Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів
The paper analyzes the system characteristics of CCD matrixes of RGB pixels of color images and the scope of their application in scientific, industrial, and military fields. The volumes and rates of formation of data streams represented by byte-oriented codes of RGB pixels by the codes of the numbe...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/273 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Physico-mathematical modeling and informational technologies |
| Download file: |  |
Institution
Physico-mathematical modeling and informational technologies| _version_ | 1867479640878088192 |
|---|---|
| author | Vozna, Nataliia Pitukh, Ihor Hryha, Lydmula |
| author_facet | Vozna, Nataliia Pitukh, Ihor Hryha, Lydmula |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Nataliia Vozna",
"institution": "д. т. н., професор, Західноукраїнський НУ, вул. Львівська, 11, 46009, Тернопіль"
},
{
"author": "Ihor Pitukh",
"institution": "к. т. н., доцент, Західноукраїнський національний університет"
},
{
"author": "Lydmula Hryha",
"institution": "інженер-електронік, ВСП “Надвірнянський фаховий коледж” НТУ, вул. Соборна"
}
] |
| author_sort | Vozna, Nataliia |
| baseUrl_str | http://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-02-21T17:32:19Z |
| description | The paper analyzes the system characteristics of CCD matrixes of RGB pixels of color images and the scope of their application in scientific, industrial, and military fields. The volumes and rates of formation of data streams represented by byte-oriented codes of RGB pixels by the codes of the number-theoretic bases of Rademacher and Crestenson are determined. The proposed method of statistical processing of RGB pixel data, which is used in the construction of cumulative histograms in image recognition algorithms. A structural diagram of a high-performance processor for determining selective mathematical expectation was developed and its system characteristics were investigated. |
| first_indexed | 2026-06-09T01:09:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
43
doi.org/10.15407/fmmit2023.36.043
Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів
кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики
та залишкових класів
Наталія Возна1, Ігор Пітух1, Людмила Грига2
1 д. т. н., професор, Західноукраїнський НУ, вул. Львівська, 11, 46009, Тернопіль, e-mail: nvozna@ukr.net
1 к. т. н., доцент, Західноукраїнський національний університет, e-mail: pirom75@ukr.net
2 інженер-електронік, ВСП “Надвірнянський фаховий коледж” НТУ, вул. Соборна, 177, 78400, Надвірна, e-mail:
hryhaludmila31@gmail.com
У роботі виконаний аналіз системних характеристик ПЗЗ-матриць RGB-пікселів
кольорових зображень та сфери їх застосування у наукових, промислових та військових
галузях. Визначені об’єми та швидкості формування потоків даних представлених байт-
орієнтованими кодами RGB-пікселів, кодами теоретико-числових базисів Радемахера та
Крестенсона. Запропоновано метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів, які
застосовуються при побудові кумулятивних гістограм в алгоритмах розпізнавання
зображень. Розроблена структурна схема високопродуктивного процесора визначення
вибіркового математичного сподівання та досліджені його системні характеристики.
Ключові слова: розпізнавання образів; процесори; RGB-пікселі; теоретико-
числові базиси Радемахера та Крестенсона.
Вступ. Високочутливі та широкоформатні пристрої з зарядовим зв’язком (ПЗЗ-
матриця - CCD-матриця (Charge Coupled Device)) ефективно застосовуються у
космічній оптоелектроніці супутників, телескопів, наземних стаціонарних та
мобільних засобів телекомунікації, мобільних телефонах, персональних
комп’ютерах, планшетах та інше. У військовій галузі такі засоби є базовими у
структурах дронів, безпілотних літальних апаратів (БПЛА), засобів наведення
ракет та оптичного обміну даними між мобільними військовими об’єктами.
Відомі іноземні фірми Sony, Samsung [1,2] масово тиражують такі пристрої
у якості компонентів інформаційних засобів широкої сфери застосування.
1. Системні характеристики, об’єми даних та швидкості створення
повідомлень ПЗЗ-матрицями RGB-пікселів
Параметри сучасних засобів ПЗЗ-матриць приведені у табл. 1.
Таблиця 1
Параметри ПЗЗ-матриць
№ Матриця Роздільність пікселів, nxm
1. WHUXGA 7600x4800
2. Sony 3200x2016
3. WQVGA 422x240
УДК 681.322
mailto:nvozna@ukr.net
mailto:pirom75@ukr.net
mailto:hryhaludmila31@gmail.com
Наталія Возна, Ігор Пітух, Людмила Грига
Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових …
44
Стандарти відеозв’язку ПЗЗ-матриць приведені у табл. 2.
Таблиця 2
Стандарти відеозв’язку
Стандарт Роздільна здатність ССД Пікселів
SQCIF (Sub Quarter CIF) 128х96 1,33:1 12,288
QCIF (Quarter CIF)) 176х144 1,22:1 25,344
CIF (або FCIF) 352х288 1,22:1 101,376
4CIF (4*CIF) 704х576 1,22:1 405,504
16CIF (16*CIF) 1408х1152 1,22:1 1,622 016
Проведений аналіз системних характеристик ПЗЗ-матриці демонструють
структури потоків даних, які формуються на їх виходах в реальному часі. У
табл. 3 показаний приклад структури даних на виходах ПЗЗ-матриці.
Таблиця 3
Приклади формування вихідних даних ПЗЗ-матриць
Назва Об’єм даних, біт Одиниці
байт/сек Матриця n m R G B
WHUXGA 7600 4800 8 8 8 2
26
х72
NCD 1024 1024 8 8 8 2
20
х72
WQVGA 422 240 8 8 8 2
17
х72
2. Алгоритми опрацювання даних RGB-пікселів при опрацюванні
зображень
В табл. 4 приведені аналітичні вирази базових алгоритмів опрацювання RGB-
пікселів при опрацюванні зображень.
Таблиця 4
Алгоритми опрацювання RGB-зображень
№ Аналітичний вираз Функція обчислень
1. Вибіркове математичне сподівання
1
1 n
x i
i
M X
n
2. Ковзне математичне сподівання
jn
ji
jij X
n
M
1
1
3. Вагове математичне сподівання
jn
ji
jijiv XV
n
M
1
1
4. Дисперсія
n
i
xix MX
n
D
1
2)(
1
ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2023, вип. 36, 43-47
45
Опрацювання образів згідно оцінок Евклідової та Хеммінгової віддалі
здійснюється в результаті обчислень наступних функцій:
1. Евклідова відстань 2( , ) ( )i jd i j x x ;
2. Манхеттенська відстань:
M
i
N
j
jim yxjid
1 1
),( ;
3. Статична відстань:
21
1 1
),(
M
i
N
j
p
jiS yxjid .
Аналіз аналітичних виразів таблиць 4 і 5 показує, що базовою операцією
обчислення приведених функцій є багаторазове накопичення сум. Це визначає
особливо критичні вимоги до швидкодії застосованих комбінаційних та
накопичуючих суматорів при реалізації відповідних процесорів. Розробка
високопродуктивних структурних рішень такого класу процесорів є предметом
дослідження даної статті. При цьому особливі вимоги ставляться до
застосованих принципів кодування бітових значень пікселів. В роботі [3]
запропоновані 2 способи кодування RGB-пікселів на основі кодів Радемахера-
Крестенсона та Хаара-Крестенсона. При опрацюванні таких кодів
застосовуються швидкодіючі алгоритми модульної арифметики і системи
залишкових класів. При цьому встановлений оптимальний набір взаємнопростих
модулів P1=5, P2=7, P3=8, добуток яких P0=P1*P2*P3=280>256. Це задовільняє
умову однозначності кодування двійкових значень пікселів у діапазоні
0<=xi<=255. Застосування таких кодів системи залишкових класів дозволяє
реалізувати обчислювальні операції множення, піднесення до квадрату та
накопичення сум із затримкою сигналів 2 мікротакти. Позитивним фактором
(перевагою) наведеного методу кодування є безпосереднє формування кодів
Радемахера-Крестенсона та Хаара-Крестенсона на виході запропонованих нами
АЦП паралельного типу [4].
При реалізації наведених в таблицях алгоритмів результатом
багаторазового сумування є багаторозрядні коди в яких інформаційними є
старші розряди. Наприклад, при накопиченні суми Мегапікселів утворюються в
кінці циклу додавання 28-розрядний двійковий код, і якому інформаційними є
не більше 12 старших розрядів. Таким чином успішно вирішується проблема
перетворення багаторозрядних чисел системи залишкових класів у двійкову
систему числення шляхом відкидання молодших розрядів коди яких
представлені у вигляді залишків в системі взаємно простих модулів. Оскільки
функція обчислення вибіркового математичного сподівання практично присутня
в інших алгоритмах опрацювання зображень то актуальною задачею є розробка
структури такого процесора.
3. Розробка структури та мікроелектронної схемотехніки процесора
визначення вибіркового математичного сподівання
На рис.1а представлена структура процесора визначення вибіркового
Наталія Возна, Ігор Пітух, Людмила Грига
Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових …
46
математичного сподівання, а на рис.2а представлена розроблена структура
швидкодіючого однорозрядного синхронізованого двійкового суматора [5].
D
C
R
X1
. . .
D
C
R
Xn
Y(1)
J C R
D C R
2.1
3
2.3
45
. . .. . .
(m-1)Y
Y(m)
.
.
.
K
1
m
2.2
D C R
1
7
2
2.1
2.3
2.2
6
а)
T1 D
C
in
C
S
x
outC
T2
DCR
R
R
Si
NSi
12
3
45
6
7
8
А = 10 (вентилів)
t = 4 (мікротакти)
б)
Рис. 1. Структура процесора визначення вибіркового математичного сподівання а),
мікроелектронна структура однорозрядного синхронізованого суматора (2.1) б).
Структурна схема процесора визначення Mx містить: 1 – вхідна n-розрядна
шина; 2 – n-розрядний накопичуючий двійковий суматор; 3 – m-розрядний
синхронний двійковий лічильник; 4 – перший інформаційний канал
синхронізації пристрою; 5 – другий інформаційний канал скиду тригерів
накопичуючого суматора та двійкового синхронного лічильника у нульовий
стан; 6 – третій вхідний канал пристрою; 7 – m-розрядна вихідна інформаційна
шина пристрою (Y(1),…,Y(m-1), Y(m)).
Структура однорозрядного синхронізованого суматора містить
однорозрядний повний комбінаційний суматор на двох послідовно з’єднаних
логічних елементах “Виключне І” [6] та два синхронізовані D-тригери.
В кожному мікроциклі процесор визначення Mx здійснює операцію
накопичення суми за 2 мікротакти незалежно від розрядності процесора або
вхідних даних.
На рис. 2 представлена функціональна структура процесора визначення
вибіркового математичного сподівання на основі кодів ТЧБ Радемахера-
Крестенсона.
ISSN 1816-1545 Фізико-математичне моделювання та інформаційні технології
2023, вип. 36, 43-47
47
АЦП
X(t)
НДСЛЧ
R
Рис. 2. Функціональна структура процесора визначення вибіркового математичного сподівання з
вихідними кодами R-H.
Висновки. Таким чином в роботі здійснений аналіз системних характеристик
ПЗЗ-матриць, які формують різні об’єми даних RGB-пікселів. Запропоновані
принципи кодування значень RGB-пікселів у кодах Радемахера, Крестенсона,
Хаара дозволили розробити високопродуктивні процесори визначення
математичного сподівання алгоритм якого є базовим при опрацюванні
зображень. У порівнянні з відомими пристроями даного класу досягнута
швидкодія обчислень підвищена на 1-2 порядки.
Література
[1] Офіційний сайт Sony: Режим доступу https://www.sony.com
[2] Офіційний сайт Samsung: Режим доступу https://www.samsung.com
[3] Возна Н.Я., Николайчук Я.М., Волинський О.І. Алгоритми розв’язання задач
криптозахисту пікселів кольорових зображень // Кибернетика и системный анализ,
2019. – Том 55, №3. – С. 149-163.
[4] Патент України № 116176 Аналого-цифровий перетворювач. Бюл. №3, 2016 р.
[5] Патент України № 146833 Повний однорозрядний синхронізований суматор. Бюл.
№12, 2021 р.
The method of statistical processing of data of RGB pixels of color
images based on the system of residual classes
Nataliia Vozna, Ihor Pitukh, Lydmula Hryha
The paper analyzes the system characteristics of CCD matrixes of RGB pixels of color images
and the scope of their application in scientific, industrial, and military fields. The volumes and
rates of formation of data streams represented by byte-oriented codes of RGB pixels by the codes
of the number-theoretic bases of Rademacher and Crestenson are determined. The proposed
method of statistical processing of RGB pixel data, which is used in the construction of
cumulative histograms in image recognition algorithms. A structural diagram of a high-
performance processor for determining selective mathematical expectation was developed and its
system characteristics were investigated
Отримано 13.03.23 р.
https://www.sony.com/
https://www.samsung.com/
|
| id | oai:ojs2.www.fmmit.lviv.ua:article-273 |
| institution | Physico-mathematical modeling and informational technologies |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-09T01:09:29Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwfmmitlvivua/ee/74cba7f48bc3c4c970a82d6fee549cee.pdf |
| spelling | oai:ojs2.www.fmmit.lviv.ua:article-2732025-02-21T17:32:19Z The method of statistical processing of data of RGB pixels of color images based on the system of residual classes Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів Vozna, Nataliia Pitukh, Ihor Hryha, Lydmula розпізнавання образів; процесори;RGB-пікселі;теоретико-числові базиси Радемахера та Крестенсона. The paper analyzes the system characteristics of CCD matrixes of RGB pixels of color images and the scope of their application in scientific, industrial, and military fields. The volumes and rates of formation of data streams represented by byte-oriented codes of RGB pixels by the codes of the number-theoretic bases of Rademacher and Crestenson are determined. The proposed method of statistical processing of RGB pixel data, which is used in the construction of cumulative histograms in image recognition algorithms. A structural diagram of a high-performance processor for determining selective mathematical expectation was developed and its system characteristics were investigated. У роботі виконаний аналіз системних характеристик ПЗЗ-матрицьRGB-пікселів кольорових зображень та сфери їх застосування у наукових, промислових та військових галузях. Визначені об’єми та швидкості формування потоків даних представлених байт-орієнтованими кодами RGB-пікселів, кодами теоретико-числових базисів Радемахера та Крестенсона. Запропоновано метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів, які застосовуються при побудові кумулятивних гістограм в алгоритмах розпізнавання зображень. Розроблена структурна схема високопродуктивного процесора визначення вибіркового математичного сподівання та досліджені його системні характеристики. Інститут прикладних проблем механіки і математики ім. Я. С. Підстригача НАН України 2023-06-13 Article Article application/pdf https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/273 PHYSICO-MATHEMATICAL MODELLING AND INFORMATIONAL TECHNOLOGIES; No. 36 (2023): ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ; 43-47 ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ; № 36 (2023): ФІЗИКО-МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ; 43-47 2617-5258 1816-1545 10.15407/fmmit2023.36 uk https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/273/256 Авторське право (c) 2023 Наталія Возна, Ігор Пітух, Людмила Грига (Автор) |
| spellingShingle | розпізнавання образів процесори;RGB-пікселі;теоретико-числові базиси Радемахера та Крестенсона. Vozna, Nataliia Pitukh, Ihor Hryha, Lydmula Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| title | Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| title_alt | The method of statistical processing of data of RGB pixels of color images based on the system of residual classes |
| title_full | Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| title_fullStr | Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| title_full_unstemmed | Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| title_short | Метод статистичного опрацювання даних RGB-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| title_sort | метод статистичного опрацювання даних rgb-пікселів кольорових зображень на основі кодів бінарної арифметики та залишкових класів |
| topic | розпізнавання образів процесори;RGB-пікселі;теоретико-числові базиси Радемахера та Крестенсона. |
| topic_facet | розпізнавання образів процесори;RGB-пікселі;теоретико-числові базиси Радемахера та Крестенсона. |
| url | https://www.fmmit.lviv.ua/index.php/fmmit/article/view/273 |
| work_keys_str_mv | AT voznanataliia themethodofstatisticalprocessingofdataofrgbpixelsofcolorimagesbasedonthesystemofresidualclasses AT pitukhihor themethodofstatisticalprocessingofdataofrgbpixelsofcolorimagesbasedonthesystemofresidualclasses AT hryhalydmula themethodofstatisticalprocessingofdataofrgbpixelsofcolorimagesbasedonthesystemofresidualclasses AT voznanataliia metodstatističnogoopracûvannâdanihrgbpíkselívkolʹorovihzobraženʹnaosnovíkodívbínarnoíarifmetikitazališkovihklasív AT pitukhihor metodstatističnogoopracûvannâdanihrgbpíkselívkolʹorovihzobraženʹnaosnovíkodívbínarnoíarifmetikitazališkovihklasív AT hryhalydmula metodstatističnogoopracûvannâdanihrgbpíkselívkolʹorovihzobraženʹnaosnovíkodívbínarnoíarifmetikitazališkovihklasív AT voznanataliia methodofstatisticalprocessingofdataofrgbpixelsofcolorimagesbasedonthesystemofresidualclasses AT pitukhihor methodofstatisticalprocessingofdataofrgbpixelsofcolorimagesbasedonthesystemofresidualclasses AT hryhalydmula methodofstatisticalprocessingofdataofrgbpixelsofcolorimagesbasedonthesystemofresidualclasses |