Многофункциональная адаптивно-управляемая видеоинформационная система с компрессией и архивированием ТВ-сигналов

Все возрастающая потребность в передаче или обмене различными видами информации привела к созданию новых информационных технологий и их внедрению в системы телекоммуникации и связи. К их числу можно отнести системы компрессии (сжатия) сигналов, повышающие эффективность использования пропускной способности действующих каналов связи, в том числе видеоимпульсных систем (ВИС). Анализ современных систем компрессии сигналов ТВ-программ, основанных на стандартах MPEG, JPEG, форматах a – c и других, показал необходимость и целесообразность разработки систем компрессии, отличающихся простой аппаратной реализацией и несложным программным обеспечением. Создание подобных систем компрессии сигналов возможно при успешном сочетании методов аналогового и цифрового преобразования, то есть использования их в комплексе, на основе адаптивного линейного предсказания, дискретного косинусного преобразования (или корреляционного предсказания) и дифференциальной импульсно-кодовой модуляции.

Поэтому задача разработки и исследования различных видеоинформационных систем (ВИС) на основе комплексного метода кодирования и декодирования сигналов и особенности многофункциональной адаптивно-управляемой цифровой ВИС (МАЦВИС) с компрессией и архивированием ТВ-сигналов, отвечающей современным требованиям, является актуальной. Рассмотрим модель и аналитическое описание многофункциональной адаптивно-управляемой цифровой видеоинформационной системы (МАЦВИС) с комплексным кодированием и декодированием сигналов, предназначенной для предоставления пользователям, кроме основных компрессированных сигналов ТВ, различных сигналов широкополосных услуг по их запросам.

Известно, что результирующая скорость передачи цифрового потока при компонентном кодировании сигнала цветного ТВ определяется выражением:
Vр = Vя + 2Vцр,
где Vя = ni·fj 
скорость передачи или переработки яркостного сигнала;
Vцр =  nk ·fm — скорость передачи или переработки цветоразностного сигнала
ni, nk,
fj, fm
— разрядность кодов и частоты дискретизации при передаче и обработке Uу
и Uв-у(UR-у) соответственно i, j, k и m – коэффициенты, учитывающие изменение уровня квантования и частоты дискретизации сигналов Uу, Uв-у(UR-у), определяются экспериментальным путем. В неадаптивной цифровой ВИС разрядности кодов частоты дискретизации и результирующая скорость не изменяются, то есть ni, nk = const, fj, fm = const
и Vp = const.
Тогда как в МАЦВИС результирующая скорость передачи или переработка
цифрового потока является функцией четырех переменных: ni,nk,
f’j, f’m
т.е.Vp=φ(ni,k,fj,fm ) и определяется выражением:

для случая, когда i=k и j=m выражение (2) можно записать в виде:

Из (3) вытекает, что Vp изменяются в пределах от Vmin до Vmax в зависимости от типа сюжета изображения, величин m и k. Современные центры концентрации и формирования ТВ-программ, а также автоматизированные измерительные комплексы (АИК), оснащенные современными вычислительными и телевизионными средствами,
обеспечивающие способности решать различные задачи без существенной перестройки базовой аппаратуры путем изменения алгоритма управления и
обработки данных. Независимо от варианта исполнения многофункциональной
адаптивно-управляемой ВИС конечным продуктом является изображение
объекта, подлежащего передаче, переработке или архивированию.

Соответственно переработка и хранение видеоданных компьютером должна
производиться в постоянном или реальном масштабе времени. Однако как
для непосредственной передачи или обработки, так и для непосредственного хранения отчетов имеющийся объем запоминающего устройства (памяти) компьютера недостаточен.

Поэтому одно из возможных применений устройств сжатия (компрессии), как
было сказано выше, связано с сокращением информационных избыточностей,
позволяющих снизить объем видеоданных при передаче объема памяти,
необходимого для хранения изображения и времени переработки
видеокомпьютером.

Отсюда вытекает задача разработки и исследования оптимальных алгоритмов
комплексного метода кодирования и декодирования, обеспечивающих
наиболее высокий коэффициент сжатия при цифровой передаче видеоданных с
сохранением прежнего качества воспроизводимого изображения или
восстановленного изображения после архивирования с заданной точностью
параметров и времени переработки.

Предлагается структура компьютерной системы и осуществления МАЦВИС
(Рис.1) с комплексным кодированием и декодированием сигналов
изображения.

В предложенном методе адаптивного линейного предсказания выигрыш в
динамическом диапазоне кодированного сигнала определяется выражением:
D = Um(t)/(Em· Koc) (4)
где Um=1,1 В.р. для сигнала цветного телевидения SECAM;
Koc – коэффициент обратной связи; лежит в пределах 0,5-0,95;

Em – амплитудное значение разностного сигнала, определяемое как:

Em(t) = U(t) — Unp(t), (5)
где U(t), Unp(t) – мгновенное значение исходного и предсказанного сигналов.
Unp(t) = a1U(t — τ) + a2U(t
-τ) + a3U(t — Tc)

, где а1, а2, а3
– весовые коэффициенты предсказателей;
τ– интервал Котельникова для ТВ-изображений;
Тс – длительность строки.
В соответствии с (1) при компонентном цифровом кодировании скорость
передачи или переработки видеоданных связана с динамическим диапазоном
составляющих сигнала цветного телевидения Uя
и Uпр в уровнях квантования Lя=2, Lц=2,
соответственно и изменяется в больших пределах.

Следовательно, уменьшение динамического диапазона равносильно
уменьшению числа бит на каждый отчет при аналого-цифровом
преобразовании в видеосигнале, что приводит к снижению скорости
передачи или объема хранимых видеоданных. Далее оцифрованный
кодированный видеосигнал поступает в кодер с ДИКМ и устройство отбора
коэффициентов — трансформант F(u,v), в которых
устраняется пространственная корреляция видеоинформации и временная корреляция, путем исключения отдельных кадров и интерполяции, выполнения замещения или межкадрового кодирования.

Степень сжатия цифрового потока при этом определяется из выражения:

(6)

где N – линейный размер блока преобразования, выраженный в числе отчетов.
Выбор числа двоичных единиц, используемых для передачи каждого из
спектральных коэффициентов матрицы, следует производить в соответствии
со следующим правилом:

(7)

где Fn – порог (0,04), определяемый уровнем шумов квантования и внутренним шумом устройства.
Дальнейшее снижение временной избыточности в последовательности кадров
осуществляется применением ДИКМ. В нем подвергаются обработке отобранные коэффициенты трансформант F(u,v,1) и в канал связи передается разность между истинным значением коэффициента и его предсказанным значением “F(u,v,1).
Коэффициент сжатия при этом определяется следующим отношением:

K = F(u,v,1)/ΔF(u,v,1)

Используя фильтрацию, субдискретизацию составляющих сигналов цветности
(ФИСЦ) посредством устранения спектральной избыточности, можно
обеспечить дополнительный коэффициент сжатия цифрового потока.

К3=fцем/fци, (9)
где fцем, fци– номинальная и текущая частота дискретизации.

Такая обработка либо предшествует адаптивному линейному предсказанию,
либо производится после аналогово-цифрового преобразования полного
цветного ТВ-сигнала. Таким образом, осуществляя кодирование,
достигается значительное сжатие видеоданных, что позволяет осуществить
архивирование хроники изображений. Процесс деархивирования
осуществляется последовательным обратным преобразованием, которое
восстанавливает из компрессированного сигнала изображения, сигнал,
близкий к исходному сигналу. Этот сигнал принимается получателем
изображения или автоматическим устройством.

Структурная схема ВИС с комплексным кодированием и декодированием
сигнала изображена на рис. 2. Работа схемы особых пояснений не требует.
В этом случае результирующий коэффициент сжатия цифровых данных ВИС с
комплексным кодером и декодером (рис. 2) определяется как отношение
цифрового потока на входе комплексного кодера V1 к цифровому потоку на его выходе V2, или как произведение отдельных коэффициентов сжатия, обусловленных применением кодирования на основе ДКП – К1, применением АЛП – К3, использованием
ФиСЦ – К4 и осуществлением ДИКМ – К5.
Kсж = V1/V2 = K1·K2·K3·K4,
(10)
где
V1 =  fдям · nям + 2·fдцм · nцм, (11)
fдям, fдцм, и nям, nцм – максимальные частоты дискретизации и разрядности кодов сигналов яркости и цветоразностных сигналов.

Согласно рекомендациям МККР 11/601, компонентное цифровое кодирование
сигналов цветного ТВ по стандарту 4:2:2 (для аппаратно-студийного
комплекса или цифровой передачи) должен производиться в соответствии с
(3) при fдям = 2fдцм
, fдям = 13,5МГц, nям
= nцм=8
с результирующей скоростью
передачи V1 = 216 Мбит/с.

Тогда как величина V2 зависит от выбранного
способа цифрового кодирования сигнала цветного ТВ и состава комплексного кодера
– декодера изображения, то есть от количества последовательно включенных аналоговых и цифровых преобразующих устройств.

Аналитические выражения для коэффициента сжатия видеоданных в ВИС с
комплексным кодером – декодером можно получить исходя из формулы (8), для непосредственного – Ксжн и компонентного (раздельного) – Ксжк цифрового кодирования сигнала цветного ТВ:

(12)

(13)

Учитывая особенность сигнала цветности, позволяющего без ущерба
качества на один отсчет сигнала яркости использовать только половину
разрядов отсчета сигнала цветности, либо осуществления управления
частот дискретизации, например, сигнала цветности при которой
достигается fдцv=fдцm/2,
то тогда формулы (11) и (12), соответственно, примут следующий вид:

(14)

(15);

где Lk – число уровней квантования кодированного видеосигнала на основе адаптивного линейного предсказания;
Lцm – номинальное число уровней квантования цветоразностного сигнала;
Lm – максимальный уровень квантования полного ТВ-сигнала.
В ходе исследования получены максимальные величины коэффициентов сжатия
для обоих способов цифрового кодирования. Ими оказались:
Ксж = 31,6 раза, при установленных значениях К1=6;
К3=2,6; К5=2,0;
Ксжк = 64 раза, при установленных значениях К1=8;
К3=2; К4=2; К5=2,0.

Исследование времени, затрачиваемого на вычисления компьютером при ДКП
фрагментов размером 2R; 4T; 8X, элементов производилось по двум алгоритмам – непосредственной двумерной обработке этих фрагментов
и одномерной обработке этих фрагментов по строкам и по столбцам.

Анализ результатов показал, что алгоритм, реализующий двумерное ДКП путем последовательного осуществления двух одномерных косинусных преобразований по строкам и впоследствии по столбцам, является более перспективным, так как он в 2,5-3 раза сокращает время вычисления по сравнению с первым алгоритмом.
В процессе компьютерного моделирования МЦИТС с комплексным методом кодирования и декодирования для трех выше предложенных методов преобразования (АЛП, ДКП, ДИКМ) установлены зависимости среднеквадратичного отклонения и абсолютного отклонения от исходного сигнала будут возрастать, что позволяет определить требуемое значение Ксж
в зависимости от области его применения. Рассмотрим возможности
использования разработанных систем компрессии для многопрограммной
передачи сигналов по спутниковым линиям связи.

В соответствии с (14) пропускная способность цифровой ТВ-системы с использованием спутниковых каналов связи (СКС) является функцией нескольких переменных Ксж– коэффициента сжатия АЦПИ, скорости сверхточного кода – γ, число фаз (позиций) – М,
ширины полосы высокочастотного тракта — ΔF, число ТВ-программ
n и определяется формулой:

V = Ψ{Kсж,γ,M,ΔF,n}, (16)

Приняв ΔF3 МГц (для n=4, М) при γ =3/4,
находим из графика зависимости значения скорости транспортного потока
(ТП) при многопрограммном телевидении с цифровой компрессией. Этой
величиной является VТП = 4,3 Мбит/с.
Следовательно, скорость передачи одного программного потока (ПП) при одинаковом требовании к качеству восстановленного изображения составит:
VПП = VТП/П = 8,075 Мбит/с.
Сказанные выше значения VТП и VПП
достигаются путем выбора значений Ксж, определяемой последовательным включением в тракт трех преобразователей: аналогового с адаптивным линейным предсказанием, цифрового – дискретного косинусного преобразования Фурье и дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией с результирующим
коэффициентом сжатия, определяемым произведением соответственно
Ксис1К2К3.
Причем для других значений г, Ксж, n, VТП (n1) можно будет определить из двух графиков, построенных согласно выражениям:
Ксж=Ш(j) (3): при выбранных значениях n и VТ;
VТ= Ш(Ксж)
(4): при выбранных значениях г и n.
При этом K5 — коэффициент расширения полосы передачи ТВ-сигнала,
возникающий вследствие применения помехоустойчивого сверхточного кодирования, его величина численно равна скорости кодирования K5=y.
Компьютерным моделированием получено, что при использовании комплексного метода кодирования и декодирования изображений в ВИС, позволяет достичь более высоких степеней коэффициента сжатия до 64 раз при сохранении прежнего качества восстановленного изображения. Причем последнее достигается при обработке блока 8X элементов и, когда значение каждого в среднем не более, чем на 5,17%, что при 256 уровнях градации яркости составляет 2,1%.

Для имитации помех в канале связи использовался файл NOISEnorm, который
содержит специальный массив изображения размером 512, имеющий
характеристику распределения плотности вероятности близкую нормальной
(белый шум). Оценка качества восстановленного изображения производилась
по стандартной пятибалльной шкале искажения: 5 – незаметно; 4
– заметно, но не мешает; 3 – значительно мешает; 2 –
мешает; 1 – очень мешает.

В качестве исходного изображения с оценкой в 5 баллов наблюдателям было
предложено изображение, закодированное методом ИКМ. Оценка качества
восстановленного изображения осуществлялась субъективной экспертизой, в
которой участвовали 20 человек, из которых 50% не являлись специалистами.

При передаче видеоданных со скоростью 7.0 Мбит/с по цифровой ВИС с
комплексным кодером — декодером, средний балл восстановленного изображения составил выше 4.

В целях отработки разработанных алгоритмов и для проверки принятых
схемных и программных решений авторами создано несколько вариантов
устройства преобразования видеоинформации, в которых были использованы
интегральные микросхемы среднего и повышенного быстродействия,
обеспечивающих требуемый коэффициент сжатия цифровых видеоданных.

Orphus system