Метод быстрой передачи многоразрядного цифрового видео с нано беспилотных летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вятский государственный университет (ВятГУ), г. Киров, РФ, petrov@vyatsu.ru

Метод быстрой передачи многоразрядного цифрового видео с нано беспилотных летательных аппаратов

Е.П. Петров, Н.Л. Харина, Е.Д. Ржаникова

Аннотация

В связи с успехами нанотехнологий в системах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) большое внимание уделяется системам ДЗЗ с нано беспилотных летательных аппаратов (нано БПЛ), способных обеспечить высокое разрешение динамических многоразрядных цифровых изображений (МЦИ). Сдерживающим фактором развития нано БПЛ является ограниченность энергетических ресурсов на борту нано БПЛ, не позволяющих передать большой объем цифровой видеоинформации за минимально короткое время. Поиск методов сокращения времени передачи динамических МЦИ с нано БПЛ по радиоканалу приводит к методам "сжатия" динамических МЦИ без вычислительных операций на борту нано БПЛ. Известные кодеки сжатия видеоинформации, широко применяемые на борту БПЛ более крупных, чем нано БПЛ, такие, как MPEG2, MPEG4 и др., не могут быть применены из-за ограниченных энергетических ресурсов на борту нано БПЛ. В данной работе предложен метод повышения скорости передачи динамических МЦИ без вычислительных операций и искажений на борту нано БПЛ. Метод основан на замене МЦИ, являющихся кадрами многоразрядного цифрового видео, представленных разрядными двоичными изображениями (РДИ) на МЦИ, состоящие из групп соседних РДИ (ГРДИ), передаваемых многофазными (МФМ) сигналами. Синтезированы на основе представления видео трехмерной цепью Маркова с несколькими состояниями дискретного параметра динамических МЦИ алгоритмы многомерной нелинейной фильтрации МФМ сигналов, реализующие статистическую избыточность МЦИ для компенсации потерь помехоустойчивости, вызванных применением МФМ сигналов. Исследования показали, что данным методом удалось сократить время передачи динамических 8-разрядных МЦИ без потерь помехоустойчивости в четыре раза без затрат энергетических ресурсов на борту нано БПЛ, по сравнению с временем передачи их бинарными ФМ сигналами. Предложенный метод сокращения времени передачи видео с нано БПЛ может найти применение в системах ДЗЗ различного назначения.

Ключевые слова: динамические многоразрядные цифровые изображения (МЦИ); многофазные манипулированные (МФМ) сигналы; марковские процессы с дискретными аргументами; нано беспилотный летательный аппарат (нано БПЛ); помехоустойчивость приема сигналов.

Abstract

In connection with successful usage of nanotechnologies in remote sensing great attention is paid to the systems in nano-unmanned aerial vehicles (nano-UAVs) capable to provide high spatial resolution of dynamic multibit digital images (MDI). Limited energy resources on board the nano-UAV do not allow transferring a large amount of video information in the shortest possible time. It keeps back the broad development of nano-UAV. The search for methods to shorten the transmission time of dynamic MDIs from nano-UAV over the radio channel leads to the methods of MDI compression without computational operations onboard the nano-UAV. The known compression codecs of video information, such as MPEG2, MPEG4 etc., cannot be applied because of the limited energy resources. In this paper we propose a method for reducing the transmission time of dynamic MDIs without computational operations and distortions onboard the nano-UAV. To develop the method a mathematical apparatus of the theory of conditional Markov processes with discrete arguments was used. On its basis a mathematical model for the transformation of the MDI represented by binary images (BI) in the MDI, consisting of groups of neighboring BIs (GBI) transmitted by multiphase (MP) signals, is constructed. The algorithm for multidimensional nonlinear filtering of MP signals is synthesized, realizing the statistical redundancy of the MDI to compensate for the noise stability losses caused by the use of MP signals. The proposed method of reducing the time of video transmission form nano-UAV can be used in remote sensing systems for various purposes.

Keywords: dynamic multibit digital images; multiphase signals; Markov processes with discrete arguments; nano-unmanned aerial vehicles; noise stability of signal receiving.

В настоящее время в связи с успехами микроминиатюризации, особенно в области развития средств получения многоразрядных (восемь и более на цветовую компоненту) цифровых изображений (МЦИ) высокого пространственного разрешения, вызывают большой интерес к разработке систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) на нано беспилотных летательных аппаратах (нано БПЛ). По оценкам специалистов, имеющих статистические данные об эффективности применения нано БПЛ, большой объем более достоверной видеоинформации в режиме, близком к реальному времени, получают с нано БПЛ на оперативном уровне. Существенным недостатком нано БПЛ являются ограничения на энергетические ресурсы, поэтому одной из актуальных задач, решаемых при создании нано БПЛ, является минимизация энергетических ресурсов на борту для передачи динамических МЦИ, обеспечивающих высокое разрешение, за минимально короткое время.

Поиск методов сокращения времени передачи динамических МЦИ высокого разрешения привел к разработке методов сжатия динамических МЦИ без вычислительных операций, не критичных к разрядности динамических МЦИ, превосходящих известные методы сжатия видео, такие как MPEG2, MPEG4 и др. Перечисленные кодеки требуют для реализации больших временных и энергетических ресурсов, поэтому не могут быть реализованы на борту нано БПЛ. Отсюда следует, что разработка новых и совершенствование известных методов сокращения времени передачи оригиналов динамических МЦИ без искажений и вычислительных операций на борту нано БПЛ является актуальной.

Преобразование видео

Метод решения задачи сокращения времени передачи динамических МЦИ с борта нано БПЛ предлагается в данной работе. Метод состоит из двух частей. Первая часть состоит в преобразовании полученных на борту нано БПЛ оригиналов динамических МЦИ, состоящих из разрядных двоичных изображений (РДИ) (рис. 1) в МЦИ, состоящие из групп соседних РДИ (ГРДИ), включающих два и более РДИ (рис. 2). Переход от РДИ к ГРДИ осуществляется в каждом МЦИ без искажений и вычислительных операций на борту нано БПЛ. Число ГРДИ меньше РДИ, что позволяет сократить время передачи динамических МЦИ без затрат энергетических ресурсов на борту нано БПЛ. Для передачи ГРДИ по радиоканалу используются многофазные манипулированные (МФМ) сигналы, информационная емкость которых больше, чем информационная емкость бинарных ФМ сигналов при передаче оригиналов МЦИ с нано БПЛ. Возможно использование других видов сигналов, например, многочастотных манипулированных сигналов.

Рис. 1. Пример разделения кадра динамического МЦИ на РДИ.

Существенным недостатком применения МФМ сигналов для передачи динамических МЦИ, состоящих из ГРДИ, являются потери помехоустойчивости приема МФМ сигналов на 3 дБ по мощности при каждом делении фазы МФМ сигнала на два. Например, при переходе от ФМ сигналов с двумя состояниями фазы к МФМ сигналам с четырьмя состояниями фазы время передачи и помехоустойчивость приема МЦИ, состоящих из ГРДИ, сокращается в два раза.

Рис. 2. Объединение двух РДИ в ГРДИ.

Вторая часть, более сложная, заключается в разработке метода реализации статистической избыточности оригиналов динамических МЦИ для повышения помехоустойчивости приема МФМ сигналов, достаточной для компенсации потери помехоустойчивости, вызванной применением МФМ сигналов для передачи динамических МЦИ.

Математическая модель видео

На основе представления преобразованных динамических МЦИ трехмерными цепями Маркова с несколькими (более двух) состояниями и теории многомерной нелинейной фильтрации в работе синтезированы и исследованы математическая модель динамических МЦИ, состоящих из ГРДИ с двумя и более РДИ, и алгоритм трехмерной нелинейной фильтрации преобразованных динамических МЦИ, передаваемых МФМ сигналами, эффективно реализующие статистическую избыточность оригиналов динамических МЦИ для повышения помехоустойчивости приема МФМ сигналов. Это позволило без потерь помехоустойчивости сократить время передачи динамических МЦИ в несколько раз без затрат энергетических ресурсов на борту нано БПЛ.

Будем полагать, что в каждом кадре в ГРДИ объединяется g РДИ и динамическое МЦИ аппроксимируется трехмерной цепью Маркова с несколькими состояниями с вектором вероятностей начальных состояний и матрицами вероятностей переходов (МВП) , и из состояния в соседнее состояние по горизонтали, вертикали и между кадрами, соответственно [1,2]:

,,

.(1)

Математическая модель динамического ГРДИ представлена на рис.3.

Состояние элемента зависит только от известных элементов некоторого подмножества , называемого окрестностью элемента. Лучшим образом удовлетворяющее условию каузальности является конфигурация окрестности (рис. 4)

.(2)

многоразрядный цифровой изображение передача

Рис. 3. ММ динамического ГРДИ.

Вероятности перехода от состояний элементов к состоянию образуют МВП вида [1,2]:

.(3)

При известных матрицах для вычисления элементов матрицы (3) необходимо предварительно вычислить матрицы

,(4)

определяющие статистическую связь элементов окрестности с элементом .

Значения элементов матрицы (4) могут быть вычислены следующим образом:

.(5)

Приведены выражения для вычисления элементов первой строки матрицы . Вычисление остальных элементов матрицы при различных сочетаниях значений пикселей окрестности осуществляется аналогично.

Рис. 4. Окрестность пикселя динамического МЦИ, состоящего из ГРДИ с g РДИ.

Алгоритм многомерной нелинейной фильтрации ГРДИ из РДИ

Систему уравнений многомерной нелинейной фильтрации динамического МЦИ, состоящего из ГРДИ с g РДИ, передаваемых МФМ сигналами, представим в виде [3]:

где - апостериорная вероятность состояния дискретного параметра МФМ сигнала в пикселе ММ ГРДИ (рис. 4), - разность логарифмов функции правдоподобия состояний дискретного параметра МФМ сигнала в пикселе ГРДИ; - нелинейная функция вида:

,

В качестве критерия различения состояний элементов МЦИ примем критерий максимума логарифма отношения апостериорных вероятностей , в соответствии с которым, если , то принимается решение о состоянии элемента изображения ; если все значения , то принимается решение о состоянии элемента изображения .

Результаты моделирования

Для демонстрации предложенного метода проведено моделирование процесса передачи и восстановления динамического МЦИ, состоящего из ГРЦИ с g=4 РДИ при отношении сигнал/шум по мощности сигнала на входе нелинейного фильтра 0 дБ. На рис. 5 показан кадр динамического МЦИ, представленный набором из двух ГРЦИ, каждое из которых включает по четыре соседних РДИ оригинала МЦИ (рис. 5а), искаженный (рис. 5б) и восстановленный кадр МЦИ (рис. 5в). На рис. 6а,б приведены искаженный и восстановленный кадр

Рис. 5а. Кадр динамического МЦИ на борту нано БПЛ.

динамического МЦИ (рис. 5а) при отношении сигнал/шум на входе нелинейного фильтра 3 дБ. Для оценки качества нелинейной фильтрации динамических МЦИ взят критерий среднеквадратической ошибки (СКО).

Рис. 5б. Кадр динамического МЦИ на входе приемного устройства, СКО = 36,4Ч10².

Рис. 5в. Восстановленный кадр динамического МЦИ, СКО = 2,93Ч10²

Рис. 6а. Кадр динамического МЦИ на входе приемного устройства, СКО = 17,9Ч10².

Рис. 6б. Восстановленный кадр динамического МЦИ, СКО = 0,87Ч10²

Заключение

Анализ результатов показывает, что, несмотря на снижение помехоустойчивости, возникающее вследствие применения МФМ сигналов для передачи динамических МЦИ, состоящих из ГРДИ, включающих по четыре РДИ, потери в помехоустойчивости полностью скомпенсированы за счет реализации статистической избыточности оригиналов динамических МЦИ. Время передачи сократилось в четыре раза по сравнению с прямой передачей МЦИ бинарными ФМ сигналами. Как показали результаты компьютерного моделирования, потери в помехоустойчивости приема МЦИ, состоящих из ГРДИ, не могут быть полностью скомпенсированы реализацией статистической избыточности МЦИ, если число РДИ в ГРДИ более четырех, из-за снижения всех корреляционных связей между пикселями динамических МЦИ.

Список литературы

1. Петров, Е.П. Математическая модель двумерного цифрового полутонового изображения марковского типа / Е.П. Петров, И.С. Трубин, Н.Л. Харина // Вестник ВНЦ Верхне-Волжского отделения АТН РФ, серия «Проблемы обработки информации». Нижний Новгород. -- 2005. --№ 1(6). -- С. 41-46.

2. Петров, Е.П. Математическая модель цифровых полутоновых изображений на основе цепей Маркова с несколькими состояниями / Е.П. Петров, Н.Л. Харина, Е.Д. Ржаникова // Нелинейный мир. -- 2013. -- Т. 11, № 7. -- С. 487-492.

3. Петров, Е.П. Нелинейная обработка многоразрядных цифровых полутоновых изображений в системах дистанционного зондирования Земли / Е.П. Петров, Н.Л. Харина, Е.Д. Ржаникова // Нелинейный мир. --2015. -- Т. 13, № 6. -- С. 18-23.

Размещено на Allbest.ru