Введение к работе
Актуальность работы. Современные телекоммуникационные системы ориентированы на передачу мультимедийной информации, наиболее емкой частью которой являются видеопоследовательности, представляющие собой двумерные динамические поля. В настоящее время стремительно растет востребованность интеллектуальных систем удаленного видеонаблюдения. Эти системы должны обеспечивать передачу видеоданных в реальном времени в любых условиях, которые часто ограничивают пропускную способность канала передачи, дополнительно повышая требования к степени сжатия передаваемых данных. Кроме того, такие системы должны обладать функцией интеллектуальной обработки видео, которая позволяет обнаруживать и распознавать объекты интереса и события. Эти задачи, решаемые с использованием современных стандартов видеокодирования требуют значительных вычислительных ресурсов. Таким образом, возникает необходимость создания менее вычислительно затратных, но эффективных методов сжатия видеопоследовательностей .
Одним из перспективных направлений повышения эффективности процедур сжатия, восстановления и обработки видео является применение обобщенных спектров в различных базисах. Однако широкое применение таких алгоритмов обработки полей сдерживается недостаточной теоретической и экспериментальной проработкой большого числа вопросов. К ним относятся: возможность оценки сдвига фрагментов поля, использующей неинвариантность обобщенных спектров к сдвигу подобластей, методы расчета корреляции спектральных коэффициентов разложения поля, позволяющие определить предел информационного сжатия результатов регистрации. Фактором, усложняющим обработку полей, является их существенная неоднородность. Существующие подходы к оценке параметров анизотропии поля не являются удовлетворительными, поскольку базируются на дифференциальных операторах, являющимеся некорректными на границах и контурах фрагментов. Одним из возможных решений этой задачи является спектральный подход.
Целью диссертационной работы является синтез эффективных (по критерию точность - вычислительная сложность) алгоритмов оценки движения фрагментов полей в пространственной и спектральной областях и новых спектральных алгоритмов обработки полей. Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Анализ методов оценки движения фрагментов полей при наличии аддитивного шума и фона.
-
Синтез алгоритмов оценки сдвига фрагментов поля в спектральной области, обладающих новыми возможностями по сравнению с пространственными алгоритмами, в том числе по надежности оценки, вычислительной эффективности.
-
Корреляционный анализ спектральных коэффициентов подобластей поля при их произвольном сдвиге в различных базисах непрерывных и дискретных ортогональных преобразований.
-
Разработка методики анализа анизотропии полей по спектральным коэффициентам с целью адаптации алгоритмов сжатия, восстановления и обработки к неоднородности этого поля.
-
Разработка принципа видеокодирования, использующего спектральные алгоритмы обнаружения изменений в подобластях изображений, оценки и компенсации движения, сжатия и обработки восстановленных кадров.
Методы проведения исследований. При решении поставленных задач в диссертации используются методы статистической радиофизики, математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, случайных процессов, теории статистических решений, вычислительные эксперименты с реальными видеопоследовательностями. При разработке программного обеспечения использовались методы объектно-ориентированного программирования на языке СН—Ь, а также процедурное программирование в пакете MATLAB.
Научная новизна выносимых на защиту результатов. На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
-
Алгоритмы оценки сдвига фрагментов поля в спектральной области, обладающие вычислительной эффективностью и повышенной надежностью поиска экстремума функционала сдвига.
-
Методика расчета зависимости корреляционных моментов спектральных коэффициентов подобластей поля с произвольным сдвигом в непрерывном и дискретном базисах, в том числе при неравномерной сетке отсчетов.
-
Подтверждение гипотезы, что дискретное Чебышевское преобразование (GDCT) обеспечивает меньшую корреляцию спектральных мод как внутри блока, так и между блоками с произвольным сдвигом по сравнению с известными ортогональными преобразованиями.
-
Новый способ определения анизотропии полей, а также новые метрики анизотропии, основанные на анализе обобщенных спектров, подтвержденные экспериментально.
-
Структура и программная реализация видеокодека на основе дискретного косинусного и Чебышевского преобразований, использующий спектральные алгоритмы обнаружения изменений в кадре, оценки движения блоков и обработки восстановленных изображений.
Практическая значимость. Результаты, полученные в диссертации, позволяют обосновать структуру и оценить характеристики нового принципа видеокодирования, основанного на широком применении спектральных алгоритмов для сжатия, восстановления и обработки изображений. Полученные
результаты направлены на повышение эффективности удаленного видеонаблюдения с использованием низкоскоростных, зашумленных каналов, систем передачи мультимедийной информации, систем технического зрения.
Результаты исследований внедрены в ОКР выполненных в ЗАО «Кодо-фон».
Достоверность. Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректностью использования математического аппарата, совпадением новых результатов в частных случаях с известными, результатами статистического моделирования и экспериментальными исследованиями на реальных изображениях.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: Международные научно-технические конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж;, Россия, 2009-2011 гг.), Всероссийская научно-практическая конференция «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, Россия, 2009 г.), Международные конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, Россия, 2010-2013 гг.), Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, Воронеж, 2012 г.)
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных результатов диссертации, 9 статей в сборниках трудов конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 167 страниц, включая 57 рисунков и 9 таблиц. Библиография включает 81 наименование на 11 страницах.
