Книги
Статьи
О сайте
Авторские права
О защите
Для авторов
Бюллетень ВАК
Новости
Поиск
СУПЕРОБУЧЕНИЕ Полезные ссылки

Книжный Игорь Михайлович. Сжатие статических изображений с постоянной скоростью сжимающего кодирования в задачах дистанционного зондирования Земли

На правах рукописи

КНИЖНЫЙ Игорь Михайлович

Сжатие статических изображений с постоянной скоростью сжимающего кодирования в задачах дистанционного зондирования Земли

Специальность 05.12.04

Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2006

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических систем Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель:       кандидат технических наук, доцент

БОРИСОВ Виктор Алексеевич

Официальные оппоненты:   доктор технических наук, профессор

СВИРИДЕНКО Владимир Александрович

кандидат технических наук ВАЙНЦВАЙГ Модест Николаевич

Ведущая организация:       ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина»

Защита состоится 26 октября 2006 г. в 17 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, в ауд. А-402.

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

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

Автореферат разослан          сентября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент           Т.И. КУРОЧКИНА

Общая характеристика работы Актуальность темы

Необходимость сжатия на борту космических аппаратов видеоданных, получаемых в задачах дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), обусловлена ростом генерируемых современными космическими системами ДЗЗ информационных потоков (до нескольких сотен МБайт/с), связанным с увеличением как пространственного, так и спектрального разрешения съёмочной аппаратуры при сохранении широкой полосы обзора, и сравнительно невысокой пропускной способностью радиоканалов при передаче данных на наземные приемные станции.

В большинстве современных систем дистанционного зондирования Земли из космоса в качестве основного используется непрерывный режим непосредственной передачи, ограничивающий возможность применения буферизации для выравнивания потока кодируемых данных. Необходимость согласования потока сжатых видеоданных с пропускной способностью радиоканала при передаче на наземные приемные станции диктует требование обеспечения кодером постоянства скорости сжимающего кодирования, а специфика бортовой реализации накладывает ограничения на вычислительную сложность применяемых алгоритмов.

Известные в настоящее время методы сжатия не удовлетворяют в полной мере сформулированным выше требованиям, что делает актуальными разработку и исследование методов сжатия изображений, получаемых при дистанционном зондировании Земли.

Актуальность названных задач подчеркивается в целом ряде научно-технических программ, в числе которых федеральная целевая научно-техническая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 г., в рамках которой (Блок 2 - «Поисково-прикладные исследования и разработки», раздел «Информационные технологии», Тема № 32 «Модели и алгоритмы кодирования и сжатия информации») были получены основные результаты, представленные в настоящей диссертационной работе.

В диссертационной работе развиваются выполненные ведущими российскими и зарубежными специалистами исследования по проблематике кодирования источника, пионерский вклад в которые внесли Р. Галлагер, С. Голомб, М. Вайнбергер, Ш. Ву, Г. Лэнгдон, Р. Райс, В.Ф. Бабкин, Ю.М. Штарьков и др.

Необходимо отметить также фундаментальные работы ученых новосибирской школы в области теоретико-информационных методов кодирования источника, авторами которых являются Р.Е. Кричевский, Б.Я. Рябко, В.К. Трофимов.

Практические методы сжимающего кодирования изображений разрабатывались в Институте проблем передачи информации РАН работами Д.С. Лебедева и Л.П. Ярославского. Представленные подходы могут рассматриваться как составляющая часть работ, опубликованных ранее.

 Применительно к задачам дистанционного зондирования Земли из космоса теория и практика сжатия изображений разрабатывалась и успешно применялась многими специалистами, в числе которых И.Б. Фоменко (Зеленоград), В.В. Сергеев, Н.И. Глумов, М.А. Чичева (Самара) и др.

Цель диссертационной работы состоит в разработке и исследовании методов сжатия изображений для задач дистанционного зондирования Земли, обеспечивающих постоянство скорости сжимающего кодирования и предназначенных для реализации на базе бортовых вычислительных комплексов ограниченной технической оснащённости.

В рамках проводимого исследования решались следующие задачи:

1.          Анализ   существующих   подходов   и   методов   сжатия   с   целью определения возможности их модификации для использования в бортовых системах сжатия изображений.

Синтез на основе метода усечённого блочного кодирования алгоритмов сжатия изображений, обладающих малой вычислительной сложностью и обеспечивающих постоянство скорости сжимающего кодирования при значительном уменьшении, по сравнению с известными подходами, вносимых в процессе кодирования искажений.

Построение и исследование улучшенной адаптивной схемы статистического сжатия   на   основе   кода   Голомба   в   качестве   эффективной   альтернативы динамическому хаффменовскому и арифметическому кодированию.

Разработка схемы трансформационного кодирования изображений на базе двумерного дискретного  косинус-преобразования,  обеспечивающей постоянство средней скорости сжимающего кодирования и обладающей малой ресурсоёмкостью
и относительно невысокой вычислительной сложностью.

Разработка схемы сжатия изображений на основе адаптивного контекстного предсказателя,   обеспечивающей   постоянство   средней   скорости   сжимающего кодирования, с уровнем потерь, гарантированно не превосходящим заданного.

Методы исследования

Для проведения исследований в рамках диссертационной работы использовались методы прикладной теории информации, теории кодирования источника, математической статистики. Экспериментальные исследования строились на основе программной реализации алгоритмов с последующей оценкой полученных результатов, включающей сравнение с доступными по публикациям в специальной литературе экспериментальными данными.

Научная новизна

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты: 1. Предложена модификация метода усечённого блочного кодирования (УБК), базирующаяся на эффективной процедуре выбора пороговых уровней

при квантовании, обеспечивающая близкий к минимальному уровень искажений. Среднеквадратическая ошибка при использовании предложенной процедуры отличается от минимально-возможной для УБК в среднем на 4%.

Разработана    оригинальная    методика    использования    согласованных процедур пре- и постфильтрации, позволяющая в среднем более чем в 2 раза сократить среднеквадратическую ошибку при сжатии изображений методом УБК.

Предложен    метод    сокращённой    передачи    уровней    квантования кодируемых блоков при сжатии изображений методом УБК, позволяющий при четырёх и более уровнях квантования использовать в 1.5-2 раза меньший размер блока с сохранением прежнего коэффициента сжатия и уровня искажений.

Разработана     улучшенная     однопроходная     адаптивная     схема статистического   сжатия   на   основе   кода   Голомба   (АКГ)   в   качестве альтернативной   схемам   адаптивного   арифметического   кодирования   для использования при сжатии изображений, получаемых в задачах ДЗЗ.

Получена теоретическая  оценка избыточности  АКГ  как  функции числа отсчётов, по которому определяется параметр кода Голомба.

Построена схема сжатия изображений на основе двумерного дискретного косинус-преобразования   (ДКП)   с   использованием   АКГ   для   кодирования коэффициентов     ДКП,     обеспечивающая     значительно     более     высокую производительность кодера (в среднем - в 2.5 раза) и одновременно на 5% большую степень сжатия изображений, чем JPEG с арифметическим кодированием.

Предложена эффективная методика оценки параметра кода Голомба по   взвешенному   среднему   с   коррекцией   при   сжатии   изображений   с использованием адаптивного контекстно-зависимого предсказателя.

Разработан     метод     сжатия     изображений     на     основе     ДКП, обеспечивающий постоянство средней скорости сжимающего кодирования.

Разработан метод сжатия изображений на основе адаптивного контекстно-зависимого предсказателя, обеспечивающий постоянство средней скорости сжимающего кодирования, с уровнем потерь, гарантированно не превосходящим заданного.

Практическая ценность результатов

Разработано семейство алгоритмов сжатия изображений, обеспечивающих постоянство    скорости    сжимающего    кодирования,    ориентированных    на использование в бортовых вычислительных комплексах ограниченной технической оснащённости, в том числе построенных на базе сигнальных процессоров и ПЛИС.

Предложенные    в    ходе    выполнения    диссертационной    работы алгоритмы сжатия реализованы в виде набора библиотечных программных модулей,   написанных   на  языке   Си,   а  также   в   виде   самостоятельных консольных Win32-приложений, позволяющих сжимать и восстанавливать изображения с заданными коэффициентами сжатия.

Алгоритмы, предложенные и описанные автором в диссертационной работе, были использованы при разработке проекта бортовой системы сжатия видеоданных, получаемых от комплекса дистанционного зондирования Земли среднего разрешения космического аппарата «МЕТЕОР-М».

Применение предложенного автором метода сжимающего кодирования при разработке проекта «Солнечный парус» позволило реализовать возможность сжатия изображений с использованием бортового вычислительного устройства малой производительности.

Разработанная простая адаптивная схема статистического сжатия на основе кода Голомба, не требующая применения кодовых таблиц и вычислений с плавающей точкой, используется в программе сжатия без потерь и с ограниченными потерями полутоновых черно-белых и многокомпонентных цветных изображений с большим    числом    уровней    квантования    (8-16    бит    на    компоненту), зарегистрированной в ВНТИЦ под регистрационным номером 50200500007.

Апробация и внедрение результатов работы

Алгоритмы, предложенные и описанные автором в диссертационной работе, были использованы при разработке проекта бортовой системы сжатия видеоданных, получаемых от комплекса дистанционного зондирования Земли среднего разрешения космического аппарата «МЕТЕОР-М», обеспечивающей постоянную скорость сжимающего кодирования, а также в программе сжатия без потерь и с ограниченными потерями полутоновых черно-белых и многокомпонентных цветных изображений с большим числом уровней квантования (8-16 бит на компоненту), подготовленной к реализации в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 г.

Применение предложенного автором метода сжимающего кодирования на основе ДКП и АКГ при разработке проекта «Солнечный парус» позволило реализовать возможность сжатия изображений с использованием бортового вычислительного устройства малой производительности.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на I и III Всероссийских открытых конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» в 2003 и 2005 годах, на 11-й Всероссийской конференции «Математические методы распознавания образов ММРО-11», на семинаре Института космических исследований (ИКИ) РАН «Современные и перспективные разработки и технологии в космическом приборостроении» в 2004 году.

Подготовленные в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 г., блок 2 - «Поисково-прикладные исследования и разработки», раздел «Информационные технологии», тема № 32 «Модели и алгоритмы кодирования и сжатия информации» научно-технические отчеты по теме «Разработка алгоритмов и программных средств неискажающего сжатия и сжатия с ограниченными потерями многокомпонентных изображений» зарегистрированы во ВНТИЦ за 2002-2004 г., регистрационные номера отчётов 0220.0 406457, 0220.0 406458 и 0220.0 406459. Отчет за 2004 г. был отмечен премией на конкурсе научных работ ИКИ РАН в номинации «Научно-технические отчёты».

Публикации

По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ, 2 из которых -доклады на научно-технической конференции и семинаре, 3 - тезисы докладов на научно-технических конференциях, одна статья в тематическом сборнике «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», подготовлено 3 научно-технических отчёта, зарегистрированных в ВНТИЦ.

На защиту выносятся следующие положения:

Модифицированный   метод   усечённого   блочного   кодирования   с альтернативным алгоритмом выбора пороговых уровней при квантовании и согласованными процедурами пре- и постфильтрации кодируемых изображений.

Разработанная автором оригинальная реализация адаптивного кода Голомба  и  её  использование  в  схемах  сжатия  изображений  на  основе предсказателя и дискретного косинус-преобразования.

Алгоритмы     сжатия    изображений     с     постоянной     скоростью сжимающего кодирования на основе  адаптивного  контекстно-зависимого предсказателя и дискретного косинус-преобразования.

Запрос на автореферат диссертации присылайте на адрес hotdevil.ru@mail.ru