. В цьому випадку ізотопний рівень замінюється значенням висоти і двовимірним двійковим масивом, елементи якого містять інформацію про наявність на відповідній позиції висоти поточного ізотопного рівня. На основі такого підходу відносно позиціонування висот формується архітектура ізотопного опису рельєфу зображення, що є сукупністю позиціонуючих масивів, елементи яких задають жорстку і взаємооднозначну прив'язку висот рельєфу за конкретними координатами в горизонтальних площинах. Архітектурне позиціонування дозволяє зберегти перевагу абсолютного позиціонування, яка полягає в безпосередньому визначенні координат висот рельєфу зображення і усунути недолік відносного позиціонування, пов'язаний з витратами кількості операцій на перерахунок координат висот і проблемою вибору коду для представлення довжини серії. Тим самим знижується час формування і обробки відеоданих, представлених на основі ізотопного опису рельєфу зображення і архітектурного позиціонування. При цьому кожен -й ізофотний рівень для фрагменту зображення, розміром mЧn представляється у вигляді масиву вказівників позицій висот

, , ,

де - (i,j)-й елемент масиву.

На наступному кроці будується інформаційна модель архітектурного представлення мультиізотопного опису рельєфу зображення. Дана модель заснована на інтерпретації архітектури рельєфу у вигляді комбінаторного об'єкту - U-зв'язної тривимірної перестановки з повтореннями в двійковому двовимірному поліадичному просторі. Такий об'єкт формується на основі тривимірної двійкової структури, горизонтальні перетини якої розглядаються як перестановки з повтореннями в двовимірному поліадичному просторі з додатковим обмеженням на число позицій, на яких допускається поява одиничних елементів. Кількість архітектур мультиізотопного представлення рельєфу зображення розміром mЧn із врахуванням умов зв'язності U позиціонуючих матриць в двійковому просторі та кількості розміщених в -й позиційній площині одиничних елементів, знаходиться на основі виразу

.

Ця ж кількість але з урахуванням умови зв'язності позиціонуючих матриць в просторі обмежень на динамічний діапазон обчислюється за формулою

,

де - динамічний діапазон (i,j)-го елементу u-го ПМ, а- значення ознаки (i,j)-ї позиції u-го ізофотного рівня. На основі отриманих виразів обґрунтовується, що без врахування обмежень на динамічний діапазон елементів ПМ максимальне значення кількості надмірності, що усувається, досягається якщо у верхньому ізотопному рівнів міститься найбільша кількість висот рельєфу. В цьому випадку максимальна міра стискування буде рівна 8 разів. Мінімальна кількість надмірності усувається тоді, коли максимальна кількість висот міститься в останньому u-му ізотопному рівні, а в попередніх рівнях міститься мінімально допустима кількість висот.

Таким чином, в цьому розділі розроблено мультиізотопне представлення рельєфного опису зображень на основі виділення рівнів, які є горизонтальними площинами, що проходять через висоти рельєфу і розташовані на одному рівні. Це забезпечує виявлення інтегрованих ознаки для окремих фрагментів і для всього кадру зображення. Інтегровані характеристики дозволяють оцінити особливості рельєфу одночасно в різних частинах зображення. Ізотопний опис зображень володіє потенційною можливістю для зниження більшої кількості надмірності.

Третій розділ присвячується розробці двійкового позиційного структурного кодування архітектури рельєфу з врахуванням умови зв'язності. Стиснення тривимірних двійкових структур досягається за рахунок скорочення комбінаторної надмірності, викликаної наявністю на кожному ізотопному рівні позицій із забороною появи одиниць.

Процес компактного представлення складається з наступних етапів:

1. Розбиття зображення на площини колірних складових RGB.

2. Представлення колірної плоскості у вигляді рельєфної моделі.

3. Запис сукупності значень висот по ізотопних рівнях у вигляді бітових масивів {0;1}.

4. Виявлення та усунення структурної й комбінаторної надмірності шляхом врахування умов зв'язності архітектурного позиціонування та врахування умов зв'язності в поліадичному просторі.

5. Переформатування сукупності архітектур (знаходження ізофотного рівня із найбільшим числом висот та виключення його із сукупності).

6. Формування нумерації архітектур рельєфу зображення. Для цього проводиться обчислення коду-номера архітектури, який визначається співвідношенням

,

де - значення (i,j)-го елементу u-го ПМ архітектури рельєфу зображення розміром mЧn, яка складається з - ізотопних рівнів; - ваговий коефіцієнт даного елемента із врахуванням умов зв'язності елементів архітектури в двомірному поліадичному просторі, яки дорівнює

.

7. Представлення кожної колірної площини зображення у вигляді:

де H - сукупність значень висот, - код-номер трьохмірної зв'язної двійкової структури, а - система основ елементів ТДС, із врахуванням умов зв'язності в двомірних поліадичних просторах.

Основні особливості нумерації тривимірних двійкових структур із врахуванням зв'язності ізотопних рівнів рельєфу зображення в двовимірному поліадичному просторі полягають в тому, що: 1) здійснюється побудова лексикографічного правила, що визначає старшинство допустимих ТДС; 2) елементи тривимірної двійкової структури одночасно задовольняють обмеженням відносно позицій із забороною одиничних значень і обмеженням на динамічний діапазон, що визначається двовимірним поліадичним простором; 3) нумерації підлягають U-зв'язні тривимірні перестановки з повтореннями в двовимірному двійковому поліадичному просторі.

Структурне кодування в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєфу зображення базується на:

1) переформатуванні архітектури рельєфу зображення, заснованого на властивостях непозиційності і взаємовиключаємості ізотопних рівнів. Дані властивості дозволяють: перерозподіляти ПМ, не впливаючи на правильність розподілу висот рельєфу в зображенні. Це надає можливість розмістити ПМ з найбільшою кількістю одиниць на нижньому рівні архітектури. Завдяки цьому знижуються значення вагових коефіцієнтів для молодших елементів ТДС, а інформація про нижній ПМ замінюється інформацією про верхні (U - 1) позиціонуючі масиви. Це дозволяє виключити з обробки нижній рівень архітектури рельєфу, що призводить до зниження кількості старших елементів ТДС. Звідси досягається скорочення часу обробки і збільшення ступеня стиснення;

2) структурній нумерації переформатованої архітектури рельєфу зображення в непозиційному мультиізотопному просторі.

Компресія зображень досягається за рахунок скорочення: 1) комбінаторної надмірності, обумовленої одночасним обліком позицій із забороною появи одиничних елементів і обмежень на динамічні діапазони елементів в ПМ, заданих двовимірним поліадичним простором; 2) структурної надмірності, викликаної виявленням ізотопних рівнів для фрагментів зображень та виключенням з обробки ізотопного рівня, що містить найбільшу кількість одиничних елементів (висот рельєфу зображення).

Для отримання відеоданих на приймальній стороні розробляється метод

відновлення зображень без втрат на основі декодування позиціонуючої інформації. Метод відновлення складається з наступних етапів:

1. Структурне декодування даних в непозиційному архітектурному просторі базується на основі отримання значення елементу ПМ , що визначається співвідношенням

.

Для цього попередньо обчислюється ваговий коефіцієнт на основі значень величин основ елементів із одночасним врахуванням зв'язності мультиізотопних рівнів в двійковому поліадичному просторі за формулою

.

Значення величини основи елементу позиціонуючого масиву визначається виразом

,

де - значення основи з врахуванням обмежень в двійковому поліадичному просторі, а - значення основи із врахуванням обмежень, що задаються умовою зв'язності ізотопних рівнів.

2. Проведення зворотного переформатування архітектури рельєфу зображення;

3. Розміщення висот рельєфу в зображенні відповідно до позиціонуючої інформації за правилом:

, якщо ,

де , , .

Відновлення без внесення похибок забезпечується в результаті: взаємооднозначності структурного представлення даних в непозиційному архітектурному просторі, використанні необхідної і достатньої інформації для проведення відновлення ТДС, використанні цілочисельних арифметичних операцій.

Основними науковими результатами третього розділу являються розробка двійкового позиційного структурного кодування архітектур рельєфу з урахуванням умов зв'язності; створення нумерації тримірних двійкових структур із врахуванням зв'язності ізотопних рівнів рельєфу зображення в двомірному поліадичному просторі; побудова структурного кодування в непозиційному архітектурному просторі мультиизотопного рельєфу зображення, та розробка методу відновлення зображень без втрат на основі декодування позиціонуючої інформації.

У четвертому розділі здійснюється оцінка ефективності розробленого методу у порівнянні з існуючими методами стиснення зображень без втрат якості.

Аналіз отриманих результатів показав, що коефіцієнт стиснення для розробленого методу, який визначається відношенням об'єму вихідних даних до об'єму стиснутих даних змінюється в середньому від 1,5 до 5 разів залежно від кореляції між елементами зображення. Виграш по коефіцієнту стиску відносно існуючих методів досягається за рахунок виявлення інтегрованих характеристик по всьому фрагменту зображення і рівний відповідно 15% - для сильнонасичених зображень (r ? 0,7) і 20% - для слабонасичених (0,9? r ?0,97).

Обробка зображень на універсальному обчислювальному комплексі виявила, що середній час стискування зображення на основі розробленого методу (РМ) розміром 800Ч600 та 2048Ч1536 елементів змінюється залежно від міри насиченості відповідно від 0,8 до 1,5 с. і від 5 до 8 с. Скорочення часу обробки відеоданих для слабонасичених (сильно когерентних) зображень обумовлене скороченням кількості ізотопних рівнів (позиціонуючих масивів), що беруть участь в описі рельєфу зображення, збільшенням кількості одиничних елементів в нижньому ПМ переформатованої архітектури ТДС.

Залежно від об'ємів зображень в бітах і швидкості передачі даних по каналу зв'язку в мережі з комутацією каналів усереднений по класах реалістичних зображень час доставки розробленим методом (РМ) для зображення розміром 800Ч600 при швидкості передачі в каналі 57Кбіт/с знаходиться на рівні від 120 до 160 с., а для передачі зображення розміром 2048Ч1536 зі швидкістю 2,048Мбіт/с - від 32 до 46 с. Час доставки даних об'ємом V зі швидкістю передачі U_п в мережі з комутацією каналів оцінюється за співвідношенням

,

де та - час необхідний для стиснення та відновлення зображення відповідно, - час встановлення каналу зв'язку.

Отже створений метод здатний забезпечити умови щоо передачі цифрованих зображень, розміром 800Ч600 в реальному часі при швидкості передачі даних 2,048Мбіт/с. Для розробленого методу при обробці та передачі зображень розміром 2048Ч1536 зі швидкістю 2,048Мбіт/с забезпечується середній виграш за часом доведення відносно методу JPEG на рівні в середньому 2,26 разів. Збільшення виграшу для розробленого методу відносно методу JPEG із зростанням швидкості передачі даних в канал обумовлено впливом на сумарний час процесу обробки даних. Тому, в мережах з комутацією каналів організація стиску на основі створеного методу забезпечує зниження часу доведення відеоданих від відправника до одержувача відносно існуючих методів без втрати якості.

Побудований метод для зображення розміром 800Ч600 та швидкістю передачі 57Кбіт/с забезпечує час передачі даних в мережі з комутацією пакетів на рівні від 120 до 190 с. в залежності від міри насиченості зображень. При цьому середній виграш за часом доведення складає відносно методу JPEG на рівні 19%, що на 3% більше, ніж для мереж з комутацією каналів, а передачі відеоданих без компресії в середньому в 3,4 рази. Збільшення виграшу для розробленого методу (РМ) за часом доведення даних для мереж з комутацій пакетів в порівнянні з часом передачі даних в мережах з комутацією каналів обумовлюється скороченням часових витрат на етапі буферизації пакетів на комутаторах. Це досягається за рахунок зменшення кількості пакетів, які передаються в канал зв'язку. Розроблений метод при передачі зображень розміром 2048Ч1536 зі швидкістю передачі 2,048Мбіт/с в мережі з комутацією пакетів забезпечує час доведення даних на рівні від 50 до 90 с. Середній виграш за часом доведення відносно: методу JPEG досягає в середньому 37ч42%. Збільшення виграшу для розробленого методу відносно методу JPEG із зростанням швидкості передачі даних в канал обумовлене впливом на сумарний час процесу обробки даних і скорочення сумарного часу буферизації пакетів на комутаторах. Це викликано скороченням кількості пакетів стиснених даних. Звідси випливає, що в мережах з комутацією пакетів вплив процесів стиску відеоданих на час їх доведення виявляється істотнішим, ніж в мережах з комутацією каналів. Це пояснюється появою додаткових затримок викликаних особливостями пакетної технології передачі даних. Тому збільшення міри компресії дозволяє добитися більшого скорочення часу передачі даних відносно випадку передачі не стиснених даних.

Для інтеграції розроблених технологій компресії в телекомунікаційні системи створюється схемотехнічна реалізація запропонованого методу стиску зображень на основі формування архітектури ізотопного представлення рельєфу зображення.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна задача, яка пов'язана зі скороченням сумарного часу на обробки і передачі в телекомунікаційних системах різних класів статичних зображень із збереженням заданого рівня достовірності. Для цього розробляються методи компактного представлення зображень на основі структурного кодування в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєф зображення. Стиснення даних забезпечується без втрати їх якості відновлення.

Основні наукові результати:

1. Розроблено мультиізотопне представлення рельєфного опису зображень на основі виділення рівнів, що являють собою горизонтальні площини і проходять через висоти рельєфу, які розташовані на одному рівні. Це дозволяє виявити інтегровані ознаки для окремих фрагментів та для всього кадру зображення в цілому.

2. Створено архітектурне позиціонування висот рельєфу зображення. В цьому випадку ізотопний рівень замінюється значенням висоти і двомірним двійковим масивом, елементи якого містять інформацію про наявність на відповідній позиції висоти поточного ізотопного рівня. Тим самим знижується час формування та обробки відеоданих, представлених на основі ізотопного опису рельєфу зображення та архітектурного позиціонування.

3. Побудована інформаційна модель архітектурного представлення мультиізотопного опису рельєфу зображення. Дана модель основана на інтерпретації архітектури рельєфу у вигляді комбінаторного об'єкту - трьохмірної двійкової структури, горизонтальні перерізи якої розглядаються як перестановки з повтореннями в двомірному поліадичному просторі з додатковим обмеженням на число позицій, на яких допускається поява одиничних елементів. Створена модель дозволяє оцінити кількісно комбінаторну надмірність, що усувається на основі архітектурного позиціонування висот мультиізотопного опису рельєфу зображення із одночасним урахуванням обмежень на кількість позицій, які допускають появу одиничних елементів та обмежень на динамічні діапазони елементів ПМ.

4. Створена нумерація трьохмірних двійкових структур із врахуванням умов зв'язності ізотопних рівнів рельєфу зображення в двомірному поліадичному просторі. Відмітні особливості нумерації полягають у: 1) побудові лексикографічного правила, що визначає старшинство допустимих ТДС, враховуючи що: обхід ізотопних рівнів проводиться в напрямку зверху вниз. Це дозволяє формувати вагові коефіцієнти по мірі накопичення кількості позицій із забороною появи одиниць; обхід позиціонуючих масивів здійснюється у напрямку рядків зліва направо, а потім по стовпцях зверху вниз. Це дозволяє аналізувати ізотопні рівні архітектури у напрямку рядкової розгортки. При цьому скорочується час обробки; 2) елементи тривимірної двійкової структури одночасно задовольняють обмеження відносно позицій із забороною одиничних значень і обмеженням на динамічний діапазон, визначуваними двомірним поліадичним простором; 3) нумерації підлягають U-зв'язні тривимірні перестановки з повтореннями в двовимірному двійковому поліадичному просторі.

5. Побудовано структурне кодування в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєфу зображення. Кодування базується на:

1) переформатуванні архітектури рельєфу зображення, заснованого на властивостях непозиційності і взаємовиключності ізотопних рівнів. Це дозволяє усунути з обробки нижній рівень архітектури рельєфу, що призводить до зниження кількості старших елементів ТДС. Звідси скорочення часу обробки і збільшення міри стискування; 2) структурній нумерації переформатованої архітектури рельєфу зображення в непозиційному мультиізотопному просторі.

Основні практичні результати:

1. Ступінь стиску для розробленого методу змінюється в середньому від 1,5 до 5 раз в залежності від кореляції між елементами зображення (ступеня когерентності). Виграш по ступеню стиску відносно існуючих методів досягається за рахунок виявлення інтегрованих характеристик по всьому фрагменту зображення і дорівнює відповідно 15% - для сильнонасичених зображень (r ? 0,7) та 20% - для слабонасичених (0,9? r ?0,97).

2. Обробка зображень на універсальному обчислювальному комплексі виявила, що середній час стиснення зображення на основі розробленого методу (РМ) розміром 800Ч600 та 2048Ч1536 елементів змінюється в залежності від ступеня насиченості відповідно від 0,8 до 1,5 с. та від 5 до 8 с.

3. Для побудованого методу забезпечується наступний виграш по часу передачі в мережах з комутацією каналів: для зображень розміром 800Ч600 та швидкості передачі по каналу 57Кбіт/с відносно: методу JPEG на рівні 16%; передачі відеоданих без стиснення на рівні 2,7 раз; для зображень 2048Ч1536 зі швидкістю передачі в каналі 2,048Мбіт/с відносно: методу JPEG на рівні в середньому 2,26 рази; методу кодування довжин серій КДС на рівні від 15% (сильно насичені зображення) до 35% (слабонасичені зображення); передачі відеоданих без стиснення на рівні 2 разів.

4. Для побудованого методу в мережах з комутацією пакетів забезпечується середній виграш по часу передачі: для зображень розміром 800Ч600 зі швидкістю передачі в каналі зі швидкістю передачі 57Кбіт/с відносно: методу JPEG на рівні 19%, що на 3% більше, ніж для мереж з комутацією каналі; передачі відеоданих без стиснення в середньому в 3,4 рази; для зображень 2048Ч1536 при їх передачі зі швидкістю 2,048Мбіт/с відносно: метода JPEG на рівні досягає в середньому 37ч42%; передачі відеоданих без стиснення рівний в середньому від 1,7 до 2,8 разів.

ОСНОВНІ НАУКОВІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ ПРАЦЯХ

1. Слободянюк А.В. Методика анализа подходов относительно сокращения избыточности изображений с различной степенью достоверности в телекоммуникационных системах / А.В. Слободянюк // Системи управління, навігації та зв'язку. - ЦНДІ НіУ. - 2008. - № 4(8). - С. 158 - 160.

2. Баранник В.В. Информационная оценка архитектурного позиционирования высот рельефа изображения / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Збірник наукових праць Харківського університету Повітряних Сил. - Х.: ХУПС. - 2008. - Вип. 3 (18). - С. 88 - 90.

3. Баранник В.В. Методология позиционирования высот рельефа изображений в изотопах / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Харьков: НАКУ «ХАИ», 2008. - Вып. 40. - С. 229 - 234.

4. Баранник В.В. Архитектурное представление изотопных уровней рельефа изображений для их компактной передачи в телекоммуникационных сетях / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк, В.П. Поляков // Радиотехника: Всеукр. межвед. науч.-техн. сб. 2008. Вып. 154. С. 121 - 126.

5. Баранник В.В. Модель оцінки інформативності мультиізотопного зв'язного архітектурного представлення в поліадичному просторі / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Системи озброєння і військова техніка - Х.: ХУПС. - 2008. - Вип. 3(15). - С. 77 - 80.

6. Баранник В.В. Нумерация связных двоичных структур в двумерном полиадическом пространстве / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Системи обробки інформації. - Х.: ХУПС. - 2008. - Вип. 7(74). - С. 2 - 5.

7. Баранник В.В. Метод сборки изображений на основе структурного двоичного декодирования архитектурных кодовых конструкций / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Системи обробки інформації. - Х.: ХУПС. - 2009. - Вип. 1(75). - С. 13 - 16.

8. Баранник В.В. Структурное двоичное кодирование в непозиционном пространстве изотопных уровней архитектуры рельефа изображения / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Радиоэлектроника и информатика. - 2008. - №3. С. 44 - 47.

9. Баранник В.В. Рельефная модель изображений на основе выделения изотопных уровней / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Матер VIII міжнародної науково-технічної конференції «Проблемы информатики и моделирования». - Харків: НТУ «ХПІ». - 2008. - С. 62.

10. Баранник В.В. Оценка информативности архитектурного представления рельефа изображения в мультиизотопном связном полиадическом пространстве / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Четверта наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, Харків, 2008. - С. 120.

11. Баранник В.В. Метод компактного представления изображений на основе кодирования архитектуры рельефа // В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // І міжнародна науково-практична конференція «Безпека та захист інформації в інформаційних і телекомунікаційних системах». - Харків: ХНЕУ. - 2008. - С. 60.

12. Баранник В.В. Метод сборки и восстановления архитектуры рельефа изображения в инфокоммуникационных системах / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // Наукова-практична конференція «Проблема інтеграції інформації - 2008: дослідження, розробки інтелектуалка власність» Національний технічний університет «ХПІ». - 2008. - С. 22.

13. Баранник В.В. Метод нумерации трехмерных связных двоичных структур в двумерном полиадическом пространстве / В.В. Баранник, А.В. Слободянюк // П'ята наукова конференція Харківського університету Повітряних Сил ім. Івана Кожедуба. Х.: ХУ ПС. - 15-16.02.2009. - С. 35.

14. Barannik V.V. Architectural Presentation of Isotopic Levels of Relief of Images / V.V. Barannik, A.V. Slobodyanuk // Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science. Proceedings of the International Conference TCSET'2009, Lviv-Slavsko, Ukraine, February 20 - 24, 2009. - P. 115 - 117.

15. Barannik V.V. Isotopic Levels Architectural Presentation of Images Relief / V.V. Barannik, A.V. Slobodyanuk // IEEE East-West Design & Test International Symposium. Moscow, Russia, September 18 - 21, 2009. - P. 502 - 504.

АНОТАЦІЯ

Слободянюк О. В. Метод скорочення об'ємів відеоданих, які передаються в телекомунікаційних системах на основі кодування джерел зображень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. -

Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності функціонування телекомунікаційних систем. Насамперед це пов'язано з вирішенням протиріччя між зростаючими об'ємами інформації, яку необхідно своєчасно обробляти та передавати з потрібною достовірністю та обмеженими технічними можливостями підсистем обробки і передачі відеоданих. Розроблено метод компактного представлення зображень на основі структурного кодування в непозиційному архітектурному просторі мультиізотопного рельєфу. Компактне представлення здійснюється за рахунок попередньої обробки зображень та виявлення в них інтегральних характеристик структурної надмірності. Розроблено метод взаємооднозначного відновлення зображень без втрат, який базується на основі структурного декодування даних, проведення оберненого переформатування архітектури рельєфу зображень та розподілу висот рельєфу відповідно до позиціонуючої інформації.

Ключові слова: мультиізотопний рельєф зображення, поліадичний простір, стиснення без втрат.

АННОТАЦИЯ

Слободянюк А.В. Метод сокращения объемов передаваемых видеоданных в телекоммуникационных системах на основе кодирования источников изображений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13 - радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности функционирования телекоммуникационных систем. В первую очередь это связано с решением противоречия между стремительно растущими объемами информации, которые требуется своевременно обрабатывать и передавать с нужной достоверностью, и ограниченными техническими возможностями подсистем обработки и передачи данных. Одним из направлений решения данного противоречия является компактное представление видеоданных непосредственно перед их подготовкой к отправке в канал связи и их восстановлением после получения в приемнике. Однако исследование процессов компактного представления, показало, что для увеличения степеней сжатия нужно либо затрачивать большое количество времени на обработку либо снижать качество исходного изображения.

Недостатки процессов устранения избыточности видеоданных заключаются в том, что существующие методы учитывают структурные и комбинаторные характеристики отдельных локальных частей изображения.

Разработан метод компактного представления изображений на основе структурного кодирования в непозиционном архитектурном пространстве мультиизотопного рельефа. Компактное представление осуществляется за счет сокращения структурной избыточности, обусловленной выявлением изотопных уровней для фрагментов изображений и исключением из обработки изотопного уровня, содержащего наибольшее количество единичных элементов (высот рельефа изображения). Для получения достоверной информации создается метод восстановления без внесения погрешностей, который базируется на основе структурного декодирования позиционирующей информации. Для разработанного метода обеспечивается степень сжатия изображений без потерь качества от 1,5 до 5 раз. Также достигается снижение суммарного времени на обработку и передачу данных с телекоммуникационных сетях с различными типами коммутации относительно существующих методов. Данный показатель находится в пределах от 1,5 до 2 раз. При этом увеличение степени компрессии в среднем составляет от 1,7 до 2,2 раза.

...