Дипломы, курсовые, рефераты, контрольные...
Срочная помощь в учёбе

Разработка быстродействующих алгоритмов компрессии видеоданных с использованием дельта-преобразований второго порядка

Диссертация: Разработка быстродействующих алгоритмов компрессии видеоданных с использованием дельта-преобразований второго порядка
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В качестве решения подобной многокритериальной задачи в данной работе рассматривается применение оптимизированных алгоритмов дельта-преобразования второго порядка и алгоритмов усеченного блочного кодирования. Алгоритмы оптимизированных дельта-преобразований второго порядка отличаются простотой реализации, широким динамическим диапазоном и высокой скоростью восстановления данных. Вопросы… Читать ещё >

Содержание

  • 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ИЗВЕСТНЫХ ПОДХОДОВ И МЕТОДОВ ВИДЕОКОМПРЕССИИ
    • 1. 1. Анализ особенностей цифрового представления видеоинформации
    • 1. 2. Обзор основных подходов к цифровой видеокомпрессии
      • 1. 2. 1. Методы внутрикадровой цифровой видеокомпрессии
      • 1. 2. 2. Методы межкадровой цифровой видеокомпрессии
    • 1. 3. Использование алгоритмов внутрикадрового и межкадрового кодирования в [4 современных международных стандартах видеокомпрессии
      • 1. 3. 1. Стандарты MPEG
      • 1. 3. 2. Рекомендации Н.26х
    • 1. 4. Методы оценки качества кодирования
      • 1. 4. 1. Объективные оценки качества кодирования
      • 1. 4. 2. Субъективные оценки качества кодирования
    • 1. 5. Выводы
  • 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ВНУТРИКАДРОВОГО ВИДЕОКОДИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ ДЕЛЬТА-ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ВТОРОГО ПОРЯДКА
    • 2. 1. Анализ требований к алгоритмам внутрикадрового кодирования на основе дельта-преобразований
    • 2. 2. Основные достоинства и недостатки известных алгоритмов дельтапреобразований
    • 2. 3. Постановка задачи дельта-преобразования второго порядка
    • 2. 4. Базовые алгоритмы двоичного дельта-преобразования
      • 2. 4. 1. Оптимизированные дельта-преобразования второго порядка на основе вторых разностей
      • 2. 4. 2. Модифицированный алгоритм двоичного дельта-преобразования со сглаживанием
    • 2. 5. Комбинированный алгоритм дельта-преобразований для видеокодирования
    • 2. 6. Разработка алгоритма внутрикадрового видеокодирования
    • 2. 7. Теоретическая оценка вычислительной трудоемкости разработанного алгоритма внутрикадровой компрессии видеопоследовательностей
    • 2. 8. Дополнительные методики повышения эффективности кодирования д видеоизображений
      • 2. 8. 1. Преобразования цветовых пространств
      • 2. 8. 2. Локальное прореживание изображений
      • 2. 8. 3. Предварительная обработка изображений
      • 2. 8. 4. Статистическое кодирование результатов работы алгоритма внутрикадровой компрессии
    • 2. 9. Методика управления степенью компрессии внутрикадрового кодера для стабилизации выходной битовой скорости видеокодера
    • 2. 10. Выводы
  • 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО МЕЖКАДРОВОГО ВИДЕОКОДИРОВАНИЯ
    • 3. 1. Анализ требований к алгоритмам межкадрового кодирования
    • 3. 2. Анализ особенностей разностных кадров
    • 3. 3. Базовый алгоритм межкадрового кодирования изображений
    • 3. 4. Оценка теоретически возможного коэффициента компрессии разностных кадров при использовании разработанного алгоритма межкадрового кодирования
    • 3. 5. Теоретическая оценка вычислительной трудоемкости разработанного алгоритма межкадровой компрессии видеопоследовательностей
    • 3. 6. Разработка алгоритма быстрого выбора оптимальной шаблонной матрицы
    • 3. 7. Дополнительные методики повышения степени компрессии межкадрового кодера
    • 3. 8. Методика управления степенью компрессии межкадрового кодера для стабилизации выходной битовой скорости видеокодера
    • 3. 9. Алгоритм адаптивного управления скоростью выходного потока видеокодера
  • ЗЛО
  • Выводы
  • 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ КОМПРЕССИИ ВИДЕОДАННЫХ
    • 4. 1. Основные требования к программной модели разработанных алгоритмов видеокодирования
    • 4. 2. Структурная схема кодера видеоданных
    • 4. 3. Формат хранения/передачи закодированных данных
    • 4. 4. Разработка программной модели системы передачи видеоинформации с компрессией в режиме реального времени по IP-сети
    • 4. 5. Разработка совместимого с ОС Microsoft Windows программного модуля видеокодека для системы видеоконференцсвязи
    • 4. 6. Выводы
  • 5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАЗРАБОТАННОЙ f ПРОГРАММНОЙ МОДЕЛИ ВИДЕОКОДЕКА
    • 5. 1. Методика проведения экспериментальных исследований
    • 5. 2. Оценка зависимости качественных характеристик внутрикадрового кодирования и степени компрессии опорных кадров от параметров алгоритма внутрикадрового кодирования
      • 5. 2. 1. Оценка зависимости качественных характеристик кодирования и степени компрессии от изменения веса кванта модуляции
      • 5. 2. 2. Оценка зависимости качественных характеристик кодирования и степени компрессии от порогового значения ошибки для введения отсчета ДИКМ
      • 5. 2. 3. Оценка зависимости качественных характеристик кодирования и степени компрессии от порогового значения ошибки для локальной поддискретизации
    • 5. 3. Оценка зависимости качественных характеристик видеокодирования и степени компрессии видеопоследовательностей от параметров алгоритма межкадрового кодирования
    • 5. 4. Экспериментальные оценки быстродействия разработанной программной модели кодека видеопоследовательностей
      • 5. 4. 1. Экспериментальная оценка зависимости качественных характеристик кодирования от скорости выходного потока кодера
      • 5. 4. 2. Экспериментальная оценка зависимости быстродействия разработанной программной модели видеокодека от параметров изображения
      • 5. 4. 3. Оценка производительности программной модели на основе алгоритмов внутрикадрового и межкадрового видеокодирования с оптимизацией на основе технологии ММХ
      • 5. 4. 4. Оценка зависимости потерь пакетов от свободной полосы пропускания канала связи и их влияние на субъективные оценки качества воспроизводимого изображения
      • 5. 4. 5. Оценка влияния буферизации на приемной стороне на величину задержки и неравномерности воспроизведения видеопотока
      • 5. 4. 6. Оценка максимального количества одновременно воспроизводимых видеопотоков
    • 5. 5. Исследование возможностей по использованию интегрированного в операционную систему видеокодека в работе сторонних программных продуктов, направленных на обработку и передачу видеоинформации
    • 5. 6. Выводы

Разработка быстродействующих алгоритмов компрессии видеоданных с использованием дельта-преобразований второго порядка (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Актуальность.

В настоящее время одной из наиболее быстро развивающихся областей информационной отрасли является направление мультимедиа-технологий, включающее в себя такие задачи как ввод, компрессия, обработка, передача и отображение аудио-, видеои графической информации. Наибольший интерес из перечисленных задач представляет задача компрессии видеоинформации, включающая в себя не только методы быстрой обработки больших объемов данных, но и концептуально новые подходы к кодированию информации, ориентированные непосредственно на формат представления видеоданных. Современные методы кодирования и компрессии видеоинформации находят применение в разнообразных областях: от передачи и хранения оцифрованных видеоматериалов до спутниковых цифровых телекоммуникационных систем. Внимание к компрессии видеоинформации особенно возросло в последнее десятилетие в связи с появлением и доступностью цифровых телекоммуникационных систем и в, частности, систем телеконференцсвязи и систем 1Р-видеотелефонии.

Создание новейших цифровых устройств обработки, передачи и хранения видеоданных связано с радикальным изменением технологических возможностей современных процессорных систем. Использование новейших процессоров с производительностью несколько миллиардов операций в секунду и многозадачных операционных систем обеспечивает реализацию обработки нескольких видеопотоков в режиме реального времени, что невозможно было осуществить ранее. В то же время при анализе пригодности существующих алгоритмов для задач обработки видеоданных в реальном масштабе времени следует учитывать достаточно высокую стоимость подобного рода вычислительных средств, а также непрерывно возрастающие требования к качеству передаваемого видеосигнала.

Критерии качества преобразованного и передаваемого видеоматериала в современных системах обработки и передачи видеоинформации достаточно высоки, и требуемое качество видеосигнала должно быть не хуже, чем при обычном телевещании. Однако, как правило, эти требования вступают в противоречие с требованиями приемлемой производительности алгоритма компрессии и стоимости арендуемого канала связи. На сегодняшний день, по существу, для достижения высокого качества видеосигнала необходим канал, пропускная способность которого, с учетом наличия большого числа пользователей в данном канале, обеспечивала бы в пересчете на одного пользователя ту же эквивалентную скорость передачи информации, которая предоставляется при передаче телевизионной картинки (=270 Мбит/с). Практически это означает, что при реальном трафике, совместно используемом большим числом клиентов, требуемая пропускная способность канала должна составлять единицы и десятки Гбит/с [1].

С другой стороны, известные алгоритмы и методы видеокомпрессии обладают сравнительно малым коэффициентом компрессии при низкой трудоемкости и высоком качестве кодирования или характеризуются высоким коэффициентом компрессии при высокой трудоемкости. Алгоритмы, обладающие высоким коэффициентом компрессии, являются либо ориентированными только на определенный класс или тип видеосигнала и не могут использоваться для видеосигналов произвольной природы, либо имеют высокую трудоемкость, что делает затруднительным построение на их базе систем реального времени с обработкой нескольких видеопотоков одновременно. Решение данной проблемы видится в использовании более простых методов обработки видеопотоков, особенно в рамках многоканальных систем реального времени.

Кроме того, использование алгоритмов и методов компрессии видеоинформации в системах многоканальной связи требует решения других сложных задач. В частности, необходимо выявление и устранение возникающих в процессе передачи видеосигнала ошибок, появление которых связано с особенностями применяемых для передачи видеоданных протоколов и сред передачи информации. Также определенную трудность представляет разработка эффективного механизма управления скоростью выходного битового потока для более эффективного распределения полосы пропускания канала связи между множеством абонентов при условии минимизации времени, затрачиваемого на обработку.

Таким образом, является актуальной разработка алгоритма, решающего на основе единого математического аппарата задачу эффективной компрессии видеоданных с низкой трудоемкостью, при достаточном уровне качества, без жесткой привязки к характеру видеоданных, с возможностью управления скоростью выходного битового потока.

В качестве решения подобной многокритериальной задачи в данной работе рассматривается применение оптимизированных алгоритмов дельта-преобразования второго порядка и алгоритмов усеченного блочного кодирования. Алгоритмы оптимизированных дельта-преобразований второго порядка отличаются простотой реализации, широким динамическим диапазоном и высокой скоростью восстановления данных [2, 3, 4, 5]. Вопросы построения алгоритмов дельта-преобразования второго порядка освещены в работах Р. Стала [6], А. В. Шилейко, Г. Г. Меньшикова, de Jeager F. и многих других. Важной проблемой для применения известных алгоритмов дельта-преобразования второго порядка долгое время оставалась нестабильность (неустойчивость) преобразований, в результате эти алгоритмы оказывались мало пригодны для практического использования.

Алгоритмы дельта-преобразований второго порядка, характеризующиеся стабильностью и оптимизацией по быстродействию и точности, впервые были освещены в работах П. П. Кравченко [7, 8, 9, 10].

На их базе возможно построение более совершенных методов, основывающихся на математическом аппарате дельта-преобразований и обеспечивающих качество и степень компрессии, приемлемую для большинства современных приложений, с сохранением основных достоинств алгоритмов дельта-преобразований — простоты реализации и высокого быстродействия. С этой точки зрения является актуальной задача исследования возможности применения и разработки алгоритма компрессии видеоданных на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка.

Алгоритмы усеченного блочного кодирования изначально были ориентированы на компрессию простых типов видеоданных. Их характеризует низкая трудоемкость, низкий (порядка 4−8) коэффициент компрессии видеоинформации и невысокое качество восстановленного видеосигнала. Однако, на базе заложенных в алгоритм принципов также возможно построение эффективных методик компрессии видеоинформации с высокими показателями быстродействия и качества.

В данной работе исследуются вопросы адаптации алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка и алгоритмов усеченного блочного кодирования для быстродействующей компрессии оцифрованных видеосигналов.

Применение алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка и алгоритмов усеченного блочного кодирования для компрессии оцифрованных видеосигналов требует решения ряда специфических задач, представленных в данной диссертационной работе, и учитывают особенности представления видеосигналов в цифровом виде.

Таким образом, исследования, ставящие целью разработку алгоритмов и программных средств быстродействующей компрессии видеоданных в рамках решения отмеченных выше проблем, являются актуальными и представляют научный и практический интерес.

Объект исследования.

Высокопроизводительные методы и алгоритмы компрессии видеоданных на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка и усеченного блочного кодирования, а также программные средства компрессии видеоданных.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является разработка метода и алгоритмов кодирования видеоданных на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка и усеченного блочного кодирования, а также разработка программной модели разрабатываемых алгоритмов компрессии видеоданных.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1) Анализ существующих методов и алгоритмов компрессии видеоданных, выявление их достоинств и недостатков;

2) Анализ методов оценки качества кодирования видеоданных;

3) Разработка быстродействующего алгоритма внутрикадровой компрессии видеоданных на основе единого алгоритмического подхода с использованием алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка со сглаживанием;

4) Разработка быстродействующего алгоритма межкадровой компрессии видеоданных на основе алгоритма усеченного блочного кодирования;

5) Разработка алгоритма управления скоростью выходного битового потока видеокодека;

6) Разработка формата хранения и передачи видеоданных;

7) Разработка программной модели быстродействующего кодека видеоданных с использованием алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка и алгоритмов усеченного блочного кодирования;

8) Разработка программного кодека видеоданных с возможностью его последующего использования в различных приложениях операционной системы;

9) Разработка программного модуля видеокодирования для системы мультимедийного общения (система видеоконференцсвязи «дельта-конференция»);

10) Проведение экспериментальных исследований программной модели видеокодека.

Основные научные результаты.

1) Разработан быстродействующий комбинированный алгоритм внутрикадровой компрессии видеосигналов, объединяющий преимущества алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка со сглаживанием, алгоритмов дельта-преобразований первого порядка и алгоритмов дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, отличающийся низкой трудоемкостью как при декодировании, так и при кодировании видеоданных за счет применения разностных алгоритмов кодирования с низкой вычислительной трудоемкостью и высоким качеством кодирования видеоинформации;

2) Разработан быстродействующий алгоритм межкадровой компрессии видеоданных на основе алгоритма усеченного блочного кодирования с использованием шаблонных матриц, отличающийся низкой трудоемкостью как при декодировании, так и при кодировании видеоданных за счет применения разностных алгоритмов кодирования с низкой вычислительной трудоемкостью и высоким качеством кодирования видеоинформации;

3) Предложен алгоритм быстрого поиска оптимальной шаблонной матрицы для алгоритма межкадровой компрессии, обеспечивающий существенное повышение скорости кодирования видеоданных за счет уменьшения вычислительной трудоемкости операции поиска и использования операций быстрого табличного выбора индекса матрицы;

4) Предложен алгоритм управления скоростью выходного битового потока видеокодека, базирующийся на использовании разработанных алгоритмов компрессии и предназначенный для использования в системах с адаптацией к пропускной способности канала связи.

Основные положения, выносимые на защиту.

1) Быстродействующий алгоритм и программная реализация внутрикадровой компрессии видеоданных с использованием алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка, дельта-преобразований первого порядка и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции;

2) Быстродействующий алгоритм и программная реализация межкадровой компрессии видеоданных на основе алгоритма усеченного блочного кодирования с использованием шаблонных матриц;

3) Алгоритм и программная реализация быстрого выбора оптимальной шаблонной матрицы для алгоритма межкадровой компрессии;

4) Алгоритм и программная реализация управления скоростью выходного битового потока видеокодера.

Практическая ценность.

Практическую ценность работы представляют:

1) Быстродействующий комбинированный алгоритм внутрикадровой компрессии видеосигналов, объединяющий преимущества алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка со сглаживанием, алгоритмов дельта-преобразований первого порядка и алгоритмов дифференциального импульсно-кодового кодирования;

2) Быстродействующий алгоритм межкадровой компрессии ^ видеосигналов, построенный на принципах усеченного блочного кодирования с использованием шаблонных матриц;

3) Алгоритм быстрого выбора оптимальной шаблонной матрицы для алгоритма межкадрового видеокодирования;

4) Формат хранения выходного потока кодирующего устройства для хранения и передачи закодированных видеоданных;

V 5) Программный модуль для компрессии и декомпрессии видеоданных;

6) Динамическая библиотека, содержащая программные процедуры компрессии и декомпрессии видеоданных;

7) Оценки и рекомендации по выбору наилучших параметров для кодирования видеоданных;

8) Программная система мультимедиа общения — система многоточечной видеоконференцсвязи «Дельта-конференция» с функцией видеоконференции на основе разработанных алгоритмов компрессии.

Данная работа представляет интерес для программной реализации задач быстрой компрессии и восстановления оцифрованных видеоданных произвольной природы. Особый интерес представляет использование разработанного алгоритма в системах с одновременной обработкой нескольких потоков видеоданных. В частности, характерным примером эффективного использования практически всех полученных в диссертационной работе результатов является применение разработанного видеокодека в действующей системе многоточечной видеоконференцсвязи «Дельта-конференция» .

Методы исследования.

При выполнении данной работы использовался математический аппарат теории оптимизированных дельта-преобразований второго порядка, теории кодирования информации, теории вероятностей, теории дифференциального и интегрального исчислений.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на:

— III Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», Санкт-Петербург, 2003;

— Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы (IEEE AIS'03)» h «Интеллектуальные САПР (CAD-2003)», Москва, 2003;

— V Международной конференции «Digital Signal Processing and its Application», Москва, 2003;

— Международной научно-технической конференции «Informatics, Mathematical Modeling and Design, Владимир, 2004;

— Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и на практике», Москва, 2005.

Работа выполнялась в рамках х/д НИР:

— № г. р. 01.200.100 690 — «Разработка принципов и положений видеокодирования на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка»;

— № г. р. 01.200.11 468 — «Разработка алгоритмов и программной модели кодека внутрикадрового кодирования видеоданных на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Проведение испытаний разработанного алгоритма компрессии»;

— № г. р. 01.200.202 147 — «Разработка алгоритмов межкадрового кодирования и адаптивного управления скоростью выходного потока кодера видеопоследовательностей»;

— № г. р. 1 200 216 955 — «Программная реализация системы передачи видеоинформации с компрессией в режиме реального времени по IP-сети. Проведение экспериментальных исследований»;

— № г. р. 1 200 407 218 — «Разработка программной системы конференцсвязи с поддержкой функций документ-конференции и аудиовидеоконференции для локальных IP-сетей».

Вышеперечисленные НИР выполнялись совместно с ОАО ВНИИ TP (г. Москва).

Результаты работы используются в учебном процессе в дисциплинах:

— «Цифровое управление, сжатие и параллельная обработка информации на основе алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований»;

— «Теория кодирования информации».

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается разработкой действующей программной библиотеки для компрессии и восстановления видеоданных, проведенными экспериментальными исследованиями, а также действующей программной системой ВКС «Дельта-конференция» .

Публикации.

Результаты, полученные в работе, нашли отражение в 36 печатных работах, среди них 7 статей и 2 свидетельства Всероссийского бюро по патентам и товарным знакам:

— № 2 004 610 864 «Программа компрессии видеоинформации с использованием алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка»;

— № 2 004 610 863 «Программа многосторонней видеоконференцсвязи для корпоративных локальных IP-сетей «Дельта-конференция».

Структура работы.

Материал основной части диссертационной работы изложен на 196 страницах машинописного текста. Диссертация состоит из введения, пяти.

5.6. Выводы.

1) Разработана методика проведения экспериментальных исследований программной модели кодека видеопоследовательностей, позволяющая оценить влияние параметров алгоритмов кодирования видеоинформации на качество восстановленного видеосигнала и степень компрессии видеоданных, оценить характеристики быстродействия разработанных алгоритмов кодирования, а также подтвердить работоспособность и практическую ценность разработанных алгоритмов видеокодирования и программной модели видео кодека;

2) Проведены экспериментальные исследования влияния параметров алгоритма внутри кадровой видеокомпрессии на эффективность видеокодирования, подтвердившие высокую эффективность работы алгоритма внутрикадровой видеокомпрессии и возможность гибкого управления коэффициентом компрессии и качеством кодирования внутрикадрового видеокодера. На основании проведенных экспериментальных исследований произведен выбор оптимальных значений параметров алгоритма внутрикадрового кодирования и ограничены диапазоны варьирования параметров, обеспечивающие наибольший отклик степени компрессии и качества алгоритма кодирования;

3) Проведены экспериментальные исследования влияния параметров алгоритма межкадровой видеокомпрессии на эффективность видеокодирования, подтвердившие высокую эффективность работы алгоритма межкадровой видеокомпрессии и возможность гибкого управления коэффициентом компрессии и качеством кодирования межкадрового видеокодера. На основании проведенных экспериментальных исследований произведен выбор оптимальных значений параметров алгоритма межкадрового кодирования и ограничены диапазоны варьирования параметров, обеспечивающие наибольший отклик степени компрессии и качества алгоритма кодирования;

4) Проведены экспериментальные исследования скоростных характеристик разработанной программной модели видеокодека и оценки влияния параметров кодируемых видеопоследовательностей на эффективность и скорость видеокодирования, подтвердившие высокие показатели быстродействия и минимальное время кодирования видеоданных различных типов, пространственных и временных разрешений;

5) Проведены экспериментальные исследования возможности применения разработанных алгоритмов и программных моделей видеокодека в системах с передачей видеоинформации в рамках локальных IP-сетей, подтвердившие высокие показатели эффективности и скорости видеокодирования и декодирования, минимальное время задержки обработки видеопотока, и высокие показатели надежности передачи видеоинформации в рамках локальных IP-сетей;

6) Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность построения систем одновременной обработки нескольких видеопотоков в реальном времени с высоким качеством кодирования видеоинформации, и, как следствие, возможность построения высококачественных систем многоканальной видеоконференцсвязи с использованием разработанного алгоритма видеокомпрессии и разработанной программной модели видеокодека;

7) Проведенные экспериментальные исследования подтвердили возможность использования разработанного совместимого с ОС Microsoft Windows программного модуля видеокомпрессии в программной системе мультимедийного общения (система видеоконференцсвязи «Дельта-конференция») и в программных системах работы с видеоматериалом сторонних производителей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведен обзор существующих алгоритмов и методов компрессии видеоданных, показавший, что на данный момент отсутствуют алгоритмы компрессии с низкой трудоемкостью и достаточно высоким коэффициентом компрессии, независящих от природы исходного видеосигнала. Предложен быстродействующий комбинированный алгоритм внутрикадровой компрессии видеосигналов, объединяющий преимущества алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка со сглаживанием, алгоритмов дельта-преобразований первого порядка и алгоритмов дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, отличающийся низкой трудоемкостью, как при декодировании, так и при кодировании видеоданных. Предложен быстродействующий алгоритм межкадровой компрессии видеоданных на основе усеченного блочного кодирования с использованием шаблонных матриц, отличающийся низкой трудоемкостью, как при декодировании, так и при кодировании видеоданных. Для повышения скорости кодирования видеоданных предложен алгоритм быстрого поиска оптимальной шаблонной матрицы для алгоритма межкадровой компрессии, обеспечивающий существенное повышение скорости кодирования видеоданных. Предложен алгоритм управления скоростью выходного битового потока видеокодека, базирующийся на использовании разработанных алгоритмов компрессии и предназначенный для использования в системах с адаптацией к пропускной способности канала связи.

Программно реализованы алгоритмы компрессии и декомпрессии видеоданных на основе предложенных алгоритмов. Разработан формат хранения компрессированных видеоданных. Программная реализация алгоритмов компрессии и декомпрессии видеоданных оформлена в виде динамической библиотеки с возможностью последующего использования в любых программных приложениях операционной системы.

С использованием программной модели проведены экспериментальные исследования характеристик разработанных алгоритмов и выявлены их зависимости от параметров алгоритма кодирования. В результате проведенных экспериментальных исследований получены оптимальные параметры алгоритмов и доказаны теоретические посылки, представлены объективные и субъективные оценки качества кодирования при различных значениях параметров кодирования.

Простота и высокое быстродействие алгоритмов кодирования и декодирования позволяют говорить о перспективности их использования для решения задач обработки видеоданных в рамках многоточечных систем видеоконференцсвязи без выделенного сервера преобразования медиаданных. Особенности применения программной реализации представленных алгоритмов компрессии и декомпрессии опубликованы в материалах международных, всероссийских и региональных конференций.

Материалы диссертационной работы использованы при выполнении х/д НИР № г. р. 01.200.100 690 — «Разработка принципов и положений видеокодирования на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка», № г. р. 01.200.11 468 — «Разработка алгоритмов и программной модели кодека внутрикадрового кодирования видеоданных на основе оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Проведение испытаний разработанного алгоритма компрессии», № г. р. 01.200.202 147 — «Разработка алгоритмов межкадрового кодирования и адаптивного управления скоростью выходного потока кодера видеопоследовательностей», № г. р. 1 200 216 955 — «Программная реализация системы передачи видеоинформации с компрессией в режиме реального времени по IP-сети. Проведение экспериментальных исследований», № г. р. 1 200 407 218 — «Разработка программной системы конференцсвязи с поддержкой функций документ-конференции и аудиовидеоконференции для локальных IP-сетей» совместно с ОАО ВНИИ TP (г. Москва). Результаты работы используются в учебном процессе в дисциплинах «Цифровое управление, сжатие и параллельная обработка информации на основе алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований» и «Теория ^ кодирования информации». Получены 2 свидетельства Всероссийского бюро по патентам и товарным знакам № 2 004 610 864 «Программа компрессии видеоинформации с использованием алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка» и № 2 004 610 863 «Программа многосторонней видеоконференцсвязи для корпоративных локальных IP-сетей «Дельта-конференция». $ Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается разработкой действующей программной библиотеки для компрессии и восстановления видеоданных, проведенными экспериментальными исследованиями, а так же действующей программной системой ВКС «Дельта-конференция» .

Показать весь текст

Список литературы

  1. B.C., Цикин И. А. «Системы компьютерной видеоконференцсвязи». Серия изданий «Связь и бизнес», М. 0 0 0 «Мобильные коммуникации», 1
  2. Р. Принципы дельта-модуляции: Пер. с англ. Под ред. В. В. Маркова. М.: Связь, 1
  3. Дельта-модуляция. Кравченко П. П. Теория Основы и применение М. Д. Венедиктов, дельтаЮ.П.Женевский, В. В. Марков, Г. С. Эйдус. М Связь, 1976. теории оптимизированных преобразований второго порядка. Цифровое управление, сжатие и параллельная обработка информации. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997.
  4. П.П. Высокопроизводительные алгоритмы дельтамодуляции, оптимизированной Электросвязь. 1989. 9.
  5. C.H., Батенков А. А. Глушанков Е.И. и др. Новые методы эффективного кодирования изображений для передачи по системам связи //Электросвязь. 1995. 8.
  6. .В., Курганов В. Д., Злобин В. К. Распознавание и цифровая обработка изображений: Учеб. пособие для студентов вузов. М.: Высш.шк., 1983. 8. 9.
  7. П.П. Дельта-модуляция на основе высших разностей и глубокого прогноза// Электронное моделирование. 1984.
  8. П.П. О дельта-модуляции на основе вторых разностей и оптимизированного А.с. 1 112 552 СССР. переходного МКИ НОЗК процесса 13/
  9. Электронное Дельта-модулятор моделирование. 1986. 2. /П.П.Кравченко. Опубл. 1984. Бюл.№ 33. по быстродействию и точности 186
  10. Е.А. и др. Обработка изображений на ЭВМ /Е.А.Бутаков, В. И. Островский, И. Л. Фадеев. М Радио и связь, 1
  11. Д.А. Эффективное кодирование. М. Л.: Энергия, 1965. Ziv J., Lempel А. Compression of Individual Sequences via Variable-Rate Coding //IEEE Trans. 1978. No.
  12. Witten 1.Н., Neal R.M., Cleary J.G. Arithmetic Coding for Data Compression //Communications of the ACM. 1987. Vol.30, No.
  13. Д. Алгоритмы сжатия информации //Монитор. 1993. № 7−8, 1994.№ 1,№
  14. Теория информации и ее приложения: Сборник переводов /Под ред. А. А. Харкевича.-М.: ГИФМЛ, 1
  15. А.И. Теория дискретной передачи непрерывных сообщений. М., Советское радио, 1
  16. Цифровое кодирование телевизионных изображений /И.И.Цуккерман, Б. М. Кац, Д. С. Лебедев и др.- под ред. И. И. Цуккермана. М.- Радио и связь, 1981.
  17. А.А. Теория цифровых интегрирующих машин и структур. М.: Советское радио, 1970. 20. 21. 22. 23. ч
  18. Н.Г. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция в системах связи. М.: Радио и связь, 1
  19. А.И. Методы сжатия данных //КомпьютерПресс. 1995. №
  20. А.А. Очерки общей теории связи. М.: ГИТТЛ, 1
  21. П.Д. Синтез нелинейных законов управления дискретных систем /Под ред. В. М. Пономарева //Нелинейная оптимизация систем автоматического управления. М.: Машиностроение, 1
  22. В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров: Учеб. пособие для вузов. М Высш. школа, 1982. 187
  23. Г. Г. Двоичная аппроксимация: основы теории, применение к вопросам передачи сообщений. Л.: ЛИЭС, 1968, Мешковский К. А., Кириллов Н. Е. Кодирование в технике связи. М.: Связь, 1
  24. П. Кодирование изображения посредством преобразований //ТИИЭР.-1972.-№
  25. Обработка изображения и цифровая фильтрация. Под ред. Т.Хуанга. М Мир, 1
  26. Г. Применение вычислительных машин для обработки изображений. Пер. с англ. /Под ред. Б. Ф. Курьянова. М.: Энергия, 1977.
  27. Nasiopoulos, Yeldin, Ward, А High Performance Fixed-Length Compression Method Using the Karhunen-Loeve Transform //IEEE Trans, on Consumer Electronics. 1995. Vol.41, No.4. 32. 33.
  28. Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука, 1989 Daubechies I. Orthonormal Basis of Compactly Supported Wavelets //Comm. Pure Applied Mathematics. 1998. Vol.
  29. Mallat S. A Theory of Multiresolution Signal Decomposition: The Wavelet Representation //IEEE Trans. Pattern Analysis and machine Intelligence. 1989.-Vol.11.
  30. Н.Г., Чхеидзе И. М., Степерман В. Г., Абзиандзе Н. Э. Эффективность пирамидального кодирования в условиях действия случайных ошибок //Электросвязь. 1997. 4.
  31. Chan Y.T. Wavelet Basics. Kluwer Academic Publishers, Norwell, MA, 1
  32. Roese J.A. Interframe Coding of Digital Images Using Transform and Hybrid Transform/Predictive Coding Techniquie. USCIPI Rep.700, SC, Los Angeles. 38. 39.
  33. В.В. Анализ и обработка изображений: принципы и алгоритмы.-М.: Машиностроение, 1
  34. Quweider М.К., Salari В. Gradient-Based Block Truncation Coding //Electronics Letters. 1995. Vol.31, No.
  35. Kamel M., Sun СТ., Guan L. Image Compression by Variable Block Truncation Coding with Optimal Threshold //IEEE Trans, on Signal Processing. 1991. -Vol.39, No.4 41. 42. 43. 44.
  36. Delp E.J., Michell O.R. The Use of Block Truncation Coding in DPCM Image Coding //IEEE Trans, on Signal Processing. 1991. Vol.39, No.4. Kuo C.-H., Chen C.-F. Progressive DPCM system with block truncation coding //Electronics letters. 1995. Vol.31, No.
  37. Schufer R., Sikora T. Digital Video Coding Standards and Their Role in Video Communications Proceedings of the IEEE. 1995. Vol.83, No.
  38. B.C., Цикин И. А. Системы компьютерной видеоконференцсвязи М.: Связь и бизнес, 1
  39. Martins М., Moura F. Video Representation with Three-Dimensional Entities //IEEE Journal on Selected Areas in Comm. 1998, Vol. 16, No.l. 46. 47.
  40. Пилипчук Прэтт Н. И., Яковлев «Методы В. П. Адаптивная импульсно-кодовая Сокращение модуляция.-М.:Радио и связь, 1986. У.К. передачи изображений. избыточности» М.: «Радио и связь», 1
  41. В.В., Калинин Г. А. Обработка изображений на языке Си для IBM PC: Алгоритмы и программы. М.: Мир, 1994. 189
  42. Dufaux F., Moscheni F. Motion estimation techniques for digital TV: Review and a new contribution //Proceedings of the IEEE. 1995, Vol. 83, No. 6.
  43. Horn P., Schunck B. Determining optical flow //Artifical Intelligence. 1981.-Vol. 17.
  44. Nagel H, Displacement vectors derived from second-order intensity variations in image sequences //Computer Graphics and Image Process. 1983.-Vol. 21.
  45. Netravali A., Robbins J. Motion compensated television coding //Bell System Technologies Journal. 1979. Vol. 58, No.3
  46. Koga T. Motion compensated interframe coding of video conferencing //Proceeding of National Telecommunications Conference. New Orleans, LA, 1981.
  47. Musmann H., Pirsch P., Grallert H., Advances in picture coding //Proc. IEEE. 1985. Vol. 73.
  48. Jain R. Jain A., Displacement measurement and its application in interframe image coding //IEEE Trans. Commun. 1981. Vol. 29. 57. OKoHHop П. Преобразование стандартов с компенсацией движения //Техника кино и телевидения. 1995. № 4.
  49. Ю.Б., Дворкович В. П., Нечепаев В. В., Соколов А. Ю. Методы анализа и компенсации движения в динамических изображениях //Электросвязь. 1998. 11.
  50. Pogorelov K.V., Krovchenko P.P., Khussainov N. Sh., Khadjinov A.A. Development of High-Performance Intraframe and Interframe Video Compression Techniques. Proceedings of 5-th International Conference 190
  51. K.B., Кравченко П. П., Хусаинов Н. Ш. Сборник 61. 62. трудов Научно-практической Разработка конференции алгоритмов внутрикадровой и межкадровой видеокомпрессии. «Информационная безопасность». Таганрог, ТРТУ, 2002 г., с. 160-
  52. Dufaux F. Multigrid block matching motion estimation for generic video coding. Institute of Tech., Lausannes, Switzerland, 1
  53. Anandan P., A unified perspective on computational techniques for the measurement of visual motion //IEEE Proc. Int. Conf Computer Vision, London, UK.-1987.
  54. Bierling M., Displacement estimation by hierarchical block matching //SPIE Proc. Visual Commun. and Image Process. 88, Cambridg, MA. 1988.-Vol. 1001.
  55. Sullivan G. Baker R. Motion compensation for video compression using control grid interpolation //IEEE Proc. ICASSP91, Toronto, Canada. 1991.-Vol. 4. 65. 66. 67. 68. 69.
  56. Netravali A., Lippman A. Digital Television: A Perspective //Proceedings of the IEEE. 1995. Vol.83, No.6. ISO/IEC 13
  57. Information Technology Generic Coding of Moving Pictures and Associated Audio Information /Ed.l, JTC 1/SC 29, 1
  58. Ярославский Л.П. Введение
  59. .А. Цифровое вещание: от студии к телезрителю. М.: Компания Сайрус Системе, 2
  60. Ф.В. Методы сжатия цифровых видеосигналов Техника кино и телевидения. 1995. 6 Волкова Ю. Сущности MPEG //Сети. 2000. 9, Попов А. А. MPEG2 в телевидении //Новости техники и технологии, ТКТ. -1999. 7. 191
  61. А. Видеостандарт MPEG //625. 1996. №
  62. А., Дворкович В., Марков Д., Новинский Н., Соколов А. Испытательные f 75. таблицы для измерения качества цифрового и аналогового телевизионного вещания //625. 1999. № 8. ISO/IEC 11
  63. Information Technology Coding of Moving Pictures and Associated Audio for Digital Storage Media up to about 1,5 Mbit/s /Ed.l, JTC 1/SC29, 1993. 76.
  64. A. Уплотнение видеосигнала //Сети. 2000.
  65. У. Цифровая обработка изображений в 2-х кн. М.: Радио и связь, 1987.
  66. А.А. Объективная оценка качества последовательности скомпрессированных изображений. Эвристически оптимизированная модель //Техника кино и телевидения 1999. 6.
  67. К.Ф., Логунов А. Н., Перегудов А. Ф., Лячаков В. Н. Объективная оценка артефактов видеокомпрессии //Техника кино и телевидения 2000.- 2. 80.
  68. М.И. Основы телевизионных измерений. М.: Связь, 1
  69. Видеопотоки MPEG: предобработка и контроль качества Snell Wilcox //Broadcasting. 2001. 3.
  70. Lubin J., Brill M., Crane R. Vision Model-Based Assessment of Distorion Magnitudes in Digital Video. NJ: David Sarnoff Research Center, 2000.
  71. Wallace, Gregory K. The JPEG Still-Picture Compression Standard //Communications of the ACM. 1991. 34 (4). 192
  72. Н.Ш. Использование алгоритмов дельта-преобразований второго порядка для кодирования графических изображений со сжатием: Тез. докл. IV Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». Таганрог, 1998.
  73. К.В., Кравченко П.П, Хусаинов Н. Ш., Хаджинов А. А. Система децентрализованной многоточечной видеоконференцсвязи в 1Р-сетяхю «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения». Труды VI Всероссийской научной конференции с международным участием. Научное издание. Таганрог. ООО «Антон», 2003. 48−53.
  74. П.П., Хусаинов Н. Ш. Сжатие графических изображений на основе алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка //Известия ТРТУ. 1998. 3.
  75. П.П., Хусаинов Н.Ш. Сжатие растровых изображений с потерями на основе алгоритма оптимизированных дельта- 193
  76. СВ. Цвет на экране телевизора. Основы телевизионной колориметрии М.:Радио и связь, 2
  77. А.Г. Форматы графических файлов. М.: Диалог, 1
  78. .К., Коёкин А. И., Михайлов Б. А. Сжатие данных в цифровом телевидении //Электросвязь. 1995.
  79. М. Цифровое телевидение. Теория и техника /Пер. с чешек, под ред. Л. С. Виленчика. М.: Радио и связь, 1
  80. Стандарт MPEG-2: комментируют специалисты //Техника кино и телевидения, 1999.
  81. В. П. Нечепаев В.В. Оценка качества компенсации движения при использовании точных значений векторов движения. В сб. «Доклады 1-й Международной конференции DSPA-98». М.: МЦНТИ, 1998. 194
  82. Архитектура, программирование, интерфейс. М.:Горячая линияТелеком, 2000.
  83. В.П., Нечепаев В. В. Компенсация движения использованием преобразования Фурье. В 102. 103. сб. «Доклады 1-й Международной конференции DSPA-98». М МЦНТИ, 1
  84. Kunt М., Ikonomopoulos А., Kocher М. Second Generation Image Coding Techniques //Proc. of the IEEE. 1985. Vol. PROC-
  85. K.B., Хусаинов Н. Ш., Кульбацкий А. Ю. Цифровая компрессия аудиовизуальной информации на основе алгоритмов оптимизированных дельта-преобразований второго порядка. Известия ТРТУ. Спец. выпуск «Материалы XLVI научно-технической конференции». Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 1 (19), с. 63, 104.
  86. . Расчет и измерение разборчивости речи. М.:Связь, 1
  87. К.В., Кравченко П. П., Хусаинов Н. Ш., Хаджинов А. А. Система организации многоточечной видеоконференции для локальных сетей с негарантированным качеством обслуживания. «Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические 2003 г., с.18−21.
  88. К.В. Многоточечная видеоконференцсвязь в локальных сетях. „Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения“. Труды VII Всероссийской научной конференции с международным участием. Научное издание Таганрог: „ПБОЮЛ В.А.Кравцов“, 2004 г. 36−38.
  89. К.В. Алгоритмы межкадровой и внутрикадровой компрессии видеоданных на основе оптимизированных дельтанауки». Специальный выпуск «Математическое моделирование и компьютерные технологии в науке и производстве». 195
  90. Материалы L научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004. 8 (43). 68-
  91. К.В. Видеокодек на основе оптимизированных дельтапреобразований второго порядка в формате драйвера для ОС Microsoft Windows. Технологии Microsoft в теории и практике программирования: Труды Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Центральный регион. Москва. 17−18 fi 109. феврапя 2005 г. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005.
  92. К.В. Разработка алгоритма сжатия изображений на основе оптимизированных научной дельта-преобразований студентов и второго порядка и усеченного блочного кодирования. Тез. докл. V Всероссийской конференции аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. с. 125−126.
  93. К.В. Алгоритм коррекции ошибок кодирования сигналов с использованием дельта-преобразований. VII Международная научнотехническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. в 3-х т. М.: Изд-во МЭИ, 2001, т.1,с.276. 196
Заполнить форму текущей работой

Заказал и сдал!