Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Курс на ускоренную информатизацию страны, последовательно поддерживаемый Президентом и Правительством России, ставит множество практических задач перед специалистами, занятыми в сфере обеспечения населения качественной, полной и своевременной информацией. Современные мультимедийные и многомодальные подходы к подаче информации потребителю предполагают передачу текстов сообщений, сопровождаемых значительным количеством видео и аудио информации. Среди этих трех видов представления информации видеоданные в наибольшей степени загружают ресурсы информационной инфраструктуры. В связи с этим, оптимизация потоков видеоданных и систем их обработки, хранения и передачи является насущной проблемой на современном этапе информатизации страны.
Решение этой практической проблемы сопряжено с решением сложной научной проблемы разработки и обоснования обобщенного описания цифровой системы обработки, хранения и передачи видеоданных с учетом технических, технологических, экономических и психофизиологических ограничений и на этой основе разработки методов и критериев оценки избыточности видеоданных, методик и программно-математических средств анализа характеристик технических систем обработки, хранения и передачи видеоданных.
Таким образом, тема исследований является актуальной. Научные исследования в этой области базируются на основополагающих работах К.Шеннона и А.Н.Колмогорова. Теоретические и практические предпосылки к проведению данного исследования развиты в работах М.И.Кривошеева, В.В.Александрова, В.П.Дворковича, А.С.Мкртумова, С.Р.Немцовой, К.Ф.Гласмана и других исследователей.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является развитие теоретических основ моделирования цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных и на этой основе разработка методов и программных средств для их энтропийной оптимизации в интересах повышения эффективности использования ресурсов информационной инфраструктуры.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
1.Разработка принципов и моделей взаимоувязанного учета технологических, экономических, психофизиологических и других ограничений при выборе параметров кодирования и обработки видеоданных в цифровых системах.
2.Исследование структуры и свойств различных компонентов информационной избыточности видеоданных в контексте технологических, экономических, психофизиологических и других ограничений,
накладываемых на системы обработки, хранения и передачи видеоданных.
3 .Исследование свойств искажений видеоданных в зависимости от степени применяемого сжатия, исследование проблем и оценка возможности подавления шумов компрессии в видеоданных.
4.Обоснование подходов к определению допустимых уровней искажений видеоданных и оценке предельных уровней их сжатия в современных и перспективных цифровых каналах телевидения.
5.Разработка математических моделей и программных средств энтропийного анализа информационной избыточности видеоданных.
6.Разработка математических моделей и программных средств анализа и оценки искажений видеоданных при сжатии с потерями.
7. Разработка рекомендаций по энтропийной оптимизации различных типов цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных.
Объект исследования. Процессы обработки, хранения и передачи видеоданных в цифровых системах.
Предмет исследования. Системные связи и закономерности влияния процессов обработки, хранения и передачи видеоданных на объем, качество, стоимость и безопасность предоставляемой потребителю видеоинформации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы системного анализа, теории информации, теории множеств, цифровой обработки сигналов, объектно-ориентированного программирования.
Положения, выносимые на защиту:
Теоретические основы моделирования и энтропийной оптимизации цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных
Обобщенная модель «идеального» кодека и ее использование для анализа и оценки реальных кодеков видеоданных.
Концепция энтропийных измерений и ее применение к задачам оптимизации цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных.
Методы энтропийных измерений в рамках физической и семантической концепций информации, их применение для оценки потерь визуальной информации при сжатии видеоданных с потерями.
Метод и программные средства оценки искажений видеоданных при сжатии с потерями в отсутствие референтных видеоданных.
Метод и программные средства оценки потерь визуальной информации с использованием энтропийных характеристик референтных видеоданных.
Научная новизна. В работе исследована новая предметная область: применение энтропийных методов к решению задач оптимизации цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных, к которой применен новый подход, основанный на интеграции физической и семантической
концепций информации. Наиболее важные результаты, составляющие научную новизну:
Разработаны теоретические основы моделирования и энтропийной оптимизации цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных, обеспечивающие возможность оценки и учета взаимного влияния критериев стоимости, сложности, энергозатрат и качества системы при решении задачи многокритериального выбора на основе принципа Парето.
Разработана, экспериментально обоснована и исследована обобщенная модель «идеального» кодека, что позволило выявить фундаментальные ограничения существующих процедур сравнения кодеков и обосновать подходы к преодолению этих ограничений.
Теоретически и экспериментально обоснована концепция энтропийных измерений, применение которой к задачам оптимизации цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных позволяет обосновать методики и критерии динамической оптимизации таких систем.
Разработаны новые методы энтропийных измерений в рамках физической и семантической концепций информации, отличающиеся чувствительностью к различным компонентам информационной избыточности видеоданных, экспериментально подтверждена эффективность их применения для оценки потерь визуальной информации при сжатии видеоданных с потерями.
Разработаны метод и программные средства оценки искажений видеоданных при сжатии с потерями в отсутствие референтного сигнала, позволяющие контролировать качество видеоданных на входе системы их обработки, хранения и передачи.
Разработаны метод и программные средства оценки потерь визуальной информации при сжатии видеоданных, позволившие преодолеть проблему проведения измерений в больших распределенных системах на основе передачи по низкоскоростному каналу энтропийных характеристик референтных видеоданных и последующего сопоставления их с энтропийными характеристиками выходных данных системы.
В результате экспериментальных исследований с применением разработанных программных средств обоснована постановка новой актуальной проблемы экологической безопасности видеоданных, связанной с появлением в шумах компрессии периодических компонентов на частотах, попадающих в диапазон частот ритмов мозга человека.
Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и результатов диссертации обеспечивается за счет всестороннего анализа состояния исследований в данной области, подтверждается
корректностью предложенных моделей, согласованностью результатов численного моделирования и экспериментов, апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на международных научных конференциях, результатами опытной эксплуатации и внедрения разработанных программных средств.
Практическая ценность работы. Работа нацелена на преодоление актуальной практической проблемы поиска рациональных подходов к определению структуры и параметров цифровых систем обработки, хранения и передачи видеоданных в условиях противоречивости предъявляемых требований по качеству, с одной стороны, и стоимости, сложности, энергопотреблению с другой стороны. Полученные в диссертации результаты обеспечивают необходимые методологические основы для решения этой проблемы. Разработанные методы и программные средства позволяют создавать экономически эффективные и при этом адекватные новым цифровым технологиям подсистемы динамической оптимизации и контроля качества видеоданных, в том числе для больших распределенных систем, таких как телевизионное вещание и Интернет.
Реализация результатов работы. Исследования, отраженные в диссертации, реализованы при создании средств контроля и анализа видеоданных при выполнении научно-исследовательских работ «Разработка и создание студии мониторинга телевизионных средств массовой информации» (шифр «Развертка-И»), «Исследование факторов, изменяющих параметры сигналов телевизионного вещания, и их выявление» (шифр «Альянс-И»), «Исследование теоретических основ и разработка методов контроля информационной избыточности аудиовизуальных данных в современных и перспективных каналах цифрового вещания» (шифр «Апрель-С». Разработанные программные средства внедрены во ФГУП «ГосНИИПП» при создании комплекса мониторинга безопасности информации в системе телевизионного вещания. Разработанные теоретические основы энтропийной оптимизации систем обработки, хранения и передачи видеоданных, а также методы энтропийных измерений в рамках физической и семантической концепций информации реализованы ФГУП «НИИР» и НП «НИЦРИТ» при разработке проектов ГОСТ «Аудиовизуальные сообщения и материалы телевизионного вещания. Технические требования к обеспечению безопасности для потребителя» и Технического регламента «О безопасности аудиовизуальной информации в части технических параметров телевизионного изображения и звукового сопровождения». Разработанные методы и программные средства оценки искажений видеоданных при сжатии с потерями внедрены ЗАО «НТЦ БИТ «Фрактал» при создании устройства защиты информации в трактах телевизионного вещания. Результаты исследований внедрены в учебном процессе на кафедре распределенных интеллектуальных систем СПбГПУ.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлялись на 19-ой конференции главных метрологов и специалистов метрологических служб связи «Единство измерений как эффективный механизм обеспечения целостности и устойчивости функционирования цифровых сетей связи», Москва, 2011 г., 13-м международном форуме международной академии связи «Проблема перехода телекоммуникаций на контент-ориентированные услуги», Москва, 2011, международной научной конференции «Модернизация России: ключевые проблемы и решения», Москва, 2011 г., Всероссийской научно-методической конференции «Информационные технологии в дизайне», Санкт-Петербург, 2011 г., VII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика-2000», международной конференции «Проблемы геокосмоса», Санкт-Петербург, 1996 г., международной конференции «Конверсионные технологии гидроакустики», Санкт-Петербург, 1994 г.
Публикации. Основные результаты по материалам диссертационной работы опубликованы в 26 печатных работах, из них 1 монография и 17 статей в журналах по списку ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список литературы (227 наименований), 2 приложения. Основной материал изложен на 252 стр., включая 9 таблиц, 89 рисунков.
