Введение к работе
Актуальность темы. Проблема передачи больших объемов информации по каналам связи телекоммуникационных систем (ТКС) продолжает сохранять свою актуальность. Решение этой проблемы в значительной мере осложняется тем, что передаваемая информация имеет сложную структуру и разнообразные формы организации.
В настоящее время отчетливо наметилась вполне определенная тенденция «интеллектуализации» представления информации при решении задач ее обработки, хранения и передачи (т.н. интеллектуальные ТКС - ИТКС). Эта тенденция проявляется в том, что существующие хорошо развитые методы кодирования (сжатия, упаковки) информации начинают постепенно вытесняться более сложными (но, одновременно, и более эффективными) методами, основанными на анализе содержательной стороны информации об объектах, процессах и явлениях, в отличие от формальной стороны, слабо учитывающей их специфику. Такие методы представления информации в той или иной мере воспроизводят семантику объектов соответствующей предметной области. Можно сказать, что такие информационные системы обеспечивают определенный уровень «понимания» смысла обрабатываемой, хранимой и передаваемой информации. Это позволяет им, опираясь на базы знаний, описывающие соответствующие предметные области, оперировать объектами (компонентами объектов, агрегатами объектов), что и определяет их высокую эффективность.
Эффект здесь определяется тем различием, которое существует между кодированием первичной информации об объектах и воспроизведением полезной (семантической) информации о них, подобно тому различию, которое существует между растровым изображением текста и его символьно-кодовым представлением.
Одной из наиболее актуальных на сегодняшний день задач представления сложной информации в ИТКС является задача представления графической информации, в первую очередь - изображений, ввиду их разнообразия, сложности структуры и большой информационной емкости.
Разработке эффективных представлений и моделей изображений, методов их обработки и кодирования уделено большое внимание в работах отечественных и зарубежных ученых: Бонгарда М.М., Васина Ю.Г., Журавлева Ю.И., Ковалевского В.А., Лебедева Д.С., Мучника И.Б., ФайнаВ.С, Цуккермана И.И., Ярославского Л.П., Нарасимхана Р., ПавлидисаТ., ПрэттаУ., Розенфельда А., Стокхэма Т., Фримена X., Фу К., Харалика P.M., и др.
Графические изображения (карты, схемы, планы, чертежи и т.д.), для которых характерно априорное их структурирование, образуя обширный подкласс всего многообразия изображений, не слишком эффективно обрабатываются
і*,\лтто**»'ТОЛа/\ттттттід-тт ъл^тгчттохжт* Т/-/ЛТТТГҐ*Г*ПОІІТХСТ ТП/чНтЧО^ЛТТЧ-їГ ТТг*ТТТГ»і»ТО <-»T>rtTi/4 T» TV-tW
что присущие им внутренние корреляции чрезвычайно сильно и избирательно связаны с их упорядоченной и организованной структурой. Поэтому отсутствие учета этой структуры приводит к существенному снижению показателей сжатия графической информации, определяющих эффективную пропускную спо-
собность каналов связи ТКС, а также к снижению производительности процедур кодирования и декодирования, либо к возрастанию их ресурсозатратности.
В связи с этим весьма актуальной становится проблема разработки таких методов представления и кодирования графической информации, которые, с одной стороны, учитывали бы специфику графических изображений, а с другой стороны, повысили бы уровень эффективности их представления в ИТКС, что, в свою очередь, обеспечило бы возможность расширения круга решаемых практических задач обработки, хранения и передачи информации.
Объектом исследования являются графические изображения, их структура, свойства и характеристики, способы их представления и их математические модели, преобразования этих представлений, возможности их передачи по цифровым каналам связи телекоммуникационных систем и использования в системах обработки графической информации.
Предметом исследования являются способы и методы моделирования, представления и кодирования структуры графических изображений, ее математические модели, основанные на этих моделях методы формирования структурных описаний изображений, реализующие эти методы алгоритмы, программы и технологии обработки графических изображений, а также оценки их эффективности и возможности практической реализации при передаче графической информации по каналам связи телекоммуникационных систем и использовании в системах обработки графической информации.
-Целью работы является разработка новых эффективных структурных представлений графических изображений, их математических моделей и методов кодирования, применение которых качественно повышает возможности передачи и использования видеоинформации в интеллектуальных телекоммуникационных системах.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
разработка и исследование модели пространственной структуры графического изображения, обеспечивающей полноту и точность описания всех его структурных элементов и их взаимосвязей;
разработка структур данных и форматов данных для передачи структуры графических изображений по цифровым каналам связи телекоммуникационных систем;
разработка и исследование метода и алгоритмов распознавания цвета и тона на графических изображениях и последующего кодирования преобразованных изображений;
разработка и исследование метода и алгоритмов эффективного препарирования графических изображений для выделения их структурных элементов и взаимосвязей этих элементов;
разработка и исследование структурного метода и алгоритмов анализа и кодирования графических изображений, обеспечивающих полноту и точность воспроизведения их структуры;
установление взаимосвязи между характеристиками графического изображения и достижимыми показателями сжатия графической информации;
разработка эффективных вычислительных схем форсирования алгорит-
мов обработки графической информации;
разработка технологии и создание программного обеспечения обработки графической информации, реализующих разработанные структурные представления и методы кодирования графических изображений;
проведение экспериментальных исследований разработанных средств и методов структурного представления и кодирования графических изображений по оценке характеристик качества воспроизведения графических изображений и сжатия графической информации для определения их эффективности и возможностей их использования в интеллектуальных телекоммуникационных системах.
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования основаны на использовании функционального анализа, топологии, теории графов, основ машинной графики, теории обработки и анализа изображений, распознавания образов.
В экспериментальных исследованиях разработанных моделей, методов и алгоритмов использовались методы моделирования структур, системного анализа, цифровой обработки изображений и машинной графики, системного программирования .
Достоверность и обоснованность изложенных положений работы подтверждается результатами практического применения разработанных методов, алгоритмов, программных средств и технологии обработки графической информации, научными трудами и апробациями созданного научно-технического продукта на представительных научных форумах. Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается при их сравнительном анализе с известными результатами современных исследований и разработок.
Теоретические положения, установленные в работе, обосновываются последовательным и корректным применением математического аппарата при получении выводов из исходных посылок, а также аналитической проверкой этих посылок и выводов результатами систематического исследования.
Достоверность результатов экспериментального исследования подтверждается их согласованностью с результатами теоретического исследования и воспроизводимостью на больших объемах экспериментального материала, обоснованностью построения алгоритмов обработки графической информации, наглядностью интерпретации полученных практических результатов.
На защиту выносятся результаты разработки и исследования новых эффективных структурных представлений графических изображений, их математических моделей, методов и алгоритмов их кодирования, а также результаты практической реализации этих моделей, методов и алгоритмов - технология и программные средства структурного представления и кодирования графической информации для ее передачи и использования в интеллектуальных телекоммуникационных системах, в том числе:
- структурно-контурная модель пространственной структуры графиче
ского изображения, обеспечивающая полноту и точность описания всех его
структурных элементов и их взаимосвязей, основанная на определении конту-
ров этих элементов, сегментации этих контуров на разделяющие элементы участки и формировании графа, вершинам которого соответствуют элементы, а ребрам - отношения транзитивной смежности между ними;
структуры данных и форматы данных для передачи структуры графических изображений по цифровым каналам связи телекоммуникационных систем построенные на основе структурно-контурной модели;
результаты анализа эффективности различных схем совместного применения адаптивного цветотонового преобразования и центроидного преобразования изображений для определения оптимальных параметров преобразований при обработке изображений;
метод и алгоритмы распознавания цвета и тона на графических изображениях на основе их адаптивного цветотонового преобразования и последующего кодирования преобразованных изображений, устраняющего их избыточность, а также результаты исследования метода и алгоритмов;
метод и алгоритмы эффективного препарирования графических изображений на основе центроидного преобразования для выделения их структурных элементов и взаимосвязей этих элементов, а также результаты исследования метода и алгоритмов;
структурный метод и алгоритмы анализа и кодирования графических изображений, основанные на использовании цепных кодов для описания структуры изображений, обеспечивающие полноту и точность ее воспроизведения, а также результаты исследования метода и алгоритмов;
- функциональные взаимосвязи между характеристиками плотности
структурных элементов графического изображения и достижимыми показате
лями сжатия графической информации;
дифференциальные вычислительные схемы форсирования алгоритмов обработки графической информации, обеспечивающие существенное повышение производительности вычислений, основанные на исключении однотипных вычислений, повторяющихся при обработке изображений, и их замене на вычисления значений корректирующих функций;
технология и программное обеспечение обработки графической информации, реализующие разработанные структурные представления и методы кодирования графических изображений;
результаты экспериментальных исследований разработанных средств и методов структурного представления и кодирования графических изображений по оценке характеристик качества воспроизведения графических изображений и сжатия графической информации для определения их эффективности и возможностей их использования в интеллектуальных телекоммуникационных системах.
Научная новизна полученных результатов определяется впервые проведенными исследованиями, в результате которых разработаны новые эффективные структурные представления и математические модели графических изображений, на основе которых разработаны методы, построены алгоритмы и созданы технология и программные средства структурного представления и кодирования графических изображений, что качественно повышает возможности передачи и использования видеоинформации и, тем самым, вносит существен-
ный вклад в решение задач создания интеллектуальных телекоммуникационных систем, в ходе которых:
разработана и исследована структурно-контурная модель пространственной структуры графического изображения, обеспечивающая полноту и точность описания всех его структурных элементов и их взаимосвязей, основанная на определении контуров этих элементов, сегментации этих контуров на разделяющие элементы участки и формировании графа, вершинам которого соответствуют элементы, а ребрам - отношения транзитивной смежности между ними;
предложены и обоснованы структуры данных и форматы данных, обеспечивающие эффективную передачу структуры графических изображений по цифровым каналам связи телекоммуникационных систем, построенные на основе структурно-контурной модели;
выполнен анализ эффективности различных схем совместного применения адаптивного цветотонового преобразования и центроидного преобразования изображений для определения оптимальных параметров преобразований при обработке изображений; установлено, что эквализация цвета и тона на изображениях, реализуемая нелинейным пространственно-частотным фильтром, обеспечивает как повышение качества адаптивного цветотонового преобразования изображений, так и получение их контурных препаратов, обеспечивающих высокое качество последующего центроидного преобразования изображений;
разработаны и исследованы метод и алгоритмы распознавания цвета и тона на графических изображениях на основе их адаптивного цветотонового преобразования и последующего кодирования, устраняющего избыточность преобразованных изображений, основанные на кластеризации векторов цветовых компонент в цветовом пространстве, обеспечивающие возможности существенного шумоподавления, выравнивания цветовых и тоновых контрастов, компенсации пространственно-частотных искажений, цвето- и тонокоррекции, а также возможность сжатия видеоинформации на 1-2 порядка, а сравнительно с показателями сжатия используемых графических растровых форматов изображений - как минимум на порядок выше;
разработаны и исследованы метод и алгоритмы эффективного препарирования графических изображений на основе центроидного преобразования для выделения их структурных элементов и взаимосвязей этих элементов, обеспечивающие возможности исключение из поля изображения неинформативных областей, а также оценки границ структурных элементов изображения;
разработаны и исследованы структурный метод и алгоритмы анализа и кодирования графических изображений, основанные на использовании модифицированных дифференциальных цепных кодов для описания структуры изображений, обеспечивающие полноту и точность ее воспроизведения, а также эффективное сжатие видеоинформации на 2-4 порядка выше относительно результатов центроидного преобразования изображений;
установлены функциональные взаимосвязи между характеристиками плотности структурных элементов графического изображения и достижимыми показателями сжатия графической информации, что позюляет оценить степень сжатия информации при обработке и кодировании графических изображений различных видов;
построены дифференциальные вычислительные схемы форсирования алгоритмов обработки графической информации, обеспечивающие существенное повышение производительности вычислений, основанные на коррекции значений вычисляемых на изображении локальных функционалов при сканировании изображения областью определения этих функционалов с целью исключения повторных вычислений;
предложена и обоснована технология обработки графической информации, основанная на разработанных структурных представлениях и методах кодирования графических изображений, создано программное обеспечение, реализующее эту технологию и использованное при выполнении экспериментальных исследований, результаты которых позволили определить оценки эффективности и возможностей применения разработанных средств и методов структурного представления и кодирования графических изображений в интеллектуальных телекоммуникационных системах.
Практическая полезность работы заключается в применении новых эффективных структурных представлений и методов кодирования структуры графических изображений в телекоммуникационных системах.
Разработан комплекс программ, реализующий методы и технологию обработки графической информации на основе использования преобразований графических изображений.
Разработанный комплекс программ обеспечивает реализацию эффективных вычислительных схем и алгоритмов обработки графических изображений, эффективное их кодирование, поддержку растровых форматов графических данных, форматов данных препарированных изображений и их дифференциальных цепных кодов, что позволяет использовать комплекс в интеллектуальных телекоммуникационных системах и при совместном функционировании с другими существующими программными средствами обработки графической информации.
Результаты экспериментальных исследований разработанных средств и методов и оценки их эффективности и возможностей использования в интеллектуальных телекоммуникационных системах, а также результаты их внедрения подтверждают целесообразность их использования для качественного повышения возможностей передачи и использования видеоинформации в интеллектуальных телекоммуникационных системах.
Реализация и внедрение результатов работы.
Полученные результаты использованы и апробированы для опытно-производственной эксплуатации системы терминальной обработки данных о пространственных объектах, их представления и кодирования для повышения коммуникативных возможностей в телекоммуникационных системах в ОАО «Уралсвязьинформ».
Полученные результаты использованы в учебном процессе ГОУ ВПО ИжГТУ при изучении дисциплин «Компьютерная графика» и «Интерактивные графические системы».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на российских и международных научно-технических конференциях и конгрессах: Международном Самарском симпозиуме телекоммуни-
каций для руководящих работников отрасли связи (Самара, 1998-2003); 7-й Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2005); Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в инновационных проектах» (Ижевск, 2005); VI и VII Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006); Актуальные проблемы математики, механики, информатики: Междунар. науч.-метод. конф., посвященная 90-летию высшего математического образования на Урале (Пермь, 2006 г.); 7-й и 8-й Междунар. форум «Поддержка бизнеса и операций в телекоммуникационных компаниях. Billing and OSS Telecom Forum» (Москва, 2006, 2007 г.); 8-й Всеросс. Симпозиум «Стратегическое планирование и развитие предприятий» (Москва, 2007 г.); 35-й Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2008); IX Международной научно-технической конференцій! «Искусственный интеллект - 2008. Интеллектуальные системы - 2008» (пос. Кацивели, АР Крым, Украина, 2008).
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 научных работах в региональных журналах, сборниках научных трудов и материалов конференций. Автор имеет 5 научных трудов в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертаций.
Структура диссертационной работы. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение, изложенные на 167 стр. машинописного текста. В работу включены 60 рис., 5 табл., список литературы из 121 наименования. В приложении представлен акт об использовании результатов работы.
Похожие диссертации на Структурные представления и методы кодирования графических изображений в интеллектуальных телекоммуникационных системах
