Метод компрессии видеоизображений на основе двумерных цепей Маркова Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

11 декабря 2011 г, 10:39

ТЕХНОЛОГИИ

Метод компрессии видеоизображений на основе двумерных цепей Маркова

Компрессия видеоизображений, двумерная цепь Маркова, цифровые полутоновые изображении разрядные двоичные изображения, метод компенсации движения.

Предложен алгоритм сжатия видеоизображений на основе разбиения цифровых полутоновых изображений (кадров) на разрядные двоичные изображения и представления их двумерными дискретнозначными марковскими процессами. Для удаления временной иэбыг&мости в видеоизображении предложен метод оценки векторов движения по старшему разряду цифрового полутонового изображения. Приведены результаты моделирования и оценок эффективности разработанного алгоритма.

Медведева Е.В.,

Доцент кафедры радиоэлектро^ых средств, докторант, итк,

Вятский государственный университет,

[email protected]

Тимофеев Б.О.,

Аспирант,

Вятский государственный университет,

[email protected]

Введение

В связи с инроким роспространежем технологий: цифровое телевидение, видеотелефония, видеоконференцсвязь, передача видеоизображений в Интернет, быстро растет объем передаваемой и хранимой информации. Хранение видеоинформации требует больших объемов псквли, а для ее передачи необходимо наличие каналов с высокой пропускной способностью. Эффективное использование ресурсов при передаче и хранение видеоинформации достигается с помощью алгоритмов сжатия. Выбор метсда сжатия определяется обеспечиваемыми характеристиками компрессии (степей сжатия, качество и тд) и вьнислитель-ной сложностью реализации. Распространенные стандарты видеокодфоеания (МРЕС2, МРЕ<34, Н.263, К264) позволяют добиться лучшего соотношения качество/степень сжатия, однако они более требовательны к вычислительным ресурсам 11 -4). Поэтому разработка алгоритмов сжатия, требуюицх для своей ресимзации минимальные вычислительные ресурсы при хорошем соотношении качество/степень сжатия является актуальной задачей.

В данной работе предложен метод сжатия динамических цифровых полутоновых изображений (ЦПИ), представленных д-раэряд*>*ми двоичными числами, на основе разбиения

[ДЛИ на ^разрядных двоичных изображений (РДИ) и представления их двумерными цепями Маркова, требующий для восстановления видеоизображений (ВИ) м**нимольных вычислительных ресурсов Для повышения эффективности сжатия предложен метод компенсации должен ия по старшему разряду ЦПИ.

1. Метод сжатия видеоизображений

Пусть ЦПИ в видеопоследовательности представлены (^разрядом*! двоичными числами Это позволяет разбить ЦПИ на ЩИ, каждое из которых является суперпозицией двух простых цепей Маркова с двумя равновероятными дискретными состояниями (р,,Г| * р^) и матриц ами вероятностей переходов (МВП) по горизонтали 'П ■ || л ^ || 2х2 и вертикали

Представление ко ЩИ в ЦПИ цепями Маркова с двумя равновероятными состояниями позволяет часть элементов не передавать по каналу связи, так как их можно восстановить, с учетом корреляционных связей, по пришлым окрестным элементам. Для этого ЩИ предлагается разбить на квадрат»*, »е области (блоки) размерами 3x3 элемента

На рис. 1 представлен фрагмент даоичюго изображения из девяти элементов, в котором пунктирные линии указывают на наличие статистических связей между элементам РД И,0,11 —

— элементы изображения, передаваемые и непередаваемые по ксмапу связи, соответственно. На фрагменте изображения (рис. 1) эле-

а, а[ 00-Ю

«1 V 01-»0

а, а' 10-*0

а4 а' 11 —► 0

(И

где элементы матрицы П удовлетворяют условию нормировки (X + ос ' = 1; 1*1,4 ивычютя-ются по формулам:

,

«. = «4 =-Ьг--«2 = «. =-Т7Т-

к к

, — (2) где *('.7 ~ 1.2;I *./;г* 1..я) _ элементы МВП П — по горизонтали; 2П — вертикали; 3П ■ 1П2П. В общем случае матрицы 1П и 2П априорно известны и определяют корреляци-ожые связи между элементами йо РДИ по горизонтали и верт»жали.

Затем элементы (X (<■ 1,4), соответствующие значениям элементов окрестности, сравниваются с выбранным случайным числом ^ равномерно распределённом на интервале . Если число а■, то элемент изображения

принимает значение ноль, иначе vл^ *1. Ана-логжно определяются значения остальных элементов в блоке (рис. 1).

Д ля определения значений элементов было получено усредненное распределение вероятностей переходов и по горизонтали и

*9' 7 1 с учетом корре-

ляционных связей между элементам РДИ, можно восстановить по окрестным элементам уД у2« У6» ув«.

Для определения зночений элементов у3И у/, Уу® 1чо РДИ относительно эле-

ментов окрестности сначала вычисляется маг-ршр П (5):

У? 1 *г* V?

□ о □

4 у!" и

й о и

У- у0> V

Лк. 1. Фрагмент РД И

24

Т-Сотт #1-2011

ТЕХНОЛОГИИ

Область поиска * кадра

Область поиска (А 1) кадра

—1 I

(піт) блок

; ?;

111

(п,т1) блок (п.т) блок (п.т+1) блок

ПТ

і 11

(п* 1/п) блок

. .

о

h i П~ * Г£

«У

“

Т

Вектора движения будут соответствовать направлена смещения блоков в старшем

рди.

5. Получают разностньм кадр. Под разностным кадром понимают абсолютную меж-кадрсеую разность значений яркости пикселей в <с-ми необразованном (Іс-І)'-м кадрах:

АА' = |А- (А-1

(3)

1\не. 4, Область поиска

середине выбранного блока. Воэможноя область поиска показана на рис. 4.

Учитывая, что при движении объектов основные изменения элементов в младцмх РД И будут совпадать с изменениями элементов в старшем РДИ, направления смешения блоков в младцмх РДИ будут совпадать с направлениями смещения блоков в старшем РД И-

Учитывая высокую корреляцию между к-м и Необразованным (к -1)'-м кадрах, разностный кадр будет иметь меньшую энергию, сокращая тем самым временную избыточность На рис. 5 приведены д ва последовательных кадра ВИ "Хоккей" размером400х320, разностные кадры без компенсации и с компенсац ией движения на основе блоков 3x3, 9x9 и 15x15.

Из приведененых изображений на рис 5 следует, что энергия разностного кадра сокращается компенсацией д вижения блоков. Поэтому при сжатии разностного копра с компенсацией можно получить лучшие результаты, чем для разностного ксадра без компенсации дви жен ия.

-С 4,*

г ,

і

ж V

•і

he. 5. Последовательные кадры (а,6), разностные: без компенсации дви жения (в), с компенсацией на основе блежа (г), на основе босжа (д), на основе блока (е)

6. Элементы в старшем РДИ опорных и разностных копров код^эуют следующим образом. Если пофцд следующие облости повторяются, то передаются элементы одной, первой встретившейся области V. у2*\ у6^ у8^ и количество их повторов Если элементы анализируемой области не совпадают с элементами соседних облостей, то передаются только элементы V,**, у21* у6<Г у8^. Возможный! формат передаваемых данных старшего РДИ представлен на рис. 6а.

Одновременно производттся сравнение элементов в соседних РДИ.

Формат передаваемых данных, соотввтст-вуюших 4-7 РДИ представлен на рис 66, та в канал связи передается количество повторяемых или пропускаемых бит, либо значения элементов. А для 1-3 РДИ в канал связи передаются только значения элементов уД уД, уД, (рис. 6в).

7. Вектора движения кодируют методом Хаффмана и группового кодирования (2).

В канал связи передаются закодированные опорный, преобразованные разностные кадры и вектора д вижения.

Таким образом, сжатие ВИ происходит за счет

1) исключения элементов, которые можно восстановить по корреляционным связям; 2) повторяющимся элементов в ЩИ; 3) больших повторяющихся или инверсных областей в соседних РДИ; 4) компенсации движения по старшему разряду ЦП И.

Видеодекодер восстанавливает разностный кс\ф по сжатому битовому потоку данных, используя параметры векторов движения и ранее декодированный (к - 1 )-й кадр

При восстановлении кещров по принятым элементам ЦПИ, с учетом вероятностей переходов по горизонтали и еертжали и формул (2), определяют элементы изображения, которые не передавались ( у3**, уД, уД уД у9^ ). По элементам в старшем РДИ определжот элементы в млцддих РДИ.

2. Результаты моделирования

На рис 7 приведен пример исходного изображения "Хоккей" размером 400x320 (а) и изображения, полученного в результате сжатия и последующего восстановления с компенсацией движения на основе блоков 3x3 (6).

Из сравнения ЦПИ следует 1) при резких переходах яркости на исходном изображении

— на восстоювленном изображена возможны неровности границ Это объясняется неточностью вычисления элементов в РД И при рез-

26

T-Comm #1-201 1

ТЕХНОЛОГИИ

мольных вычислительных и временных ресурсов и позволяет повысить степень сжатия видеоизображений примерно на 40%.

Литература

1 ГснссяесР.'вдо Р. Цифровая обработка изображений. — М Техносфера, 2005. — 1072 с

2 FWtapncoH Я. Видеокодирование. Н 264 и MPEG-4 — стандарты нового поколения. — М: Техносфера, 2005. — 368 с

3 Чобогу М. Многомерные многоскоростные системы обработки агналов. — М-- Техносфера, 2009.-480 с.

£■ Ватаг»* Д Методы сжатия дон*>(х Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео / Ватолин Д, Ратуимж A, G*f)Hoe М., Юкин В., — М: ДИАЛОГ-МИФИ. 2002 - 384 с

5 Трубин КС Метод моде/мровония цифровых полутоновых изображений / И.С. Трубим, ЕВ. Медведева, О.П. Булылиа—"Инфсжоммунико-иинные технолог»*Г, Том 6, №1, 2008 — С94-99.

6 Mettadeva EV, faftrav ЕР. Algoriifvm of ihe compression stoic and dynamic halMoned im-oges/ 9fi Nematonal Conference "Равет Recognition and Image Analisis New Information Technologies*: Conference Proceedings. Vol.2 — Nizhni Novgorod. 2008. — 22-25 p.

/ Мвдевдева ЕВ. Метод оценки векторов движения в видеоизображениях / Е В.Медведева, Б.О Тимофеев // Цифровая обработка ситалов и ее применение сб. научи трудов 12-й Международной конференции - М.: 2010. — С158-161

6 Медведева ЕВь Разработка алгоритма сжатия изображений на основе статистически зависимостей между элемента** изображения / ЕВ Медведева, Е.П. Петров — 14«фо«оммунжацинные технологии Том 6. №1, 2008 - С89-93.

Video compression method based on two-dimensional Markov chains

Medvedeva Ye. V., Timofyeev B.O.

An algorithm for video compression based on the partition of digital halftone images (frames) on bit binary images and presentation of their dimensional discrete-valued Markov processes. To remove tie temporary redundancy in the video method for eslimation erf motion vectors for the senior category of digital halftone images ts offered. Results of modeing and performance evaluations of Йте developed algorithm are resulted.

Keywords

Video images compnessiofi KvtxHmenuond Madcov chain, digital halftone image, btf binary image, ihe method ofmobon compensation.

References

1 Goneaiea R, \tad« R. TsAovcrya obrobotoa izobrazheniy — M: febnosfera, 2005. — 1072 p.

2 Rfchartkon YA Vidyeokocfcovanie. H.264 і MPEG-4 - slandarfy poltdeniya novogo. — M: Tehnasfera, 2005.

— 368 p.

3 Chobanu M. Mnogomemye mnogoskorosfnye sisiemy obrabofo signatou - M: Tehnosfera, 2009. — 480 p.

4 Vcioln D. Metody szhatiya danrryh UsfroysTvo arhivaiorov. szhafe izobrarheniy і vidyeo / Vatotn 0, Ralushnyalc A Smirnov M, Mjlcin V. — M^ DIALOG-MIFI, 2002. — 384 p

5 Trubr LS. Metod modcirovaniyo tsifrcvyh palutonovyh izobrazheniy / LS. Trubn, Ye.V Medvedeva, O P Bulygina — "Infolccmnujnikatsinnye tehnologii", Tom 6, №1, 2008. — P 94-99.

6 Medvedeva EV, EP. Algorisms of be compression stoic and dynamic half-fcned images /

9th Ireemafond Conference Talom Recognition and Imoge Anafais; New InfonrxAon Technologies": Conference Proceedngs Vol.2 — Nizhni Novgorod, 2008 — 22-25 p,

7 Medvedeva YaV. Metod ofcenki vektorw dvizhenrya v vidy^oizobrazheniyah / Ye. V Medvedeva. B.O. Timofyeev / / Tsifrovcrya obrabolca signdov і yee primenenie sb. nauchn. trudov 12-у Mezhdunarodnoy Iconferenisii. — M.:2010. — P 158-161.

8 Medvedeva YeV. Razrabolka dgorikna szhaliya izobrazheniy na osnove stolislichesWi znvisimosiyey mezh-du eJemeniami izobrazhenrya / Ye.V Medvedeva, Ye. P Pelrov. — hfokommuniateinnye tehnologii. Tom 6, №1, 2008.-P 89-93.

Компания ЫХР выпустила уникальную микросхему ТВ-тюнера с защитой от помех от беспроводных сетей Чип ТОА1 8273 поддерживает международные стандарты аналогового и цифрового телевещания

Колюания N00* 5еггйсогк1ис1сл N.V объявила о вытуске чипа ГОА18273 — уника/ъной микросхемы ТВ-тюнера с функцией защиты от помех от беспроводных сетей и мобильных телефонов. Сет оси» это особенно важно, ток как выгтуско-

ется все больше телевизоров с поддержкой технологий WLAN IP TV или Gooc^e TV Гибридная тюнермая мисросхема TDA18273 поддерживает различные меж/у-нородные стандарты и фуню^и телевещания, кок аналогового, так и цифрового, являясь едоной у^версаленей платформой для приёма сигнала наземного и ко-бепьнсго телевидения. Тюнерная микросхема TDA18273 характеризуется беспрецедентно низким уровнем шума — всего 4 дБ, дает значительное повышение проиэео*»ггегьности по сравне**во с обычными сап-тюнерами и может устанавливаться как на плату, так и в корпус д ля тюнера. Используя TDA18273, раз-

работчики систем смогут создавать ТВ-тюнеры меньшего размера, что поэвегмт уменых*1ть толщину корпуса ЖК-телееиэорое, использующих LED-технологию

Характеристики:

• допог*<ительные харастеристики микросхемы ТВ-тюнера NXP TDA18273:

— единое напряжение электролита»**»;

— очень высоким максимальный уровень входного сигнала,

• корпус HVQFN с 40-контсгтным разъёмом размером всего 6x6 мм,

— поддержка телееинонных ааедаргов буц^цего, таких как DVB-T2 и DVB-C2;

— среди наших кгментсв, выбравших тюнермую мисросхему TDA18273 за высокую производитегьность и малый размер - комиссия Funai Elec*ic

Отзывы:

• Тонврные микросхемы прихолит на оле^уобьі^ьімсап-тххерсм и по сценкам специалистов в 6л»«*а>*иив пить пет объем этого рьмшуввоится. а к 2014 г. превысит 500 млн. долл.*.-пэвориг Джерри Кофкопа сиагигик «эмл»ми b-Stt.—"Кск м»^хзвой »овр по лро-«водству микросхем ТВ-тюнеров компанм NXP готова удовлетворить растущий спрос на ник среда лроиэводитвявй телевиюро». Выпустив йыссжопроимклитеяьмую гибрндаую микросхему Т&-тюиера нового поколения, комланю NXP поатвердипа свои лиа^>уюи»« по-зицни и предложила своим клієнтам значительное поььиение прсизводигельностн. млю-чэя функиио хшигы от ымаиия беспроводных сетей*.

• TDAI8273 — этовьсоиопроизаожтетиая микросхема ТВ-понера паядврживао-щая все основ»*» междунеродные стаикзрты телеееикмия. Мы рааы. чю комом» Fund, ведущий японо(ий произвевитель телевизоров со эна^пелной долей рьнка в США. выбро-ла для своих телевизоров именно 'em TDA18273*. — говорит Фэбрис Панч мачолы** отдала межіумародного мсрсетума лодраадаленю вмеижк к*лерфейсовдля гепеаизисино-го оборудеео** комлонии NXP Semicondjclors*.

28

T-Comm# 1-2011