Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап развития телевизионной техники характеризуется широким внедрением устройств сжатия телевизионных изображений (стандарты Н.261, MPEG-1, MPEG-2 и др.), устройств слежения за объектами в поле зрения телевизионной камеры, устройств стабилизации изображений при съемке с подвижных платформ. Практическая эффективность этих устройств во многом определяется эффективностью алгоритма оценки параметров движения фрагментов изображения, поскольку оценка движения является одним из наиболее вычислительно-затратных этапов в устройствах обработки динамических изображений. К динамическим относятся изображения, получаемые при наблюдении перемещающихся объектов в поле зрения телевизионной камеры или при движении самой камеры. Для оценки этого движения требуется выполнение большого числа арифметических операций, что определяет необходимость использования дорогостоящих сигнальных процессоров с высоким быстродействием.
Переборный алгоритм оценки параметров движения фрагментов изображения позволяет найти точное решение задачи, путем последовательного перебора всех возможных значений, требуя выполнения большого числа вычислительных операций на элемент изображения. Это делает практически невозможным его применение в цифровых телевизионных системах (ЦТС) в режиме реального времени. С другой стороны, быстрые алгоритмы, характеризующиеся малым числом вычислительных операций, не гарантируют оптимальности найденного решения. Их применение оправдано в унимодальных задачах, где целевая функция имеет единственный локальный экстремум. Задача оценки параметров движения фрагментов динамического изображения обычно является мультимодальной.
Поэтому в настоящее время актуальными являются исследования по выбору и разработке эффективных алгоритмов, обладающих высокой точностью оценки параметров движения фраг-
ментов динамического изображения и малым числом вычислительных операций на элемент изображения.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и алгоритмов, повышающих эффективность оценки параметров движения фрагментов динамического изображения в цифровых телевизионных системах.
Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:
Исследование статистических свойств динамических изображений для определения числа локальных экстремумов на взаимной корреляционной функции (ВКФ) фрагментов последовательных во времени кадров.
Выбор и исследование критериев эффективности алгоритмов оценки параметров движения фрагментов динамического изображения.
Разработка методик и алгоритмов, повышающих эффективность оценки параметров движения фрагментов динамического изображения.
Анализ эффективности разработанных алгоритмов оценки параметров движения фрагментов динамического изображения на основе предложенного критерия.
Разработка программ и устройств для оценки параметров движения фрагментов динамического изображения на основе предложенных методик и алгоритмов.
Разработка методики проведения экспериментальных исследований и выбор тестовых динамических изображений.
Методы исследования. Для решения указанных задач в диссертационной работе использовались методы математического анализа, матричной алгебры, методы статистического анализа и обработки изображений, методы оптимизации радиоэлектронных устройств, методы математического моделирования на ЭВМ.
Экспериментальное исследование проведено на специализированной лабораторной установке, разработанной и изготовленной в рамках данной работы.
Новые научные результаты. На защиту выносятся следующие новые научные результаты, которые получены автором в процессе решения поставленных задач:
Разработана и исследована новая методика оценки параметров движения динамического изображения, обеспечивающая повышение эффективности определения параметров движения, понимаемой как сокращение числа вычислительных операций при заданной точности оценки. Проведены экспериментальные исследования методики оценки параметров движения, которые подтвердили эффективность ее работы и целесообразность применения в ЦТС.
Предложен и исследован оригинальный алгоритм, повышающий эффективность оценки параметров движения фрагментов динамического изображения за счет сочетания быстродействия градиентного и точности переборного алгоритмов. Проведено экспериментальное исследование, показавшее, что значение погрешности оценки параметров движения фрагментов изображения этим алгоритмом в среднем в 2.3 раза меньше, чем аналогичное значение, полученное при использовании наиболее эффективного из градиентных алгоритмов при сопоставимых вычислительных затратах.
Установлено, что наиболее вероятно появление ВКФ фрагментов динамического изображения с несколькими локальными экстремумами. Проведены экспериментальные исследования статистических характеристик динамических изображений, которые показали, что при уменьшении отношения сигнал/шум число локальных экстремумов на ВКФ увеличивается, что снижает точность оценки параметров движения фрагментов динамического изображения.
Практическая ценность работы. Значение результатов диссертационной работы для практики заключается в том, что разработанное алгоритмическое и программное обеспечение может быть эффективно внедрено в состав специализированных цифровых сигнальных процессоров или перспективных телевизионных камер КМОП-технологии для:
устройств сокращения избыточности динамических телевизионных изображений;
устройств автоматической электронной стабилизации телевизионных изображений;
устройств слежения за подвижными объектами в поле зрения телевизионной камеры.
Внедрение результатов. Основные теоретические и практические результаты были использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ «Исследование особенностей использования цифровых методов обработки, компрессии, архивации и передачи изображений в системах охранного телевидения)) Т-133, «Разработка и исследование распределенных систем передачи видеоинформации в охранном телевидении» Т-135, госбюджетной научно-исследовательской работы «Теория и принципы построения формирователей векторов движения комплексов сжатия сигналов и стабилизации изображений» Г/Б-2 Т-20, проводимых кафедрой «Телевидение и видеотехника» СПбГЭТУ, и в рамках международной научно-исследовательской и образовательной программы с Лаппеен-рантским техническим университетом (Финляндия).
Результаты диссертационной работы внедрены при разработке программного обеспечения для интегрированных телевизионных систем безопасности в ЗАО НПП «Иста-системс», Санкт-Петербург.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 53,54 и 55-й научно-технических конференциях, посвященных Дню радио (С.-Петербург, 1998-2000 гг); IV-й Международной конференции «Оптико-электронные приборы устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 1999 г); в рамках программы молодежной научной школы «Радиоэлектроника, телекоммуникации, САПР» (С.-Петербург, 199 9 г); научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПБГЭТУ, секция НИИ Прогноз (С.-Петербург, 2000 г).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 6 публикациях, в том числе в одной статье и 5 тезисах научных докладов на конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 91 наименование, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 103 страницах машинописного текста. Работа содержит 62 рисунка и 7 таблиц.
