Теоретичні основи та методи стиску зображень в телекомунікаційних системах на підставі біноміально-поліадичного представлення

ШОСТИЙ РОЗДІЛ присвячено розробці методу відновлення зображень на основі тривимірного усіченого зв'язного біноміально-поліадичного декодування і порівнюються характеристики розроблених та існуючих методів стиску зображень. Проводиться порівняльна оцінка перешкодостійкості відеоданих, які стиснуті розробленим та відомими методами, до помилок в каналі зв'язку. Розробляється схемотехнічна реалізація запропонованих методів.

Для швидкого отримання початкових фрагментів зображення за їх компактним представленням без внесення погрішностей необхідно розробити тривимірне біноміально-поліадичне відновлення, що складається з наступних п'яти етапів:

Перший етап пов'язано з відновленням службової інформації. Другий етап полягає в проведенні розмітки тривимірної структури відеоданих за біноміально-поліадичними числами, для яких сформовано окремий код-номер. Проведення усіченого зв'язного біноміально-поліадичного декодування організовується на третьому етапі відновлення. Даний етап дозволяє по відомому значенню коду-номера відновити відібрані елементи, які можуть розташовуватися в різних частинах ТСВ. На четвертому етапі здійснюється отримання початкових індексів відновлених елементів біноміально-поліадичних чисел. Це дозволяє відновити початковий зміст тривимірної структури відеоданих. На останньому етапі здійснюється відновлення початкового динамічного діапазону елементів зображень.

Обґрунтовується, що біноміально-поліадичні кодові комбінації володіють перешкодостійкими властивостями, які полягають у тому, що: помилка в коді розповсюджується тільки в межах локального фрагмента; здійснюється самокорекція відновлюваних відеоданих (полягає у тому, що при декодуванні помилкового коду-номера деякі елементи можуть бути відновлені без погрішності); проводиться локалізація помилок (величини відхилення відновленого елементу від вихідного приймає значення на обмеженому інтервалі). Це забезпечує виграш в значенні відношення сигнал/шум для розробленого методу щодо відомих методів рівний в середньому 15 дБ.

Методи стиску та відновлення зображень без внесення погрішностей на основі усунення двухознакової комбінаторної надмірності в двомірному і тривимірному просторах забезпечують збільшення стиску в середньому від 1,7 до 5 разів для сильно- і середньонасичених реалістичних зображень і в середньому в 3 рази - для слабонасичених зображень. Виграш за сумарним часом обробки і передачі відеоданих для швидкості передачі даних (біт/с) і середньої швидкості виконання машинних операцій (м.о./с) досягає в середньому для сильно-, середньо- і слабонасичених зображень відповідно від 1,8 до 3; від 1,75 до 3,5 і до 4 разів.

Висновки

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-прикладна проблема, яка пов'язана з розробкою наукових основ забезпечуючих збільшення ступеня стиску зображень з різною насиченістю дрібними деталями та зниження часу передачі даних каналами зв'язку, без внесення погрішностей. Для цього створені теоретичні основи та методи стиску зображень на основі біноміально-поліадичного представлення.

Основні наукові результати:

І. Розроблено теоретичні основи біноміально-поліадичного представлення відеоданих, які включають:

1. Аналітичний вираз для визначення кількості допустимих біноміально-поліадичних чисел, елементи яких задовольняють одночасно обмеженням на суму і на динамічний діапазон; систему правил, що формують код-номер для біноміально-поліадичного числа і систему правил для відновлення елементів біноміально-поліадичних чисел без внесення погрішності за значенням коду-номера. При цьому біноміально-поліадичне кодування забезпечує усунення двохознакової комбінаторної надмірності.

2. Швидке симетричне біноміально-поліадичне кодування відеоданих, яке засновано на комбінаторній згорткі виразів для кількості допустимих послідовностей на всьому діапазоні значень кожного елементу і на можливості зменшення значення суми елементів оброблюваної послідовності.

3. Швидке біноміально-поліадичне декодування, яке засновано на властивостях: симетричності, монотонності, одноперехідності і роздільності вагових БП коефіцієнтів. Дане декодування виключає необхідність в повному переборі за діапазоном значень відновлюваних відеоданих.

4. Усічене двузв'язне біноміально-поліадичне представлення відеоданих. Дане кодування ґрунтується на:

аналітичному виразі для обчислення кількості раз появи пари залежних біноміально-поліадичних чисел;

системі виразів, які забезпечують усічене двузв'язне біноміально-поліадичне кодування та декодування.

ІІ. Розроблено метод тривимірного усіченого зв'язного біноміально-поліадичного кодування в плаваючому режимі без внесення погрішності. Даний метод дозволяє:

формувати код-номер для довільної кількості елементів, що розташовані в різних частинах тривимірних структур відеоданих з наперед невідомими сумою елементів і завдовжки біноміально-поліадичного числа;

організовувати рекурентне обчислення значення коду-номера на основі відомих значень коду-номера попереднього етапу обробки і біноміально-поліадичного коефіцієнта.

Розроблений метод здійснює скорочення трьохознакової комбінаторної надмірності у тривимірному просторі.

ІІІ. Розроблено метод тривимірного біноміально-поліадичного відновлення зображень без внесення погрішності, який включає:

двохетапну розмітку елементів тривимірних структур відеоданих за біноміально-поліадичними числами;

тривимірне усічене зв'язне біноміально-поліадичне декодування, що забезпечує взаємооднозначне відновлення елементів ТСВ за відомим значенням коду-номера, за кількістю і за знайденими позиціями елементів біноміально-поліадичних чисел у тривимірній структурі відеоданих.

Основні практичні результати:

1. Доведені до програмно - апаратних реалізацій методи стиску та відновлення зображень без внесення погрішності на основі біноміально-поліадичного представлення, які забезпечують стиск зображень в середньому від 5,5 до 70 разів залежно від ступеня насиченості.

2. Для розробленого методу тривимірного біноміально-поліадичного кодування, для швидкості передачі даних (біт/с) і середньої швидкості виконання машинних операцій (м.о./с) часові витрати на обробку і передачу відеоданих знаходяться на рівні від 0,03 до 11 секунд залежно від класу і розміру зображень. Якнайменший виграш за сумарним часом на обробку та передачу стиснутих зображень по каналу зв'язку для розробленого методу щодо відомих методів для сильно-, середньо- і слабонасичених зображень рівний відповідно в середньому від 1,8 до 3; від 1,75 до 3,5 і до 4 разів.

Основне значення отриманих автором результатів для науки та практики полягає у:

1) подальшому розвитку теорії інформації у області кодування, що полягає у вперше одержаних теорії та методах стиску на основі двовимірного і тривимірного біноміально-поліадичного представлень, які скорочують двохознакову комбінаторну надмірність;

2) подальшому розвитку комбінаторного аналізу в результаті вперше одержаних комбінаторних виразів для визначення допустимих об'ємів і правил нумерації для біноміально-поліадичних, усічених зв'язаних біноміально-поліадичних чисел.

3) скороченні сумарного часу обробки і передачі зображень без внесення погрішності по каналу зв'язку в середньому від 1,8 до 3; від 1,75 до 3,5 і до 4 разів відповідно для сильно-, середньо- і слабонасичених зображень.

Достовірність отриманих результатів обґрунтовується їх несуперечністю основним положенням теорії інформації, теоретичним положенням поліадичного і біноміального представлень і доказом відновлення даних без внесення погрішності, а також підтверджується адекватністю результатів експериментальних досліджень, які одержані в ході функціонування розробленої програмної моделі, теоретичним даним, що отримані за виведеними аналітичними виразами для оцінки ступеня компактного представлення зображень.

Результати дисертаційної роботи доцільно використовувати:

- при обробці та передачі відеоінформації в телекомунікаційних системах;

- при проведенні конструкторських і науково-дослідницьких робіт, пов'язаних із створенням нових технічних і програмних засобів з обробки відеоінформації;

- при вивченні навчальних дисциплін з кодування та з обробки відеоінформації у процесі підготовки фахівців у ВНз України.

стиск телекомунікаційний біноміальний поліадичний

Основні наукові результати дисертації опубліковані в наступних працях

Баранник В.В., Королёва Н.А. Математическая модель представления серий элементов изображений полиадическими кодами // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2001. - Вип 3. - С. 174 - 178.

Баранник В.В., Королёва Н.А. Обоснование возможности компактного представления длин серий полиадическими кодами // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2001. - Вип 4(14). - С. 72 - 77.

Баранник В.В., Королёва Н.А. Определение отношения сигнал/шум при декодировании полиадических кодов длин серий // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2001. №3. - С. 31 - 38.

Баранник В.В., Королёва Н.А. Организация массивов длин серий для полиадического кодирования // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2001. №4. - С. 20 - 23.

Баранник В.В., Королёва Н.А. Информационная модель представления серий элементов изображений полиадическими кодами // АСУ и приборы автоматики. - 2001. - Вып 117. - С. 36 - 43.

Баранник В.В., Королёва Н.А. Способ сокращения динамического диапазона массивов длин серий // АСУ и приборы автоматики. - 2002. - Вып 118. - С. 5 - 8.

Баранник В.В., Королёва Н.А. Иерархически - последовательная организация восстановления изображений // Радиоэлектроника и информатика. - 2002. - № 1. - С. 82 - 85.

Баранник В.В., Королёва Н.А., Поляков П.Ф. Метод комбинированного полиадического кодирования массивов длин серий // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2001. - №5. - С. 42 - 46.

Баранник В.В., Королёва Н.А., Поляков П.Ф. Метод восстановления изображений // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2001. - Вип. 6(16). - С. 140 - 145.

Королев А.В., Баранник В.В., Гиневский А.М. Метод комбинированного кодирования трансформант // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2001. - Вип. 1 (11). - С. 29 - 32.

Королев А.В., Баранник В.В., Гиневский А.М. Метод компактного представления цветовых координат и длин серий // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2002. - Вип.1(17).- С.3 - 12.

Королев А.В., Баранник В.В. Оценка количества информации изображения по числу серий одинаковых элементов // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2002. - Вип. 2 (18). - С. 43 - 46.

Королев А.В., Баранник В.В., Гиневский А.М. Математическая модель представления массивов цветовых координат полиадическими кодами // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2001. - №6. - С. 19 - 25.

Королев А.В., Баранник В.В. Метод сокращения избыточности изображений // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2001. - №2. - С. 85 - 88.

Королев А.В., Баранник В.В. Оценка степени сжатия изображения // Электрон. моделирование. - 2002. - № 4. - С. 33 - 42.

Королев А.В., Баранник В.В., Гиневский А.М. Метод восстановления цветовых координат и длин серий // Радиоэлектроника и информатика. - 2002. - №2. - С. 100 - 104.

Королев А.В., Баранник В.В., Гиневский А.М. Иерархически-конвейерная организация восстановления изображений // Збірник наукових праць ІПМЄ НАНУ. - К.: ІПМЄ НАНУ. - 2002. - Вип.15. - С. 27 - 33.

Королев А.В., Баранник В.В., Гиневский А.М. Оценка времени восстановления изображения // Збірник наукових праць. - К.: ІПМЕ НАНУ. - 2002. - Вип. 16. - С. 3 - 8.

Баранник В.В. Рельефное представление изображений пирамидальным кодированием // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2002. - №1. - С. 17 - 25.

Баранник В.В. Метод двухпризнакового биноминального кодирования двоичных данных // Системи обробки інформації. - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ. - 2002. - Вип. 6(22). - С. 24 - 28.

Баранник В.В. Метод двумерного структурного кодирования двоичных данных // Радиоэлектроника и информатика. - 2003. - № 1. - С. 109 - 112.

Баранник В.В. Метод трехмерного кодирования данных // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2003. - Вип. 1. - С. 42 - 46.

Баранник В.В. Метод биномиально-полиадической нумерации двоичных данных // Авіаційна космічна техніка та технології. - 2003. - № 8. - С. 117 - 122.

Баранник В.В. Метод одномерного биномиально-полиадического кодирования // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2003. - № 2. - С. 61 - 66.

Баранник В.В. Метод быстрой биномиально-полиадической нумерации // Радіоелектронні та комп'ютерні системи. - 2004. - №1 (5). - С. 84 - 88.

Баранник В.В. Восстановление одномерных биномиально-полиадических чисел // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2003. - № 3. - С. 43 - 49.

Баранник В.В. Быстрое симметричное биномиально-полиадическое декодирование // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2003. - № 6. - С. 41 - 45.

Баранник В.В. Быстрая биномиально-полиадическая денумерация // Моделювання та інформаційні технології. - К.: ІПМЕ НАНУ. - 2003. - Вип. 22. - С. 18 - 24.

Баранник В.В. Метод структурного восстановления данных // Вестник НТУ “ХПИ”. - 2003. - Вып. 26. - С. 103 - 106.

Баранник В.В. Быстрое разделимое рекуррентное биномиально-полиадическое декодирование // Збірник наукових праць ІПМЕ НАНУ. - К.: ІПМЕ НАНУ. - 2003. - Вип. 22. - С. 3 - 9

Баранник В.В. Быстрая пирамидальная биномиально-полиадическая денумерация // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2004. - Вип. 1. - С. 36 - 41.

Баранник В.В. Усеченное биномиально-полиадическое представление видеоданных // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2004. - № 1. - С. 13 - 18.

Баранник В.В. Усеченное двусвязное биномиально-полиадическое кодирование видеоданных // Авиационно-космическая техника и технология. - 2004. - №2 (10) - С. 81 - 84.

Баранник В.В. Восстановление усеченных двусвязных биномиально-полиадических чисел // АСУ и приборы автоматики. - 2004. - № 127. - С 28 - 34.

Баранник В.В. Трехмерная биномиально-полиадическая нумерация // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2004. - Вип. 2. - С. 3 - 7.

Баранник В.В. Метод трехмерного биномиально-полиадического восстановления изображений // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2004. - Вип. 3. - С. 3 - 10.

Баранник В.В. Двусвязное биномиально-полиадическое представление данных // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2004. - Вип. 5. - С. 3 - 9.

Баранник В.В. Метод сжатия изображений на основе трехмерного биномиально-полиадического кодирования // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2004. - № 2. - С. 33 - 39.

Баранник В.В. Усеченное связное биномиально-полиадическое декодирование // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2004. - Вип. 6. - С. 3 - 8.

Баранник В.В. Метод трехмерного структурного кодирования изображений // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ. - 2004. - Вип. 8. - С. 114 - 118.

Баранник В.В. Оценка помехоустойчивости биномиально-полиади-ческих кодовых конструкций при их передачи по каналу связи с ошибками // Радіоелектронні та комп'ютерні системи. - 2005. - №3 (11). - С. 29 - 33.

Баранник В.В. Метод пирамидального кодирования данных Матер второй международной НТК Проблемы информатики и моделирования. - Харків: НТУ ХПІ. - 2002. - С. 23.

Баранник В.В. Метод двумерного биномиального кодирования ХІ-я міжнародна НТК Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоровя. - Харків: НТУ ХПІ. - 2003. - С. 658.

Баранник В.В. Структурно - частотная модель изображений 15-я Международная школа - семинар Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте”, Алушта, 2002 С. - 27.

Баранник В.В. Метод кодування двовимірних структур двійкових даних Матер. І НТК “Проблеми розробки і удосконалення засобів телекомунікації систем управління в ЗСУ” - К.: МОУ, ВІТІ НТУУ “КПІ”. - 2003. - С. 40

Баранник В.В. Метод исключения избыточности в трехмерных структурах данных Международная научно - практическая конференция Современные технологии в менеджменте, Харьков ХАИ, 2003. - С. 5.

Баранник В.В. Метод сжатия данных в трехмерном пространстве 16-я Международная школа - семинар Перспективные системы управления на железнодорожном, промышленном и городском транспорте”, Алушта, 2003 г. - С. 47.

Баранник В.В. Метод трехмерного структурного кодирования данных Міжнародна науково-практична конференція Соціально-економічні та екологічні проблеми використання і охорони земель в умовах реформування земельних відносин, - Харків: ХНАУ, 2003. - С. 8.

Баранник В.В. Метод восстановления трехмерных структур данных Матер. третьей международной НТК Проблемы информатики и моделирования. - Харків: НТУ ХПІ. - 2003. - С. 21.

Баранник В.В. Метод восстановления трехмерных структур видеоданных ХІІ-я міжнародна НТК Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоровя. - Харків: НТУ ХПІ. - 2004. - С. 728.

Баранник В.В. Двусвязное усеченное кодирование видеоданных Науково-технічна конференція Наукові проблеми розробки, модернізації та застосування інформаційних систем космічного і наземного базування, Житомир ЖВІРЄ, 2004. - С. 33 - 34.

Размещено на Allbest.ru