Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей

Основой методов и алгоритмов компактного кодирования сигналов и изображений, оптимизированных по быстродействию и точности кодирования, является подход, при котором на огибающей сигнала (видеосигнала) обнаруживают существенные отсчеты, проверяют их достоверность и кодируют разностными кодами. Для от...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Компьютерная математика
Дата:2012
Автор: Шевчук, Б.М.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2012
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84714
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей / Б.М. Шевчук // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 2. — С. 100-106. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860222339829989376
author Шевчук, Б.М.
author_facet Шевчук, Б.М.
citation_txt Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей / Б.М. Шевчук // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 2. — С. 100-106. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Компьютерная математика
description Основой методов и алгоритмов компактного кодирования сигналов и изображений, оптимизированных по быстродействию и точности кодирования, является подход, при котором на огибающей сигнала (видеосигнала) обнаруживают существенные отсчеты, проверяют их достоверность и кодируют разностными кодами. Для отбора и компактного кодирования ключевых кадров видеоданных определяют информативность наиболее весомых существенных отсчетов видеосигнала и на основе полученных данных реализуют разностное кодирование текущих видеокадров. Основою методів і алгоритмів компактного кодування сигналів і зображень, оптимізованих за швидкодією і точністю кодування, є підхід, при якому на згинаючій сигналу (відеосигналу) виявляють суттєві відліки, перевіряють їх достовірність та кодують різницевими кодами. Для відбору та компактного кодування ключових кадрів відеоданих визначають інформативність найбільш вагомих суттєвих відліків відеосигналу й на основі отриманих даних реалізують різницеве кодування поточних відеокадрів. The basis of methods and algorithms for compact encoding of signals and images that are optimized for speed and accuracy of coding is an approach in which, on the envelope signal (video signal) shows important frames, verify their authenticity and encode the difference codes. To select and compact coding of key frames of video data determine the most informative video weighty and important frames on the basis of the data encoding realize the difference of current video frames.
first_indexed 2025-12-07T18:18:17Z
format Article
fulltext 100 Компьютерная математика. 2012, № 2 Основой методов и алгоритмов компактного кодирования сигна- лов и изображений, оптимизиро- ванных по быстродействию и точности кодирования, является подход, при котором на огибаю- щей сигнала (видеосигнала) обна- руживают существенные отсче- ты, проверяют их достоверность и кодируют разностными кодами. Для отбора и компактного коди- рования ключевых кадров видео- данных определяют информатив- ность наиболее весомых сущест- венных отсчетов видеосигнала и на основе полученных данных реа- лизуют разностное кодирование текущих видеокадров. _____________________________  Б.М. Шевчук, 2012 УДК 681.31 Б.М. ШЕВЧУК ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО СЖАТИЯ СИГНАЛОВ И ИЗОБРАЖЕНИЙ, ОРИЕНТИРОВАННЫЕ НА ПОСТРОЕНИЕ ОБЪЕКТНЫХ СИСТЕМ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ Введение. Одним из перспективных направ- лений развития современных информацион- но-коммуникационных технологий является создание интеллектуальных радиомодулей ISM диапазона частот (ISM (ISM – industrial, scientific, medical -: 433 МГц, 868 МГц, 902-928 МГц (для США), 2.4 ГГц)) для по- строения и функционирования сенсорных сетей с самоорганизацией передачи пакетов данных. Стремительное развитие и внедре- ние сенсорных сетей в различные области человеческой деятельности обусловлено не- обходимостью контроля и прогнозирования протекания процессов различной природы, мониторинга и своевременного корректиро- вания состояний объектов (технических, биологических и др.), предотвращения угро- жающих событий и др. При этом на объектах контроля устанавливаются портативные або- нентские (объектные) системы сенсорных сетей, осуществляющих ввод, обработку, ко- дирование и передачу в удаленные базы дан- ных информативных сообщений о контроли- руемых событиях, процессах и состояниях объектов [1 – 4]. Применение таких систем особенно актуально в телемедицине, в спор- те, в процессе экомониторинга территорий, зданий, помещений, контроля качества про- ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО СЖАТИЯ ... изводства, охраны и видео- мониторинга объектов и др. ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО СЖАТИЯ ... Компьютерная математика. 2012, № 2 101 Учитывая ограниченную скорость передачи данных в сенсорных сетях (250 Кбитс) актуальной проблемой является эффективное использование канальных ресурсов удаленными абонентскими (объектными) системами сети. Решение этой проблемы достигается за счет реализации процессорами и специализиро- ванными устройствами объектных систем (ОС) методов и алгоритмов оператив- ной фильтрации и сжатия данных, кодирования массивов данных, формирова- ния компактных, криптостойких и помехоустойчивых пакетов информации [1]. С учетом ограниченной продуктивности процессоров ОС, которые должны дли- тельное время функционировать в автономном режиме (с батарейным питани- ем), нерешенной задачей является качественное компактное кодирование сигна- лов, изображений и коротких фрагментов видео. Цель работы – разработка эффективных методов и алгоритмов сжатия сиг- налов и изображений, оптимизированных по быстродействию и точности коди- рования данных. В результате реализации предложенных методов и алгоритмов компактного кодирования сигналов и изображений в местах ввода информации, т. е. непосредственно на объектах контроля и управления программно- аппаратными средствами ОС обеспечивается существенное уменьшение инфор- мационных потоков, подлежащих передаче и ретрансляции в общих каналах связи, а также накоплению в базах данных. Реализация эффективных по быстродействию и точности кодирования методов и алгоритмов сжатия сигналов и видеосигналов. В основу эффек- тивных методов и алгоритмов компактного кодирования сигналов (видеосигна- лов) (в дальнейшем – сигналов) положен «сигнальный» подход, суть которого состоит в том, чтобы с минимальным количеством вычислительных операций реализовать компактное кодирование/декодирование существенных отсчетов [2] сигналов с учетом точного возобновления огибающей сигнала. Существенным преимуществом данного подхода является тот факт, что искажению подлежат только те участки сигнала, которые классифицируются как недостоверные или неинформативные. При этом необходимо максимально учитывать особенности прикладных задач, в которых применяется адаптивное компактное кодирование сигналов, и в процессе сжатия данных с допустимыми (контролируемыми) поте- рями информации целесообразно выделять участки сигнала, на которых ампли- тудно-временные параметры существенных отсчетов (СО) кодируются макси- мально точно, а также участки сигнала (искаженные шумами участки, неинфор- мативные участки и др.), на которых выделяют минимально необходимое коли- чество СО и их амплитудно-временные параметры кодируют максимально ком- пактно (с меньшим количеством бит) без существенного искажения визуальных характеристик огибающей сигнала. Также преимуществом адаптивного подхода при кодировании разных по информативности участков сигнала является воз- можность уведомления исследователя о степени искажения входных данных в процессе компактного кодирования сигналов с допустимыми потерями (напри- мер, возобновленные достоверные и недостоверные участки измерительного сигнала отображают двумя цветами). Б.М. ШЕВЧУК 102 Компьютерная математика. 2012, № 2 Компактное кодирование данных осуществляется последовательными вы- борками, при этом формируется общая служебная информация оСИ , служебная информация параметров адаптации текущих участков сигнала ПАСИ , а также компактные коды СО этих участков. Выходные компактные потоки данных ко- дируются в виде следующего битового потока данных: 1 11 1 1 1{ }[{ }{ }...{ }]...[{ }{ }...{ }]...n j j jnj о ПА СО СО ПА СО СОСИ СИ КК КК СИ КК КК 1...[{ }{ }...{ }]m m mnm ПА СО СОСИ КК КК , где −= mj ,...,1 номер участка сигнала; −nmnjn ,...,,...,1 количество СО соот- ветствующего участка сигнала; КК − компактные данные соответствующих СО. К СО относятся экстремумы, точки перегиба, а также точки изменения на- правления кривой, для которых выполняется условие ( ) ( )1i iX t X t− − ≠ ( ) ( )1i iX t X t +≠ − . На зашумленных и нединамических участках текущих выбо- рок сигнал (искаженных шумами участках, участках с длительными постоянны- ми составляющими, медленными подъемами и спадами огибающей) максималь- но допустимое расстояние между СО определяется величиной минимально до- пустимого коэффициента сжатия данных mincK . В свою очередь величина mincK определяет качество возобновления сигналов (видеосигналов). С учетом дости- жения необходимой величины mincK для качественного кодирования и воз- обновления чистых от шумов участков сигнала целесообразно формировать не- обходимое количество СО, а для достижения необходимой величины mincK ос- новное сжатие данных достигается за счет определения минимального количе- ства СО на участках сигнала с шумами. Учитывая тот факт, что после фильтра- ции сигнала на огибающей обнаруживают большое количество рядом располо- женных СО (точек перегиба), то необходимо из группы соседних СО выделить наиболее информативный отсчет. Для уменьшения количества СО и ускорения процесса обработки и кодирования данных точки перегиба определяют только на пологих участках огибающей сигнала, которой выполняется условие d F i XX ∆≤∆ , где F i F i F i XXX 1−−=∆ , −F iX значение i -го отсчета отфильтро- ванного сигнала, dX∆ − предварительно заданная исследователем допустимая величина текущей крутизны сигнала. Для ускорения обработки данных интервал опроса измерительных сигналов определяется с учетом текущей величины F iX∆ и вычисленной величины i N ÑOi N ÑOi XXX −=∆ , где N СOiX∆ – показатель соотношения сигнал/шум для i -го СО F СОiX , определенного на отфильтрованной кривой, −iX амплитудное значение входного сигнала, временной отсчет кото- рого соответствует F СОiX . Поскольку в процессе обработки и кодирования измерительных сигналов, частота опроса которых выбирается избыточной, ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО СЖАТИЯ ... Компьютерная математика. 2012, № 2 103 необходимо определять текущий коэффициент прореживания входной выборки данных прiK . Данная величина – функция двух величин: прiK = ( , ).N F СВi if X X= ∆ ∆ Для определения показателя N СOiX∆ в окрестности СО воз- можны различные вычисления оценки входного соотношения сигнал/шум (усредненные величины в окрестности отсчета F СОiX и др.), которые определяет исследователь исходя из особенностей прикладных задач. Чистый от шумов считается участок сигнала, образующий два и более СО-экстремума (СО-Э), для которых выполняется условие ,N N СОi dX∆ ≤ δ N dδ − допустимая величина уровня входных шумов в окрестности СО. Как правило, N dδ определяет достоверность младших двоичных разрядов амплитудных значений СО. Соответственно «за- шумленный» участок сигнала образуют СО-Э, для которых .N N СОi dX∆ ≥ δ Оди- ночные «чистые» СО-Э, обнаруживающиеся между зашумленными СО-Э, отно- сятся к зашумленному участку сигнала. Обработка и кодирование данных осуществляется последовательными вы- борками. Кодирование СО на зашумленных и чистых от шумов участках сигна- ла осуществляется с использованием разностного кодирования амплитудных и временных значений СО, где первый отсчет текущей выборки сигнала кодиру- ется полноразрядным кодом. Структура алгоритма оперативного сжатия сигна- лов показана на рисунке. На первом этапе обработки скользящим методом с ми- нимальным окном усреднения (3 – 5 отсчетов) осуществляется фильтрация от- счетов текущей выборки сигнала. На предварительно отфильтрованной кривой, отсчеты которой соответствуют отсчетам «зашумленным» участков сигнала, с учетом изменения знака величины F iX∆ определяются амплитудно-времен- ные параметры СО-Э и соответствующие им показатели ,N СOiX∆ ,F iX∆ .прiK На зашумленных участках сигнала, с учетом кодирования амплитудных значе- ний отсчетов СО с количеством бит min ,q q= по предварительно вычисленным амплитудно-временным параметрам СО определяют абсолютные значения те- кущих разностей между соседними СО и определяют их максимальные разности и количество бит для кодирования СО. После обнаружения чистых от шумов участков сигнала, с учетом кодирования отсчетов СО с max ,q q= уточняются и кодируються амплитудно-временные параметры СО-Э, а также обнаруживаются точки перегиба или точки изменения направления кривой. Результаты вычисле- ний кодируються разностными кодами. Для широкого применения сенсорных сетей актуальна проблема разработки микромощных и недорогих видеокодеков, оптимизированных по быстродейст- вию и точности кодирования видеоданных. Анализ информационных потоков RGB-видеоданных с качеством представления данных в стандарте VGA (640*480) и FullHD (1920*1080) при 8-ми битовом кодировании трех состав- Б.М. ШЕВЧУК 104 Компьютерная математика. 2012, № 2 ляющих цветного изображения показывает, что один кадр содержит соответст- венно 7.4 и 49.8 Мбит (монохромный кадр – 2.47 и 16.6 Мбит). При реальной скорости передачи данных 200 Кбит/с время передачи одного цветного кадра составляет приблизительно 37 и 249 сек (монохромного кадра – 13 и 83 сек). Приблизительно на 30 % эти параметры можно уменьшить при использовании цветоразностного YUV-метода представления цветных изображений. РИСУНОК. Структура алгоритма оперативного сжатия сигналов ЭФФЕКТИВНЫЕ МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ОПЕРАТИВНОГО СЖАТИЯ ... Компьютерная математика. 2012, № 2 105 Поэтому передача изображений в сенсорных сетях возможна при условии оперативного выделения монохромных или цветных ключевых кадров видео- данных и сжатия данных в десятки-сотни раз. Эффективный способ решения данной проблемы – применение адаптивного информационно-эффективного ви- деокодирования [5] с вычислением информативности [1, 2] наиболее весомых СО каждой строки видеокадра. В результате при сравнении параметров наибо- лее весомых СО текущих кадров принимается решение о выделении того кадра, в котором обнаружены наибольшие изменения амплитудно-временных парамет- ров весомых СО. Далее анализируются параметры весомых СО соседних ключе- вых кадров, формируется массив разностных данных, подлежащий сжатию без потерь и криптостойкому кодированию. Следует отметить, что в перспективных сенсорных сетях в процессе помехоустойчивого кодирования и формирования пакетов информации приблизительно в два раза уменьшается длительность па- кетов, что эквивалентно сжатию данных в процессе передачи информации. Выводы. Предложенные методы и алгоритмы компактного кодирования сигналов (видеосигналов) позволяют реализовать в темпе ввода данных каче- ственное кодирование входных данных без искажения визуальных характе- ристик огибающих сигналов. Степень искажения данных задается исследова- телем исходя из особенностей прикладных задач. За счет минимизации вычи- слительных операций предложенные методы и алгоритмы ориентированы на построение микромощных специализированных кодеков (видеокодеков) або- нентских систем сенсорных сетей. 1. Шевчук Б.М., Задірака В.К., Гнатів Л.О., Фраєр С.В. Технологія багатофункціональної обробки і передачі інформації в моніторингових мережах. – К.: Наук. думка, 2010. – 370 с. 2. Гераїмчук М.Д., Івахів О.В., Паламар М.І., Шевчук Б.М. Основи побудови перспективних безпроводових сенсорних мереж. Монографія. – К.: ЕКМО, 2010. – 124 с. 3. Шевчук Б.М., Зінченко В.П., Фраєр С.В. Високоінформативна обробка та кодування сиг- налів і зображень в мережах дистанційного моніторингу станів об’єктів // Наукові вісті НТУУ «КПІ». – 2008. – № 2. – С. 89 – 96. 4. Шевчук Б.М., Задірака В.К., Марценюк Є.О., Фраєр С.В. Технологія дистанційного моні- торингу функціональних станів спортсменів, операторів та пацієнтів на основі портатив- них терміналів і абонентських систем сенсорних та локально-регіональних радіомереж // Український журнал телемедицини та медичної телематики. – 2012. – 10. – № 1. – С. 69 – 73. 5. Шевчук Б.М., Бовсунівський В.І., Фраєр С.В. Адаптивне інформаційно-ефективне відео- кодування // Матеріали проблемно-наукової міжгалузевої конф. «Інформаційні проблеми комп’ютерних систем, юриспруденції, економіки та моделювання» (ПНМК-2011). – Бу- чач: Бучачський інститут менеджменту і аудиту. – 2011. – Вип. 5. – 1. – С. 10 – 14. Получено 21.06.2012 Б.М. ШЕВЧУК 106 Компьютерная математика. 2012, № 2 Б.М. Шевчук ЕФЕКТИВНІ МЕТОДИ І АЛГОРИТМИ ОПЕРАТИВНОГО СТИСКУ СИГНАЛІВ ТА ЗОБРАЖЕНЬ, ОРІЄНТОВАНІ НА ПОБУДОВУ ОБ’ЄКТНИХ СИСТЕМ СЕНСОРНИХ МЕРЕЖ Основою методів і алгоритмів компактного кодування сигналів і зображень, оптимізованих за швидкодією і точністю кодування, є підхід, при якому на згинаючій сигналу (відеосигна- лу) виявляють суттєві відліки, перевіряють їх достовірність та кодують різницевими кодами. Для відбору та компактного кодування ключових кадрів відеоданих визначають інформатив- ність найбільш вагомих суттєвих відліків відеосигналу й на основі отриманих даних реалізу- ють різницеве кодування поточних відеокадрів. B.M. Shevchuk EFFICIENT METHODS AND ALGORITHMS FOR RAPID SIGNALS AND IMAGE COMPRESSION FOCUSED ON THE CONSTRUCTION OF OBJECT SYSTEMS IN SENSOR NETWORKS The basis of methods and algorithms for compact encoding of signals and images that are optimized for speed and accuracy of coding is an approach in which, on the envelope signal (video signal) shows im- portant frames, verify their authenticity and encode the difference codes. To select and compact coding of key frames of video data determine the most informative video weighty and important frames on the basis of the data encoding realize the difference of current video frames. Об авторе: Шевчук Богдан Михайлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, e-mail: incors@ukr.net
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84714
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn ХХХХ-0003
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:18:17Z
publishDate 2012
publisher Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format dspace
spelling Шевчук, Б.М.
2015-07-13T15:45:14Z
2015-07-13T15:45:14Z
2012
Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей / Б.М. Шевчук // Компьютерная математика: сб. науч. тр. — 2012. — № 2. — С. 100-106. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
ХХХХ-0003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84714
681.31
Основой методов и алгоритмов компактного кодирования сигналов и изображений, оптимизированных по быстродействию и точности кодирования, является подход, при котором на огибающей сигнала (видеосигнала) обнаруживают существенные отсчеты, проверяют их достоверность и кодируют разностными кодами. Для отбора и компактного кодирования ключевых кадров видеоданных определяют информативность наиболее весомых существенных отсчетов видеосигнала и на основе полученных данных реализуют разностное кодирование текущих видеокадров.
Основою методів і алгоритмів компактного кодування сигналів і зображень, оптимізованих за швидкодією і точністю кодування, є підхід, при якому на згинаючій сигналу (відеосигналу) виявляють суттєві відліки, перевіряють їх достовірність та кодують різницевими кодами. Для відбору та компактного кодування ключових кадрів відеоданих визначають інформативність найбільш вагомих суттєвих відліків відеосигналу й на основі отриманих даних реалізують різницеве кодування поточних відеокадрів.
The basis of methods and algorithms for compact encoding of signals and images that are optimized for speed and accuracy of coding is an approach in which, on the envelope signal (video signal) shows important frames, verify their authenticity and encode the difference codes. To select and compact coding of key frames of video data determine the most informative video weighty and important frames on the basis of the data encoding realize the difference of current video frames.
ru
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
Компьютерная математика
Инструментальные средства информационных технологий
Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
Ефективні методи і алгоритми оперативного стиску сигналів та зображень, орієнтовані на побудову об’єктних систем сенсорних мереж
Efficient methods and algorithms for rapid signals and image compression focused on the construction of object systems in sensor networks
Article
published earlier
spellingShingle Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
Шевчук, Б.М.
Инструментальные средства информационных технологий
title Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
title_alt Ефективні методи і алгоритми оперативного стиску сигналів та зображень, орієнтовані на побудову об’єктних систем сенсорних мереж
Efficient methods and algorithms for rapid signals and image compression focused on the construction of object systems in sensor networks
title_full Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
title_fullStr Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
title_full_unstemmed Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
title_short Эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
title_sort эффективные методы и алгоритмы оперативного сжатия сигналов и изображений, ориентированные на построение объектных систем сенсорных сетей
topic Инструментальные средства информационных технологий
topic_facet Инструментальные средства информационных технологий
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84714
work_keys_str_mv AT ševčukbm éffektivnyemetodyialgoritmyoperativnogosžatiâsignaloviizobraženiiorientirovannyenapostroenieobʺektnyhsistemsensornyhsetei
AT ševčukbm efektivnímetodiíalgoritmioperativnogostiskusignalívtazobraženʹoríêntovanínapobudovuobêktnihsistemsensornihmerež
AT ševčukbm efficientmethodsandalgorithmsforrapidsignalsandimagecompressionfocusedontheconstructionofobjectsystemsinsensornetworks