Введение к работе
Актуальность проблемы. Центральным звеном современной информационной инфраструктуры становится совокупность средств видеообмена и телевизионного (ТВ) вещания. Способность эффективных систем уплотнения изображений обеспечивать при эксплуатации каналов связи высокий экономический эффект обусловила широкое использование и финансирование новейших разработок и исследований в области компрессии видеоинформации. Актуальность научного поиска подчеркивает и тот факт, что благодаря появлению сверхпроизводительных вычислительных структур, реализационная сложность ТВ системы сжатия сегодня смещена на уровень теоретического выбора- законченных алгоритмов преобразования сигнала изображения. Последние, используя элементы адаптации практически на всех этапах обработки, традиционно включают близкие к оптимальным методы уплотнения и приближают к предельно возможному своему значению результирующий коэффициент сжатия. Дополнительная компрессия возможна только при развитии новых форм системного взаимодействия элементов алгоритма и требует специального исследования. Другим перспективным направлением остается поиск альтернативных традиционным методов сжатия, обладающих более высокой реализационной привлекательностью. Решение указанных задач должно опираться на анализ эволюции и прогноз развития методологии сжатия видеоинформации.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых методов и устройств уплотнения сигнала ТВ изображения с динамической перестройкой параметров преобразования сигнала для цифровых ТВ систем, использующих каналы связи с ограниченной полосой пропускания, систем обработки, анализа и хранения изображений. Эта цель достигается решением следующих задач: Системным анализом известных методов сжатия изображений для выбора концепции построения базового метода, наиболее адекватного задаче гибкого динамического управления и обладающего аппаратом согласованного уплотняющего кодирования.
Исследованием и развитием методологии дискретно-матричного кодирования, позволяющего реализовать алгоритм с указанными выше свойствами. Анализом и развитием способов формирования сигналов динамического управления системой сжатия.
Экспериментальным подтверждением эффективности разработанных в диссертации положений, методов и устройств сжатия видеоинформации.
Предполагаемая эффективность нового алгоритма связана с использованием разработанной базовой методологии, сочетающей в себе преимущества адаптивной и детерминированной дискретизации и способной обеспечить
4 высокую степень согласования кодирующей среды с произвольным профилем реализации текущего изображения в условиях эффективного формирования сигналов управления процессом компрессии. Данный метод учитывает многомерный характер сигнала изображения (х,у-внутрнкадровое, t-межкад-ровое, ^.-пространство цветового спектра) и допускает непосредственное введение наиболее эффективных процедур сжатия, таких как выделение вектора движения, квантование и инвариантность к используемой системе цветового кодирования (RGB, WRB, и др.).
Методы исследования. В работе используются элементы прикладной теории информации, теории дискретизации и передачи изображений, методы системного, функционального и численного анализа, теории цифровой обработки сигналов и математический аппарат линейной алгебры.
Новые научные результаты работы.
-
Разработанный интегрально-дифференциальный способ динамического анализа/управления при сжатии и восстановлении ТВ изображения существенно (в несколько раз) увеличивает вероятность безошибочной перестройки характеристик сжатия по сравнению с классическими процедурами дифференциального типа.
-
Показано, что применение в процессе дискретного матричного кодирования анизотропных матричных структур в сочетании с фазовым сопряжением последних со структурным профилем изображения дополнительно сокращает избыточность выходного кода системы сжатия на величину до 30 %.
-
Формирование элементов дискретных матричных структур на основе интегральной выборки сигнала подавляет муаровые искажения, обусловленные процедурой сжатия при дискретном матричном кодировании.
-
Предложенный способ синтеза анизотропных пространственных фильтров с аппроксимацией характеристик элементарными реализуемыми функциями обеспечивает простоту реализации фильтров и трансформации их характеристик в процессе динамического управления алгоритмом сжатия.
Практическая ценность диссертации состоит в следующем:
-
Сформулированы основные требования, предъявляемые к структурам адаптивного дискретно-матричного кодирования (ДМК).
-
Разработан способ интегрально-дифференциального многофазного анализа структуры изображения.
-
Определены параметры пространственных фильтров для формирования сигналов динамического управления ТВ системой сжатия с дискретным матричным кодированием изображения.
-
Обосновано новое направление синтеза гибридных алгоритмов сокращения избыточности ТВ изображений, основанное на сочетании методов с ортогональными преобразованиями и адаптивного ДМК.
-
Предложен новый метод и устройство адаптивного дискретно-матричного уплотнения сигнала реального цветного ТВ изображения во внутрикад-ровым пространстве. Произведено машинное моделирование алгоритма. Результирующее сжатие - 25+40 раз при субъективно высоком качестве последующей реконструкции.
-
Разработанные процедуры программно реализованы, произведена практическая оценка эффективности. Сформулированы рекомендации по использованию и развитию систем сжатия видеоинформации и их элементов.
-
Изложены принципы селективного дискретного матричного кодирования для увеличения степени сжатия изображений.
Реализация результатов включает подтвержденное соответствующими актами внедрение положений диссертационной работы :
-
В составе аппаратной ТВ системы передачи двух ТВ программ в одном канале связи, реализованной по программе работ НИЛ 12 МТУСИ.
-
Аппаратно-программный комплекс обработки изображений для исследовательской лаборатории в проведенных по заданию ВНИИТР работах по договору "Разработка информационного обеспечения научно-технических работ по уплотнению спектра телевизионных сигналов для многопрограммных цифровых систем телевизионного вещания".
-
В учебном процессе МТУСИ: на кафедре Телевидения поставлена новая лабораторная работа "Исследование цифровых методов формирования испытательных сигналов".
-
По программе Министерства науки и технической политики в проектах №3.206/1-95 (Шифр "Пакет-ТВ") и № 3.207/1-95 (Шифр "Адаптация").
Апробация работы. Положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУСИ в 1993 - 1996 г.г. и на форуме Международной Академии Информатизации в 1995 г.
Публикации по материалам диссертации включают 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста. Список литературы включает 72 наименования. Основные положения, выносимые на защиту диссертации:
