CC BY
46
УДК 567.456 Ю.Н. РЯБУХА
МЕТОД ОБРАБОТКИ ВИДЕОРЕСУРСОВ С СОХРАНЕНИЕМ ЦЕЛОСТНОСТИ В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
Показывается, что развитие мультимедийных технологий способствует появлению новых видеоинформационных сервисов, связанных с предоставлением услуги цифрового видео высокого качества в трехмерном разрешении. Излагаются этапы разработки трехмерного кодирования данных, начиная с младших элементов по схеме, когда код формируется в результате поэтапного обобщения отдельных укрупненных элементов. Выявляются недостатки поэтапного трехмерного полиадического кодирования данных, начиная с младших элементов, для универсальных вычислительных архитектур. Разрабатывается поэлементная рекуррентная схема вычислений, начиная с младших элементов.
Ключевые слова: трехмерные структуры видеоданных, полиадическое число.
Введение
Значимое развитие мультимедийных технологий и развитие новых видеоинформационных сервисов связано с необходимостью обработки многомерных динамических видеосцен [1 - 3]. Происходит существенное увеличение интенсивности видеопотоков. Несмотря на рост производительности инфокоммуникационных систем, проявляется дисбаланс относительно требований видеоприложений, в том числе с использованием мобильного беспроводного доступа [1]. Такая ситуация приводит к угрозам безопасности видеоинформационного ресурса. Возникают проблемы относительно обеспечения своевременной доступности видеоинформации и неконтролируемых потерь целостности [5].
Технологии обработки видеоресурса базируются на подходах, использующих технологии обработки видеосцен преимущественно как двумерных объектов [2 - 5]. Поэтому требуется разработка новых технологий, которые будут учитывать многомерность структуры видеоресурсов. Значит, актуальной проблематикой исследований является совершенствование теоретической и технологической базы для создания новых методов обработки видеоресурсов как трехмерных объектов. В работах [6 - 10] показано, что ключевым направлением является построение теоретических основ и методов обработки трехмерных структур данных. Необходимо создать метод обработки трехмерно-структурированных видеоресурсов (ТСВ) без потери целостности на основе устранения структурной избыточности в трехмерном пространстве. В работе [10] предложен подход для создания кодирования, которое потенциально обеспечивает сокращение структурной избыточности в трехмерном пространстве. Основным недостатком такого подхода является то, что кодирование допускается проводить, начиная со старших элементов, и весовой коэффициент текущего элемента зависит от оснований всех последующих, не обработанных элементов. Это приводит к усложнению процесса обработки. Отсюда цель исследований заключается в создании метода обработки трехмерных структур видеоресурсов без потери их целостности в условиях снижения времени обработки как составляющей обеспечения доступности видеоинформационного ресурса.
1. Создание трехмерного рекуррентного кодирования трехмерноструктурированных видеосцен
Предлагается разработать кодирование трехмерных неравновесных позиционных чисел, начиная с младших элементов. Суть такого кодирования состоит в следующем. Процесс кодирования организуется на основе следующих этапов [11]:
На первом этапе формируется код для отдельных вертикалей трехмерной структуры данных (ТСД). Организация первого этапа для (ji) -й вертикали ТСВ задается выражениями:
59
NiJl) = ajii; nj = nZO + aJlznvjiy,
y=l
где nZj^ - значение кода для z элементов (Ji) -й вертикали, т.е. значение кода Nj
(l)
для
полной (J i) -й вертикали ТСВ ( для всех z = l, nc элементов (J i) -й вертикали) находится по формуле
Перед формированием кода с учетом добавления очередного элемента проверяются
неравенства
vZji) = IIу Uy < 2M -1; У- = ГГ Vjw ^ 2M -1. Здесь где yj , yOO -
y=1
nc ПУ jiy
y = 1
nc
значе-
ния накопленных произведений оснований элементов ТСВ для проверки на допустимость соответственно элементов ajiz и ajinc .
Второй этап рекуррентного кодирования состоит в обобщении кодов отдельных вертикалей по строкам. Тогда для столбца с индексом j используются следующие формулы:
Пс-1 i-l
j (2)
Nj = Nj1)- Nj = N— + N^ n ^ ji ^уПіР)
1,Пс nc ’ i,Пс i—1,Пс Пс A-lTjiУ n nc ’
сс у=1 Р=1
где Np^ - значение кода, сформированного для i величин , p=1,i, принадлежащих j -му столбцу.
Соответственно проверка на допустимость добавления элемента Np^ проводится по
/л i i nc м /Л
правилу, заданному неравенством У— = П У— =П Пуjpy - 2 _1 , где V^
С 11с
с р=1 с р=1 У = 1
УУ - накоп-
с
ленное произведение оснований элементов ТСД для i вертикалей по nc элементов, принадлежащих J -у столбцу.
Третий этап используется для обобщения кодов N^ Пс , вычисленных для отдельных столбцов в один код ^стб ,Пстр ,Пс всей трехмерной структуры видеоданных. Процесс формирования величины N^^,Пстр,Пс для J-го количества столбцов (вертикальных сечений) ТСВ задается следующими соотношениями:
V.
= Л У л)
J Пстр (лР) j Пстр Пс
W™,пс = ПУУ,пс = П П УГ = П П ПулРу * 2M -1,
стр с
П=1 ^ ^=1 р=1
^=1р=1 у=1 j пстр nc-1 j-1
і Л j стр “с 1 j_1
Njn n = Nj 1n n + N- ПП Пу^П VW
-,Пстр ,пс .НЛстр ,пс Пстр ,пс 11 А1 1 ІТ’ПРуІІ п™ ,пс
^ ^=1р=1 у=1 ^=1 ^
(3)
(4)
j Пстр nc-1 j-1 ^ j
где ПП ПУгіРуП УП' ,пс - весовой коэффициент элемента Пето ,Пс .
.. - Истр’Ис — ------------------- %r%> Пстр,Пс ■
^=1 р=1 у = 1 ^=1 ^ ^
По аналогии с выражениями (3) и (4) значение кода с учетом добавления элемента
<$с определяется формулой
N
т(Пстб)
Пстб Пстр Пс -1 Пстб -1
n,n n = n„, _1n n + n^ стбП и П ny^Rv П v^
Пстб ,Пстр ,Пс Пстб 1,Пстр ,Пс Пстр ,Пс 11 У1 ±±тг|ру 11 Пстр ,П
(л)
стр с
Г|=1 Р=1 у = 1
Л:
стр с
1=1
(5)
60
где
nстб пстр nc-1 Пстб -1
П П П^лРу П v
4=1 Р=1 у = 1 Г|=1
(л)
Пстр,nc
весовой коэффициент элемента
NnCT6) . пстр,nc ’
Nncr6-1,пстр,nc значение кода, сформированного для (Пстб - 1)-го количества вертикальных сечений.
Таким образом, создана трехмерная обработка видеоресурсов, обеспечивающая формирование кода-номера по схеме поэтапного обобщения отдельных укрупненных элементов. Такая схема удобна в случае конвейерной реализации на спецустройствах. В то же время для реализации разработанного кодирования на универсальных вычислительных системах требуется разработать поэлементную рекуррентную схему вычислений. В этом случае нужно получить выражение для формирования кода-номера с учетом добавления элемента, расположенного в произвольном месте ТСД.
2. Разработка метода кодирования элементов трехмерных видеосцен на основе поэлементной рекуррентной схемы
Рассмотрим процесс вычисления кода N(jiz) с учетом добавления элемента aj;z . Поскольку элемент a jiz находится в произвольном месте ТСВ, то отсекаемая часть ТСВ будет в общем случае состоять из трех частей: неполная вертикаль с координатами (ji); неполное j -е вертикальное сечение; (j_1) полных вертикальных сечений. Поэтому предлагается вычислять код N(jiz) как сумму трех составляющих, образованных для каждой структурной части ТСВ. С учетом выражения (1) составляющая для первой части равна
j z-2 i-1 nc j-1 пстр nc
(NZ-1 + ajiz Vj,i,z-1 ) jiф П jp<^ П П П^аРф . (6)
ф=1 Р=1 ф=1 а=1 Р=1 ф=1
В соответствии с формулами (1), (2) составляющая для второй структурной части равна
/л /. . nc_1 i—2 / о\ j_1 Пстр nc
( i-2,nc + ^} n^,i-1,у пvnjcw) п п п^арф. (7)
c c у=1 Р=1 c а=1 Р=1 ф=1
Для третей структурной части согласно соотношению (4) значение составляющей кода
N(jiz)
определяется как
j(j-1)
.-1пстр nc -1 j-2
(л)
N j_2 n n + Nu 1 ПП П^уП V^
j 2,пстр,nc пстр,nc 11TrlPyii пстр,nc .
^ ^=1 p=1 y=1 ^=1 ^
(8)
Расписав в выражениях (6) - (8) величины 1) , N(-2,nc , и Nj-2,nстр,nc ,
получим соотношение для вычисления кода N(jiz) без потери целостности видеоинформационного ресурса, начиная с младших элементов, с учетом добавления элемента ajiz, расположенного в произвольном месте ТСД, а именно:
) j i z у—1 k-1 Пс г|-1пстр Пс
N “ Ё X 2a 4kу П^чкфП П^чРфП П П^аРф , (9)
Ч=1к=1 у=1 ф=1 Р=1 ф=1 а=1 Р=1 ф=1
у—1 к-1 Пс ч_1Пстр Пс
где П^чкфП П^чРфП П П^арф - весовой коэффициент (р,к,у)-го элемента трехмер-Ф=1 р=1 Ф=1 а=1 Р=1 ф=1
ной структуры данных.
Для вычисления кода N(jiz) с учетом известного кода N(j,i,z_1), полученного до добавления элемента a jiz , необходимо использовать рекуррентную формулу. Граф-схема компактного представления данных на основе рекуррентного трехмерного кодирования, начиная с младших элементов, приведена на рисунке.
61
Граф-схема трехмерного кодирования
62
Для ее получения разобьем соотношение (9) на два слагаемых: одно из них включает только элемент a jiz , а другое - все предыдущие элементы ТСД:
(.. ) j i z у—1 k-1 пс г|-1пстр пс j i z-1
N(jlz) =ZZZaЛку ПтЛкфПП^лрфП П П^арф=ЕЕЕaЛкУх
г|=1к=1у=1 ф=1 Р=1 ф=1 а=1 Р=1 ф=1 г|=1к=1у=1
у—1 к-1 пс г|-1пстр пс z-1 i-1 пс
х ПТцкф П ПТг|Рф П П ПТаРф + ajiz ПТ ji фППТ .рф х Ф=1 р=1 ф=1 а=1 Р=1 ф=1 ф=1 р=1ф=1
j—1 пстр пс . _t) z-1 i-1 пс j—1 пстр пс
ХП П ПТарф = N(j,i,z ) + ajiz ПТ ji фП ПТ .рфП П ПТарф , (10)
а=1 Р=1 ф=1 ф=1 Р=1 ф=1 а=1 Р=1 ф=1
z-1 i-1 пс j-1 пстр пс
где ПТ ji фП ПТ .рФП П ПТаРф - весовой коэффициент (j,i,z)-ro элемента трехмер-
Ф=1 р=1 ф=1 а=1 Р=1 ф=1
ной структуры данных.
Пересчет значения кода N(jiz) по выражению (10) проводится в том случае, когда выполняется неравенство
ro(jiz) у ji ф< 2М-1. (11)
Соотношение (3) согласно выражению (4) примет вид (см.рисунок):
N(jiz) = N(j’i’z-1) + a jiz ro(jiz). (12)
Формулы (9) - (12) позволяют вычислить значение кода в направлении младших элементов как для произвольного количества элементов ТСД, так и для всей ТСВ. Отличительной возможностью разработанного кодирования является то, что значение весового коэффициента зависит только от оснований предыдущих элементов ТСВ. Эта особенность обеспечивает возможность организации процесса восстановления за один проход.
Выводы
1. Обосновано, что основные недостатки трехмерного кодирования в направлении со старших элементов состоят в том, что весовой коэффициент текущего элемента зависит от оснований всех последующих, не обработанных элементов. Это приводит к усложнению процесса декодирования. Поэтому необходимо разработать кодирование трехмерных неравновесных позиционных чисел, начиная с младших элементов. В этом случае весовой коэффициент будет зависеть только от оснований предыдущих, ранее обработанных элементов ТСВ.
2. Разработано трехмерное кодирование видеоресурсов, начиная с младших элементов. Отличительной особенностью разработанного представления является то, что наибольший весовой коэффициент соответствует последнему элементу трехмерного неравновесного позиционного числа. Предложенное кодирование может быть реализовано двумя схемами: формирование кода по схеме поэтапного обобщения отдельных укрупненных элементов и по схеме поэлементных рекуррентных вычислений. Отличительной особенностью разработанного кодирования является то, что значение весового коэффициента зависит только от оснований предыдущих элементов ТСД. Эта особенность обеспечивает возможность организации процесса восстановления за один проход.
3. Для созданного подхода сжатие обеспечиваются за счет исключения структурной избыточности, обусловленной ограниченностью и неравномерностью динамических диапазонов элементов видеоданных одновременно по трем координатам трехмерных структур данных.
Список литературы: 1. Олифер В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. СПб.: Питер, 2006. 958 с. 2. Advanced video codrng for geHeric audiovisual services -ITU-T Recommendation H.264 aM ISO/IEC 14496-10 (AVC), 2009. 3. ISO/IEC 13818 (MPEG-2): Оєпєгіс codrng of movrng pictures aM associated audio information, 1994. 4. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс. М.: Техносфера, 2005. 1072 с. 5. Баранник В.В.
63
Структурно-комбинаторное представление данных в АСУ / В.В. Баранник, Ю.В. Стасев, Н.А. Королева Х.: ХУПС, 2009. 252 с. 6. Беляев Е.А. Сжатие видеоинформации на основе трехмерного дискретного псевдо-косинусного преобразования для энергоэффективных систем видеонаблюдения / Е.А. Беляев, Т.М. Сухов, Н.Н. Шостацкий // Компьютерная оптика. 2010. Т. 34. С. 260 - 272. 2010. 7. Barannik V.V. Method of the 3-D Image Processing / V.V. Barannik, S.V. Karpenko // Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science. Proceedings of the International Conference TCSET’2008, Lviv-Slavsko, Ukraine, February 20 - 24, 2008. P. 115 - 117. 8. B. Furht, Ken Gustafson, Hesong Huang and Oge Marques, An Adaptive Three-Dimensional DCT Compression Based on Motion Analysis // Proceedings of the 2003 ACM symposium on Applied computing, 2003. 9. T. Mekky, On the computation of the 3-D DCT // IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems. 2003.Vol. 3. Р.1141 - 1143. 10. Barannik V.V. Method of the 3-D Image Processing / V.V. Barannik, S.V. Karpenko // Modern problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science. Proceedings of the International Conference TCSET’2008, Lviv-Slavsko, Ukraine, February 20 - 24, 2008. P. 115 - 117. 11. Баранник В.В. Трехмерное полиадическое кодирование в направлении, начиная с младших элементов / В.В.Баранник, Ю.Н. Рябуха // Сучасна спеціальна техніка. 2013. №3. С. 15 - 20.
Поступила в редколлегию 14.06.2014
Рябуха Юрий Николаевич, канд. техн. наук, соискатель Харьковского университета Воздушных Сил. Научные интересы: информационно-телекоммуникационные технологии, кодирование, защита и передача информации. Адрес: Украина, 61023, Харьков, ул. Сумская, 77/79.
64
