Модель оценки целостности динамического видеоинформационного ресурса в случае межтрансформантной обработки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК621.3

МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ЦЕЛОСТНОСТИ

ДИНАМИЧЕСКОГО

ВИДЕОИНФОРМАЦИОННОГО

РЕСУРСА В СЛУЧАЕ

МЕЖТРАНСФОРМАНТНОЙ

ОБРАБОТКИ

БАРАННИК В.В., ШУЛЬГИН С. С._

Обосновывается необходимость повышения безопасности динамических видеоинформационных ресурсов. Показывается направление для повышения эффективности синтаксического представления последовательности Р-кадров на основе межтрансформантной обработки их базовых структурных единиц - дифференциально-описанных спектрограмм. Раскрывается направление дополнительного снижения интенсивности кодового представления видеопотока путем сокращения межкадровой (временной) психовизуальной избыточности на уровне обработки дифференциально-описанных спектрограмм, что обусловлено особенностями ограниченной чувствительности зрительной системы относительно коррекции отдельных частотных составляющих. Излагаются этапы построения модели оценки целостности динамического видеоинформационного ресурса.

Ключевые слова: кадр, трансформанта, видеопоток, ресурс, обработка, код, технология.

1. Введение

Современное развитие кибернетического пространства вызывает необходимость обеспечения безопасности информационных ресурсов. Особенно это важно для видеоинформационных ресурсов. Здесь приходится сталкиваться с проблемными аспектами, вызванными необходимостью одновременного решения вопросов относительно сокращения избыточности, снижения битовой интенсивности, повышения конфиденциальности, целостности и доступности видеоинформации [1 - 3].

Одно из направлений таких направлений исследований заключается в использовании селективных методов защиты видеоинформации, совмещенных с базовыми технологиями MPEG и H264. В случае обработки видеопотоков (динамических видеоинформационных ресурсов) вариант селективного подхода заключается в закрытии базового кадра [3; 4]. Тогда значимая нагрузка на обеспечение доступности и целостности возлагается на процесс обработки последовательности предсказанных кадров (Р-кадров) [3].

В то же время такой подход обработки потока видеокадров связан с наличием дисбаланса между уровнем снижения битовой интенсивности и уровнем внесения потерь целостности информации. Поэтому актуальным требованием, определяющим научно-прикладную задачу, является создание систем эффективного синтаксического представления динамических видео-

информационных ресурсов в режимах сохранения необходимого уровня целостности информации. Для решения такой задачи нео бходимо построение технологий обработки ДВИР с использованием методов, устраняющих межкадровую избыточность на базе структурно-комбинаторного подхода. Одной из реализаций такого подхода в случае обработки динамических видеоинформационных ресурсов является метод обработки слотов Р-кадров с выявлением меж-трансформантных структурных закономерностей [5]. Здесь возникает потребность в оценке целостности информации в режиме снижения битовой интенсивности видеопотока. Поэтому цель исследований заключается в создании модели для оценки целостности динамических видеоинформационных ресурсов в случае межтрансформантной обработки слотов Р-кадров.

2. Основная часть исследований

Для повышения эффективности формирования и обработки кадров Р-типа предлагается предварительно осуществлять трансформирование видеокадра из пространственно-временного в пространственно-спектральное описание [5]. После получения трансформант двумерного преобразования проводится построение дифференциального представления на основе формирования величин разностей между соответствующими компонентами по позициям в кадрах.

Отсюда последовательность исходных кадров в группе Хт в структурном описании выражается через ДОС на основе такого выражения:

Хт = {Ур ; Ът},

где Ът - последовательность кадров-знаков, несущих информацию о знаках компонент трансформированных кадров.

Соответственно группа Ут трансформированных кадров У(х), УТ = (У(х)}, т = 1, Т формируется как

^тр^тб w w

Ут = У(1) и ЕТ-1 = У(1) и и и и иЕ(х; У)(М)

х=1 у=1 к=11=1

Здесь У(1) - базовый трансформированный кадр; Е т-1 - последовательность дифференциально-представленных трансформированных кадров Е(т), т = 2/Т .

В то же время последовательность ЕТ-1 образуется совокупностью слотов Е(Т - 1)Х2) , а именно:

устр W^

EТ-1 = U U E(T -1)(2)

х=1 Y=1

X,Y .

При этом, исходя из условий структурирования груп- этого нужно использовать технологию, базирующуюся на коррекции значения сохраняются (обрабатываются) без коррекции (рис. 1).

пы кадров и процесса предварительной обработки, слот Е(Т - формируется как двумерный пакет дифференциально описанных спектрограмм Е(х; у)(к^ . Отсюда выполняется соотношение:

Е(Т - С = № г)(М) }к

(.—1, w

Дифференциально описанная спектрограмма (ДОС) Е(к,^) представляет собой срез вдоль слота по координате (к; €) в каждой трансформанте, т.е.

Е(М) = {е(2)(М),...,е(х)(М),...,е(Т}(М)} . Структур-

Элементы е(т)(к^) первого типа являются опорными и образуют информативную дифференциально опи-

7(М)

т.е.

санную спектрограмму (ИДОС) Е (^

Е (М) = {е(1)(М), -е(т)(к,^). е(п )(к,^)}

Einf - {e(1)inf ;...;е(Т)ш£ ;...e(ninf )inf } .

В данной формуле п^ - количество информативных элементов в ИДОС.

Информативная ДОС обрабатывается без коррекций ее элементов.

ной характеристикой ДОС является динамический Соответственно второй тип образуют элементы диапазон ¿еМ) ее элемент°в. П°ск°льку в °бщем еСт)^, значения которых на приемной стороне будут интерполироваться по информативным. Такие элементы формируют интерполяционную составляющую Е(Пк1,^) ДОС. Это задается соотношением:

Е(к^ - {е(1)Й?/);...;е(т)|П:');...е(п^)|Пг')}.

случае межтрансформантные разности е(т)(к,^) принимают как положительные, так и отрицательные значения, то величина йе1^ без учета знака находится по

формуле diM) = max {| e(x)(M) |} , где d(k'^)

ди-

2 < т < Т

намический диапазон элементов (к; (.) -й дифферен- Здесь nint - количество жтерттрутых: элементов

циально описанной спектрограммы без учета знака в ДОС

величин е(т)(к,^ ; | е(т)(к,^ | - абсолютное значение По условию интерполяции элементы составляющей

межтрансформантнойразности между (т -1) -й и т -й Е^^ распределяются между информативными эле-трансформантами.

Для выстроенной структуры потока видоекадров формирование эффективного синтаксического представ- составляющей дифференциально описанная спектро-ления нужно проводить по структурно-комбинатор- грамма будет выражаться следующим соотношением ному принципу. В этом случае предлагается разрабатывать направление, базирующееся на дополнительном выявлении закономерностей, основанных на

учете [5] психовизуальных особенностей восприятия незначительных изменений в последовательности кадров.

При этом предлагается устранять психовизуальную избыточность в направлении временной оси. Для ДОС Е(^ = Е (Е^))

ментами ИДОС, как показано на рис. 1. С учетом механизма выделения интерполяционной

(рис. 2):

E(М) _ E(М) II F (E(М). v. • v. ) _ E(М) n E(M)

E - Einf n Fint(Einf . Vinf. Vint) - Einf n Eint'

где Fint(EPf^; Vinf. Vint) - функционал реконструк-

ции элементов интерполяционной составляющей Е

(к,^)

Информативные элементы. Е

(М) inf

I 1 г 0 1 1 г Т-1 1 т

е(т)(М) е(1)(к,0 е(т)»,0 е(т_1)(М) е(т)(М)

Ulf e(1)CW> v ^lnt

Ш1

—v—

Рис. 1. Схема варианта формирования информативной ДОС

На кодирование

Рис. 2. Схема формирования синтаксического описания ДОС

Данный вариант основывается на возможности межкадровой интерполяции элементов внутри ДОС за

счет свойств функционала Р(Е (к,^)арГ.

Согласно особенностям интерполяции ДОС соответствующая технология, заданная функционалом

Ры(Е^к/'*; Vinf; Vint), определяется таким набором параметров (см.рис. 1):

- Vint - количество интерполируемых элементов между информативными элементами;

- V¡^ количество информативных элементов между двумя интерполируемыми элементами.

Для сокращения вычислительной сложности и увеличения количества интерполируемых элементов предлагается выбирать режим, когда:

1) участки интерполирования являются равномерными, т.е. V^ = сош!, с одним базовым элементом между ними, т.е. Vinf = 1;

2) реконструкция интерполируемых элементов проводится на основе усреднения информативных элементов.

При этом величины п^ и п^ для выбранного режима интерполяции определяются следующим образом: = Г(Т -1)/(УЬ! +1)1 ; пш! = Цт! Vint .

Здесь ц^ - количество интерполируемых участков в ДОС.

Для заданной позиции т интерполируемого элемента е(т)(к^ допускается определение его позиции относительно участка интерполирования. В этом случае получим элементы е(т; ф)^" - интерполируемый элемент на ф -й позиции V -го участка интерполяции для (к; £) -й ДОС.

Если Vjnf = 1 и = const, то выражение для пересчета индекса т позиции в ДОС в индекс ф позиции для участка интерполяции будет задаваться формулой

ф=т-Ц-(Ц-1) Vint.

Номер Ц участка интерполяции определяется следующим образом: ц = рт / (vint +1)1.

Тогда получим ф = т- рт/+ 1)1(уЬ! +1) + .

Данные выражения позволяют для заданного индекса позиции интерполируемого элемента в ДОС и длины участка интерполяции получить координату интерполируемого элемента для участка интерполяции.

Для информативной ДОС в результате процесса интерполяции количество комбинаций Q(ninf)ek^) определяется только по информативным элементам. В то же время величина Q(ninf)ek,^) определяется как количество различных информативных ДОС заданной длины ninf в рамках динамического диапазона. Значит, значение величины Q(ninf)ek^) зависит от количества п^ элементов и значения их динамического

диапазона ¿Щ^. Поэтому для оценки количества информации определим величину динамического диапазона информативных элементов ДОС. Возможны два варианта:

1. Когда динамический диапазон ¿(к/) находится с учетом только информативных элементов, т.е.

¿(М) = | е(М) - е(М) | +1

inf ' inf,min inf,max '

При этом поскольку обрабатываемых элементов меньше, чем количество обрабатываемых элементов для исходной ДОС, т.е.

ninf < Т -1 ,

то выполняются неравенства:

е(к,Л

|е(к^1= , ^т {е(т)(к|,^)} < | ет^ |;

1 <т < ад

|е(У> |= тт {е^} < | е^^ I

1 т1,тах 1 . , , 1 у Лш ' 1 тах 1 . 1 < т < ВД

е(М)

—(к £)

Отсюда динамический диапазон ИДОС не бу-

дет превышать динамический диапазон ¿ек ^) исход- ттп/- т(к,^) "т(М) ной ДОС, а именно: < ¿е .

Поэтому количество комбинаций Q(ninf )ек,^) для информативной ДОС будет меньше, чем количество комбинаций Q(T - 1)?^ для исходной ДОС, что задается неравенством

Q(nmf)eM) < Q(T -1^ .

Следовательно, происходит дополнительное снижение битовой интенсивности потока кадров. В то же время такой подход имеет недостаток с позиции обеспечения целостности реконструируемых интерполируемых элементов. Это обусловлено тем, что динамический диапазон несет базовую информацию об элементах ДОС. Поэтому в случае потери информации о динамическом диапазоне интерполируемых элементов произойдет искажение их значений в процессе реконструкции.

2. Для исключения выявленного недостатка предлагается оценивать динамическии диапазон информативной составляющей ДОС по всем элементам

т(М)

исходной ДОС. Тогда величина будет опреде-

ляться по формуле

= |е(М) - е(к,^)|+1 = ^ ¿М = | emin етах | +1 = ¿е

При таком варианте количество комбинаций для информативной ДОС вычисляется с использованием соотношения

Q(nmf)eм)=оет^ - етках) | +1)^ = ^у**.

Из анализа полученного выражения можно заключить, что за счет интерполирования ДОС и выполнения условия (п-п| < Т -1) количество комбинаций

Q(ninf )ек,^) будет меньше, чем количество комбинаций Q(T-1)<М для исходной ДОС, т.е.

Q(ninf)ek^) < Q(т. При этом выигрыш в количестве двоичных разрядов е(т(ц) +1)Ш/) для Ц -У(п-п| )ек,^) на представление информативной ДОС

-(к,Л -(М)

=((т -l)[/og2 ¿е ; ]+1) - (Пм [^ ¿е'; ]+1) = = ((т-1) - п^И^ ¿е'; ]).

Данный выигрыш будет тем больше, чем меньше величина п.п| и значение динамического диапазона

¿е элементов ДОС.

Следовательно, в результате интерполяции дифференциально описанной спектрограммы с последующим ее синтаксическим представлением по структурно-комбинаторному подходу достигается сокращение количества межкадровой психовизуальной избыточности.

Оценим технологию интерполяции ДОС с позиции сохранения целостности информационного ресурса. Для этого требуется оценить тип происхождения и характер искажений, которые образуются в процессе интерполяции дифференциально описанной спектрограммы.

Предпосылками для появления искажений является то, что информация об интерполируемых элементах

е(т)1(1У составляющей ДОС формируется на приемной стороне по ближайшим опорным (информативным) элементам е(т)(к/). При этом значения реконст-

руируемых элементов е'(т)(к^) могут не совпадать с исходными, т.е. в общем случае выполняется неравенство е'Ст)^ * е^^ .

В соответствии с принятым режимом интерполяции ближайшими информативными элементами являются элементы на границах участка интерполяции. Позиции

т (ц)о, т (ц) vint+1 граничных информативных элементов для ц -го участка интерполяции определяются соответственно по формулам:

т (ц) 0 = ц + (Ц-1) Vint, для Ф=1 ;

т (Ц) Vint +1 = ц (vint +1) + 1 , для ф = V int . Реконструкция интерполируемых элементов е'(ц; ф)^^ на приемной стороне по граничным информативным элементам е(т (ц)о)(к/) и

Vint +i)inf ^-го участка интерполяции задается следующим соотношением:

относительно количества разрядов У(т -1)ек,^) на

представление исходной ДОС составит следующую величину:

у(т - ^ - ^^ =

е'(ц; ф)1

= е(т (ц) o)irkj,^) + е(т (ц) Vint+1)f int 2

• ф)(кЛ -

Аналогичным образом восстанавливаются интерполируемые элементы для других участков интерполяции. При этом реконструкция интерполируемых эле-

ментов проводится независимо от других элементов. Данная особенность блокирует возможность распро-стр анения ошибок в одном интерполируемом элементе на другие элементы как текущего участка так и других участков интерполяции. Значит, в случае сохранения информации об информативных элементах ДОС исключается возможность появления лавинного эффекта относительно распространения искажений.

Ошибка е(ц; ф)(к,^) в процессе реконструкции интерполируемого элемента е'(ц; ф)^^ называется ошибкой интерполирования. Такая ошибка зависит от степени отклонения значения элемента е'(ц; ф)^^ от значения исходного интерполируемого элемента

е(ц; Ф)'

(М)

int

а именно :

такой вид:

=

înt

Mint vlnt

E E (8(к Ф)(М))2

Ц=1 Ф=1

T -1

5(тах)-]к1,^) - ТППдТ-!) .

Оценка величины и для разных режимов интерполяции ДОС представлена в виде диаграмм на рис. 3.

в(ц; ф)(к^ -|е(ц; ф)^ -е'(ц; ф)(^ I. В соответствии с данным соотношением наибольшее

значение модуля разности | е(ц; ф^^ - е'(ц; ф)!^ I не будет превышать величины динамического диапазона ¿екдифференциально описанной спектрограммы, т.е.

|е(ц; ф)(^ ) - е'(ц; ф^К

Отсюда значение ошибки интерполяции для предложенного структурно-комбинаторного подхода относительно синтаксического представления информативной ДОС будет ограничено величиной , ):

в(Ц; ф)(к,^ < нем).

Для оценки целостности видеоинформационного ресурса используется количественный показатель степени потерь качества реконструируемых видеокадров с позиции их визуального восприятия. Одним из таких показателей является пиковое отношение сигнал/шум И. Формула для определения и при известном значении среднеквадратического отклонения реконструируемого видеокадра относительно исходного задается следующим образом:

И - 20 ^(256/5Ы) .

Здесь значение 5^ обусловлено ошибками интерполирования ДОС. Тогда, если оценка среднеквадратического отклонения проводится для отдельной спектрограммы, формулы для ее среднего 5^ ) и максимального 5(тах)(к'^ ) значений имеют соответственно

Рис. 3. Диаграммы зависимости величины от

пш1 и ¿е

Оценка проводилась в зависимости от количества п^ интерполируемых элементов и значения динамического диапазона 1) ДОС. По результатам анализа полученных диаграмм можно утверждать следующее:

- с одной стороны, степень потери качества реконструируемых видеокадров с позиции оценки ПОСШ для разных режимов интерполяции находится на допустимом уровне (не ниже 25 дБ). Это создает потенциал для реализации предложенного структурно -комбинаторного подхода в системах обеспечения безопасности динамических ВИР;

- с другой стороны, с ростом динамического диапазона элементов ДОС величина ПОСШ резко снижается (в среднем на 15 дБ при увеличении длины ДОС в

2 раза). Это ограничивает возможности по решению вопросов дисбаланса между доступностью и целостностью ВИР.

Поэтому можно заключить, что для дальнейшего повышения безопасности динамического ВИР на основе предложенного подхода по обработке потока видеокадров необходимо создать технологии для:

1) уменьшения зависимости количества устраняемой избыточности от количества интерполируемых элементов ДОС;

2) снижения уровня динамического диапазона элементов дифференциально описанной спектрограммы, как параметра, влияющего одновременно на повыше-

ние количества исключаемой избыточности и уровня целостности ВИР.

3. Выводы

1. В процессе обработки Р-кадров, обеспечивающей дополнительное снижения интенсивности их кодового представления, устраняются следующие виды избыточности:

1) пространственная избыточность, учитывающая наличие внутрикадровых закономерностей, а именно когерентность свойств фрагментов кадров;

2) временная избыточность, которая основывается на выявлении межкадровых закономерностей, а именно наличие корреляционных закономерностей между соответствующими компонентами трансформант смежных кадров;

3) психовизуальная избыточность, т.е. избыточность вызванная особенностями зрительной системы по восприятию видеоизображений. Такой вид избыточности учитывается как для внутрикадровой обработки, так и для межкадровой. На внутрикадровом уровне учитывается меньшая чувствительность зрительной системы относительно коррекции высокочастотных компонент;

4) межкадровая (временная) психовизуальная избыточность на уровне обработки дифференциально описанных спектрограмм, что обусловлено особенностями ограниченной чувствительности зрительной системы относительно коррекции отдельных частотных составляющих.

2. Обоснован и построен подход для эффективного синтаксического описания дифференциально описанных спектрограмм, являющихся составляющими слотов Р-кадров, на основе структурно-комбинаторного представления. Здесь учитываются два направления, связанных с учетом психовизуальных особенностей восприятия незначительных изменений в последовательности кадров. В данном случае дополнительно устраняется психовизуальная избыточность в направлении временной оси. Для этого используется технология, базирующаяся на коррекции элементов ДОС под особенности модели зрительного восприятия путем интерполяции элементов ДОС.

3. Построена модель оценки целостности динамического видеоинформационного ресурса путем нахождения нижней границы пикового отношения сигнал шум реконструируемых ДОС относительно исходных с учетом процесса интерполяции.

По результатам анализа полученных диаграмм можно утверждать, что степень потери качества реконструируемых видеокадров с позиции оценки ПОСШ для разных режимов интерполяции находится на допустимом уровне (не ниже 25 дБ). Это создает потенциал для реализации предложенного структурно -комбина-

торного подхода в системах обеспечения безопасности динамических ВИР.

Литература: 1. Андреев A. Применение видеоконферен-цсвязи в Вооружённых силах иностранных государств / А.Андреев, В.Аржанов, К.Семёнов // Зарубежное военное обозрение. 2008. № 7. С.19 - 25. 2. БаранникВ.В. Метод повышения информационной безопасности в системах видеомониторинга кризисных ситуаций / В.В. Баранник, Ю.Н. Рябуха, О.С. Кулица // Монография. Черкассы, 2015. 143 с. 3. Баранник В.В. Обоснование значимых (актуальных) угроз безопасности видеоинформационного ресурса систем видеоконференцсвязи профильных систем управления / В.В. Баранник, А.В. Власов // Информационно-управляющие системы на железнодорожном транспорте. 2014. № 3. С. 23 - 27. 4. Баранник В.В. Селективний метод шифрування вщеопотоку в телекому-шкацшних системах на основi приховування базового I-кадру / В.В. Баранник, Д.1. Комолов, Ю.М. Рябуха // Нау-коемш технологи. 2015. № 2. С. 69 - 77. 5. Баранник В.В. Модель оценки информативности слота Р-кадров на основе выявления структурно-градиентных межтрансфор-мантных ограничений / В.В. Баранник, С.С. Шульгин // АСУ и приборы автоматики. 2015. №171. С. 12 - 21.

Транслитерированный список литературы: 1. Andreev A. Primenenie videokonferencsvjazi v Vooruzhjonnyh silah inostrannyh gosudarstv / A.Andreev, B.Arzhanov, K.Semjonov // Zarubezhnoe voennoe obozrenie. 2008. № 7. S.19 - 25. 2. Barannik V.V. Metod povyshenija informacionnoj bezopasnosti v sistemah videomonitoringa krizisnyh situacij / V.V. Barannik, Ju.N. Rjabuha, O.S. Kulica // Monografija. Cherkassy, 2015. 143 s. 3. Barannik V.V. Obosnovanie znachimyh (aktual'nyh) ugroz bezopasnosti videoinformacionnogo resursa sistem videokonferencsvjazi profil'nyh sistem upravlenija / V.V. Barannik, A.V. Vlasov // Informacionno-upravljajushhie sistemy na

zheleznodorozhnom transporte. 2014. № 3. S. 23 - 27. 4. Barannik V.V. Selektivnij metod shifruvannja videopotoku v telekomunikacijnih sistemah na osnovi prihovuvannja bazovogo I-kadru / V.V. Barannik, D.I. Komolov, Ju.M. Rjabuha // Naukoemni tehnologii. 2015. № 2. S. 69 - 77. 5. Barannik V.V. Model' ocenki informativnosti slota R-kadrov na osnove vyjavlenija strukturno-gradientnyh mezhtransformantnyh ogranichenij / V.V. Barannik, S.S. Shul'gin // ASU i pribory avtomatiki. №171. 2015. S. 12 - 21.

Поступила в редколлегию 11.11.2015

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Безрук В.М.

Баранник Владимир Викторович, д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры Харьковского университета Воздушных Сил им. И. 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.

Шульгин Сергей Сергеевич, соискатель Киевского Национального авиационного университета. Научные интересы: обработка видеоинформации и безопасность инфокоммуникационных систем. Адрес: Украина, Киев, пр. Космонавта Комарова, 1.