CC BY
5
УДК 621.327:681.5
Метод стиснення вщеосегмент1в з
-И"» •• • •
заоезпеченням ix достов1рност1 в спектрально-кластерному npocTopi
Барантк В. В.1, Красноруцький А. О.3, Колесник В. О.2, Сушко А. Л3, блгсеев 6. С.3, Федоровсъкий О. В3
1Харк!вський нацшнальний ушверситет ¡мен! В. Н. Каразша, м. Харюв Укра'ша 2Харювський нацшнальний ушверситет радшелектрошки, м. Харюв, Укра'ша 3Харк1вський нацшнальний ушверситет Пов1тряних Сил ¡мен! Гвана Кожедуба, м. Харюв Укра'ша
E-mail: v.u. barannik&karazin. ua
Проводиться апал!з особливостей оргашзацй в1деошформацшпого забезпечеппя для систем управль ппя критичною шфраструктурою. Показано, що зростають внмогн щодо повпоти. своечаспост! та достов1рпост! доставки в!деошформацй. Показано зростаппя попнту па оргашзацйо дистапцйншх в!део-cepBiciB з впкорпсташ1ям техполопчпих платформ па баз! безшлотпих ав1ацшпих комплеков (БАК). Водпочас це потребуе дотримаппя вимог ряду м1жпародпих стапдартав. яш висуваються до якост! падаппя в!деошформацй. В свою чергу. так! вимоги спопукають використашш телекомушкацшпих систем (ТКС) з пеобх1дпим р!впем швпдкост! передач! шформацй. Для систем падаппя дистапцш-mix в!деосерв!с1в з використаппям бездротових ТКС па ав1ацй"ших платформах icnye дисбаланс. Bin стосуеться в1дставаппя темшв зросташш продуктпвпост ТКС за швпдшстю передач! дапих в1дпоспо темшв зростаппя б!тово! штепспвпост! в1деошформацй"ших иотошв. яш формуються па борту ВАК. В статт! показано, що пасл!дками дисбалансу е поява зиач1шх часових затримок в процео доставки в!деошформацй. В1дпов1дпо вшшкають втрати: актуалыюст (адекватпост) в1деошформацй щодо поточного стану об'ектав мошторипгу: достов1рпост! в1деошформацй. Наведеш деструкцй е причипою порушеппя процесу прпйпяття pinieiib в системах критично! шфраструктури. Отже icnye пагальиа потреба у Bupinieiiiii науково-прикладно'i задачi, яка стосуеться шдвнщеппя якост! падашш дистапцйншх в!деосерв!с1в з використаппям телекомушкацшпих техпологш па платформ! ВАК. Для вгцяшеппя означено! задач! використовуеться комплекс техполопчпих pinieiib. Основною складовою тут е застосуваппя техпологш змепшмшя б!тово! штепсивпост! в!деопотоку. Водпочас. як показано в статтй в процео розробкп таких техпологш потр1био вгцяшувати суперечшсть. Bona иолягае в тому, що шльшсть психов1зуалыю! падм1рпост1 в!деозображепь використовуеться. як для локал!зацй деструктивного вплнву капальпих помилок па достов!ршсть в1деозображепь. так i для скорочеппя !х б!тового об'ему. Отже випикае протгцяччя м!ж вимогами щодо забезпечеппя достов1рпост! в!деозображепь та ix своечаспою доставкою. Зв1дси реал!зац1я дистапцшпих в!деосервЫв з використаш1ям бортових ТКС в умовах ди завад висувае додатков! вимоги до техпологш змепшеппя б!тового об'ему в1деодапих. Тому мета стати иолягае у створепш метод!в стиспеппя в!деозображепь для змепшмшя l'x б!тового об'ему в умовах забезпечеппя noTpiöiioi' достов1рпостй На основ! всеб1чпого апал!зу обгруптовапо папрямкп вдоскопалеппя метод!в кодувашш. Bomi стосуються таких аспектав. Перший. Виявлеппя пових зако-пом1рпостей. врахувашш яких дозволить створити умови для додаткового змепшмшя б!тового об'ему в!деосегмепт1в без внесения втрат щодо достов1рпост1 шформацй. Дозволить локал!зувати руйшвпу дйо капальпих помилок в процес! рекопструкцй в!деозображепь з пошкоджмшми кодограмами l'x компактного оппсу. Другий. Формуватн кодов! копструкци з використаппям режиму рйшом1рпого або локалыю-piBnoMipiioro кодоутвореппя. В1дпов1дпо до чого обгруптовапо ефектившсть кодуваппя трапсформова1шх в!деосегммтв в кластерному простор!. При цьому кластеризац!я здшсшоеться за такою озпакою, як шльшсть cepifi одишщь в двшковому onrici l'x компонент. Стверджуеться те. що для кластеризовано! трапсформапти створюються умови для додаткового скорочеппя шлькост падм1рпо-ст! без втрат ¡пформацй'. Розроблепо метод стиспеппя в!деосегмепт1в з забезпечеппям !х достов1рпост! в спектрально-кластерному простор!. В основ! тако! техпологй лежить принцип дуалыюст! компонент трапсформапти. Bin полягае в тому, що кластеризована компонента може одпочаспо розглядатись як: елемепт статистичпого простору кластеру: допустимий елемепт структурного кластеру. Тобто як одна з допустимих перестановок з повторениями з визпачепою шльшстю cepifi одшшць. За результатами експеримепталышх досл!джепь можпа стверджувати те. що у раз! використаппя створепого методу для задапих р!вшв досягаеться збглынеппя р!впя стиспеппя в1дпоспо 1спуючих метод!в в середпьому па 40%.
Клюноог слова: дпстатцйппй в1деосерв1с: своечасшсть та достов!ршсть в1деошформацп: стиспоппя аерофотозображепь: структурш кластери; кшыасть cepifi одипиць: спектральпий простар
DOI: 10.20535/RADAP.2023.92.41-53
Вступ. Постановка проблеми
Оргашзащя шформащйного забозпочоння для систем управлшня критичною инфраструктурою (KI) в сучасиих умовах характеризуешься такими аспектами:
1) поширене використаиия вщеошформацшних pocypciB. в тому чист вщеозображень та динахпч-них вщеоданих. для анатзу та прийняття piineiib про стаи та перемщення об'екпв мошторингу [1]:
2) застосуваиия для збору та реестращ!' вщеош-формащ! дистанцшних мобшышх coiicopiB. в тому чист безшлотних ав1ацшних комплексов (БАК) [2]:
3) застосуваиия для обмшу шформащяо без-дротових телекомушкацшних систем (ТКС). в тому чист на 6a3i бортових платформ [3].
Ввдповвдно зростають вимоги щодо:
а) повноти вщеошформащйних pocypciB [4]. Кшьшсть шксол1в у В1доокадр1 за ocTanni декшька рошв зросла в середньому в 16 раз1в;
б) своечасносп та достов1рноста вщсошформащ! [5]. Своечасшсть визначаеться. як сумарш часов1 за-тримки на обробку та передачу шформащ! з бортових комплексов па пункт приймання. Достстаршсть встановлюеться вщиовщшстю ввдеозображеиня. що отримуеться на ириймалыий CToponi. до його почат-кового представления на борту або до вадповадного об'екту мошторингу.
Звщки иостае питания ввдносно забозпочоння по-Tpi6nnx яшсних показнишв надання дистанцшного ввдоосерв1су [6]. Тут необхщно взяти до уваги осо-бливоста анатзу вщсошформащ! в системах KI та критичшсть вщсошформащ! щодо впливу на процос прийняття piineiib та р1вонь настдшв у pa3i його порушення. 1снують рскомендащ! вадносно якосп надання вщеошформащТ в системах аеромошторин-гу. яш визначаються такими стандартами: STAN AG 4671:2009 [7], STANAG 7023:2009 [8]. 3 врахуванням чого iciiyiOTb так1 вимоги:
1) щодо визначоння достстарносп отриманся Bi-деошформащь Встановлоно iepapxiio piBiiiB для кшьшсного ощшовання достстарность а само:
для найвшцсм критичноста шформащ! необ-хвдно забезпочити режим обробки та передач! без втрат шформащь В цьому випадку кшьшсть сио-твороних шксол1в або иоказник середне квадратично вщхилоння noBiiinii дор1вшовати нулю:
для найменшся критичност шформащ! допу-скаються сиотворення шксел1в в1деокадр1в. Допу-стимий piBOiib таких спотворень за показником ni-кового вщношоння сигнал/шум (PSNR) повинен становити не менш шж 25 33 дБ в залежноста в1д призначення ввдоокгщлв;
2) щодо часових затримок в процеа обробки та передач! в1деокадр1в. Такий иоказник в залежносп ввд критичносп та часу актуальное^ (старшня) in-формащ! мае бути на piBiii вщ докшькох десятшв мшеекунд до докшькох секунд.
Означеш тондошщ вимагають використання ТКС з необхщним р1вном швидкосп передач! шформащ'ь В той же час для систем надання дистанщй-них в1деосорв1с1в з використанням бездротових ТКС на ав1ащйних платформах iciiy е дисбаланс. Bin сто-суеться вщетавання томшв шдвшцення продуктив-nocTi ТКС за швидшетю передач! даних вадносно темп1в зростання 6iTOBOi iiiTOHCiiBHOCTi вщеошфор-мащйних потошв, яш формуються на борту БАК.
Такий дисбаланс сионукае виникноншо значних часових затримок в процоей доставки вщеошформа-u;ii та. як стдство. иризводить до втрат [9]:
актуальное^ (адекватносп) вщеошформащ! щодо поточного стану об'екпв мошторингу;
достов1рносп вщеошформащь Це зумовлоио тим. що у pa3i обмежоиого часу зв'язку з БАК Bi-доокадр або i'x група буде отримана но в повному обсязь
Наводеш деструкщ! с причиною порушення про-цосу прийняття pimeiib в системах критично! шфра-структури. Отже icnye насущна потреба у Biipimeinii науково-прикладно!' задачi, яка стосуеться шд-вшцення якосп иадаиия дистаищйиих вщеосорвтв з використанням телекомушкацшних тохиолог1й на платформ! БАК.
Для Biipiineiiira означено1 задач1 впкорпстову-еться комплекс технолог1чннх piineiib. Основннмн складовпмп тут е:
1) збшынення пропускно! спроможност1 боздро-тових телокомуи1кащйиих мерож [10];
2) застосуваиия технологш змоншення 6iTOBOi iiiTOHCiiBHOCTi вадеопотоку [11 19].
Стосовно поршого напрямку иотр1бно врахову-вати те. що для систем передач! шформащ! з борта БАК притаманш таш вразливост1 та дестаб1ль зуюч1 фактори: наявн1сть впливу щлого спектра завад. елоктромагн1тних шум1в та завад штучного походження; взаемн1 олектромагн1тн1 перешкоди пристроТв одного каналу (або суйдшх частот); затухания сигналу в навколишньому соредовищ1. Все це ПрИЗВОДИТЬ ДО ПОТОИЩЙИОГО збшЬШОИИЯ flMOBipiIOCTi
виникнення иомилок в кодограмах 1нформацпшого потоку, що передаеться з використанням бортових телекомушкацшних технологш.
3 iiiHioro боку. iciiyiOTb вимоги для мерож передач! шформащ! в системах критично! шфраструк-тури. як1 стосуються того, що [20]:
- ймсдаршсть Р(е) виникнення биово! помилки у раз1 передали загального шформащйного потоку не повинна перевшцувати р1вень 10-4, тобто Р(е) < 10 4;
у раз1 передач! вадеошформащйного потоку необхадно забезпечити: кшьшсть ь>' рх спотворених шксел1в не бшыпе шж 3-5%; кшьшсть V' рас втраче-них пакетав но бшын шж 3%.
Для забезпечення наведоиих вимог для бортових ТКС використовуються методи завадостайкого коду вання. Найбшын розповсюджоними е коди пере-в1рки на паршсть, коди Боуза-ЧоудхурьХоквшгема (БЧХ) [21], коди Рада-Соломона [22].
Використання даних кодових систем створюе можливкть для виявлення та виправлення биових помилок, яш виникають в кодограмах пад час 1х передач! каналами зв'язку. Така можлившть досяга-сться за рахунок додаткового залучення надлишко-вих двшкових розрядов. Це збшынуе початковий биовий об'ем Уьед вадеокадр1в в середньому вад 1,5 до 3 раз1в. Вадповадно зростають часов1затримки в процосй 1х передач! тслекомушкацшними мережами. Втрати щодо оперативносп доставки шформащ! у раз1 додаткового використання завадоспйкого коду вання можуть сягати 10 раз1в.
Отже, можна стверджувати те, що залучення завадостшких код1в призводить до падвищення ш-формащйного навантаження на бортов! засоби рес-стращ! вадсошформащ!, обчислювалыи пристро! та технолоп1 передач! такси шформащ!. Виникають ри-зики щодо втрати достстарносп та актуальное^ вадсошформащ! у випадку переповнення бортових нойТв шформащ! та обмеженого сеансу зв'язку.
Другий напрямок локатзащ! деструктивного впливу каналышх помилок на достов1ршсть ваднов-лених вадеозображень стосуеться врахування пси-хов1зуалышх особливостей 1х сприйняття зоровою системою [11]. Такий напрямок 1"рунтуб:ться на тому, що деяш спотворення окремнх шкссл1в та дшянок вадеокадру не призводять до порушення загального 1х в1зуалыгого оцпповання. В цьому випадку помилки на еннтакенчному р1вш опису вадеозображення не призводять до втрати достов1рносп на р1вш його структурно-семантичного змкту [12].
В той же час означеш психов1зуалыи особли-восп вадеозображень використовуються в сучасних технолопях компреа! для зменшення 1х биового об'ему [13]. При цьому, як показано в пращ [14], само за рахунок усунення кшьшеть тако! надшрносп досягасться найбшыне скорочення биового об'ему вадеозображень.
Звадки виникас супсречшсть хйж забезпеченням достов1рносп вадеозображень та 1х свосчасною доставкою. Це стосуеться того, що кшьккть психовь зуальнея надхпрноси вадеозображень використовус-ться, як для локал1защ1 деструктивного впливу каналышх помилок на достов1ршсть вадеозображень, так й для скорочення 1х биового об'ему.
Отже, реал1защя дистанщйних вадсосервгав з використанням бортових ТКС в умовах ди завад висувае додатков1 вимоги до тсхнологш зменшення 6iTOBoro об'ему вадеоданих.
Розробка метод1в кодування необхадна для мож-ливоста передач! бшынея кшькоста шформацп з використанням iciiyiOHOÏ nponycKiioï здатноста сучасних канал1в зв'язку. Це зумовлено тим, що icuye дисбаланс mdk, з одного боку, об'емами вадеоданих, а з iiiHioro обмеженими пропускними зд1бностя-ми сучасних мереж передач! шформацп. Отже, до систем кодування висуваються таш вимоги:
падвищення piBira стнснення в середньому не мошне шж на 10%:
забезпечення потр1бного piBira достстарносп шформацп.
Тому мета стати полягае у розробщ мето-д1в кодування вадеозображень для збшынення piB-ня ïx стнснення в умовах забезпечення noTpi6noï достов1рноста на ociiobî скорочення структурно-статистичнся надм1рносп в кластеризованих трансформантах.
1 Об^рунтування шдходу для вдосконалення метод1в стнснення вщеозображень в умовах збереження ïx достов1р-
HOCTÎ
Для забезпечення зменшення 6iTOBOÏ штенсив-iiocTi вадеоданих використовуються стандартизова-ni платформи, а само: JPEG для кодування ста-тичних вадеозображень [15]: MPEG-4, H.264/AVC, H.265/HEVC для кодування динахпчного потоку вадеокадр1в [16]. В ociiobî таких платформ лежить технолопчне piineiiira, яке базуеться па ycyiieinii кшькосп психсшзуальнся та статистично1' надм1рно-стей в частотно-спектральному представленш вадео-сегменту [17].
Скорочення кшькоста психов1зуалыю1' надм1рно-cti здшсшоеться на ociiobî квантування компонент трансформант (масиву спектралышх коеф1щснт1в). Тут враховуеться те, що високочастотн1 компонен-ти трансформанти переважно м1стять шформацпо щодо др1бних деталей початкового вадеосегменту. Отже, мають менший вплив на в1зуалыю сприйняття в1деозображень [18].
Статистична надм1рн1сть в трансформантах зу-мовлена наявн1стю iraoBipiiicmix особливостей, а само тим, що [19]:
трансформанти мають обмежену потужшеть (кшьк1сть компонент з р1зними значениями):
закон розпод1лу ймов1рностей появн компонент трансформанти прагне до iiepiBHOMipiioro.
Виключення кшькост1 тако! надупрноста вадбу-васться за рахунок використання метод1в стати-
стичного кодуваппя. Прикладами таких мотод1в е praiOMaiiiTiii модифшацй' коду Хаффмана [23.24] та арифметичного кодуваиия [25.26]. Для збшыпення коефщенту стисноння в процей побудови статисти-ЧН01 модат додатково враховуються довжини copifi компонент, яш мають иульов1 значения [27].
Таш технолопчш piineiiira мають найбшыпу ефектившеть у pa3i кодуваиия низько шформатив-них вщеозображень без врахуваиия наявносп кодограм. яш иошкоджеио каналышми иомилками [28]. Навпаки. иаймеиша ефектившеть озиачеиих мето-д1в з'являеться у pa3i обробки достатиьо шформа-тивних ввдеозображеиь. до яких вщносяться аоро-фотозшмки. з врахуваииям деструктивного впливу каналышх помилок. Це обумовлено тим. що стандартизован! технолопчш piinoiiira в цьому вииадку мають ряд системник нодолшв. Вони стосуються:
1. Знижоння значения коефщенту стиснення. що зумовлоно:
а) зменшенням шлькоста психов1зуалыго1 та ста-тистично1 надм1рностей трансформант, яка потон-щйно скорочусться в процей ix кодуваиия:
б) збшыпонням потужноста трансформанти та вщповщно в умовах. коли розподш iraoBipiio-стой компонент наближасться до piBnoMipiioro закону. вщбуваеться зиачие збшыпення довжини нер1вном1рно-преф1ксних (НП) кодограм:
в) збшыпонням ступеня насиченосп вщсосегмен-т1в др1бними деталями. Шдвишуеться шформатив-на вага високочастотних компонент трансформанти. В цих умовах додатково усуиоиия шлькосп психов1зуалыю1 надм1рност суироводжусться:
значними втратами якость роздшыго1 здатнос-Ti аерофотозшмшв або взагал1 руйнащяо окромих шформативних дшянок вщеокадру:
зниженням CTifiKOCTi ироцесу докодування по-шкоджених каналышми иомилками кодограм щодо збереження цЫсносп вщоокадру.
2. Знижоння CTifiKOCTi процосу докодування по-шкоджених каналышми иомилками кодограм компактного опису вщсосегментав щодо збереження i'x достов1рность Щ обставини зумовлен1 такими вра-зливими особливостями стандартизованих тохно-логш:
у pa3i використання НП кодограм помилка в одному 6iri неминучо иризводить до неможливосп докодування послщуючих кодограм трансформанти. З'являсться лавинний офект щодо розповсюд-ження канально! иомилки на ироцос докодування iiiiniix кодограм:
офект розиовсюдження помилки значно поси-
ЛЮСТЬСЯ у pa3i IX ВИНИКНОННЯ В КОДЬ ЯКИЙ MiCTIITb
шформащю про довжину copifi компонент з нульо-вими значениями. Спостер1гаеться офект зеуву або затирания значень iiimux компонент.
Оцшки негативного впливу каналышх помилок на достов1ршсть вщеозображень наведеш у вигляд1 д1аграм на Рис. 1. Для отримання даних використо-
вусться метод за тохнолопяо JPEG. Стисноння проводиться з внесениям контрольованих сиотворень щодо якосп вщоозображень. Р1вонь достов1рносп вщновлених вщеозображень оцшюеться за иоказни-ком шкового вщношення сигнал/шум PSNRe при заданому pisni помилок (Р(е) = 10-4 та Р(е) = 10-5) в каналах передач! даних. Оцювання проводиться без використання завадостайкого кодуваиия.
PSNRs,dB
слабонасичене
середньонасичене
сильнонасичене
Рис. 1. Д1аграма залежносп шкового вщношоння
сигнал/шум PSNRe вд Р(е) в канал1 зв'язку
Анал1з д1аграм на Рис. 1 дозволяе стверджувати те. що в жодному раз1 не забезпечуеться потр1бний р1вень PSNRnes. Спостер1гаеться зменшення вели-чини PSNRe вщносно необхщного р1вня PSNRnes, що в залежносп вщ шформативносп вщеосогмен-пв становить: 6-39% для Р(е) = 10-5; 37-46% для Р(е) = 10-4.
Отже. стандартизован! технолог!! стиснення не забезпечують пещлбного р1вня спйкосп до впливу каналышх помилок на процес докодування пошко-джеиих ними кодограм компактного опису.
Враховукга недолши стандартизованих метод1в у раз1 кодування достатиьо шформативних вщоозо-бражонь пропонуетьс.я 1х вдосконалення зд1йсшо-вати за такими напрямками:
1) внявлоння таких нових законом1рностей. врахуваиия яких дозволить створити умови для:
додаткового зменшення биового об'сму вщео-согменпв без внесения втрат щодо достов1рносп шформащ'к
локал1защ1 рушивши дп каналышх помилок в процей роконструкщ1 вщеозображень на основ1 иошкоджених кодограм 1х компактного опису:
2) формування кодових конструкщй з вико-ристанням режиму р1вном1рного або локально-р1вном1рного кодоутворення.
2 Об]"рунтування падходу щодо структурно'1 кластеризацп трансформанти
Для усуноння недол1к1в нообх1дно створити iiOBi системи кодування. що но иов'язан1 з можливою
втратою шформаци. Одним з напрямшв е розроб-ка технологи реструктурування трансформанти для забезпечення:
1 ) поророзподшу ïx компонент таким чином, гцоб закон розподшу ймов1рностой ïx появи прагиув до iiepiBiiOMipuoro:
2) зменшення потужносп сукупностей (класто-pifi) даних:
3) скасування умови щодо забезпечення ире-фшсносп кодограм у pa3i збшыноння потужносп сукупностей даних або/та зменшення ймов1рностой появи окромих компонент (внкорнстання piBHOMip-ного кодування ) :
4) внкорнстання piBHOMipiiiix кодових конструк-цш, в тому чист в якост шформацнпшх опорних маркер1в. Тобто шформащйш кодограми окромих компонент можуть використовуватися як onopiii маркери piBiiOMipnoï довжини хйж послвдовностями iiepiBiiOMipiinx кодограм inmnx компонент:
5) зменшення биових затрат на шформатив-ну частину кодово1 конструкцп трансформанти та створення умов для стабшзацп змиш ймов1рностой для трансформант сегменту (стащонаршсть стати-стичнсм модол1 для трансформант в межах сегменту).
BapiaiiTOM для створення вщповщних умов с зд1йсноння кластеризацп трансформанти [29.30].
Кластеризащя створюе умови для виявлення i скорочення бшьшем кшькосп надм1рность Це дося-гаеться на ociiobî шдвшцоння iiepiBiiOMipHOCTi розпо-дшу компонент в межах кожного кластеру. Кластеризащя проводиться для трансформант. При цьому компонента кожного кластеру вщлзняються кшь-kîctio cepifi однннць в своему двшковому oniici. Шд трансформантою розум1еться масив коофщен-tîb. що отримуеться шеля дискретно-косинусного перетворення (ДКП) сегменту.
Класторизащю трансформанти пропонуеться здшешовати в двшковому npocTopi ïx компонент. Створюеться иотонщал вщносно додаткового скорочення кшькосп надхпрноси без втрат шформаци з врахуванням залежностей в двшковому oniici.
В ociiobî кластеризацп лежить шдхщ до розби-ття загального простору дв1йкових иослщовностей довжиною I 61т [ ]. Такнй загальннй npocTip ви-значаеться сукупшстю можливих перестановок з повторениям, яш утворюються з 1-б1тних двшко-вих иослщовностей. Означош двшков1 иослщовносп утворюють множнну À2(l). Внходячи з визначення множннн Л2(1) ïï об'ем | Л2(1) | визначаеться такою формулою: | Л2(1) | = 21. Отже, кластеризащя множннн (простору) Л2 (I) двшкових послщовно-стей, довжиною 16iT, полягае у формуванш окремих шдмножин Л2(1; q) за структурною ознакою q. При цьому нообхщно забезпечнтн умову. коли шдмножи-ни Л2(1; q) не иеретинаються, тобто:
Л2(1; 7), Л2(I; х) & Л2(1).
Кшыасть Q шдмножин Л2(1; q) та ïx об'ем | Л2(1; q) | (кшыйсть допустимых двшкових noeni-довностой) заложить в1д вибору конкретно!' ознаки д. В якосп тако'1' ознаки q пропопуеться вико-ристовувати структурну характеристику двШкових послвдовностей, а само кшыйсть q серш одиниць. Це зумовлено можливктю визначення: об'ему множннн допустимих двшкових иослщовностей: кшькосп шформаци в двшкових постдовностях; потонцинго!' кшькосп структурно! надм1рность яка може бути скорочона в процой кодування.
Вщповщно для обрати ознаки маемо таш вирази для знаходження кшьшених параметр1в | Л2(1; q) Q кластеризацп, а саме [ ]:
I Л2(1; q) | = П Ф !/(l + 1 - 2 ■ 9)!;
0=2-g+1
Q
1 +1 2
+ 1.
Тут Q - номшальна кшыйсть значень, яке при-ймае ознака q, тобто номшальна кшыйсть шдмножин Л2(1; д), яке за ознакою q формуеться для множини Л2(I). 3 врахуванням чого, маемо такнй вираз щодо структуры множини Л2(1) за обраною структурною ознакою q:
Я-1 [ 1+1 / 2]
Л2(1) = и Л2(1; д) = и Л2(1; д)-
9=0 9=0
Зрозумшо, що об'ем | Л2 (I) | множини Л2 (I) в структурному порядку через шдмножини | Л2(1; д) | представляеться сшввщношонням [29]:
Я-1 [ 1+1 / 2]
| Л2(1) | = £ | Л2(1; д)1 = £ | Л2(1; д) |.
9 = 0 9 = 0
Звшки для заданого I м1ж об'ем ом | Л2 (I) | загального дв1йкового простору Л2(1) та об'емом | Л2 (I; д) | ^^тжини Л2 (I; д), тако! що Л2 (I; д) € Л2(1), виконуеться сшввщношення:
1+1
|Л2(1; д)| = П + 1 - 2 •«)! < |Л2(1)| = 21,
0=2*9+1
Л2(1; 7) П Л2(1; х) = Для 7 = X
та
g = 0, Q - 1.
Вадповадно, дв1йков1 посл1довност1, що належать до шдмножини Л2(1; q), 1нтерпретуютьс;я як l-6iTHi перестановки з повторениями, як1 мютять q серш одиниць.
3 Розробка методу структурно-статистичного кодування трансформант в спектрально-кластерному простор!
Отже. пропонуеться зд1йсшовати класториза-ц1ю трансформанти Уи та окрем1 кластери У(д)и шляхом розподшу компонент уи,г,о на основ1 впзна-чення та сшвставлення шлькосп д серш одиниць в 1х двшкового опису [Уи,1,з ]2- Для цього використо-вуеться функцюнал /ы([]2; д) [ ].
Вщповщно, як показано в наукових працях [31 35]. роатзацш статистичного кодування в спектрально-кластерному (СК) простор! мае та-ш особливоста:
1. 3 одного боку досягаються переваги ввдно-сно випадку формування статистично1 модат та кодування поточних трансформант. Таш переваги стосуються:
1.1. Збшыпення кшькост Н(д)и статистично! надуирност, яку потонцшно можиа скоротити в процеа кодування компонент у(д; д)и-1^ СК У(д)и. Таке досягаеться за рахунок створення умов щодо шдвищоння р1вня нор1вном1рност розподшу класте-ризованих компонент.
1.2. Створення умов для скорочоння довжини кодограм класторизованих компонент вщносно дов-жин 1х кодограм у раз1 обробки в склад1 вая трансформанти. Це досягаеться за рахунок того, що кластеризован! компонента в кластер! У(д)и будуть мати бшыпу ймов1ршсть шж в трансформант!. Вщповщно до цього. створюються умови для синтаксичного опису кластеризованих компонент у(д; д)и, 1 , ^ кодограмою су (д; д)и, 1, ■ меншо! довжини
(д; д)иг 1 н*ж довжпна Уу^ у випадку формува-
ння кодограмм Су^ у еклад1 вше! трансформанти, а саме
ъу(д; д)иА^ < .
2. 3 шшого боку залишаються систомш нодо-лш, яш пов'язаио з1 статистичним кодуваииям трансформант для достатиьо шформативних вщоо-зображень. Це проявляешься у зростанш довжини ^ (я; д)и,г,з НП кодограм Су (д; д)и^ у раз1 збшь-
шення потужност1 В^ СК У(д)и, тобто:
Ъу (д; д)1
->• V.
(и)
або V.» (д; д) ь
->■ I
Для
-1-у д 7
в(и).
Для локатзащ! або усунення означених недо-лтв пропонуеться розробляти процес кодування кластеризованих компонент з додатковим врахува-нням структурних залежностей. Вщповщно необх}-дно розробити технолоичний мохашзм обмеження росту довжин НП кодограм. особливо у випадку збшыпення потужносп кластеру або якщо розподш
ймов1рностой появи компонент у кластер! наближа-сться до р1вном1рного закону.
В основ1 такого технолоичного мохашзму пропонуеться використовувати принцип дуальнос.т1 компонент трансформанти. Вш полягае в тому, що кластеризована компонента може одночасно розгля-датись як:
елемент статистичного простору кластеру: допустимий елемент структурного кластеру, тобто як одна з допустимих перестановок з повторениями з визначоною шльшетю серш одиниць.
Отже. кластеризован! компононти с допустими-ми комбшащями структурного кластерного простору за визначеною ознакою д. В цьому випадку су-купшеть компоиеит в межах СК розглядаеться за структуриим шдходом.
В той же час можлив1 випадки, коли потонцшна шльшеть Нег (д) и надшриосп, яка скорочуеться з врахуванням структурних обможонь, буде переви-щувати шльшеть Нег (д) и иадупрноста в СК з обль ком статистичних залежностей. Для такого випадку виконуеться нер1вшсть: Нзг(д) и > Н^(д)и-
В цьому раз1 для додаткового зменшення био-вого об'ему СК потр1бно кодувати кластеризован! комионенти з врахуванням структурних особливо-стей 1х двшкового опису.
Для цього пропонуеться використовувати вла-стившть структурних кластор1в, яка полягае в тому, що реалштична потужшеть для д-СК буде обмежеиа зверху його номшальною потужшетю Од,£, тобто Ид^ < Шд номшальною потужшетю СК розум1еться максимально можлива кшьшеть двшкових иослщовностей [ у'(д; с! =1, , ^^^штять д сер1й одиниць, та для зна-чень у'(д; 1х десяткового опису виконуеться умова нер1вност1, тобто:
[ у'(я ; х)и^ ]2 ■
[ у'(ч ; 1)пугуз ]2
€ У(д)и та
у" (<1; х)и,г1з = у'(ч; 7.
В той же час за таких умов означош двшков1 по-сл1довност1 с допустимими перестановками з повторениями, яш можна скластп з 1-б1тнпх комб1нащй в умовах наявносп в 1х змшту д сер1й одиниць. Вся сукупшсть таких допустимих 1-б1тпих комб1пац1й складае п1дмиожииу Л2(1; д). величииа
дор1впюе об'ему | Л2(1; д) | ^^^тжини Л2(1; д) за структурною ознакою д. Отже У'(д)и € Л2(1; д) € Л2(£), та
£+1
Ци) <пд,£ = |Л2(1; 9)| = П Ф!/(1+1-2 • я)! < 2е.
0=2-д+1
3 шшого боку для допустимих двшкових посль довностей [ у(д; д)и ] в межах визиачепого СК та в умовах врахування структурних особлпвостей 1х
шдмножин, можна використовувати принцип фор-мування локально-р1вном1рних (ЛР) кодограм. Р1в-ном1ршсть обумовлено тим, що довжина локально-р1вном1рно1 кодограми V} (д; д)и1^ для двшково-го опису [у(д; д)и, 1 ^ ]2 компоненти у(д; д)и, 1 ,р яка належить до д-гоСК, буде обмежено величиною К,I, тобто: ^ (д; д)и, 1 , . < ,г.
Локальшсть тако! р1вном1рносп зумовлена тим, що для р1зних СК величини ,1 можуть мати р1зш значения.
Використання тако! стратег!! кодоутворення обумовлено тим, що кодов1 значения N(д; д)и 1 ^ двш-кових послвдовностей [ у(д; д)и 1 ^ ] будуть обмеже-ними номшальною иотужшстю ,1 даного кластеру. Тому впконуеться нер1вшсть:
компонент у'(д; й)и 1 ^ (компонент в межах окремого 0-го кластеру). Внкорпстовуеться внраз:
N(д; д)
и,г,з <
1.
К(^)и = - X)р'(д; , i,з • а)и, 4 ,з.
<1=1
По-друге, проводиться оцшка мшмально! кшь-коста (д)и структурно! надшрноста в д-му кластер!. Використовуеться формула для визначення кшькоси | Л2(1; 0) | допустимых двшкових послщов-постей [у'(д; ¿)и 4 ^ ] (номшально! иотужносп }1) в структурпш множит Л2 (I; д) за ознакою д:
1+1
П Ф!
0=2-д+1
| Л2(1; д) | = Вч, I
'+1 - 2 • д)Г
Це зумовлено тим, що номшальна иотужшсть Вч, £ СК У(д)и е кшьистю | Л2(1; д) | допустимых двшкових постдовностей [ у'(д; д)и 4 ^ ] , яи мають р1зш значения N(д; д)и 4 ^ та однакову кшьшсть д серш одиниць.
Отже у раз1 збшыпення довжпнп (д; д)и 1 НП кодограм су (д; д)и 1 ■ пропонуеться вщповщ-ш двшков1 поопдовносп [у(д; д)и 4 ^ ] кодувати з врахуванням структурнпх особлнвостей кластеру У(д)и та формуванням ЛР кодограми V$(д; д)и 1
Це дозволить:
- обмежити зршт довжин (д; д)и 1 ^ НП кодограм су (д; д)и, 4 ,р
Тут: ИдI - кщьшсть допустимих двшкових посль довностей в структурному кластер! У(д)и, тобто номшальна потужшсть структурного кластеру або об'ем множини Л2(1; д), що мштнть двшков1 поспь довносп [ у'(д; й)и ^ ] , яи задовольняють умовам: - 1х десятковий оиис у'(а; 1 ^ мае р1зш значения, тобто:
у'(а; ^ил, 1 = у(Р; 1)ил, 1;
- створити опорт кодограмм V/(д; д)и 1 ■ в за-гальному биовому иотощ для локал1защ1 руйн1вно1 д1Т канальних завад у раз1 декодування иошкодже-них ними НП кодограм с''у (д; д)и 4 р
Розглянемо метод кодування двшкового син-таксичного опису [у(в; д)и1 ^ ] кластеризованих компонент у(д; д)и 1 ^ з врахуванням структурно-статистичних законом1рностей { Р'(д)и; д } кластеру У(0)и, тобто в структурно-статистичному простор! (опиа) кластеру.
Етап 1. Перший технолопчний етап пов'язапий з ощнкою кшькосп надм1рност1 в поточному кластер! У(д)и з використаппям двох п1дход1в, а саме виявлеппя:
- ймов1рностей р'(д; ¿)и 1 ^ появи компонент
у'(д; ¿)и 1 ■ та ^^^^^^^тао! потужност
- кщькост1 д ^^^ш ^^пнпць для I б1тного дв1йко-вого опису [у(д; д)и, 1 ^ ]2 компонент у(д; д)и, 1 ,г
Тому по-перше, зд1йспюеться ощпка кшько-сп Н^(д)и статистично! ^адм1рпост 1 в СК У(д)и, яку потенщйно можна усунути в процес1 кодування (формування пер1вном1рно-преф1кспих кодограм су (я; д)иг])- Тобто встановлюеться потенцш-на спроможнкть статистичних метод1в щодо усунення максимальноГ кшькост1 надм1рност1 в поточному кластер1. Для цього обчислюеться ентрошя Я(д)и розподшу Р'(д)и кластеризованих
- кщьшсть а, р ^^^ш одиниць дор1внюе д, а =
Р = = =1, ,е;
- довжини £(в; ¿)и 1 ^ та 1(6; , 1 ^ двшкових поовдовностей [у'(д; ]2 та [у'(д; 7)ил^ ]2 д0~ р1внюють величин! I.
Зв1дки верхня межа Уд,£ щодо кщькост1 шфор-мащ! структурного опису озпачепого кластеру зна-ходиться таким шляхом:
1+1 £+2-2-ч Уч/ = [1од2^чЛ]+1« 1о§2^1о®2^ (б!т).
0=2-д+1 0=2
Етап 2. Призначення другого технолог1чного етаиу полягае у пор1внянш ощнок щодо потен-ЦШН01 СПРОМОЖНОСТ1 усунення р13НИХ ВИД1В надм1рност1 в поточному кластер! У(д)и у раз1 застосування мегод'ш кодування, яш в1дпов1д-но враховують його статистичт та структурт особливость
Перев1ряеться умова щодо перевищепня пижпьо1 межи кшькоста Р(д)и 1нформащ1 статистичного опису д-го структурного кластеру трансформантн Уи ^^^^стмально! межи кшькосп 1н-
формащ! структурного опису означеного кластеру за встановленою структурною ознакою д.
Для цього пор1внюються дв1 величини Р(д)п та Уч,£. Можлив1 два вар1анта.
Перший вар1ант, якщо виконуеться нер1вн1сть:
я(я)и > V. (1)
В цьому вираз1 використовуються так1 величини:
К(д)и - нижня межа к1лькост1 1пформащ1, що в середньому м1ститься в одному елеменп у'(д; с1)и 1 ^
поточного д-го кластеру, з врахуванням його ста-тистичних особлнвостей, що опнсуються законом розподшу Р(д)и;
Уч,£ - верхня межа кшькосп шформацп, що приходиться на один двшковий елемент [у'(^ ¿)и 1 ^ ] кластеру з врахуванням структурних особлнвостей, а саме встановлення кшькосп д серш одиниць в двшкових послщовностях.
У разь коли нор1вшсть (1) виконуеться, то:
1) потонцшш можливоста щодо скорочення кшь-косп структурно! надшрноеп в д-му кластер! пере-вищують потонцшш можливоста ввдносно усунення кшькосп статистично! надм1рностк
2) найчастше для довжин гиу (д; д)и1р 'Ч (Ч; д)п, г, з кодограм Су(д; д)п ^ та С{ (д; д)1м синтаксичного опису компонент у(д; д)и ^ яи у вигляд1 двшкових послщовпостей [у(д; д)и ]2 входять до кластеру У(д)и, вщповщно у раз1!х статистичного та структурного кодування виконуеться нор1вшсть:
vf Ы; а)г
vqI < vv (д; g)u i ., д = I, G^.
(2)
Тут (д; д)и 1 ^ - довжина НП кодограм су (я; 9)игз Для кластеризованих компонент у(д; д)и, 1 V; (д; д)и, 1 ^ - довжина ЛР синтаксичного опису кодовпх значень Е(д; д)и 1 ^ двшкових елемен-пв [у(д; ] кластер 1в У(д)и у раз1 врахування
1х структурних особлнвостей д.
В цьому випадку для кластеризованих компонент бшын офоктивний (з позицп зменшення биово-го об'ему та потонщалу вщносно стайкоста ироцесу декодування в умовах наявноста кодових помилок) синтаксичний опис будуеться у раз1 !х кодування в структурно-кластерному простор! (застосування структурного кодування).
Отже, для означоного вар1анту пропонуеться здшешовати структурно кодування двшкового опи-СУ [ у(я; д)и г ] ]2 вс*х кластеризованих компонент
у(д; д)^ для д-го СК за ознакою д.
Другий вар1ант. Навпаки якщо хйж величинами В-(д)и та Уд,1 виконуеться така нер1вшсть:
mu < vq,
(3)
рахунок класторизацп трансформанти створюються умови для скорочення потонцшно бшыно! кшькосп статистично! надшрносп в nopiBiraimi з иотонщ-алом щодо зменшення кшькосп структурно! над-MipnocTi. Отже, в цьому випадку пропонуеться для двшкового опису [ y(q; g)u i ^ ] Bcix кластеризованих компонент у(д; g)u i ^ яш належать до д-то СК, здшешовати поелементне статнстнчне кодування. Таке кодування можна оргашзовувати на баз! використання одше! з модифшащй статистичного коду.
1накше, в умовах виконання нор1вностой (1) та (3) можлив1 3Mimaiii результати nopiBiramra довжин vf (q; g)u, i, та vv (q; g)u, i,j кодограм компактного представления двшкового синтаксичного опису [y(q; g)uij ]2 кластеризовано! компонента y(q; g)u i В означенпх умовах виконання нер1вно-CTi (2) зумовлено тим, що величина ентрош! R(0)u е нижньою межею довжин vv (q; g)u i ^ НП кодограм, тобто R(q)u < vv (q; g)ui ^ g = 1, G{q\ В той час, коли величина Vqе р1вном1рною (номь нальною) в межах поточного кластеру Y(q)u, тобто
vf (ч; д)п, i, j = уч,i = const-
В цьому випадку пропонуеться оргашзовува-ти попередню селекщю компонент y(q; g)u i ^ для оцшювання 1х довжини щодо виконання одшет з nepiBiiocTefi (2) або (4).
В подалыному таку селекщю будемо визиачати, як структурна с.елекщя в npoc.Topi статисти-чних КОД1В або с.труктурно-статистична (СС) с.елекщя компонент кластеру.
Вщповщно за результатами тако! селекцп до двшкових послщовностей у'(q; d)u i ^ буде запрова-джуватись один з пщход1в щодо !х кодування.
Структурну селекщю статистичних код1в техно-лопчно можна реал1зувати шляхом бозпосородньо-го пор1вияпия довжин vv (q; d)u i ^ НП кодограм cv (q; d)u i ^ з номшадьною довжиною Vq,i ЛР кодограм Cf (q; d)u i ^ поточного кластеру. Тут типова солокщя кодограм проводиться на ocuoBi сшввщно-шеиия:
с(я; d)u, i, j = cv (ч; d)u, 4, j х
х(1 - sign(l - sign (vv(q; d)u i . - Vq,i)))+
то можлив1 дв1 ситуацп, а саме коли:
а) довжина vv(q; g)u^ НП кодограм cv (q; g)u i j для Bcix компонент y(q; g)u i ^ в кластер! Y(q)u буде меншою шж довжина Vf (q; g)u i ^ ЛР кодограми Cf (q; g)u i ^ ix кодового значения N(q; g)u i ^ в структурному npocTopi, тобто:
(я; д)и,г,з = учл > ^ (я; д)и,г,з, а =
(4)
б) навпаки, коли мЬк величинами Vf (ц; д)и та (д; д)и1] виконуеться нер1вшеть ( ). Для вар1анту коли виконуеться умова, що задана нор1вшстю (4), можна створджувати таке. За
+cf (<i; d)u,i,j • s%9n(1 - sign(vv(g; d)u^- Vq/)).
В основу даного селекщйного сшввадношоння входить знаковий функцюнал sign, за доиомогою якого досягаеться щонтифшащя вииадк1в щодо виконання одше! з nepiBiiocTefi (2) або (4).
Величина с (q; d)u ^ е указником на клас техно-лопчного ироцесу (статистичний або структурний), який роа.шзовуе кодове представления для noeni-довностей [ y(q; d)u ] в залежност1 ввд результату пор1вняння м1ж величинами vv (q; d)u i ^ та, Vq,i, d =
1, D,
Очевидно, що в цьому випадку досягаеться бшь-ша адаптащя структурно! селекцп до особливостей статистичних код1в поточного кластеру.
Такий шдхщ потребуй залучення ведомостей. а саме: порогу р' (q )и i ^ ймов1рностей, який вказуе на то. що у pa.ii коли його значения перевишу е ймов1ршсть р'(q; d)u i р тобто:
Р'd)u,i,3 > Р')и, i j '
то вщповщна НП кодограма cv (q; d)u i ^ буде мати бшыпу довжину vv (q; d)u i ^ шж номшальна дов-жина Vqi ЛР кодограм Cf (q; d)u i ^ поточного q-го кластеру. Значения порогу р'(q )ui^ обпраеться емшричним шляхом на ociiobî обробки трансфор-мованнх согменпв для достатиьо шформативних вщеозображень.
4 Пор1вняльне оцшювання ефективноеш метод1в кодува-ння трансформованих вщео-сегменив
Пор1внялыге оцшювання створеного методу коду вання з стандартизовании шдходом. що роаль зовано в платформ! JPEG, проводиться за пока-зниками PSNR (Рнс. 2) та коефщентом стнснення к comp (Рис. ). Величина PSNR оцшюеться в умо-вах fimobiphocti виникнення биових иомилок на piBHi Р(е) = 10-4. Модель виникнення иомилок вщиовщае дискретному симотричному каналу без пам'ять
але й з облжом деструктивного впливу каналышх помилок. Означена перевага для створеного методу зумовлена тим. що:
1) з одного боку, тохнолоия формування кодо-грам для платформ JPEG характеризуется низь-кою CTifiKicTio до впливу каиалышх помилок на процес вщновлоння вщеозображень. Так помилка одного 6iïy ирийнято! кодограми за тохнолопею JPEG сприяе порушеншо профшсноста. а отже веде до лавинопод1бного руйнування зображення. що шдлягае вщновлюваншо на приймалыий CTopoiii (профшешеть е розмежувачем кшця одше! i початку наступно! кодограми компонент трансформанти):
2) з inmoro боку, розроблоний метод кодування мае властившть щодо спйкосп до каналышх помилок. Це пов'язано з тим. що жодон i3 кластор1в не пов'язаний з шшими. Тому помилка буде роз-повсюджуватись тшьки в одному з KnacTopiB. В подальшому ця помилка (шеля де коду вання кластера) не буде впливати на вщновлоння наступннх кодограм кластеризовано! трансформанти.
Вщповщно створюються умови для забезпечен-ня величини на piBiii вщ 18.7 21.6 дБ. Отже створюються умови для забозпочоння вимог щодо piBira достов1рноста вщеозображень.
За результатами анал1зу д1аграм на Рис. 3 е можливкть зробити такий висновок. Ексиеримент показав, що створоний метод кодування достатньо шформативних согмонтав зображення забезпечуе значения коефщентав стиску вщ 2.2 до 5.5 при piniii PSNR вад 23 до 43 дБ.
Рис. 2. Д1аграма заложносп величини PSNR вщ ступени насиченосп вщеозображень для pi3inix мо-тод1в кодування
За результатами анал1зу д1аграм на Рис. 2 мо-жна зробити висновок. що створоний метод кодування трансформант дозволяе шдвшцити piBCiib floCTOBipnocTi вщеозображень за показником шко-вого вщношення сигнал/шум в середньому вщ 30 до 70%. Величина виграшу заложить в1д piBira iii-формативноста вщсосегментав. Визначення PSNR проводилось з врахуванням не тшьки сиотворень. що вииикають в ироцеа стисиеиия трансформанти.
Рис. 3. Д1аграма залежноста величини ксотр вш обраного значения PSNR для pi3inix мотод1в кодування
В nopiBiranni з JPEG, розроблоний метод кодування дозволяе шдвшцити р1вень стиску для достатньо шформативних сегментав зображення в зале-жносп вш piBira PSNR. а саме:
а) PSNR 23.4 дБ виграш 17%:
б) PSNR 32.2 дБ виграш 16%:
в) PSNR 43.1 дБ виграш 23%.
Водночас для розробленого методу icnyiOTb ре-жими кодування. що дозволяють досягти переваги за коефщентом стиску на pinni 40%. Це заложить В1д семантично! насичоносп сегменпв вшеозобра-
жоння та pißira PSNR. Оцпиовання проводилось за результатами обробки окромих согментв у склада вщоозображоння. Наприклад, така перевага дося-гаеться у pa3i обробки слабонасичоних зображень з р1внем PSNR > 50 дБ. Тут для кнуючого та розробленого методов значения коофщенту стиску досягають р1вня ксотр = 2,1 та ксотр = 3, 5 в1дпо-ввдно. Це створюе иозитивш умови для зменшення об'ему кодограми всього зображення. При цьому забозпечуеться piseiib PSNR ввд 23 до 43 дБ.
5 Приклад кодування транс-формованих вщеозображень розробленим методом
На початку в трансформант виконуеться шдра-хунок шлькоста cepifi однннць в дв1йков1й структур! [у'(a,ß)и компонент у'(a.,ß)^ (Таблпця 1).
-26 -3 -6 2 2 0 0 0
1 -2 -4 0 0 0 0 0
-3 1 5 -1 -1 0 0 0
-4 1 2 -1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
Проионуеться розглянутн кодування компонент у'{aß)трансформанти Y\a,ßfkЛ) достатньо in- Рис. 4. Представления коефщенпв ДКП достатньо формативного сегменту зображення pcmiipiiicTio ^формативного сегменту зображення po3MipnicTio 8 х 8 розробленим методом (Рис. ). 8 х 8
Табл. 1 Вщповвдшсть компонент трансформанти значению кшькосп cepifi одиниць ix двШковсм структури
Значения компонентн Значения компонентн в двшковому виглядо Кшыйсть cepifi однннць в двШковШ структур! компонент (номер структурного кластеру) Частота повторения компонентн в трансформант
26 00011010 II 1
6 00000110 I 2
5 00000101 II 1
4 00000100 I 4
3 00000011 I 2
2 00000010 I 1
1 00000001 I 7
0 00000000 0 46
Номер кластеру вщповщае кшькоси сор1й одиниць в дв1йков1й структур! компонент трансформанти. В подалыному виконуеться кластеризадая компонент [у'{ аф) ■ к']1)]2 трансформант и зидно значению кшькоси сорш одиниць 1х дв1йко-во1 структури. В даному вииадку утворюсться три кластера.
Так до поршого а,Р)( ' ) кластера над-
ходять компонентн з ылыастю сорш однннць. що ввдповвдають значению 1:
С1^ '£) =
= {3; 6; 2; 2; 1; 2; 4; 3; 1; 1; 1; 4; 1; 2; 1; 1}.
До другого С1я(11) (а, ,0)(к'1) кластера надходять компонентн з ылыастю сорш одиниць. що ввдповь дають значению 2:
Си(н)(а,13){к= {26; 5} .
До нульового
С1в(0)( а, Р)( ' ) кластера надходять компонентн з ылыастю сорш однннць. що вщповщають значению 0:
С1з(0)(а,Р)(к Л = {00 000000000000000000000000
00000000000000000000} .
На третьому еташ виконусться кодування кла-стеризованих компонент трансформанти. що входить до кластор1в.
За умови однозначноста щонтифша-Щ1 кластеризованих компонент нульового С1в(0)( а,Р)( ' ) кластера, втрачае необхадшеть його кодування \ поредавання.
Кодування кластеризованих компонент трансформанти, що входять до шших кластор1в, вщбувае-тьси одним 1з статистичних код1в (наприклад, кодом Хаффмана). Кожон кластер кодуетьсн окремо.
Кодова конструкщя послщовносп кластеризованих компонент трансформанти, що увшшли до поршого а,Р)( ' ) кластеру розробленим ме-
тодом, будо виглядати так:
0000 1000 10 10 1 10 100 0000 1 1 1 100 1 10 1 1
3361т
Рис. 5. Кодова конструкция кластеризованих компонент трансформанти першого кластера
Довжина 1(рм)(СЬ(/)(а,£)(к ,1)) к0д0в01 констру-кщ1 першого кластера буде дор1вшовати 33 би:
1(рмЦС1в(1)(а,р)(к ^) = 3361 т.
Кодова конструкция послщовноста класторизо-ваннх компонент трансформанти. що увшшлн до другого С1в(11)( а,Р)( , ) кластера розробленим методом. буде виглядати так:
2 6iT
Рис. 6. Кодова конструкщя кластеризованих компонент трансформанти другого кластера
Довжина к0д0в01 koii-
струкцй' другого кластеру буде дор1вшовати 2 Слт:
l(PMHcls(II)(a,ßf 'l)) = 26i т.
Загальна довжина ) кодово!
конструкцй' кластеризованих компонент трансформанти (у трьох кластерах разом) розробленим методом буде складати 35 би:
l(PM)(Y'(a„0)(k ^) = 33 + 2 = 35 6i т.
Ведомо, що иочатковий сегмент зображення роз-MipmcTio 8 х 8 мае об'ем, що дор1внюе 512 6iT. Отже, коофщент стиску, за умови застосування розробле-ного методу, дор1внюе: ксотр = 14, 6.
Висновки
1. Об^рунтовано потонцшну офектившеть представления трансформанти в класторизованому про-CTopi за кшькктю cepifi одиниць в дв1йковому onnci i'x компонент. Для кластеризовано! трансформанти створюються умови для додаткового скорочоння кшькосп надм1рносп без втрат шформацй', в тому чист кшькосп надшрноси з врахуванням залежно-стей в дв1йковому oniici.
2. Створено метод структурно-статистичного кодування в спектрально-кластерному npocTopi. В ocnoBi тако! технологй' лежить принцип дуалъно-С.Т1 компонент трансформанти. Bin полягае в тому, що кластеризована компонента може одночасно розглядатись як: оломонт статистичного простору кластера: у pa3i дв1йкового опису, як допустимий елемеит структурного кластеру, тобто як одна з
допустимых перестановок з повторениями з визна-чоною кшьшетю cepifi однннць.
Базовими складовими даного технолоичного пщходу е таш:
визначення та nopiBiramra оцшок щодо потен-цшно!' спроможност! ус.унення р1зних вид1в надм1рнос.т1 в поточному кластер! у раз1 застосування метод!в кодування, яш rsi.uiorsi.uio враховують його статистичт та с.труктурт осо-бливостк
структурно-статнстнчна селекщя компонент, довжини нор1вном1рно-проф1ксних кодограм якнх перевнщують номшальну локалыго-piBHOMipiiy дов-жину кластера.
Наукова новизна. Впоршо створено метод структурно-статистичного кодування вщеосогмон-tîb в спектральному npocTopi на ociiobî ïx класте-ризацп. Вщмшносп методу полягають:
1) у BiiKopiiCTainii принципу дуалънос.т компонент трансформанти, стосовно ïx одночасно! in-терпретацп як: елемент статистичного простору кластера: одна з допустимих перестановок з повторениями з визначоною кшьшетю cepifi однннць:
2) у визначонш та nopiBiraiini оцшок щодо по-тенцшно!' сир о м о ж н ост! ус.унення р!зних ви-Д1В надлпрност1 в поточному кластер! у раз1 застосування метод!в кодування, яш вщповщ-но враховують його статистичт та с.труктурт особливость
References
[1] JPEG Privacy & Security Abstract and Executive Summary. "2015. JPEG.org, accessed 7.04.2021.
[2] Barannik. V.. Sidchenko S.. Barannik N.. Barannik V. (2021). Development of the method for encoding service data in cryptocompression image representation systems. Eastern-European .Journal of Enterprise Technologies, Vol. 3. No. 9(111). pp. 112-124. DOl: 10.15587/17294061.2021.235521.
[3] DSTU 7624:2014: Information Technology. Cryptographic protection of information. Symmetric block transformation algorithm [DSTU 7624:2014: Informatsiini tekhnolohii. Kryptohralichnyi zakhyst informatsii. Alhorytm symetrychnoho blokovoho peretvorennia]. Ministry of Economic Development of Ukraine. 2015. 39 p.
[4] Data Encryption Standard (DES). Federal Information Processing Standards Publication 46-3. 1999. 26 p.
[5] Barannik V.. Barannik N.. Ignatyev O.. Khimenko V. (2021). Method of indirect information hiding in the process of video compression, tiadioelectronic and Computer Systems, №. 4. pp. 119 131. DOl: 10.32620/reks.2021.4.10.
[6] Rivest. R.. Shamir. Л.. Adleman. L. (1978). Л method for obtaining digital signatures and public-key cryptosystems. Communications of the ACM, Vol. 21. Iss. 2. pp. 120-126. DOl: 10.1145/359340.359342.
[71 Chen. T.-H.. Wu. Ch.-S. (2011). Efficient multi-secret image sharing based on Boolean operation. Signal Processing, Vol. 91. Iss. 1. pp. 90-97. DOl: 10.1016/j.sigpro.2010.06.012.
[8] Barannik, V'., Shulgin, S., Krasnorutsky, A., Slobodyanyuk, O., Gurzhii, P., Korolyova, N. ("2020). Methodological Fundamontals of Deciphering Coding of Aerophotography Segments on Special Equipmont of Unmannod Complox. IEEE 2 nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (IEEE AT IT 2020).. pp. 38-43. DOl: 10.1109/AT1T50783.2020.9349257.
[9] Li, F., Krivonko, S., Lukin, V. (2020). Two-stop providing of dosirod quality in lossy imago compression by SP1HT. tiadioelectronic and computer systems, No. 2(94), pp. 2232. DOl: 10.32620/reks.2020.2.02.
[10] .li, Sh., Tong, X., Zhang, M. (2012). Imago encryption schomos for JPEG and GIF formats basod on 3D bakor with compound chaotic soquonco gonorator. Cornell University arXiv. doi: 10.48550/arXiv.1208.0999.
[11] Bolikova N„ Lokakh A., Dovbonko O., Dodukh O. (2019). Mothod of Increasing tho Capacity of Information Throat Detection Filters in Modern Information and Communication Systems. 3rd International Conference on Advanced Information and Communications Technologies (A1CT), pp 426-429. DOl: 10.1109/A1ACT.2019.8847754.
[12] Naor, M., Shamir, A. (1994). Visual Cryptography. Proceedings of the Advances in Cryptology. EUROCRYI'T'94. Lecture Notes in Computer Science, Vol. 950, pp. 1 12. DOl: 10.1007/bfb0053419.
[13] Wu, Yu., Agaian, S., Noonan, .1. (2012). Sudoku Associated Two Dimensional Bijections for Imago Scrambling. IEEE 'transactions on multimedia, available at: Cornell University arXiv, 30 p. doi: 10.48550/arXiv.1207.5856.
[14] Thai, Ch.-L., Chen, Ch.-.I„ Hsu, W.-L. (2012). Multi-morphological image data hiding based on the application of Rubik's cubic algorithm. IEEE International Camahan Conference on Security Technology (ICCS'l'), pp. 135-139. DOl: 10.1109/CCST.2012.6393548.
[15] Wong K. W. (2009). Image encryption using chaotic maps. In: Kocarev, L., Galias, Z., Lian, S. (ods) Intelligent Computing Based on Chaos, Studies in Computational Intelligence, Vol. 184, pp. 333 354, Springer. DOl: 10.1007/978-3-540-95972-4_16.
[16] Cheng, P., Yang, H„ Wei, P., Zhang, W. (2015). A fast image encryption algorithm based on chaotic map and lookup table. Nonlinear Dynamics, Vol. 79, Iss. 3, pp. 2121-2131. DOl: 10.1007/sll071-014-1798-y.
[17] Guesmi, R., Farah, M. A. B., Kachouri, A., Samet, M. (2016). A novel chaos-based image encryption using DNA sequence operation and Secure Hash Algorithm SHA-2. Nonlinear Dynamics, Vol. 83, Iss. 3, pp. 1123-1136. DOl: 10.1007/sl 1071-015-2392-7.
[18] Kurihara, K„ Watanabe O., Kiya, H. (2016). An oncryption-then-compression system for JPEG XR standard. IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), pp. 1-5. DOl: 10.1109/BMSB.2016.7521997.
[19] Sharma, R., Bollavarapu, S. (2015). Data Security using Compression and Cryptography Techniques. International ■Journal of Computer Applications, Vol. 117, No. 14, pp. 15-18. DOl: 10.5120/20621-3342.
[20] Zhou, J., Liu, X., Au, O. C„ Tang, Y. Y. (2014). Designing an Efficient Image Encryption-Then-Compression System via Prediction Error Clustering and Random Permutation. IEEE Transactions on Information Forensics and Security, Vol. 9, No. 1, pp. 39-50. DOl: 10.1109/T1-FS.2013.2291625.
[21] Dufaux, F., Ebrahimi, T. (2006). Toward a Secure JPEG. Applications of Digital Image Processing XXIX, Vol. 6312, pp. 1 8. DOl: 10.1117/12.686963.
[22] Information technology JPEG 2000 image coding system: Secure JPEG 2000, " International Standard ISO/lEC 15444-8, ITU-T Recommendation T.807, 2007. 108 p.
[23] Wu, Y„ Noonan, J. P., Agaian, S. ( 2011). NPCR and UAC1 Randomness Tests for Image Encryption. Cyber Journals: Multidisciplinary Journals in Science and Technology, ■Journal of Selected Areas in Telecommunications (.JSAT), Vol. 2, pp. 31-38. DOl: 10.4236/jss.2015.33005.
[24] Farajallah, M. (2015). Chaos-based crypto and joint crypto-compression systems for images and videos. HAL science ouverte.
[25] Wong, K„ Tanaka, K. (2010). DCT based scalable scrambling method with reversible data hiding functionality. 4th International Symposium on Communications, Control and Signal Processing (1SCCSP), pp. 1-4. DOl: 10.1109/1SCCSP.2010.5463307.
[26] Yang, Y., Zhu, B„ Li, S„ Yu, N. (2008). Efficient and Syntax-Compliant JPEG 2000 Encryption Preserving Original Fine Granularity of Scalability. EURAS1P Journal on Information Security, Vol. 2007, pp. 126-139. DOl: 10.1155/2007/56365.
[27] Watanabe, O., Uchida, A., Fukuhara, T., Kiya, H. (2015). An Encryption-then-Compression system for JPEG 2000 standard. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (1CASSP), pp. 1226-1230, DOl: 10.1109/1CASSP.2015.7178165.
[28] Minemura, K., Moayed, Z., Wong, K., Qi, X., Tanaka, K. (2012). JPEG image scrambling without expansion in bitstream size. 19th IEEE International Conference on Image Processing, pp. 261-264. DOl: 10.1109/1C1P.2012.6466845.
[29] Phatak, A. A. (2016). Non-format Compliant Scalable RSA-based JPEG Encryption Algorithm. International ■Journal of Image, Graphics and Signal Processing, Vol. 8, No. 6, pp. 64 71. DOl: 10.5815/ijigsp.2016.06.08.
[30] Bolikova, T. (2020). Decoding Method of Information-Psychological Destructions in the Phonetic Space of Information Resources. 2020 IEEE 2nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (AT IT'), pp. 87 91. DOl: 10.1109/AT1T50783.2020.9349300.
[31] Komolov, D., Zhurbynskyy, D., Kulitsa, O. (2015). Selective Method For Hiding Of Video Information Resource In Telecommunication Systems Based On Encryption Of Energy-Significant Blocks Of Reference 1-Frame. 1st International Conference on Advanced Information and Communication Technologies (AICT'2015), pp. 80-83.
[32] Rippol O. and Bourdev L. (2017). Real-Time Adaptive Image Compression. Proceedings of the 34th International Conference on Machine Learning, Vol. 70, pages 29222930.
[33] Barannik, V., Krasnorutsky, A., Kolesnik, V., Barannik, V., Pchelnicov, S„ Zeleny, P. (2022). Mothod of compression and ensuring the fidelity of video images in infocommunication networks, tiadioelectronic and Computer Systems, No. 4(104), pp. 129-142. DOl: 10.32620/reks.2022.4.10.
[34] Barannik, V'., Krasnorutsky, A., Rvabukha, Y., Onyshchenko, R., Shulgin, S., Slobodyanyuk, O. ("2021). Marker Information Coding for Structural Clustering of Spectral Space. IEEE 3nd International Conference on Advanced Trends in Information Theory (AT1T 2021), pp. 46-51. DOl: 10.1109/AT1T54053.2021.9678538.
[35] Barannik V. V'.. Krasnorutsky A. O.. Kolesnyk V. O.. Pchelnikov S. 1. Babenko Yu.'m.. Sheigas O. m. (2022). A Method of Coding Video Segments in Spectral-Cluster Space with Detection of Structural Features. Visnyk NTUU KP1 Scriia - tiadiotckhnika tiadioaparatobuduuannia, Vol. 90. pp. 21-30. DOl: 10.20535/RADAP.2022.90.21-30.
Video Segments Stamping Method Saving Their Reliability in the Spectral-Cluster Space
Barannik V. V., Krasnorutsky A. O., Kolesnyk V. O., Sushko A. L., Eliseev E. S., Fedorovskiy O. V.
An analysis of t.lie peculiarities of t.lie organization of video information support for critical infrastructure management, systems is carried out. It is shown that the requirements for the completeness, timeliness and reliability of the delivery of video information are growing. The growth of demand for the organization of remote video services using technological platforms based on unmanned aerial systems (UAVs) is shown. At the same time, it requires compliance with the requirements of a number of international standards, which are put forward for the quality of providing video information. In turn, such requirements encourage the use of telecommunication systems (TCS) with the necessary level of information transmission speed. There is an imbalance for systems providing remote video services using wireless TCS on aviation platforms. It refers to the lagging of the rate of growth of TCS productivity in terms of data transfer rate relative to the rate of growth of the bit intensity of video information streams that are formed on board the UAVs. The article shows that the consequences of imbalance are the appearance of significant time delays in the process of video information delivery. Accordingly, there are losses: relevance (adequacy) of video information regarding the current state of monitoring objects: the reliability of video information. These destructions are the reason for the disruption of the decision-making process in critical infrastructure systems. Therefore, there is an urgent need to solve a scientific and applied problem, which concerns the improvement of the quality of providing remote video services using telecommunication technologies on the platform UAVs. A set of technological solutions is used
to solve this problem. The main component here is the application of technologies for reducing the bit intensity of the video stream. At the same time, as shown in the article, in the process of developing such technologies, it is necessary to resolve the contradiction. It consists in the fact that the amount of psycliovisual redundancy of video images is used both to localize the destructive effect of channel errors on the reliability of video images and to reduce their bit volume. Therefore, there is a contradiction between the requirements for ensuring the authenticity of video images and their timely delivery. Therefore, the implementation of remote video services using onboard TCS in the presence of interference puts forward additional requirements for technologies to reduce the bit volume of video data. Therefore, the purpose of the article is to create methods for compressing video images to reduce their bit volume while ensuring the required reliability. On the basis of a comprehensive analysis, directions for improvement of coding methods are substantiated. They concern the following aspects. First. Identification of new regularities, the consideration of which will create conditions for additional reduction of the bit volume of video segments without introducing losses regarding the reliability of the information. It will allow us to localize the destructive effect of channel errors in the process of reconstruction of video images with damaged codegrams of their compact description. Second. Form code constructions using the mode of uniform or locally uniform code formation. In accordance with this, the efficiency of encoding transformed video segments in the cluster space is substantiated. At the same time, clustering is carried out according to such a feature as the number of series of units in the binary description of their components. It is claimed that conditions are created for the clustered transformant to further reduce the amount of redundancy without a loss of information. A method of video segment compression has been developed to ensure their reliability in the spectral-cluster space. This technology is based on the principle of the duality of transformant components. It consists in the fact that the clustered component can simultaneously be considered as an element of the statistical space of the cluster and a valid structural cluster element. That is, as one of the permissible permutations with repetitions with a certain number of series of units. According to the results of experimental studies, it can be stated that when using the created method for the given levels, an increase in the level of compression compared to existing methods is achieved by an average of 40%.
Keywords: remote video service: timeliness and reliability of video information: compression of aerial images: structural clusters: number of series of units: spectral space
