CC BY
22
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ
УДК621.327: 681.5
ТЕХНОЛОГИЯ БЫСТРОЙ ТРЕХМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ДИНАМИЧЕСКОГО ИНФОРМАЦИОННОГО РЕСУРСА В УСЛОВИЯХ МЕНЯЮЩЕГОСЯ СЕМАНТИЧЕСКОГО СОДЕРЖАНИЯ
РЯБУХА Ю.Н.
Показывается, что в сфере мониторинга объектов в кризисных ситуациях значительная роль принадлежит комплексам воздушного видеонаблюдения. Объясняется, что для систем аэромониторинга обеспечение информационной безопасности связано с выполнением требований по категориям доступности и целостности. Обосновывается возникновение проблемных вопросов относительно обеспечения безопасности динамических видеоинформационных потоков. Делается вывод относительно необходимости использования методов с дополнительным учетом межкадровой структурной избыточности в условиях меняющегося семантического содержания для кадров в видеопотоке. Излагаются основные этапы разработки технологии трехмерной обработки динамического видеоинформационного ресурса.
1. Введение
В решении целого комплекса задач в сфере мониторинга объектов в кризисных ситуациях значительная роль принадлежит комплексам воздушного видеонаблюдения [1; 2]. Информация, котор ая формируется на борту и несет сведения о состоянии объектов управления и на основе которой будут приниматься решения, приобретает статус государственного ресурса. Соответственно на первый план выводятся вопросы обеспечения информационной безопасности. В первую очередь для систем аэромониторинга -это выполнение требований по характеристикам категорий доступности и целостности [3]. При этом важное место занимают методы и технологии обработки видеоданных на бортовых комплексах [4; 5]. Однако возникают проблемные вопросы относительно обеспечения безопасности видеоинформационных потоков, которые формируются с использованием видеокамер переднего обзора. Такая информация образует динамический видеоинформационный ресурс (ДВИР). Поэтому направление, связанное с обеспечением безопасности ДВИР, является актуальной проблематикой научно-прикладных исследований.
Эффективным подходом к решению сформулированной проблемы является использование обработки видеопотоков без потери целостности на основе трехмерных структурных методов обработки [6]. В то же время требуется дополнительно учитывать межкадровую структурную избыточность в условиях меняющегося семантического содержания для кадров в видеопотоке. Здесь предлагается использовать метод обработки, изложенный в статье [7]. Однако предложенный метод связан с дополнительными вычислительными затр атами на о бр аботку ДВИР. Данная особенность может привести к ограничению эффективности метода обработки в условиях использования бортовой вычислительной аппаратуры. В связи с этим цель исследования заключается в разработке технологии быстрого кодирования ДВИР в условиях меняющегося семантического содержания кадров для бортовых комплексов аэромониторинга кризисных ситуаций.
2. Разработка конвейерной и параллельной схем формирования кода-номера для ТДПЧ
По аналогии со схемой параллельного кодирования ТПЧ получим выражения для расспараллеливания процесса формирования кодов-номеров для ТДПЧ [8].
Рассмотрим первый этап распараллеливания (распараллеливание по столбцам). Для этого распишем
с(п с^р, пс) ,
отдельные разряды К j у по формулам:
дКгг&Пстр^с) _ пс) х ду(пстр,пс) + К(пстр,пс)) х
Пб^^"с) + (к3п«РПс) х ^^) + К11^))х
пстб
х П д^
п=3
х Цд4пстр,"с) +... + (К11^хдУ(ПстрПс) + КПст>Пс))
I пстб 1 пстб пстб
П=5
(1)
Обозначив суммы в скобках как ^, с) , получим
К(пстб,пстр,пс) _ (К(ПстР,Пс) * _(Пстр,"с) + (пстр,пс) х К _ (К12 ПдУп + К3,4 ) х
П_3
пстб (пст^пс) (пст^пс) 8 (пстрпс) (пст^пс)
х Пд% + (К,6 хПдУл + )х
П_5
П_7
пстб (пстрпс) (пстрпс) ,)+3 (пстрпс) (пстрпс)
х ПдХ, +... + (Ку+1 х ПдХ, + ^+2, j+3 ) х
п стб (п стр, пс) (п стр, пс)
х П л^п +... + (Я , ) . (2)
11 „д п У п стб-1, п стб (2)
п_ j+4
где Кj j+l - попарно-укрупненный по J-му и^1-му столбцам разряд ТПЧ.
Дальнейшего распараллеливания процесса трехмерной полиадической нумерации можно добиться, если разработать схему параллельного вычисления разря-
0(п стр' пс )
дов R ^ р .
Рассмотрим второй этап распараллеливания (распараллеливание по строкам). В этом случае отдельные разряды R(пс ) в формуле (2) надо расписать по формулам:
R
(nстр, nc) _ (R (nc ) v v(nc) + R(nc)
n стб
_ (R(nc) vAv[2lc) + R(nc)) v п v(knc) +
По аналогии с предыдущими этапами распараллеливания на следующем шаге формула (5) преобразуется к виду
( ) 4 пс
^¡Г = ХП+ хП«¡¡у +
у=3 у=5
8 п с
+ ^¡¡5,6 х П+ ^¡17,8) х П+. . . +
у=7 у=9
2+1 Пс
+ ¡12,2+1 Х П ® ¡1у + ^¡2+2,2+3) Х П ® ¡1у +. . . +
У=2 у=2+4
k _3
+(R(nc) v aVj4c) + R(nc)) v nff a j) +...+
+(R(nnc) -i vaV(;c) + R(nnc) ). (3)
J>nCTP 1 J>nCTP J>nCTP v '
к=5
А(пс) + R(nc) пстр-1 " .Ьпстр .Ьпстр
По аналогии с предыдущим этапом обозначим сумму
в скобках как R(nC-)l. Тогда выражение (3) на следующем шаге примет вид
R
(nCTp, nc) _ (R(nc)
J
nCT6
(nc ) , D(nc )-
_ (Rji2 vnAVjk^ + RJ3c4)v
k_3
j3,4
nCT6
v П aJ) +...+ (R(nnccTp -1, n )' (4)
(nc)
k _i+4
стр i'11CTp
где R(nC+l - попарно-укрупненный по i-й и i+1-й строкам разряд ТПЧ.
Дополнительное распараллеливание процесса формирования кода-номера для параллепипедной структуры организуется за счет параллельного вычисления
л(пс ) • •
кодов-номеров R Ji-х вертикалей.
Рассмотрим третий этап распараллеливания (распараллеливание по сечениям). На этом этапе требуется разработать схему параллельного вычисления величин R(Гс) . Для этого необходимо представить выражение в виде попарного укрупнения смежных разрядов . Для попарного укрупнения (вычисление диполиадических чисел для вертикалей) разрядов ¿¡¡2 ТПЧ примет вид
пс
^) = Х^¡¡2 + ^¡2) ХП«¡¡у + (^^¡¡3 х®¡¡4 + ¿¡¡4) х
у=3
пс
х П «¡¡у+... + пс-1 х «¡¡пс + ¿¡¡пс ). (5)
1=5
+ (dji,nc-1,nc ),
(6)
где ¿¡¡2,2+1 - диполиадическое число, полученное за счет укрупнения разрядов ¿¡¡2 для z-го и z+1-го сечений.
Обобщенная для трех этапов (по трем направлениям) схема формирования кода-номера R у выводится на основе выражения
z) _ Aa(z,max) ij ij '
,(z)
v ГГ V(nc) + (R(nc) v ГГ V(nc) + R(nc))v v П AVjk + (Rj5,6 v П AVjk + Rj7,8 )v k_5 k_7
v П V(nc) + + (R(nc) v 1+r V(nc) + R(nc) ) v v П AVjk +... +(Rji,i+1 v П AVjk + Rji+2,i+3) v k_9 k_i+2
nс nстр nстб
Rmax ) 5j), если dj _ Aa'
z _1 i _1 j_1
где 8(z) - накопленное произведение оснований S (основание укрупненного разряда межплоскостного трехмерного дифференциального полиадического числа, образованного для z — 1 -го сечения по n стб v n стр разрядов, nст^ — j разрядов i-й строки и пстр — i строк по n стб разрядов).
В этом случае расспараллеливание достигается за счет одновременного попарного укрупнения разрядов djiz ТПЧ по всем вертикалям.
Таким образом, получены системы выражений, обеспечивающих распараллеливание процесса трехмерного дифференциального полиадического кодирования данных на следующих этапах.
3. Оценка характеристик процесса сжатия данных разработанным методом
Основными характеристиками процесса сжатия являются количество операций на кодирование, коэффициент сжатия и величина показателя погрешности сжатия. Поскольку для разработанного метода погрешности отсутствуют, то рассмотрим первые две характеристики.
Оценка коэффициента сжатия для разработанного метода кодирования.
В соответствии с формулой (2) максимальное количе-w(3)
ство разрядов Wd max , отводимых на представление
кода-номера Rv параллелепипедной структуры данных, равно
пстб пстр пс
ПИП
¡=1 ¡=1 2=1
£ах = ^2 ( П П П ^¡2-1) + 1. (7)
(3) = пстб п стр пс Ь
d,min
(8)
kd =
пстб пстр пс . (9)
2 ( П ПП «¡¡2-1) + 1 ¡=1 ¡=1 2=1
Из анализа выражения (9) следует, что значение kd будет тем больше, чем меньше основания ТДПЧ относительно оснований ТПЧ:
«¡¡2 < V¡¡2 .
(10)
При этом дополнительное повышение величины kd достигается за счет выбора минимума из двух значе-
НИй Rmin,v , Rmax,v •
4. Выводы
попарного укрупнения (получение диполиадических чисел по строкам) разрядов R(nc) по строкам;
Тогда минимальное значение к ¿^щ коэффициента
сжатия для разработанного метода относительно исходного представления находится по формуле
пстб пстр пс
^2 ( П П П«¡¡2-1) +1 ¡=1 ¡=1 2=1
где Ь - количество разрядов, затрачиваемых на представление одного элемента ¿¡¡2 параллелепипедной структуры.
С учетом формулы (8) дополнительное значение kd коэффициента сжатия за счет перехода от ТПЧ к ТДПЧ равно
пстб пстр пс
2 ( П П ПУ ¡¡2 -1) + 1 ¡=1 ¡=1 2=1
1. Разработана технология трехмерной обработки ДВИР, базирующаяся на системе выражений, обеспечивающих распараллеливание процесса трехмерного дифференциального структурного кодирования данных на следующих этапах:
- параллельное вычисление кодового значения Яv за счет последовательного попарного укрупнения (получение диполиадических чисел по столбцам) разря-
Г,(пстр , пс ) г-
дов к j у по столбцам;
- параллельное вычисление кодового значения
п (пстр,пс) • ~
К : для _]-й строки за счет последовательного
- распараллеливание для формирования кодового зна-
Я(пс)
¡¡ вертикалей на основе параллельного попарного укрупнения разрядов ¿¡¡2 ТДПЧ;
- расспараллеливание за счет одновременного попарного укрупнения разрядов ¿¡¡2 ТДПЧ по всем вертикалям.
2. Экспериментальная оценка степени компактного представления изображений на основе разработанного метода показала, что значения коэффициентов информационной плотности в среднем изменяются в пределах от 3 до 10 раз в зависимости от степени насыщенности их мелкими деталями и от величины изменения семантического содержания между кадрами в последовательности.
Литература: 1. Лабутина И.А. Дешифрование аэрокосмических снимков: Учебное пособие. М: Аспект-Пресс, 2004. 184 с. 2. Кашкин В.Б. Цифровая обработка аэрокосмических изображений: Конспект лекций. Красноярск : ИПК СФУ. 2008. 121 с. 3. ГорбултВ.П. Актуальт пробле-ми системного забезпечення шформацшно! безпеки Украши / В.П. Горбулш, М.М. Биченок, П.М. Копка // Матер. мiжнар. наук.-практ. конф. "Форми та методи забезпечення шформацшно! безпеки держави". К.: Нац-юнальна академiя СБ Украши. 2008. С. 79 - 85. 4. Баранник
B.В. Структурно-комбинаторное представление данных в АСУ / В.В. Баранник, Ю.В. Стасев, Н.А. Королева. Х.: ХУПС, 2009. 252 с. 5. Баранник В.В. Метод компрессии видеопотока на основе полиадического кодирования предсказываемых кадров / В.В. Баранник, Ю.Н. Рябуха, Н.А. Харченко // Радиоэлектроника и информатика. № 2. 2013.
C. 23 - 28. 6. Рябуха Ю.Н. Метод кодирования трехмерных структур данных по вертикально-горизонтальной архитектуре // Сучасна спещальна техшка. К.: ДНД1 МВС Украши. 2014. № 1. С. 12 - 21. 7. Рябуха Ю.Н. Метод трехмерного дифференциального межкадрового кодирования без потери целостности информационного ресурса // АСУ и приборы автоматики. 2014. № 169. С. 22 - 30. 8. Рябуха Ю.Н. Технология трехуровневой параллельной реализации трехмерного кодирования структур видеоданных // АСУ и приборы автоматики. 2013. № 165. С 3 - 7.
Поступила в редколлегию 05.05.2015
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Юдин О.К.
Рябуха Юрий Николаевич, канд. техн. наук, соискатель Харьковского университета Воздушных Сил. Научные интересы: информационно-телекоммуникационные технологии, кодирование, защита и передача информации. Адрес: Украина, 61023, Харьков, ул. Сумская 77/79, тел. 8 050-3038971.
