Метод двухкомпонентного кодирования апертурных составляющих изображений в средствах телекоммуникаций Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

УДК 621.327:681.5

МЕТОД ДВУХКОМПОНЕНТНОГО КОДИРОВАНИЯ АПЕРТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СРЕДСТВАХ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

БАРАННИКВ.В., ДОДУХА.Н.____________________

Излагаются этапы метода сжатия изображений на основе построения двухкомпонентного кодового представления на базе координатно-структурного и построчно-масштабного представления фрагмента изображения. Показывается, что это обеспечивает обработку целостной информации о фрагменте изображения, а обобщенное формирование кодовой комбинации осуществляется на основе двухкомпонентного интегрированного принципа. Доказываются преимущества предложенного подхода.

1. Введение

Развитие инфокоммуникационных систем осуществляется в русле повышения качеств а предоставляемых сервисов. При этом выделяется тенденция относительно мультимедизации услуг, что ведет к повышению нагрузки на вычислительные средства, хранилища данных и телекоммуникационные системы [1; 2]. Решения такой проблемы неразрывно связано с повышением эффективности функционирования методов компрессии изображений. Требуется обеспечить возможность контролировать битовую скорость источника видеоинформации в зависимости от производительных возможностей ИКС и заданного качества визуального восприятия реконструируемых изображений. Ключевой составляющей здесь является повышение степени сжатия без потери информации, что составляет актуальность научно-прикладной тематики исследований.

Одно из направлений развития систем сжатия изображений заключается в предварительном выявлении апертурных характеристик [2 - 5].

В данном случае для фрагмента изображения формируются две составляющие, а именно:

- неравномерная координатно-структурная составляющая, которая формирует локально-структурную архитектуру фрагмента изображений. Компонентами такой составляющей являются длины апертур, выявляемых вдоль строк изображения;

- построчно-масштабирующая составляющая, которая определяет яркостную и цветовую насыщенность архитектурной формы фрагмента изображения. Ком-

понентами такой формы являются аппроксимирующие яркостные (цветовые) величины апертур.

Возможны две базовые стратегии относительно компактного представления полученных составляющих [4; 5]. Первая стратегия состоит в раздельной обработке каждой компоненты независимо друг от друга. Вторая стратегия заключается построении кодового представления на основе совместной обработки двух компонент. Для такого варианта формируется двухкомпонентное кодовое представление на базе совместного использования элементов координатно-структурного и построчно-масштабного представления фрагмента изображения. Это обеспечит обработку целостной информации о фрагменте изображения. Формирование кодовой комбинации предлагается осуществлять на основе двухкомпонентного интегрированного принципа. В этом случае в отличие от биториентированного принципа добавочная группа разрядов формируется на основе взвешенного добавления компоненты апертурно-яркостного описания фрагмента изображения. Это позволяет:

1. Дополнительно повысить степень сжатия за счет сокращения количества незначимых старших разрядов в кодовых комбинациях. Это достигается в результате добавления элементов массивов длин апертур, имеющих меньшие значения динамических диапазонов, в процессе формирования двухкомпонентного кода (ДК).

2. Повысить оперативность обработки фрагментов изображений.

3. Снизить вычислительную сложность, требующуюся для реализации процессов обработки.

Отсюда цель исследований заключается в разработке метода сжатия изображений на основе двухкомпонентного кодирования его апертурных составляющих.

2. Разработка двухкомпонентного метода сжатия

Рассмотрим основные этапы построения обобщенного двухкомпонентного кода.

Первый этап заключается в формировании координатно-структурной и построчно-масштабных составляющих фрагмента изображении. Для этого осуществляется выявление апертур и построение массивов

ДЫМ аппроксимирующих величин и ДЬ—^ длин

апертур. Выявление апертур проводится по строкам кадра в направлении строчной развертки. Используется условие x^ у+г є [b(min)^; b(max)^ ], r = 0, 1 ^ -1,

где 1 ^ - длина текущей апертуры; b(min)^ , b(max)^ - значения соответственно нижней и верхней границ (I) -й апертуры, которые зависят от высоты b апертуры. Наоборот, когда x^^ g [b(min)^; b(max)^], то начинает строиться следующая апертура. Выявление

28

РИ, 2012, № 2

аппретур заканчивается тогда, когда обработан последний элемент xZiin,Zcoi кадра изображения. Образование массивов ЛИ^п и ЛЬ^, проводится в направлении строк, что позволяет выявить дополнительные структурные закономерности и обеспечить потенциальные возможности для устранения избыточности.

Целостность реконструкции фрагмента изображения на основе структурной и масштабирующих составляющих достигается равенством размеров массивов

ЛН^п и ЛЬ^ и однозначным порядком их образования. Это позволит исключить необходимость использования дополнительных служебных данных и временной задержки для позиционирования апертур и фрагментов изображений. Формирование массивов величинами и hфд (ф - номер строки кадра, ф = 1, Zlin) на (і;і)-м шаге реализуется на основе следующего правила:

1) если j<П и выполняется неравенство (І-1)п + І<Тф ,

где ((і — 1)n + j) - количество апертур ф -й строки, на базе компонент которых сформировано текущее количество элементов массивов ЛИ^п и ЛЬ^, ; уф -количество апертур в строке кадра изображения, то

1 i,j =1 ф,(іп + j) и hi,j = H,(in + j);

2) если j<n, но (і—1)n+j >Уф , то не отобранные апертуры в ф -й строке отсутствуют, и отбор компонент апертур проводится для (ф +1) -й строки кадра, т.е. 1 i,j = 1ф+1,1 и hi,j = h ф+1,1;

3) если j> n, (i+1) < m, то для (i—1)n+_і^ф получим 1 i+1,1 =1 ф,(in +1) и hi+1,1 = hф,(in +1), и наоборот, для (i—l)n+j >Тф - 1 i+11 =1 ф+1,1 и hi+1,1 = hф+1,1;

4) если (i+1) > m, то построение массивов ЛнmV)n и Лій завершено.

Второй этап. Определение оснований элементов массивов Лнт^п и ЛЬ(1^)п , рассматриваемых соответственно как адаптивное позиционное число с неравными соседними элементами и двумерное позиционное число в дифференциальном пространстве. Выполняются следующие действия:

1) для формирования системы оснований W(h),

W (h) = {w'(h)i}, i = 1,m элементов АПЧ с неравными соседними элементами

w '(h)i

hi,max hi,min + 1— sign(j — 1) ,

РИ, 2012, № 2

hi,max = max{hi,j} +1; hi,min = min {hi,j} ;

1< j< n 1< j< n

2) для системы оснований W(1) = {w(1)i}, i = 1,m элементов ПЧДП:

w(1)ij =1 i,max — 1 i,min +1 = w(1)i ,

1 i,max = max {1 i,j} + 1. 1 i,min = min {1 i,j}

1<j<n ; 1<j<n .

Третий этап. Организуется оценка количества элементов v(h,i)^ и v(1)^ двухкомпонентных составляющих для построения обобщенного кода (ОК). Длина Dnec кодового слова для построения текущего обобщенного кода считается заданной. По условию формирования ДК выбор первой составляющей на основе построения кода проводится для элементов одной строки массива ЛH(m)n . Отсюда

v(h,i)^=[D nec / 1og2(w(h)i —1)]. Вторая составляющая формируется на основе кодового описания элементов

массива Лій, , расположенных в общем случае на разных строках.

Для компактного представления массивов длин апер-

т (v)

тур Ьтп предлагается организовать кодирование в

дифференциальном позиционном пространстве с различными основаниями [5]. Для этого в начале формируются величины оснований w(1)ij , причем 0< 1ij <w(1)ij < 1 max . Здесь w(1)ij - разность между минимальным 1 i,min и максимальным 1 max значениями в i-й строке массива длин апертур.

С учетом полученных оснований w(1)ij дифференциальное кодирование массива длин апертур в направлении строк определяется формулой

E(1)(in1) = £ (1 i,j — 1 i,min)V(1)mm,;iin

’ j=1

Здесь V^ - весовой коэффициент (i; j) -го элемента ПЧДП.

Поскольку w(1)ij =1 i,max — 1 i,min +1 = w(1)i , то полученное выражение примет вид:

E(1)(in1) = £ (1 i,j — 1 i,min)w(1)n—j

’ j=1

Отсюда введем обозначение E(1)(in1) для

n n '

2X1 i,j — 1 i,min)w(1)i как код для i -го одномерно-

го позиционного числа (строки) в дифференциальном пространстве с различными основаниями.

Значит, создано компактное представление неравномерной координатно-структурной составляющей фрагмента изображения на основе позиционного кодиро-

29

вания в дифференциальном пространстве с различными основаниями. Учитывается ограниченность и неравномерность динамических диапазонов элементов массивов длин апертур. Обеспечивается взаимооднозначность такого представления, что в значительной степени влияет на контролируемый характер аппроксимирующих искажений качества реконструируемых изображений.

Величина v(l)^ определяется в несколько этапов, а именно:

1) находится количество элементов для текущей строки. Вычисляется количество v(1, а)^ элементов в а -й строке массива ДЦїІ , участвующих в построении второй составляющей. При этом учитывается, что в пределах одной строки основания элементов ДПЧДП являются постоянными, тогда

v(1, а)|с = [AD/([1og2w(1)a ] +1)];

2) поскольку количество элементов строки ограничено величиной n, то v(1,а)^ <n - у +1, где Y - позиция свободного элемента в а -й строке массива АЬ^п . Отсюда, если v(1, а)'^ > n - у +1, то количества свободных элементов в строке не хватает для формирования второй составляющей. Поэтому определяем количество АЭа оставшихся избыточных разрядов после заполнения элементами а -й строки ADа =AD-v(1, а)^ ([1og2w(1)а ] +1);

3) повторяем первый этап с учетом значения основания wCl^+1 для очередной (а + 1)-й строки, т.е.

v(1, а +1)'^ = [ADа / ([1og2w(1)а+l] +1)]. После выполняем второй этап.

Процесс формирования второй составляющей для текущего ДК заканчивается в двух случаях, а именно если на (в +1) -м шаге:

- выполняется неравенство

^а+р<[1^2^1)а+р+1] +1,

т.е. оставшееся количество избыточных разрядов будет меньше, чем максимальное количество разрядов на представление элементов очередной строки массива длин апертур;

- если нет свободных элементов в массиве длин апертур, т.е. в +1> m.

В результате суммарное количество элементов второй составляющей будет равно

а+в

v(l)^ = £v(1,i)^ ,

i = а

где v(1,i)^= min{ni;[ADM/([1og2w(1)i] +1)]}; ni -

количество свободных элементов в i -й строке массива длин апертур.

В итоге получаем количество v(h,i)^ элементов массива аппроксимирующих величин апертур и количество v(l)^ элементов массивов длин апертур, участвующих в образовании двухкомпонентного кода. При этом выполняется обобщенное неравенство

[1og2

(w(h)i - 1)'(Ы,5

а+в

П w(l)

ф = а

Ч1,ф)|

Ф

У

] +1< Dnec

Четвертый этап. Осуществляется построение ДК. Первая кодовая составляющая Eth)^^^ , фор-

мируемая на основе v(h,i)§ элементов строки массива аппроксимирующих величин, равна

y+v(h,i)^ -1

E(h)(!;7+)v(h,i),-1 = s (hi,j- sign(1 -

J = Y

- sign(hij-1 - hij)))(w(h)i-1)v(h>i)^+Y 1 j. Рекуррентное выражение для формирования E(h)i,y+v(h,i)^ примет вид

= hi,у ;

Е(Ы&+ = E(h)[i;'+lJ-1(w(h)i -1) + hi,nj,

j = 1, v(h,i)^ -1,

где (i; y), (i; y + v(h,i)^ -1) - координаты соответственно начального и конечного элементов первой составляющей ДК на основе i -й строки массива

аппроксимирующих величин апертур; E(h)|1Y'+)j,

E(h)(lY'+)j_1 - значение кода первой составляющей соответственно на (у + j) -м и на (у + j -1) -м шагах обработки.

Структура кода для формирования ДК на основе первой компоненты задается таким выражением:

Щ1>; 0? = ВД(,У,\,(М>1Г1

а+в

П w(l)

ф = а

Ч1,ф)|

Ф

+

+Ae( і)

(а,У)

а+в,т

Т77/п(а, Y) = а+в (/;)"у(1’ф)% „ 1.1.

где У(1)а+в,х= П w(1^ - весовой коэффици-

ф = а

ент первой компоненты E(h)l(lY'+lv(l i)^-1 двухкомпонентного кода.

Здесь величина V(1)0i+p)x определяется как накопленное произведение оснований элементов массива длин апертур, начиная с основания элемента на позиции (а; у) и заканчивая основанием элементом на позиции (а + в; т).

30

РИ, 2012, № 2

При этом обеспечивается выполнение следующих составляющей вычислим на основе следующей ренеравенств : куррентной схемы:

АЕ( «)<;$,< vcfts,;

а+Р,т '

[Iog2

(w(h)i - i)v(h>l)^ п w(l)^’^ ф = а

] +1< Dr

1) вычисляется значение кода АЕ(l)^^^ ;

2) формируется значение накопленного кода АЕ( 1)0!+,в-1 n , для чего используется формула

Если обработан последний элемент массива, то текущее значение кода является начальным значением двухкомпонентного кода, и происходит переход на обработку элементов массива длин апертур.

Пятый этап. Вычисление второй кодовой составляющей АЕ( 1)0+^ с учетом рассмотрения массива длин апертур как позиционное число в дифференциал ьном пространстве осуществляется следующим образом:

АЕ( 1)0+Р?т = ^(la, j - la,min)w(l)a-J “П ^(l)? x j=Y X=a+i

a+P-i n .

x w(l)a+P + Z Z(ll,J - ll,mln)w(l)n-J x

i=a+ij = i

a+P-i t .

П w(l)X w(l)a+p + Z (l a+P,J - l a+P,mln) w(l)a+J.3.

X=i +i J = 1

Ае(/)(a,Y)

^( l)a+p-i,n

ае( i)aanY)

a+P-i

П w(l)

v(l,X^

x

X=a+i

+

+Ае( ^i;

3) определяется искомое значение кода второй составляющей

AE( o0+5!t=AE( f>aa:e,-1.nw(oat+'e“+e,s +AE(

Для упрощения выражений введем обозначения:

V(l)

(a у)

a+P,T

a+P

П w(l)

Ф = о

чі,ф)і

ф

V(l)

(a+i,i) a+P-i,n

a+P-i

П w(l)

v(l,X^

X

X=a+i

V(l)

(a+P,i) = a+P,T

w(l)

v(!,a+P)^

a+P

Значение дополнительного кода AE( 1)CC+Y’*t в случае

его рекуррентного вычисления разделяется на три составляющих, а именно:

- ае( i)aanY) - долевой код для допустимых элементов a -й строки массива длин апертур

AE(і)ООП7) = Z(la,J - la,mln)w(l)a-J •

J=Y

- ае( l)aa++Pi-i),n - долевой код для элементов полных

строк, начиная с (a + 1)-й строки и заканчивая (a + р - i) -й строкой:

( , i) a+P-i n J

AE(l)aa++p^n = Z Z(ll,J - ll,mln)w(l)in-J

l=a+iJ = i

xa+n-iw(l)X(4X)^ •

X=l +i

X

- AE< ої+ІЇ’

долевой код на основе допустимых

элементов (a + p ) -й строкой:

AE(1)C+p^T^Z (la+P,J la+p,mln)w(l)a+*p .

J=i

Тогда, используя известные значения количества элементов в строках {v(l,a)^v(l,a + P)^} массива длин апертур, значение дополнительного кода второй

Отсюда в случае известного количества v(h,i)^ элементов массива аппроксимирующих величин и количества v(l)^ элементов массива длин апертур значение ДК E(h; l)^ определяется как

Y+v(h,l)t-i

E(h; l)%= Z hl,J (w(h)l-i)v(h,l)^+Y-i-J; j = Y

Y+v(h,l)^ -i

x V(l)aa+Y!T - Z slgn(i - sign(hi,J-i -hl, J))) x

J = Y

v

x (w(h)l -i)

(h,l)^+Y-i-J

V(l)

(a Y) a+P,T

+

+ Z (la,J - la,mln)w(l)a-М^^п

J = Y

V(l)

(a+P,i)

a+P,T

+

a+P-i n

Z Z (l l,J - l i^inM^-JV(l)

1=о+^=1

(l+U) a+P-i,n

V(l)

(a+P,i)

a+P,T

+

+ Z (la+P,J la+P,mln)w(l)a+^p . J = i

Здесь (i; y) , (a; y) - начальные координаты для формирования ДК соответственно в массиве аппроксимирующих величин апертур и в массиве длин апертур. Таким образом, на основе разработанных кодирующих соотношений осуществляется формирование двухкомпонентного кода на базе неравнозначного вклада элементов массива аппроксимирующих величин апертур и элементов массива длин апертур.

РИ, 20i2, № 2

3i

3. Выводы

1. Разработан метод сжатия изображений на основе построения обобщенного двухкомпонентного кодового представления на базе совместного использования элементов координатно-структурного и построчно-масштабного представления фрагмента изображения. Это обеспечивает обработку целостной информации о фрагменте изображения. Обобщенное формирование кодовой комбинации осуществляется на основе двухкомпонентного интегрированного принципа. В этом случае в отличие от бит-ориентированного принципа добавочная группа разрядов формируется на основе взвешенного добавления компонент фрагмента изображения. Это позволяет:

1) дополнительно повысить степень сжатия за счет сокращения количества незначимых старших разрядов в кодовых комбинациях;

2) достичь наибольшей степени сжатия в результате устранения избыточных разрядов;

3) повысить оперативность обработки фрагментов изображений;

4) снизить вычислительную сложность, требующуюся для реализации процессов обработки;

5) снизить влияние ошибок в канале связи на качество реконструируемых изображений, а именно в случае:

- появления ошибки в кодовой конструкции она будет распространяться только в пределах локальной части фрагмента изображения;

- распределения длин апертур по нескольким двухтиповым кодам ошибка в кодовом представлении длин апертур будет распространяться на меньшее количество элементов координатно-структурного описания фрагмента изображения.

2. Массивы построчно-масштабирующей составляющей фрагмента изображения представляются в виде адаптивных позиционных чисел с неравными соседними элементами. В этом случае строки массивов аппроксимирующих величин являются одномерными

позиционными числами с неравными соседними элементами.

3. Создано компактное представление неравномерной координатно-структурной составляющей фрагмента изображения на основе двумерного полиадического кодирования в дифференциальном пространстве. Учитывается ограниченность и неравномерность динамических диапазонов элементов массивов длин апертур. Обеспечивается взаимооднознач-ность такого представления, что в значительной степени влияет на контролируемыйхарактер аппроксимирующих искажений качества реконструируемых изображений.

Литература: 1. Кашкин В.Б. Цифровая обработка аэрокосмических изображений: Конспект лекций. Красноярск : ИПК СФУ, 2008. 121 с. 2. Баранник В.В. Методологический анализ системы аэрокосмического видеомониторинга чрезвычайных ситуаций / В.В. Баранник, А.В-. Яковенко, А.Ю. Школьник // Сучасна спеціальна техніка, К.: №4(27). 2011. С. 12 - 22. 3. СэломонД. Сжатие данных, изображений и звука / Д. Сэломон. М.: Техносфера, 2004. 368 с. 4. Баранник В.В. Структурно-комбинаторное представление данных в АСУ / В.В. Баранник, Ю.В. Стасев, Н.А. Королева. X.: ХУПС, 2009.252 с. 5. Баранник В.В. Информационная модель построчно-мас-штабирующих составляющих фрагмента изображения / В.В. Баранник, А.Ю. Школьник, Н.А. Королева // Системи обробки інформації. X.: ХУПС. 2011. Вии. 4.С. 55-59.

Поступила в редколлегию 05.01.2012

Рецензент: д-р тех. наук, проф. Хаханов В.И.

Баранник Владимир Викторович, д-р техн. наук, профессор, ведущий научный сотрудник научного центра Харьковского университета Воздушных Сил имени Ивана Кожедуба. Научные интересы: системы, технологии преобразования, кодирования, защиты и передачи информации, семантической обработки изображений. Адрес: Украина, 61023, Харьков-23, ул. Сумская, 77/79, тел. 8 050-3038971.

Додух Александр Николаевич, инженер Харьковского университета Воздушных Сил имени Ивана Кожедуба. Научные интересы: системы, технологии преобразования, кодирования и передачи информации.