Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время использование графической информации широко распространено в любых видах информационных систем. Объемы графической информации обычно превосходят другие типы данных, а затраты ресурсов на сжатие обычно бывают дешевле затрат на хранение несжатых данных и их передачу, поэтому сжатие фафики имеет наивысшую степень актуальности, как для целей хранения фафических данных, так и для их передачи. Качество и степень сжатия влияют на эффективность использования фафики во всех системах информационного обеспечения. При этом наибольшую степень сжатия получают в методах, для которых характерна несущественная (неразличимая глазом) потеря информации.
Существует достаточно большое количество таких методов, которые работают по сложным алгоритмам и разрабатываются, как правило, специализированными фуппами разработчиков и компаниями-производителями про-фаммного обеспечения. Однако универсального и пригодного по всем статьям метода или способа сжатия не существует. Кроме того, дефицит отечественных методов с большой степенью сжатия создает юридические сложности при разработке больших телекоммуникационных систем, включающих в себя в качестве компонент системы сжатия фафической информации. Поэтому исследование любых новых подходов, методов сжатия и восстановления фафической информации, является достаточно востребованным и экономически оправданным.
Цель работы. Проведение теоретических и практических исследований по возможности сжатия визуальной информации на основе ее представления в виде полевой структуры, проведенные для частного случая, который характеризуется полевой структурой, построенной на основе функции Грина для двухмерного уравнения Пуассона.
Основные задачи исследования
1. Используя в качестве основы функцию Грина для уравнения Пуассона,
исследовать возможность создания целесообразного предикативного поля, ко
торое создается особыми точками (пикселями с резкими перепадами фадаций
цветности), что, в свою очередь, потребовало рассмотрения следующих важных
подзадач:
-разработка процедуры перехода к дискретной модели при наличии обобщенных функций, характерных при работе с функциями Грина;
- вероятностная оценка эффективности разделения исходного изображе
ния на предикативное и остаточное поле;
- построение адекватной алгоритмической и профаммной модели;
-проведение на указанной модели экспериментов с различными типами
изображений.
2. Построить (оценка возможности эффективного раздельного сжатия
изображения) первоначальную замкнутую систему, в которой исходное изо
бражение делится на предикативное и остаточное поля с дальнейшей их раз
дельной компрессией и декомирооонеп. Исходным материалом послужили: раз-
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БЧЬ.ПИОТЕКА С.Петербург 2006 РК
работанная на первом этапе предварительная математическая модель сжатия и восстановления предикативного поля и программные коды JPEG, которая использована для сжатия остаточного поля. Построение этой сложной в алгоритмическом и программном аспектах системы потребовало разработки не только схем сжатия и восстановления изображения и соответствующих алгоритмов и программных кодов, но и развитого интерфейса, позволяющего производить на этой системе различные исследования для совершенствования метода сжатия.
3. Усовершенствовать (увеличить конкурентоспособность) системы сжатия визуальной информации, решаемая в двух аспектах:
теоретические и экспериментальные исследования возможности увеличения степени сжатия за счет усложнения схемы обработки, введением дополнительного поля (поля цветности);
построение улучшенной подсистемы сжатия контурной составляющей (набор особых точек) на основе новой математической модели представления этой составляющей и ее обработки (дополнительно потребовалась разработка модулей сжатия и восстановления указанного набора с высокой степенью компрессии).
Выносимые на защиту положения
-
Если визуальная информация полностью определяется матрицей интенсивности (набором значений цветовых градаций в каждом пикселе), то последняя, представленная в виде полевой структуры, является хорошей моделью для обработки и сжатия изображений.
-
Частное решение двумерного уравнения Пуассона, используя свойства функции Грина, позволяет выделичь из изображения составляющую с ярко выраженной контурной корреляцией.
-
Рассчитанная и апробированная коррекция частного решения уравнения Пуассона позволяет перейти к цифровой модели не только в регулярных точках (пикселях), но и в окрестностях особых точек, для которых характерен резкий перепад градаций цветности.
-
Разделение исходного изображения на предикативное и остаточное поля с последующим их раздельным сжатием дает возможность увеличить (в некоторых случаях существенно) сжатие изображений.
-
Введение «поля цветности», которое в сумме с частным решением уравнения Пуассона в первом приближении соответствует общему решению, существенно приближает предикативное поле к исходному изображению.
-
Разработанный формат представления цепочек особых точек позволяет заметно увеличить степень компрессии предикативного поля.
-
Метод сжатия, основанный на полевой модели, является более универсальным, чем, например, метод JPEG или GIF.
Методы исследования. Для выполнения поставленных задач использовались методы теории поля, теории вероятности и математической статистики. Исследования разработанного метода сжатия проводились путем моделирования на ПК с помощью построенной программной системы и экспертной оценки результатов сжатия.
Инструментами исследования и разработки служат: уравнения состояния, вероятностные оценки, различные платформы языка программирования С и многочисленные эксперименты с применением, в первую очередь, компонент разработанной системы, а также стандартных средств обработки и контроля изображений.
Научная новизна. Показатели, характеризующие данную работу с точки зрения новизны:
-
Разработана математическая модель и система сжатия на основе метода обработки графики, представленной в виде полевой структуры;
-
Осуществлен переход для обобщенных функций от непрерывной модели к цифровой;
-
Произведены вероятностные оценки данного способа сжатия;
| 4. Построена алгоритмическая модель сжатия, основанная на разделении
изображения на две составляющие, каждая из которых сжимается отдельно;
5. Разработан новый формат хранения сжатых графических данных, в частности, контурных изображений.
Достоверность исследования основана на применении апробированного уравнения Пуассона и решении соответствующих краевых задач, а также подтверждается результатами работы системы предикативного сжатия графической информации, построенной в результате множества преобразований и видоизменений исходного варианта. Данные, полученные в результате большого количества экспериментов, произведенных как на этапах построения системы сжатия, так и на конечном ее варианте, дают основание считать результаты исследовательской работы достоверными. Кроме того, достоверность результатов получила подтверждение в результате экспертных оценок (ГОСТ 26320-84), проведенных в ОАО «Вымпелком-Регион».
Практическая ценность и область применения результатов. Разработанный метод сжатия графической информации и его программная реализация относятся к области исследований, которые создают новую основу построения разнообразных систем сжатия для применения в Интернет, видеоконференциях, системах хранения графических данных и других информационных системах, использующих графический способ представления информации.
В проведенных исследованиях намечены пути дальнейшего совершенствования разработанной системы сжатия для одновременного увеличения степени сжатия и улучшения качества восстановленных изображений, что дает возможность при продолжении разработок в этом направлении повысить конкурентоспособность этой разработки по сравнению с существующими методами сжатия графических изображений.
Разработанный формат сжатия на основе «контурной корреляции», свойственной особым точкам, позволяет существенно увеличить степень компрессии предикативного поля.
Результаты внедрения. Результаты работы успешно внедрены в ООО НПФ «Беркут» при разработке системы организации телеконференций в качестве алгоритмической базы. Построенная система сжатия применяется на практике для получения навыков работы с программной обработкой графики, со-
вершенствования модели и понимания основ концепции предикативных методов сжатия графической информации. Результаты диссертационной работы используются в лекционных и лабораторных занятиях по специальности 220400 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», в НИРС № 190-93-54 (раздел «Разработка алгоритмов сжатия информации для передачи по каналам связи») и УИРС.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях: 5-я ICNAS (СПб, 1998), 51 - 54-я НТК (СПбГУТ, 1998 - 2001). Алгоритмы данной системы использованы при создании системы телеконференций в ООО НПФ «Беркут» (акт внедрения от 18.05.2004).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 48 наименований и 9 приложений. Основная часть изложена на 120 страницах машинописного текста, имеет 28 рисунков и 13 таблиц. Общий объем приложений составляет 250 страниц А4.
