Современные информационные технологии.
Информационная безопасность.
Гулак
Н.К.
Национальныйй
авиационный университет (НАУ)
ТЕХНОЛОГИЯ
КОНТРОЛИРУЕМОГО СЖАТИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ПОТОКАХ БИТОВОГО
ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ
Вступление
Современное
развитие науки и техники характеризуется заметным ростом роли аэрокосмического
мониторинга Земли в геоинформационных системах. Особенности аэрокосмического
мониторинга состоят в повышении цифрового объема сформированных на борту
изображений, ограниченном времени сеанса связи, а так же в невозможности
оперативной передачи большого объема видеоданных по существующим беспроводным
системам передачи.
Одним из эффективных направлений повышения
оперативности доведения информации до потребителя является компактное представление
видеоданных. Анализ существующих методов сжатия видеоданных показал, что
наибольшие степени сжатия и наименьшее время на обработку достигаются методами
компактного представления с контролируемой потерей качества. Однако эти методы
имеют некоторые недостатки.
Постановка
задачи
Целью статьи является обоснование подходов по
сокращению избыточности в трансформированных изображениях, основанный на
кодировании битных плоскостей, сформированных для двоичного представления
компонентов трансформант. Формулируется обоснование технологии компактного
представления трансформант изображений на основе кодирования битовых
плоскостей, обосновываются принципы для создания метода кодирования длин
двоичных серий, которые обеспечивают потенциальные возможности для дополнительного
увеличения степени сжатия и сокращения времени обработки.
Обоснование подхода по сокращению избыточности в
трансформированных изображениях
Технология сжатия изображений на основе их
трансформации реализована в форматах JPEG, JPEG-LS, JPEG2000. Процесс сжатия
заключается в проведении комплексной обработки и состоит из двух основных
технологических этапов (рис. 1).
Рис. 1 Структурная
функциональная схема технологии компрессии трансформированных изображений
Этап 1 - подготовительный этап. Данный этап
выполняется для получения промежуточной структуры представления исходных
видеоданных. Для этого над исходными массивами изображений выполняются
последовательно два вида преобразований. Первый вид преобразования состоит в изменении
цветового пространства изображения. Второй вид преобразования заключается в
аппроксимации видеоданных базисами ортогональных или wavelet преобразований.
Предлагается за базисы аппроксимации видеоданных использовать дискретное
косинусное преобразование (dct). В результате этих преобразований достигается
перетрансформирование энергии выходного сигнала и ее скопления в определенных
составляющих.
Этап 2 - построение методов кодирования,
обеспечивающих сокращение избыточности в трансформанте дискретного косинусного
преобразования. Главной отличительной чертой процесса устранения избыточности в
трансформированных изображениях состоит в учете концентрации основной энергии
выходного сигнала в низкочастотных компонентах. Это позволяет организовывать
обработку в двух режимах. Первый - режим сжатия без потерь. В этом случае
возникает задача, не искажая информации содержащейся в изображении, найти
способ закодировать его меньшим числом бит. Для второго режима допускается
возможность пожертвования частью информации, «не существенна» для представления
данных.
В стандартах JPEG и JPEG2000 включены
рекомендуемые матрицы квантования. С квантизации связаны специфические эффекты
алгоритма. Потери на высоких частотах могут проявиться в так называемом эффекте
Гиббса, когда вокруг контуров с резким переходом цвета образуется своеобразный
"нимб", т.е. рассмотренная обработка трансформант сопровождается
внесением потерь качества изображения. Обеспечение большей степени сжатия
происходит, в основном, за счет сокращения психовизуальной избыточности, что
приводит к потере контроля качества восстановленных изображений.
Для выхода из такой ситуации предлагается
использовать второе направление технологической реализации процесса сокращения
избыточности в трансформанта dct и dwt преобразований (рис. 1). Второй подход
основан на организации кодирования битовых плоскостей. В этом случае
учитываются особенности компонентов трансформант для широкого класса
изображений (разной степени насыщенности мелкими деталями). Битовое
представление компонентов трансформант содержит зоны нулевых элементов. Для
компонентов, соответствующим низкочастотным составляющим, нулевые зоны
размещаются в середине и конце двоичного представления, а для высокочастотных
компонентов характерно размещение нулевых зон в начале двоичного представления.
Причем компоненты трансформант с большими значениями сконцентрированы в
относительно малой области трансформант, наоборот компоненты с минимальными
значениями занимают большую площадь трансформантов. Поэтому для битовых плоскостей
трансформант будет характерно наличие областей, содержащих большое количество
нулевых двоичных элементов.
Преимущества
технологии кодирования битовых плоскостей трансформант от технологии
непосредственного кодирования компонент трансформант заключаются:
1. модификация такой схемы реализована в
технологическом плане и позволяет существенно улучшить характеристики
технологии сжатия, не вызывая необходимости коренных изменений в
технологическом процессе;
2. такая обработка представляет интерес с
позиции обработки сильнонасыщенных реалистических изображений;
3. развитие методов побитовой обработки
трансформант позволяет обеспечить свою интеграцию, как для различных форматов
сжатия, так и для различных режимов сжатия;
4. большое количество нулевых областей будут
распределены на разных позициях битовых плоскостей;
5. возможность реализация технологии
прогрессивного JPEG;
6. возможность кодирования гиперспектральных
изображений;
7. обеспечивается реализация режима
квантизации компонент трансформант за счет обнуления или отбрасывания битовых
плоскостей, содержащих младшие разряды.
Выводы
1. Обоснован подход по сокращению избыточности в трансформированных
изображениях, основанный на кодировании битовых плоскостей, сформированных для
двоичного представления компонентов трансформант.
2. Обоснованы преимущества технологии кодирования битовых
плоскостей трансформант относительно технологии непосредственного кодирования
компонент трансформант, что в свою очередь создает потенциальные возможности
для повышения степени сжатия для обработки с учетом абсолютных значений
компонент.
3. Обоснована интеграция методов побитовой обработки
трансформант, как для различных форматов сжатия, так и для различных режимов
сжатия. Таким образом, обеспечивается инструмент для расширения возможностей
форматов представления изображений, а также возможность кодирования
гиперспектральных изображений.
Література
1.
Юдін О.К. Кодування в
інформаційно-комунікаційних мережах:-Монографія. - К.: НАУ, 2007.-308с.
2. Юдін О.К.
Послідовний критерій аналізу інформативності
параметрів сигналів// Вісник
НАУ. - 2006. - №1 (27).- С. 18-21\
3. Скляр Б. Цифровий зв'язок. Теоретичні основи
й практичне застосування / Пер. с англ.
- М.: Вид. будинок Вільямс, 2004. - 1104 с.
4.
Yudin O.K. The parallel
bi-indication encoding end renewal of data in binary polyadic space// Вісник НАУ. - 2006. - №4.- С. 3-7
5.
Jacobs E.W. Fisher Y. Boss R.D. Image compression: A study of the iterated
transform method // Signal
Processing.-1992.-№29.-P. 251-263.