авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Методы, алгоритмы и устройства для покадровогокодирования и передачи видеоданных по радиоканалам с низкой пропускной способностью

-- [ Страница 1 ] --

111

На правах рукописи

ПЛАХОВ Александр Геннадьевич

МЕТОДЫ, АЛГОРИТМЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОКАДРОВОГО
КОДИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ВИДЕОДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛАМ С НИЗКОЙ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

Специальность 05.13.05 – Элементы и устройства вычислительной
техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2008

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (техническом университете) на кафедре Электрофизики

Научный руководитель: - доктор технических наук, доцент

Чобану Михаил Константинович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Джиган Виктор Иванович

- кандидат технических наук, доцент

Логинов Вадим Александрович

Ведущая организация: ФГУП «НИИ автоматики»

Защита состоится «19» декабря 2008 г. в 16 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.16 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17, ауд. Г-306.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учёный совет МЭИ(ТУ).

Автореферат разослан «___» ноября 2008 года.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.157.16,

к.т.н., доцент Чернов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для снижения риска и уменьшения последствий катастроф последнее время возрастает необходимость использования различных систем видеонаблюдения. Повышенный интерес к вопросам безопасности в различных сферах человеческой деятельности обусловлен ростом риска природных и техногенных катастроф, террористических актов. В частности, 21.05.2006г. В.В. Путиным утвержден ПКТ1 РФ Российской Федерации, в котором отражены вопросы безопасности атомной энергетики, безопасности движения, управления наземным и воздушным транспортом, системами жизнеобеспечения и защиты человека («Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации» и «Технологии создания и управления новыми видами транспортных систем»), а также утвержден ПНРНТТ2 РФ (направления «Информационно-телекоммуникационные системы», «Безопасность и противодействие терроризму», «Транспортные, авиационные и космические системы» и «Энергетика и энергосбережение»).

Вместе с тем многие объекты вышеуказанных технологий, за которыми необходимо вести постоянное видеонаблюдение, находятся в труднодоступных (возможно, герметичных) зонах. Прокладка проводных соединений в таких зонах часто нежелательна или невозможна. Однако видеосигнал, снятый непосредственно с технологических объектов, обладает большой информативностью для принятия решения о состоянии (аварийности) объекта. Кроме того, видеосигнал может быть использован для анализа причин возможных аварий, при условии его записи на специальный носитель.



В связи с этим актуальной является разработка методов, алгоритмов и устройств снятия видеосигнала с некоторых технологических объектов, его обработки с целью сжатия и передачи посредством радиосвязи. Необходимость сжатия обусловлена низкой пропускной способностью специальных накопителей и бортовых каналов связи. Важной задачей является также подавление аддитивных и мультипликативных помех, которые мешают правильному восприятию сигналов с датчиков и при их передаче по различным каналам. Кроме того, при проектировании устройств на основе таких алгоритмов должны быть учтены интерфейсы сопряжения с применяемыми носителями. В частности, подобные устройства востребованы сейчас в гражданской авиации, где до настоящего времени в «черном ящике» фиксировались только показания бортовых приборов и звуковая информация. Возможность анализа видеосигнала, снятого с кабины пилотов и пассажирских отсеков, может существенно облегчить разбор причин аварии. Однако многие известные методы для передачи видеоданных, например стандарт MPEG-4, не подходят для указанных целей, что зафиксировано Международным авиационным комитетом (МАК). Следовательно, требуется разработать алгоритмы покадровой обработки (сжатия) и записи видеоданных с записывающих камер, установленных на борту самолета.

Цель и задачи работы. Целью диссертации является разработка и исследование методов, алгоритмов и цифровых устройств покадровой обработки видеоданных для их сжатия с помощью иерархического кодирования и передачи по каналам беспроводной связи с низкой пропускной способностью.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

  1. Разработка методов частичной сортировки двумерных и трехмерных вейвлет-коэффициентов.
  2. Разработка алгоритмов сжатия последовательности кадров на основе иерархического алгоритма с использованием неразделимых банков фильтров.
  3. Разработка методов ускорения вычислительных процедур двумерного алгоритма сжатия видеоданных на основе вейвлет-преобразования.
  4. Синтез методов удаления шумов из изображений, основанных на применении двумерного вейвлет-преобразования. Разработка улучшенного объективного критерия качества изображений, восстановленных после сжатия с потерями.
  5. Разработка методики программно-аппаратной адаптации полученных алгоритмов с учетом обработки видеоданных в реальном масштабе времени.
  6. Разработка состава приемной и передающей частей системы видеофиксации, использующей радиоканалы с низкой пропускной способностью и реализующей разработанные алгоритмы сжатия и шумоочистки видеоданных на цифровых сигнальных процессорах.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие научные результаты.

  1. Теоретически обоснована возможность применения неразделимого вейвлет-преобразования в иерархическом алгоритме сжатия.
  2. Разработаны ускоренные алгоритмы двумерного и трехмерного иерархического алгоритма сжатия (типа SPIHT) на основе разделимого вейвлет-преобразования, не уступающие по критерию пикового отношения сигнал/шум известным методам и алгоритмам сжатия изображений.
  3. Разработан метод удаления мультипликативного шума из изображений, основанный на применении двумерного вейвлет-преобразования. Исследован метод одновременного сжатия изображений и удаления аддитивного шума.
  4. Предложен и исследован новый объективный критерий качества изображений, сжатых с потерями.
  5. Разработаны узлы приемной и передающей частей прототипа системы видеофиксации на основе стандарта 802.15.1 (Bluetooth), в которых алгоритм SPIHT реализован на сигнальном процессоре и учтено возможное сопряжение с существующими специальными устройствами хранения информации, применяемыми в энергетике и авиации (по интерфейсу RS232).
  6. Разработано оригинальное программное обеспечение для всех узлов прототипа системы видеофиксации без использования сторонних библиотек, код которого является открытым и доступным для органов сертификации.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории цифровой обработки одномерных и многомерных сигналов, теории вейвлет-преобразования.

Объектом исследования являются многоскоростные устройства, применяемые для цифровой обработки многомерных сигналов с целью их сжатия, архивирования, удаления шумов и т.д. Предметом исследования являются методы синтеза основных операторов и устройств, из которых состоят многомерные многоскоростные системы, включая цифровые фильтры, устройства преобразования формата цветных изображений, их квантования и кодирования.

Теоретической и методологической основой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых по теории цифровой обработки сигналов, теории аппроксимации, теории матриц и теории вейвлет-преобразования. В процессе разработки вопросов синтеза многоскоростных систем использованы труды отечественных ученых Зубарева Ю.Б., Дворковича В.П., Витязева В.В., Брюханова Ю.А., Лукина В.В., Миронова В.Г., Чобану М.К. Также были использованы труды зарубежных ученых Вайдьянатана П.П., Догерти Э., Питаса Я., Ганбари М., Пирлмана В.

Практическая ценность. Получены быстрые алгоритмы иерархического кодирования для покадрового сжатия видео данных, позволяющие в среднем в 10 раз уменьшить число операций сравнения, и тем самым обеспечить выигрыш по времени обработки до 70 %.

Разработаны методики программно-аппаратной адаптации алгоритмов иерархического кодирования, позволяющие реализовать их на цифровых сигнальных процессорах и работающие в реальном масштабе времени.

Разработаны структура, состав системы видеофиксации, а также оригинальное программное обеспечение для всех ее узлов. Данная система может быть использована на объектах энергетики и в гражданской авиации.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были проверены путем статистического моделирования на ЭВМ, а также экспериментальными исследованиями разработанного программного обеспечения для ЦПОС семейства TMS320C6x фирмы Texas Instruments.

Разработанные в диссертационной работе методы, алгоритмы и программное обеспечение внедрены: в ФГУП «НИИ автоматики» при проектировании ячейки защищенного видеотерминала видеоконференцсвязи; в ЗАО «Многопрофильная формирующая авиагруппа» с целью создания и установки на борту летательного аппарата системы видеофиксации, работающей в реальном времени; в ООО НТЦ «Альфа-1» в рамках НИОКР «Аутентификация». Работа над диссертацией выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ по нескольким темам. Работа поддержана грантами Минобрнауки РФ № 208.04.04.042 «Разработка системы сжатия видео сигналов для передачи по низкоскоростному телекоммуникационному каналу на основе сигнальных процессоров TMS320С6х» (№ г/р 01200105418, 2001-2002, г/б), № 209.01.01.044 «Применение многомерного вейвлет-преобразования для улучшения изображений и трехмерных сигналов» (№ г/р 01200304660, 2003-2004, г/б), № T02-03.1-2522 «Синтез эффективных двух-, трех- и четырехмерных многоскоростных систем для обработки многомерных сигналов» (№ г/р 01200305655, 2003-2004, г/б), № Т00-3.1-1251 «Синтез многоскоростных систем для обработки многомерных сигналов» (№ г/р 01200103899, 2001-2002, г/б).

Апробация работы. Результаты теоретических исследований были представлены на Международных конференциях Международной Академии информатизации «Информационные средства и технологии» ITS-2002 и ITS-2007, Всероссийской научной удаленной конференции по Информационным и телекоммуникационным технологиям в 2003 г., Первой международной научно-технической школе-семинаре «Современные проблемы оптимизации в инженерных приложениях» IWOPE-2005, Международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение» DSPA-2006 и DSPA-2007. Прототип системы был представлен на Международной выставке DSPA-2006 и был награжден Почетным Дипломом выставки. Основные положения и результаты диссертации использованы в учебном процессе на кафедре Электрофизики МЭИ (ТУ) при чтении лекций и проведении практических занятий и лабораторных работ по курсу «Сигнальные процессоры и СБИС» и «Цифровые многоскоростные системы». Результаты диссертационной работы использовались в научном процессе в МЭИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ общим объемом более 2 п.л., включая 1 статью в журнале «Электросвязь» из Перечня ВАК, рекомендованном для публикации материалов по кандидатским диссертациям. Материалы диссертации вошли в 4 отчета по НИР, выпущенных кафедрой электрофизики МЭИ (ТУ). Пять работ написаны Плаховым А.Г. без соавторов.

Структура диссертации. Диссертация общим объемом 166 с. состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 133 с. основного текста, перечень используемой литературы из 58 наименований на 5 с., приложения на 28 с.





ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

  1. Ускоренные многомерные алгоритмы частичного упорядочивания вейвлет-коэффициентов для покадровой обработки видеоданных.
  2. Методика применения неразделимого вейвлет-преобразования для иерархического алгоритма сжатия изображений.
  3. Быстрый трехмерный иерархический алгоритм сжатия (типа SPIHT) на основе разделимого вейвлет-преобразования.
  4. Эффективный метод удаления мультипликативного шума из изображений, одновременное сжатие изображений и удаление аддитивного шума. Улучшенный объективный критерий качества изображений, восстановленных после сжатия с потерями.
  5. Оригинальные структуры приемной и передающей частей системы видеофиксации на основе стандарта 802.15.1 (Bluetooth), в которых алгоритм SPIHT реализован на сигнальном процессоре и учтено возможное сопряжение с существующими специальными устройствами хранения информации, применяемыми в энергетике и авиации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся структура диссертации и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дается сравнительный обзор методов, алгоритмов и устройств сжатия и передачи видеоданных, снимаемых с видеокамер наблюдения.

В первой части обзора рассматриваются методы и алгоритмы сжатия изображений, которые могут быть использованы или адаптированы к использованию при покадровом сжатии видеоданных. В частности, приводится описание стандарта JPEG/Motion JPEG, основанного на дискретном косинусном преобразовании (ДКП); стандартов H.26x, основанных на рекомендациях комитета ITU-T по кодекам относительно устройств кодирования видеосигнала для аудиовизуального обслуживания при скоростях передачи цифровой информации, кратных 64 Кбит/с; стандартов MPEG-x.

Особое внимание в обзоре обращено на методы, которые используют вейвлет-преобразование. Показано, что такие важные при кодировании изображений свойства, как масштабирование и ориентация, пространственно-частотная локализация, ортогональность, возможность создания быстрых алгоритмов вычислений, в полной мере присущи именно вейвлет-преобразованию. Отмечается, что вейвлет-преобразование осуществляет декорреляцию сигнала и позволяет упаковать информацию о сигнале в малое число коэффициентов. Для целей обработки изображений наиболее распространены так называемые разделимые вейвлеты. В этом случае для получения каждой субполосы вейвлет-декомпозиции выполняется свертка с двумя одномерными фильтрами (горизонтальным и вертикальным) и децимация по каждой из координат.

При высокой степени компрессии метод сжатия с потерями на основе вейвлет-преобразования вносит искажения, зачастую имеющие вид ряби вблизи резких границ. Такие артефакты меньше бросаются в глаза наблюдателю, чем, скажем, «мозаика», создаваемая блочным алгоритмом JPEG. Кроме того, метрики, применяемые для анализа качества изображений, показывают преимущество вейвлет-сжатия в сравнении с алгоритмом JPEG. Единственным стандартом для сжатия изображений, использующим вейвлет-преобразование, является JPЕG2000. Существует ряд нестандартизованных алгоритмов, использующих пространственное упорядочивание вейвлет-коэффициентов (такие, как EZW, SPIHT - Set Partitioning Into Hierarchical Trees и др.). Зачастую, такие иерархические методы являются более эффективными с точки зрения характеристик сжатие/качество и вычислительной сложности, чем JPЕG2000. В отличие от данного стандарта, приведенные методы свободно распространяются. Указанные выше причины обусловили выбор в качестве метода сжатия видеоданных в пользу вейвлет-преобразования и иерархического алгоритма, допускающего компрессию видеопоследовательностей в его модификации 3D-SPIHT.

Современные методы построения неразделимых банков фильтров, разработанные Чобану М.К. и другими авторами, позволяют синтезировать системы с некоторыми дополнительными свойствами. Например, неразделимые фильтры позволяют выделять произвольные двумерные пространственные частоты, тогда как разделимые – только горизонтальную и вертикальную составляющие. Поэтому реализация неразделимых систем сжатия представляет особый интерес.

Во второй части обзора приводятся методы и стандарты, предназначенные для организации радиоканала для передачи видеоданных. В частности, подробно рассматриваются наиболее распространенные промышленные стандарты беспроводной связи Wi-Fi (IEEE 802.11b и 802.11g), Bluetooth (IEEE 802.15.1) и ZigBee (IEEE 802.15.4). Перечисленные стандарты радиосвязи удовлетворяют заданному набору требований. Однако предельная скорость, определяемая стандартом ZigBee (250 Кбит/с), существенно ограничивает пропускную способность и недостаточна для передачи четкого изображения, скорость Bluetooth (1 Мбит/сек) является достаточной и оставляет возможность наращивания функциональности. Показано, что в части затрат на реализацию стандарт Wi-Fi довольно избыточен, поскольку предусматривает реализацию сетевого взаимодействия по модели ISO/OSI. Это придает удобство в работе с устройством на основе стандарта Wi-Fi, но существенно увеличивает его стоимость. При рассмотрении физических принципов передачи сигнала отмечается, что стандарт Bluetooth использует принцип скачкообразной перестройки частоты (FHSS), что повышает уровень защиты от несанкционированного доступа и обеспечивает бльшую помехоустойчивость по сравнению с Wi-Fi.

Таким образом, при проектировании системы видеонаблюдения был выбран стандарт Bluetooth, как наиболее удовлетворяющий требованиям к реализуемым системам реального времени.

По результатам проведенного обзора поставлена задача разработки и исследования иерархических методов и алгоритмов сжатия видеоданных, передаваемых по каналам радиосвязи в реальном масштабе времени. Обоснована программная реализация разработанных алгоритмов на специализированных процессорах цифровой обработки сигналов.

Во второй главе рассматриваются предлагаемые методы и алгоритмы покадрового сжатия данных, которые базируются на двумерных и трехмерных вейвлетах и на иерархическом алгоритме сжатия типа SPIHT.

В работе предложены методы и алгоритмы, обеспечивающие двумерное сжатие отдельных кадров видеонаблюдений на основе разделимых банков фильтров; производится оптимизация алгоритма SPIHT. Отмечена эффективность данного алгоритма как с точки зрения достигаемой степени сжатия, так и с точки зрения скорости вычислительных процедур. Для сравнения рассмотрены принципы функционирования алгоритмов сжатия изображений, в которых карта значений вейвлет-коэффициентов имеет древовидную структуру: алгоритм Льюиса и Ноулеса, алгоритм вложенного нуль-дерева (EZW), алгоритм пространственно ориентированных иерархических деревьев (SPIHT).



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.