д.т.н., проф. Юдін О.К., Бойко Ю.П.

Національний авіаційний університет, Україна

Метод відтворення зображень з контрольованим рівнем втрат

В сучасних інфокомунікаційних системах для зниження обсягів відеоінформації використовуються технології компресії зображень [1-2], які дають змогу проводити стиснення зображень без втрати якості або з  регулюванням її втрати. Однак характеристик, які забезпечуються існуючими методами, недостатньо для їх обробки системами підтримки прийняття рішень в режимі реального часу. Організація відеоінформаційного обслуговування суттєво утруднюється через те, що в сучасних умовах швидкість зростання обсягів відеоданих на декілька порядків перевищує темпи збільшення швидкості передачі даних каналами зв’язку [3]. В залежності від доступної швидкості передачі даних ступінь стиснення необхідно підвищити в середньому на 10-50%. Це означає, що вдосконалення технологій компресії в рамках технологій стиснення з наявністю обмежених втрат якості візуалізації зображень для підвищення ефективності процесу доставки відеоінформації високої роздільної здатності є актуальною науково-прикладною тематикою досліджень.

Варіант розвитку технологій стиснення запропонований в роботах [4-5]. Даний підхід дозволяє скорочувати обсяг реалістичних зображень в режимі наявності обмежених втрат їх якості та враховувати в процесі стиснення можливість скорочення психовізуальної надлишковості, обумовленої особливостями сприйняття зображень особою, що приймає рішення, і просторової надлишковості, обумовленої наявністю когерентних областей зображення. У зв'язку з цим необхідно розробити метод відновлення зображень, що забезпечує їх розтиснення з обмеженими втратами якості візуалізації, і за умови зниження кількості службових даних виключення неконтрольованих втрат інформації.

Для забезпечення заданої якості візуалізації зображень, які одержуються в результаті розтиснення необхідно в умовах скорочення кількості службових даних забезпечити виключення:

-       неконтрольованих втрат інформації, як у результаті невірного визначення границь кодових слів, що містять значення кодів АОП чисел, так і в результаті помилкового позиціонування кодограм суміжних трансформант;

-       помилок у процесі одержання довжин серій двійкових елементів, які несуть основну інформацію про компоненти трансформант, у тому числі про низькочастотні складові спектрального представлення.

В процесі відновлення зображень у рамках технологій обробки їх трансформованого представлення потрібно передбачити такі відмінності вбудованої технології кодування бінарного опису як:

1) формування для послідовностей довжин серій двійкових елементів адаптивних одноосновних позиційних чисел рівномірної довжини залежно від розмірів трансформанти та довжини машинного слова;

2) побудова кодів АОП чисел;

3) неповністю заповнений останній стовпець масиву довжин серій ДЕ;

4) рівномірну довжину кодових слів, що залежить від значення адаптивної основи АОП чисел для оброблюваного масиву СДЕ.

У зв'язку з цим, метод відновлення стинених зображень для забезпечення обмеженої втрати якості візуалізації повинен містити в собі наступні етапи.

Визначення характеристик кодограм стислого представлення масиву відеоданих. Така процедура містить у собі:

-       знаходження початку й кінця кодового представлення відновлюваної трансформанти у всьому стислому представленні зображення;

-            визначення довжини кодових слів, що використовується для представлення кодів  адаптивних одноосновних позиційних чисел, утворених для бітового опису поточної трансформанти.

Початкова позиція кодограми поточної трансформанти, тобто позиція початкового біта першого кодового слова, оцінюється відносно кінця кодограми попередньої трансформанти. Довжина кодограми трансформанти обчислюється на основі інформації про кількість  кодових слів і їх довжини. При цьому в процесі відновлення потрібно враховувати, що кількість кодових слів заздалегідь невідома. Тому процес визначення кількості кодових слів пропонується організовувати на основі рекурентної схеми в міру заповнення бітового опису трансформанти. Тоді ознака останнього кодового слова буде відповідати відновленню кількості довжин серій двійкових елементів, достатнього для заповнення молодших бітових площин БОТ.

Визначимо кількість  елементів бінарного опису трансформанти, яка на момент декодування коду  для -го АОП числа залишається не відновленими, як

,

де  - кількість двійкових елементів БОТ, відновлених у результаті декодування -ї кількості кодів АОП чисел.

Відповідно до чого кількість  елементів БОТ не відновлених після відтворення -го елемента -го АОП числа буде рівно

,                                                (1)

де  - кількість елементів БОТ, отриманих після відновлення -го елемента -го стовпця масиву довжин серій ДЕ.

Тоді якщо виконується співвідношення

,                                                               (2)

то .

Звідси  і , а бінарний опис трансформанти вважається повністю сформованим. Тому вираз (2) пропонується використовувати в якості критерію того, що відновлений останній елемент крайнього, тобто -го стовпця масиву довжин двійкових серій.

Як видно з аналізу виразу (2) для безпомилкової побудови БОТ на стороні приймання не потрібно знати кількість стовпців  у масиві довжин СДЕ. Напроти, головною умовою реалізації такого критерію є можливість відновлення елементів АОП числа на основі інформації про адаптивну основу [6].

Для визначення довжини  кодового слова, що відповідає відновлювальній трансформанті, необхідно й досить мати адаптивну основу  елементів одноосновного позиційного числа. Тоді величина  знаходиться як , де  - довжина АОП числа, що розраховується на основі заздалегідь відомої на стороні приймання інформації про довжину машинного слова  і розмірів трансформанти . Для цього використовується формула . З урахуванням даного виразу довжина кодового слова буде рівна

.

Одержання границі першого кодового слова для кодограми стислого представлення трансформанти дозволяє визначити довжину і зміст двійкової послідовності, що містить інформацію про код . Після чого стає можливим провести відновлення елементів першого стовпця,  масиву довжин серій ДЕ. Пропонується використовувати двоетапну схему на основі наступних співвідношень:

-                перший етап полягає в перевірці нерівності

.

З урахуванням цього, якщо дана нерівність виконується, то довжина позиційного числа буде рівна  і ;

-                другий етап полягає в реалізації такої формули:

.

При цьому перехід на відновлення елемента , де, здійснюється, якщо виконується нерівність , тобто у випадку, коли побудова бінарного опису трансформанти ще незакінчена.

Якщо вірно, що , то проводиться перехід на відновлення другого стовпця масиву довжин СДЕ. Для цього з кодограми виділяється кодове слово відповідної довжини (рис. 1).

За аналогією на відновлення елемента -го елемента -го стовпця необхідно переходити якщо виконується нерівність

,                                                      (3)

тобто .

Для чого пропонується використовувати співвідношення для адаптивного одноосновного позиційного декодування

.

Як видно з даного співвідношення одержання поточного елемента  адаптивного одноосновного позиційного числа проводиться з використанням локально фіксованої величини . Така властивість адаптивного одноосновного позиційного декодування забезпечує визначення останнього елемента для останнього стовпця масиву СДЕ. Дійсно, одержуємо, що якщо після відновлення -го елемента -го стовпця масиву довжин серій двійкових елементів буде виконуватися співвідношення, той бінарний опис трансформанти буде повністю сформованим. Отже, поточний стовпець є останнім, тобто , отриманий елемент відповідає позиції .

У результаті масив ,  довжин серій двійкових елементів буде повністю сформованим.

Безпомилкове визначення появи події  й  дозволяє:

1) відновити бінарний опис трансформанти без втрати інформації;

2) визначити останнє кодове слово в кодограмі стислого представлення поточної трансформанти, і відповідно початкову позицію першого кодового слова відповідного черговій трансформанті ДКП

Одержання бітового опису трансформанти ,, де -глибина оцифрування компоненти трансформанти ДКП, дозволяє сформувати її компонентний опис,,  (рис. 1).

Рис. 1. Структурно-функціональна схема методу відновлення зображень

Формування абсолютних значень  компонент трансформанти ДКП досягається на основі поліноміального співвідношення

,                         (4)

де  - -а компонента трансформанти дискретного косинусного перетворення;  - -й двійковий елемент -ї компоненти трансформанти, ;  - ваговий коефіцієнт елемента ;  - глибина оцифрування компоненти трансформанти ДКП.

Використання співвідношення (4) забезпечує відновлення всієї трансформанти дискретного косинусного перетворення, що містить абсолютні значення квантованих компонент. Тому перед етапом виконання зворотного двовимірного ДКП потрібно виконати наступні дії:

1) провести деквантування компонент ;

2) відновити інформацію про знак компонентів ДКП.

Деквантування здійснюється на основі використання матриці квантизації , і задається наступною формулою

.                                                                    (5)

Одержане значення  компоненти за рахунок операцій округлення може відрізнятися від вихідного значення . Причому, чим більше значення елемента матриці квантизації  ( тобто збільшується значення фактора якості ), тим більше буде величина помилки , .

Матриця знаків компонент трансформанти ДКП формується в результаті декодування кодів позиційних чисел, сформованих для довжин серій елементів матриць знаків.

Після чого значення компоненти  з урахуванням її знаку утворюється як

                                                        (6)

Тут  інформація про знак компоненти . Величина  приймає значення на двійковій множині, тобто  та визначається як: якщо , то ; якщо , то .

Наступним етапом процесу відновлення зображень є виконання зворотного блокового двовимірного дискретного косинусного перетворення (рис. 1).

Така обробка у випадку програмної реалізації здійснюється в два етапи.

На першому етапі формується проміжний масив . Для чого виконується одномірне зворотне дискретне косинусне перетворення стовпців трансформанти .

,

де  - вектор дискретних значень базисних функцій ДКП.

На другому етапі виконується одномірне зворотне ДКП для рядків проміжного масиву . В результаті чого одержуємо масив відеоданих :

,

де  – транспонований вектор дискретних значень базисних функцій ДКП.

Оскільки в загальному випадку в результаті квантування компонент трансформанти виконується нерівність , то відновлення значення  масиву  може відрізнятися від вихідного значення  масиву відеоданих, тобто . Звідки з'являються втрати якості щодо сприйняття відновлюваних зображень.

Масив  належить одній із складових кольороворізносного представлення вихідного зображення, тобто,, ,, .

На завершальному етапі на основі кольороворізносного опису проводиться одержання фрагменту зображення, що відповідає моделі RGB,,,,, . Виконуються наступні зворотні перетворення: ; ; . На даному етапі додаткові похибки не вносяться.

У результаті одержуємо фрагмент відновленого зображення для кольорового представлення основи з використанням моделі RGB. Усе зображення формується після виконання перерахованих вище перетворень для всіх кодограм стисненого представлення трансформант.

Висновок. 1. Набула подальшого розвитку розробка технології відновлення зображень, яка забезпечує їх розтиснення з обмеженими втратами якості візуалізації, і за умови зниження кількості службових даних виключення неконтрольованих втрат інформації в результаті усунення наступних випадків: невірного визначення границь кодових слів, що містять значення кодів АОП чисел; помилкового позиціонування кодограм суміжних трансформант; помилок у процесі одержання довжин серій двійкових елементів, які несуть основну інформацію про компоненти трансформант, у тому числі про низькочастотні складові спектрального представлення.

2. Метод декомпресії зображень містить в собі наступні етапи: виділення кодограми стислого представлення трансформанти; адаптивне одноосновне позиційне відновлення стовпців масиву довжин серій ДЕ; побудова бітового опису трансформанти на основі серій двійкових елементів; формування вихідного представлення трансформанти в результаті процесу деквантизації та обліку додавання знакових характеристик; зворотне блокове двовимірне дискретне косинусне перетворення; обернене перетворення колірної моделі одержаного зображення в RGB.

Література

1. Орищенко В.И. Сжатие данных в системах сбора и передачи информации / В.И. Орищенко, В.Г. Сонников, В.А. Свириденко - М.: Радио и связь, 1985. - 184 c.

2. Методы передачи изображений. Сокращение избыточности. / Под. ред. У.К. Прэтта. - М.: Радио и связь, 1983. - 263 с.

3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. / Б. Скляр –  М.: Изд. дом  Вильямс, 2004. – 1104 с.

4. Юдін О.К. Технологія компресії для скорочення обсягу трансформант на основі кодування їх бінарного представлення / О.К. Юдін, Ю.П. Бойко // Наукоємні технології. – 2014. –  №1 (21). – С. 84 – 89.

5. Гуржій П.Н Адаптивне одноосновне позиційне кодування масивів довжин серій двійкових елементів / П.Н Гуржій, Ю.П. Бойко, В.Ф. Третяк // Радіоелектроніка й інформатика. – 2013. - №2. – С. 22 – 27.

6. Королева Н.А. Технология реконструкции массивов длин серий двоичных элементов для систем доставки видеоданных в телекоммуникационных сетях / Н.А. Королева, Ю.П. Бойко // Сучасна спеціальна техніка. – 2014. – №1. – С. 15 – 24.