Актуальність теми. Ключовою складовою технічного забезпечення інформаційних систем є інформаційно-комунікаційна система та мережа (ІКСМ), головна функція якої полягає в організації оперативного й надійного обміну інформацією між абонентами та у скороченні витрат на передачу даних. Тому найважливішим показником ефективності функціонування ІКСМ є час доставки інформації. Час доставки інформації залежить від:

1) особливостей ІКСМ, а саме від типу каналів зв'язку;

2) обсягів оброблюваних і переданих даних.

Найбільш повна інформація доставляється на основі відео й графіки. Обсяги відеопотоків для сучасних систем формування й знімання інформації змінюються в межах від десятків Мбіт до сотень Гбіт. Звідси частка відеоінформаційного потоку займає до 90 % від загального потоку інформації, оброблюваної, переданої й аналізованої в інформаційних системах (ІС). Тому для скорочення часу доставки даних розробляються спеціальні стандарти, протоколи й методи обробки даних, які є складовими інформаційного і програмно-математичного забезпечення функціонування інформаційних систем. Основними причинами часових затримок є, з одного боку, обмежені характеристики технічного забезпечення функціонування ІС, а з другого боку, обсяги оброблюваних і переданих цифрованих зображень. Модернізація й установка більш сучасних телекомунікаційних технологій є надто дорогим і не завжди можливим напрямом підвищення ефективності функціонування інформаційних систем. Тому, поряд з розвитком технічної бази, необхідно здійснювати модернізацію інформаційного забезпечення ІС.

Один із напрямів такої модернізації полягає в скороченні обсягів відеоданих за рахунок інтегрування в інформаційні системи технологій компресії зображень. Великий внесок у побудову теорії й розробки методів стиску даних зробили багато вчених. Серед них Зубарєв Ю.М., Корольов А.В., Красильников Н.Н., Поляков П.Ф., Юдін О.К., Бараннік В.В., Рябко Б.Я., Свириденко В.А. та ін. Із закордонних дослідників значний внесок зробили Зив Дж., Претт У.К., Шеннон К., Хартлі Р.Л., Хаффман Д.А. та ін.

З аналізу характеру залежності часу доставки зображень для різних ІКСМ виходить, що для забезпечення передачі зі швидкістю передачі 2,048 Мбіт/с у реальному часі інформації обсягом порядку 10 Мбіт і обсягом порядку 75 Мбіт коефіцієнт стиску повинен бути не нижче відповідно 10 і 25 разів. Водночас проведений аналіз існуючих технологій компресії показує, що забезпечувані ними ступені стиску не задовольняють необхідному рівню компресії. Так, для методів без втрати якості середнє значення ступеня стиску при обробці середньокогерентних зображень не перевищує 2 разів. Для методів із втратами якості середнє значення ступеня стиску не перевищує 3 разів для "пікового" відношення сигнал/шум на рівні 60 дб і не перевищує 20 разів - на рівні 30 дб. Дані характеристики в середньому на 30-50 % нижче необхідних значень за ступенем стиску для забезпечення передачі зображень у реальному часі. Отже, існуючі технології компресії не дозволяють здійснювати доставку інформації в реальному часі. Звідси виходить, що існує науково-прикладне завдання, яке полягає в необхідності підвищення ступеня стиску зображень із регульованою втратою їхньої якості в інформаційних системах реального часу.

Таким чином, для підвищення ступеня стиску зображень із регульованою втратою їхньої якості в інформаційних системах реального часу необхідно розробити метод компактного подання зображень на основі їхнього трансформування. Тому тематика дисертаційного дослідження є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до планів держбюджетних та господарчих тем Національного авіаційного університету, а саме: 2008-2009 рр. "Аналіз та дослідження методів обробки радіосигналів у системах мобільного зв'язку" (шифр "№ 69/14.02.03"), 2009-2010 рр. "Аналіз ефективності методів декодування інформаційних потоків космічних каналів зв'язку" (шифр "№ 65/14.02.03"), "Комп'ютеризована система моніторингу якості функціонування вищого навчального закладу" (№ 601-ДБ 09, 0109U000679, 2010 р.). Автор дисертації був виконавцем цих робіт.

Мета і завдання дослідження. Мета роботи полягає в розробці методів підвищення ступеня стиску відеоданих в інформаційних системах, що базуються на трансформуванні відеозображень та їх відновленні з регульованою втратою якості.

Досягнення поставленої мети передбачає вирішення таких завдань:

1. Провести аналіз та обґрунтувати підхід для скорочення надмірності в трансформантах дискретного косинусного перетворення, що забезпечує збільшення ступеня стиску для середньокогерентних зображень в умовах підвищення якості реконструйованих зображень.

2. Розробити метод і вдосконалити технологію стиску зображень на основі нерівновагового позиційного кодування бітових площин з регульованою втратою якості.

3. Розробити й дослідити метод відновлення зображень із заданою якістю їхньої реконструкції.

4. Побудувати структурні й програмно-апаратні моделі реалізації розроблених методів та технологій.

5. Розробити метод оцінки ступеня компресії трансформованих зображень на основі нерівновагового позиційного кодування трансформант та вдосконалити методи оцінки кількості операцій із регульованою якістю реконструкції.

6. Провести оцінку ефективності та адекватності програмно-апаратних моделей, що сформовані на базі розроблених методів і технологій.

Об'єкт дослідження - процес обробки зображень за умов підвищення ступеня стиску даних та скорочення часу їхньої обробки в інформаційних системах.

Предмет дослідження - технології й методи стиску трансформованих зображень із регульованою якістю реконструкції в інформаційних системах.

Методи дослідження включають методи теорії побудови й оцінки ефективності функ-ціонування складних систем; методи спектрального аналізу теорії виключення надмірності даних; методи структурного аналізу зображень і їх трансформант; теорію інформації й кодування; статистичну теорію зв'язку; теорію ймовірностей і математичної статистики; методи планування натурного експерименту, апарата програмно-алгоритмічного моделювання на обчислювальних засобах.

Наукова новизна одержаних результатів обумовлена виконанням завдань щодо зменшення сумарного часу обробки й передачі відеоінформації в інформаційно-комунікаційних системах без втрати якості за рахунок скорочення структурної й статистичної надмірностей зображень.

1. Уперше розроблено метод усунення надмірності в бітовому поданні трансформант, що заснований на нерівноваговому позиційному кодуванні масивів довжин двійкових серій, який відрізняється від існуючих підходів нерівновагомістю основ довжин двійкових серій і залежністю значень вагових коефіцієнтів від позиції відповідної довжини серії у визначеній послідовності.

2. Уперше розроблено метод відновлення бітового подання трансформанти на основі відтворення інформації про довжини двійкових серій. Відмінності від відомих методів полягають у тому, що бітові площини трансформанти представляються на основі локально-рівномірних нерівновагових позиційних чисел, побудованих на основі довжин двійкових серій. Це дозволяє визначити кількість і границі кодів, затрачених на стисле подання бітових площин, без використання додаткових службових даних і без виконання умови префіксності, що дає можливість відновлювати трансформанти без внесення погрішності.

3. Одержано подальший розвиток технології декомпресії трансформованих зображень. Основна її відмінність від відомих полягає в здійсненні відновлення бітового подання трансформантої інформації про ознаки її компонент на основі нерівновагового позиційного декодування. Це дозволяє реконструювати зображення з погрішністю, яка не перевершує погрішність, сформовану на етапі компресії, при заданій кількості службових даних і мінімізації кількості операцій на обробку.

4. Одержано подальший розвиток методу оцінки кількості операцій для технології компресії трансформованих зображень. Новизна даного результату полягає в тому, що вперше проводиться оцінка кількості операцій з урахуванням нерівновагого позиційного кодування масивів довжин двійкових серій бітового подання трансформант. Це дозволяє оцінити складність реалізації й час обробки зображень.

5. Розроблено метод оцінки ступеня компресії трансформованих зображень на основі нерівновагового позиційного кодування трансформант. Відмінні риси даного методу полягають у тому, що оцінка кодового обсягу трансформант і матриць знаків їхніх компонент проводиться з урахуванням розгляду бітового подання трансформант у вигляді нерівновагових позиційних чисел довжин двійкових серій.

Новизна отриманих результатів підтверджується всебічним аналізом положень теорії інформації й кодування, а також відсутністю аналогів серед методів і технологій стиску цифрованих зображень.

Практичне значення одержаних результатів досліджень полягає в тому, що роз-роблено програмні й програмно-апаратні реалізації технології компресії й декомпресії трансформованих зображень, які дозволяють досягти наступного:

1) серед технологій компресії трансформованих зображень на базі дискретного косинусного перетворення (dct) найменший час забезпечується у разі впровадження нерівновагового позиційного кодування. Виграш за часом обробки досягає 70 %;

2) виграш за ступенем стиску в середньому дорівнює 25 % для режиму обробки без втрати якості (пікове відношення сигнал/шум на рівні 60 дб); 15 % для режиму обробки із втратою якості (пікове відношення сигнал/шум на рівні 30 дб);

3) не зважаючи на те, що для технології JPEG-LS забезпечується виграш за часом стиску (у середньому на 30 %), однак за ступенем компресії розроблений метод забезпечує виграш у середньому в 2 рази. Це створює можливості для скорочення часу доведення даних в інформаційних системах.

Результати дисертації використалися при виконанні дослідно-конструкторських робот: Державної митної служби України (акт реалізації від 15.05.2008 р.), на ДНВП "Об'єднанні Комунар" НТ СКБ "ПОЛІСВІТ" (акт реалізації від 14.01.2011 р.), а також у навчальному процесі НАУ (акт реалізації від 03.09.2010 р.).

Особистий внесок здобувача. Основні положення і результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. В наукових роботах, опублікованих у співавторстві, дисертантом виконано: у працях [1, 4, 23]- дана формальна постановка задачі вибору раціональної моделі подання знань, представлена структурна схема локальної системи підтримки прийняття рішень та основний зміст етапів побудови СППР для оперативного персоналу митниці; [5, 6, 7, 8, 12, 21] - побудовано обґрунтування технології компактного подання трансформант зображень на основі кодування бітових площин та розроблено метод стиску бітового подання трансформант дискретного косинусного перетворення на основі нерівновагового позиційного кодування масивів довжин двійкових серій; [9] - розроблено метод відновлення бітових площин трансформант на основі нерівновагового позиційного декодування, що враховує особливості технології кодування й вимоги до процесу відновлення трансформованих зображень; [10] - створено метод оцінки коефіцієнта стиску зображень на основі технології компресії трансформованих зображень, у яку інтегроване нерівновагове позиційне кодування довжин двійкових серій бітового подання трансформант, [11] - розроблено метод оцінки кількості операцій на виконання нерівновагового позиційного кодування трансформованих зображень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертації доповідались і обговорювались на міжнародних і національних наукових конференціях і семінарах, зокрема: на ХІV міжнародній науково-практичній конференції "Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики і освіти" (м. Київ, 2008 р.); ІІ міжнародній науково-практичній конференції "Безпека та захист інформації в інформаційних та телекомунікаційних системах" (м. Харків, 2009 р.); ІІ міжнародній науково-практичній конференції "Обробка сигналів і негауссовських процесів", присвяченій 70-річчю від дня народження професора Ю.П. Кунченка (м. Черкаси, 2009 р.); науково-практичній конференції "Захист в інформаційно-комунікаційних системах" (м. Київ, НАУ, 2009 р.); V науковій конференції Харківського університету повітряних сил "Новітні технології - для захисту повітряного простору" (м. Харків, 2009 р.); IEEE East-West Design & Test International Symposium, (Moscow, September 18-21, 2009); науково-технічній конференції студентів та молодих учених "Наукоємні технології" (м. Київ, 2009 р.); XV міжнародної науково-практичній конференції "Інформаційні технології в економіці, менеджменті і бізнесі. Проблеми науки, практики і освіти" (м. Київ, 2010 р.) ІІІ міжнародній науково-практичній конференції "Інтегровані інтелектуальні робототехнічні комплекси (ІІЗТК-2010)" (м. Київ, 2010 р.); VI mezinаrodnн vмdecko-praktickб conference, (Praha, 27 шнjna - 05 listopadu, 2010).

Публікації. Основні наукові положення, висновки і результати дисертаційної роботи опубліковані в 23 друкованих працях, з них: статей у виданнях, що входять до переліку ВАК України - 12, 11 тез-доповідей на конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Робота складається із вступу; чотирьох розділів; висновків, що містять основні результати роботи; списку використаних джерел із 120 найменувань; 2 додатків; 36 рисунків; 9 таблиць. Основний текст дисертації викладено на 162 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність тематики дисертаційного дослідження, обґрунтовано актуальність науково-прикладної задачі, сформульовано мету і завдання дисертації, представлені наукова новизна та практичне значення отриманих наукових результатів.

У першому розділі проводиться аналіз характеристик технічного й інформаційного забезпечення функціонування інформаційних систем (ІС) щодо скорочення часу доставки даних. Показано роль і місце технологій компресії зображень для підвищення ефективності функціонування ІС. Виявлено необхідність підвищення ступеня стиску відеоданих з регульованою якістю їхньої реконструкції. Обґрунтовано підхід до підвищення ступеня стиску, заснований на подальшому розвитку технологій компресії з регульованою втратою якості. Найважливішим показником ефективності функціонування ІКСМ є час доставки інформації _deliv, що формується на основі часу _oprt обробки й часу _trans передачі:

_deliv = _oprt + _trans.

Показано, що істотний вплив на збільшення часу доставки даних роблять з одного боку обмежені характеристики технічного забезпечення функціонування ІС, а з другого боку - обсяги оброблюваних і переданих цифрованих зображень. Для скорочення обсягів відеоданих в інформаційні системи інтегруються технології компресії зображень. Встановлено, що показниками якості функціонування технологій компресії цифрованих зображень є коефіцієнт стиску C_r відеоданих; кількість типових операцій на стиск v_com і на відновлення v_ren зображень, на основі яких визначається час на стиск _com і на реконструкцію _ren зображень. Із застосуванням технологій компресії зображень час _d._com їх доставки в ІКСМ визначається на основі співвідношення:

, (1)

де v_com - кількість типових операцій на стиск; S_c - швидкість виконання машинних операцій за секунду на обчислювальній системі; v_ren - кількість типових операцій на відновлення зображень; W_init - обсяг зображення в бітах; C_r - коефіцієнт стиску відеоданих; S_trans - швидкість передачі даних по ІКСМ.

Встановлено, що найбільш кращою буде та технологія компресії, для якої:

C_r max для й , (2)

де v_оprt, _ren - задані значення відповідно для кількості операцій на обробку й для пікового відношення сигнал/шум.

Аналіз існуючих технологій компресії показує, що забезпечувані ними ступені стиску не задовольняють необхідному рівню компресії. Дані характеристики в середньому на 30-50 % нижче необхідних значень за ступенем стиску для забезпечення передачі зображень у реальному часі. Визначено, що для підвищення ступеня стиску відеоданих на основі технологій компресії зображень із втратою якості необхідно розробити нові методи кодування трансформант, які забезпечують: підвищення стійкості до ступеня когерентності зображень за кількістю виявленої надмірності, що підлягає скороченню, це підвищує ступінь компресії для заданих вимог щодо якості відновлених зображень; побудову технологій реалізації процесів стиску з затратою такої кількості операцій, при якому обробка буде здійснюватися в реальному часі.

У другому розділі обґрунтовується підхід щодо скорочення надмірності в трансформованих зображеннях. Будується обґрунтування технології компактного представлення трансформант зображень на основі кодування бітових площин. З інформаційно-кодових позицій обґрунтовуються принципи створення методу кодування довжин двійкових серій, які забезпечують потенційні можливості для додаткового збільшення ступеня стиску та скорочення часу обробки. Досліджено процес стиснення зображень на основі їх трансформування, що полягає в проведенні комплексної обробки, яка складається із двох основних технологічних етапів. Перший етап виконується для одержання проміжної структури подання вихідних відеоданих, який забезпечує потенційну можливість для: скорочення психовізуальної надмірності з врахуванням регулювання рівня якості відновлюваних зображень і реалізації технологій кодування, що дозволяють стиснути трансформанти без внесення втрат. Для цього над вихідними масивами зображень виконуються послідовно два види перетворень, а саме: зміна колірного простору зображення, і апроксимація відеоданих базисами дискретного косинусного перетворення (dct). Другий етап технології стиску відеоданих пов'язано з побудовою методів кодування, які забезпечують скорочення надмірності в трансформантах дискретного косинусного перетворення. В роботі показано, що головний відмінний напрям процесу усунення надмірності в трансформованих зображеннях повинен складатися з урахуванням концентрації основної енергії вихідного сигналу в низькочастотних компонентах. Досліджено три підходи до скорочення надмірності трансформованих зображень. З цією метою використано стратегію реалізації нерівномірного бітового розподілу компонент трансформант:

, (3)

де - кількість розрядів для низькочастотних компонент трансформант dct-пере-ворення; , - координати низькочастотних компонент у трансформанті; - компонента розташована у трансформанті на перетині -го рядка й -го стовпця.

Доведено, що, навпаки, на подання високочастотних компонент (розташованих у нижньому правому куті трансформанти) затрачається найменша кількість двійкових розрядів :

, (4)

де - кількість розрядів для високочастотних компонент трансформант; , - координати високочастотних компонент у трансформанті.

Показано, що за рахунок нерівномірних затрат кількості розрядів на компоненти трансформант забезпечується скорочення первісного W цифрового обсягу трансформанти:

, (5)

де - коефіцієнт стиску трансформанти за рахунок нерівномірного бітового розподілу її компонент; W, W_c - сумарна кількість розрядів, що відводиться на подання транс-форманти до й після їхньої класифікації по частотній ознаці; - кількість розрядів компонент після класифікації трансформанти.

Визначено, що у результаті подання всіх компонент у вигляді двійкових послідовностей, можна сформувати бітовий опис трансформанти (рис. 1). У цьому випадку враховуються такі особливості компонент трансформант, як наявність зон нульових двійкових елементів.

Основні переваги технології кодування бітових площин трансформант щодо технології безпосереднього кодування компонент трансформант полягають у тому, що: така схема є реалізованою в технологічному плані; існує можливість виявлення більшої кількості закономірностей для сильнонасичених реалістичних зображень; розвиток методів бітової обробки трансформант дозволяє забезпечити свою інтеграцію для різних форматів стиску.

Рис. 1. Бітове подання трансформант dct-перетворення

У цьому разі скорочується статистична надмірність у компонентах трансформанти й у довжинах серій нульових компонент. Коефіцієнт стиску розраховується за формулою:

, (6)

де - коефіцієнт стиску трансформанти за рахунок кодування компонент і довжин серій нульових компонент; W_ct, W_ls - сумарна кількість розрядів в кодових конструкціях сформованих відповідно для компонент трансформанти й довжин серій нульових компонент.

Визначено, що у випадку бітової обробки виявляються залежності не в абсолютних значеннях компонент трансформант, а в їх двійковому представлені. Для одержання бітового подання компонент використовується їх розкладання по поліномах. Поліноміальний запис компоненти c_kl:

, (7)

де - компонента розташована у трансформанті на перетинанні -го рядку та l-го стовпця; - -й двійковий елемент (k, l)-ї компоненти трансформанти; - ваговий коефіцієнт двійкового елемента ; - кількість розрядів на компонент трансформанти до класифікації.

Старші (верхні) розряди компонент мають більше високий порядковий індекс , q_bp 0 (табл. 1). компресія зображення кодування якість

Таблиця 1. Порядок індексації розрядів для компонента трансформанти

Показано, що в результаті подання всіх компонент у вигляді двійкових послідовностей формується бітове представлення трансформанти (БПТ).

Сукупність , , двійкових елементів одного порядку утворять бітову площину трансформанти , , , , - -я бітова площина.

Визначено, що особливості БПТ залежать від властивостей компонент трансформант і складаються з: наявності зон нульових елементів для старших розрядів високочастотних компонент; наявності нульових зон, які розміщаються всередині та наприкінці двійкового подання низькочастотних компонент; бітові площини, які складаються з молодших розрядів компонент трансформант, характеризуються частою зміною нульових і одиничних елементів. Існуючі технології кодування БПТ із метою скорочення надмірності базуються на підходах, пов'язаних з виявленням та описом областей нульових і одиничних елементів. Методи кодування бітових площин класифікуються залежно від мірності обробки, від опису положення областей нульових і одиничних елементів, від типу характеристик, що виявляються. Однак досліджено, що для таких підходів кодування бітових площин, властиві наступні недоліки: залежність ефективності від насиченості двійкових об'єктів змішаними зонами одиничних і двійкових елементів; складність опису та виявлення двійкових об'єктів неправильної форми. Це приводить до того, що: для насичених змішаними областями бітових площин коефіцієнт стиску може бути менше 1; затрати кількості машинних операцій на реалізацію технології кодування бітових площин трансформанти в кілька разів перевершують обчислювальні затрати на виконання перетворень. Ступінь стиску бітової площини визначається за формулою:

, (8)

де - кількість розрядів, що відводиться на подання довжин двійкових серій, утворених для рядків бітової площини.

Показано, що з цих позицій найбільш кращими є напрями, що базуються на виявленні та опису довжин одномірних двійкових серій. У цьому разі послідовності однакових двійкових елементів заміняються величинами їх довжин. Отже, доведено, що з інформаційно-кодових позицій, технологія кодування бітових площин трансформант компонент dct-перетворень повинна базуватися на наступних позиціях: здійснювати скорочення надмірності в результаті виявлення обмежень на послідовності довжин двійкових серій. Це обумовлено тим, що елементне кодування свідомо менш ефективне, чим кодування блоками. Тому чим більше довжина оброблюваної послідовності, на якій виявляються обмеження, тим потенційно більша кількість надмірності можна скоротити; сформувати підхід для організації процесу кодування, заснованого на принципі гарантованого стиску. Забезпечити можливість адаптуватися до структурних особливостей бітових площин; мати властивості для додаткового скорочення часу обробки, у тому числі й на основі розпаралелювання процесу кодування.

Величина ступеня стиску бітових площин для запропонованої технології кодування повинна залежити від: імовірності зміни двійкових послідовностей; точності побудови статистичної моделі джерела довжин двійкових серій.

Показано, що величина ступеня стиску бітових площин для запропонованої технології кодування залежить від імовірності зміни двійкових послідовностей та точності побудови статистичної моделі джерела довжин двійкових серій. Таким чином, обґрунтовані основні принципи побудови технології компактного подання трансформант на основі кодування бітових площин і принципи створення методу кодування довжин двійкових серій, які забезпечують потенційні можливості для додаткового збільшення ступеня стиску й скорочення часу обробки.

Третій розділ присвячено розробці нерівновагового позиційного кодування довжин двійкових серій, що надає можливості для забезпечення ступеня стиску бітового подання даних у випадках довільних значень кількості двійкових перепадів.

Розроблено метод стиснення бітового подання трансформант (БПТ) дискретного косинусного перетворення на основі нерівновагового позиційного кодування масивів довжин двійкових серій.

У випадку бітового подання трансформант на обробку надходять вертикальні послідовності , де , . Дані послідовності являють собою двійковий запис цілочисельних компонент трансформант dct-перетворення. Показано, що після виявлення довжин двійкових серій у напрямку вертикалей БПТ утвориться послідовність , де - довжина -ї двійкової серії, виявленої для двійкового подання (k, l)-ї компоненти трансформанти.

Розглянуто загальний випадок, коли формується довільна кількість двійкових серій, довжини яких рівні: (9) і можуть бути не рівними між собою: (10), де й .

Визначене відображення E_KL послідовності довжин двійкових серій як позиційного числа запишеться формулою:

, (11)

де - ваговий коефіцієнт довжини -ї серії.

За умов (9), (10) між відносинами вагових коефіцієнтів, відповідним двом сусіднім довжинам серій, не виконується рівності, тобто

, (12)

де , - вагові коефіцієнти відповідно для -й і -й довжин серій; , - основи відповідно -ї і -ї довжин двійкових серій.

Дана нерівність указує на нерівноваговість основ довжин двійкових серій; залежність значень вагових коефіцієнтів від позиції відповідної довжини серії в послідовності.

Визначено, що нерівноваговим позиційним числом називається послідовність величин , що задовольняють умовам (12) та (10), а значення коду його відображення формується за формулою (11).

Доведено, що скорочення надмірності відбудеться у разі виконання нерівності , де - значення коду, сформованого для (k, l)-ї послідовності довжин двійкових серій. Дійсно, відповідно до формули (11), значення коду обмежене зверху величиною накопиченого добутку основ довжин двійкових серій, звідки виконуються нерівності:

та . (13)

Показано, що нерівновагове позиційне кодування послідовності довжин двійкових серій має потенційні можливості для забезпечення ступеня стиску бітового подання компонент трансформант для довільного їх змісту. Ступінь стиску бітового подання компонент трансформант збільшується у разі підвищення значень довжин двійкових серій.

Для інтеграції нерівновагового позиційного кодування (НРПК) довжин двійкових серій, виявлених на бітових площинах, у технологію компресії трансформованих зображень необхідно: забезпечити узгодження між вимогами, пропонованими до НРПК для збільшення ступеня стиску, мінімізації часу обробки, і особливостями БПТ дискретного косинусного перетворення; врахувати особливості процесу обчислення значення коду нерівновагового позиційного числа (НРПЧ) при побудові кодових конструкцій стислого подання зображення для забезпечення виключення випадків, які призводять до переповнення машинного слова; мінімізації кодової надмірності; скорочення кількості двійкових розрядів на кодове подання службових даних, формованих при обчисленні кодів НРПЧ; виявити можливості і організувати процес компактного представлення службових даних, які утворюються для технології обробки трансформованих зображень, на основі нерівновагового позиційного кодування. Визначено, що для виконання даних вимог технологія компресії трансформованих зображень повинна базуватися на таких етапах (рис. 2): формування БПТ дискретного косинусного перетворення; виявлення довжин двійкових серій у напрямку бітових площин; побудова масиву довжин двійкових серій.

Заповнення масиву ДДС проводиться в міру обчислення довжин ДС у напрямку стовпців. Для визначення розмірів масивів використовуються співвідношення:

, (14)

Для побудованого масиву довжин двійкових серій проводиться обчислення компонент вектора основ нерівновагового позиційного числа. При цьому враховується, що . Формула для визначення основ ДДС прийме:

і , . (15)

У міру обчислення основ НРПЧ формуються значення їх накопичених добутків, починаючи із другого рядка i = 2:

, , (16)

де - ваговий коефіцієнт для елементів і-го рядка з обліком того, що отримано значення основ для рядків масиву ДДС. Рекурентний запис співвідношення (16) має вид:

, , (17)

де - ваговий коефіцієнт для елементів i-го рядка з урахуванням того, що отримано значення основ для рядків масиву ДДС. Визначено, що остаточне значення вагового коефіцієнта P_i буде дорівнювати:

(18).

Отже, така операція полягає у виконанні -ї операції множення:

,

,

, .

Рис. 2. Структурно-аналітична схема технології компресії зображень на основі методу нерівновагового позиційного кодування бітових площин

Отримані значення вагових коефіцієнтів елементів НРПЧ використовуються у процесі визначення коду для нерівновагвого позиційного числа.

Показано, що обчислення значення коду для НРПЧ проходить за наступними етапами. Нерівновагове позиційне число формується на базі елементів стовпця масиву ДДС, тому обчислення значень виконується за формулою:

та . (19)

Для побудови кодових слів, що містять інформацію про значення коду . використовується умови:

, (20)

,. (21)

Доведено, що обчислення вагових коефіцієнтів для елементів НРПЧ зі зниженим діапазоном прийме вид:

, . (22)

Звідси видно, що формується кодових слів довжиною біт.

Структурно-функціональна схема технології компресії зображень на основі методу нерівновагового позиційного кодування бітових площин показана на рис. 2. Таким чином, можна зробити висновок, що розроблений метод стиску бітового подання трансформант на основі нерівновагового позиційного кодування масивів довжин двійкових серій, який враховує особливості формування БПТ для трансформант dct-перетворення, забезпечує виключення втрати інформації через переповнення кодового слова та мінімізацію кіль-кості службових даних; обґрунтовано, що метод НРПК допускає процедуру стиску послідовності матриць знаків компонент трансформант, відмінну від відомих; побудовано інтеграцію методу НРПК у технологію компресії трансформованих зображень.

У четвертому розділі удосконалюється інформаційна технологія декомпресії трансформованих зображень на базі розробки методу нерівновагового позиційного декодування. Здійснюється створення методів оцінки коефіцієнта стиску зображень на основі технології компресії трансформованих зображень, а також удосконалюється метод оцінки кількості операцій. Проводиться оцінка часових і компресійних характеристик для різних технологій обробки трансформованих зображень.

Технологія процесу відтворення зображень включає такі базові компоненти (рис. 3).

1. Відновлення компонент трансформант дискретного косинусного перетворення. Для одержання трансформант dct-перетворення необхідно розробити метод відновлення бітових площин трансформант на основі нерівновагового позиційного декодування (НРПД). Метод НРПД пропонується будувати на основі таких етапів:

а) визначення кількості кодових слів, що витрачається на стисле подання масиву ДДС. Оскільки при формуванні кодових слів використовується локально-рівномірний принцип розподілу двійкових розрядів, то для одержання величини необхідно обчислити границі між кодовими словами; одержати границі останнього кодового слова, яке входить до складу стислого представлення масиву ДДС;

б) проведення відновлення стовпців масиву ДДС. За умовою методу кодування елементи стовпців масиву представляються як елементи НРПЧ. Тому їх відновлення проводиться за формулою:

, ; ; (23)

в) відновлення бітового представлення трансформант.

Рис. 3. Технологія декомпресії трансформованих зображень з урахуванням методу нерівновагового відновлення трансформант

2. Організується виконання зворотного двовимірного двохетапного дискретного косинусного перетворення.

Таким чином, розроблено метод відновлення бітових площин трансформант на основі нерівновагового позиційного декодування, яке враховує особливості технології кодування та вимоги до процесу відновлення трансформованих зображень. Визначено, що сумарна кількість операцій на стиск зображень буде дорівнювати:

= (ос) + (обс) +

+ (од) + (оу) +

+ . (24)

Показано, що аналіз оцінки часових витрат на компресію зображень із урахуванням програмної реалізації на універсальних обчислювальних системах свідчить про те, що для побудованої технології компресії трансформованих зображень розміром = 20481536 елементів час стиску досягає 0,02 с, тобто обробка зображень здійснюється в реальному часі. Порівняльна оцінка різних методів компресії за часом на стиск зображень показана на рис. 4. Для порівняння з розробленим методом використовуються такі технології, як JPEG-LS і JPEG. Наведені на рис. 4 діаграми вказують на те, що серед технологій компресії трансформованих зображень на базі dct найменший час забезпечується у випадку інтеграції нерівновагового позиційного кодування. Виграш за часом обробки досягає 70 %.

Рис. 4. Діаграма залежності величини від і для різних методів

Визначено, що величина коефіцієнта стиску зображення оцінюється як:

, (25)

де - кількість двійкових розрядів, що відводиться на подання одного елемента вихідного зображення; - кількість розрядів, що відводиться на кодове подання транс-формант; - кількість розрядів, що відводиться на кодове подання матриць знаків; - кількість розрядів, що відводиться на кодове подання підстав НРПЧ.

Оцінка ступеня стиску для розробленої технології компресії відеоданих дозволила виявити, що коефіцієнт стиску, залежно від ступеня когерентності зображень, приймає такі значення: від 1,8 до 7,0 разів для дБ і від 10 до 30 разів для дБ.

Порівняльний аналіз за ступенем стиску для розробленої технології та існуючих форматів JPEG-LS і JPEG залежно від значення пікового відношення сигнал/шум наведено на рис. 5.

Доведено, що серед методів компресії трансформованих зображень найбільші ступені стиску забезпечуються для розробленої технології (НРПК).

Виграш за ступенем стиснення в середньому дорівнює 25 % для режиму обробки без втрати якості ( дБ); 15 % - для режиму обробки із втратою якості ( дБ).

Найбільший виграш за ступенем стиснення досягається у режимі дБ для середньокогерентних зображень (33 %); у режимі дБ для сильнокогерентних зображень (25 %).

Рис. 5. Значення залежно від ступеня когерентності зображень для різних технологій при дБ

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний авіаційний університет. - Київ, 2011.

Дисертація присвячена питанням підвищення ступеня стиску зображень із регульованою втратою їхньої якості в інформаційних системах (ІС). В дисертації проводиться аналіз характеристик технічного й інформаційного забезпечення функціонування ІС щодо скорочення часу доставки даних; обґрунтовується підхід для підвищення ступеня стиску з регульованою втратою якості; обґрунтовується підхід щодо скорочення надмірності в трансформованих зображеннях.

Розроблено нерівновагове позиційне кодування довжин двійкових серій, що має потенційні можливості для забезпечення ступеня стиску бітового подання даних у випадках довільних значень кількості двійкових перепадів.

Вдосконалено інформаційну технологію декомпресії трансформованих зображень на базі нерівновагового позиційного декодування. Мінімізовано вплив помилок, що було внесено на етапі стиску. Показник погрішності після відновлення зображення не перевищує величину показника погрішності для етапу компактного подання. Створено методи оцінки коефіцієнта стиску зображень на основі технології компресії трансформованих зображень; вдосконалено метод оцінки кількості операцій. Проведено оцінку часових і компресійних характеристик для різних технологій обробки трансформованих зображень.

Ключові слова: ступінь стиску, трансформовані зображення, довжина двійкових серій, бітова площина, нерівновагове позиційне кодування.