Способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами
Владельцы патента RU 2742322:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами. Способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами, в котором имитируют работу канала связи при передаче цифровых сжатых изображений; формируют множество зависимостей меры качества изображения от уровня шума для имеющихся вариантов использования сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия; измеряют текущий уровень шума; выбирают квазиоптимальный вариант передачи изображений методом полного перебора; сжимают покадровый видео поток; модулируют сигнал, содержащий сжатый цифровой покадровый видео поток и использованный квазиоптимальный вариант; передают сигнал по радиоканалу; принимают сигнал из радиоканала; производят демодуляцию и декомпрессию с учетом использованного при передаче квазиоптимального варианта, причем используют имитационное моделирование для заблаговременной оценки меры качества изображения при различных уровнях помех; производят выбор квазиоптимального алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции из имеющегося набора вариантов по критерию максимума качества изображения при текущем уровне шума. 1 ил.
Изобретение относится к области передачи цифровых изображений по каналу связи с помехами.
Данное техническое решение предназначено для квазиоптимального выбора сигнально-кодовой конструкции (СКК) и алгоритма сжатия из имеющегося набора СКК и алгоритмов сжатия с различными параметрами, доступными для используемой системы передачи цифровых изображений.
Способность данного способа работать с любыми каналами связи и применяемыми в них сигнально-кодовыми конструкциями при сжатии цифровых изображений любыми методами обеспечивает широкую «промышленную применимость», которая в том числе расширяется возможностью реализации предлагаемого способа на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или штатных ЭВМ используемых для формирования цифрового видео потока.
Применяемые в настоящее время алгоритмы сжатия изображений рассчитаны на каналы передачи данных с вероятностью битовой ошибки порядка 10-7-10-9 и менее. Тем не менее, существуют случаи, когда такую вероятность битовой ошибки обеспечить не удается (передача на большие расстояния, передача в условиях преднамеренных помех и др.). В таких условиях алгоритмы сжатия изображений начинают функционировать с существенным искажением изображений. Для качественной оценки этих искажений, с целью выбора оптимальных параметров канала передачи и алгоритма сжатия, часто применяется подход, основанный на проведении имитационного моделирования данного процесса.
В настоящее время существующие модели формирования битовых ошибок в цифровых сжатых изображениях не в полной мере учитывают форму закона распределения уровня шума в совокупности с применяемыми сигнально-кодовыми конструкциями и методами (алгоритмами) сжатия. Это зачастую не позволяет связать оценку для среднего значения меры искажения с уровнем шума в канале связи для используемых параметров сжатия и формирования сигнала. Наиболее часто используемой на практике мерой качества изображения после его модификации (искажения) является отношение пикового уровня сигнала к шуму (PSNR) QPSNR. Т.е. среднеквадратической ошибки для двух изображений, одно из которых считается зашумленным приближением другого. Для вычисления значения данной меры используется следующее выражение
где M×N - размер изображения, 
- пиксель изображения оригинала, 
- пиксель восстановленного (принятого) изображения. Ввиду того, что в предлагаемом способе используются изображения с цветовой моделью RGB, выражение (1) примет вид
где: R, G, В - значения красной, зеленой и синей составлявших изображения оригинала; 
- значения красной, зеленой и синей составлявших восстановленного (принятого) изображения.
В выражениях (1, 2) числитель ассоциируется как пиковый сигнал (максимальное значение уровня пикселя при 8-ми битовом представлении), получаемый после передачи изображения, а разность 
в знаменателе является шумом или искажением, внесенным при передаче через радиоканал.
Именно эта мера и используется в предлагаемом способе в качестве показателя при оптимизации.
Еще одним недостатком современных систем связи является отсутствие возможности совместной адаптации применяемой СКК и алгоритма сжатия под текущий уровень шумов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ передачи изображения по каналу связи (патент RU №2681360, 2019).
Сущность данного способа заключается в следующем.
На передающей стороне исходное изображение в формате BMP разделяют на важную и неважную части. Осуществляют сжатие неважной части изображения фрактальным методом, получая данные сжатого изображения в формате FIC. В полученную сжатую неважную часть изображения производят стегановложение несжатой важной части изображения в формате BMP. Затем данные сжатого изображения со стегановложением передают по радиоканалу. На приемной стороне из принятых данных сжатого изображения извлекают вложенную несжатую важную часть изображения в формате BMP. Восстанавливают сжатую неважную часть изображения в формат BMP. После чего соединяют принятые важную и неважную части изображения в формате BMP и получают полное изображение.
Вместо формата BMP могут использоваться и другие форматы представления изображения, например TIFF (Tagged Image File Format), PNG (Portable network graphics) и др. А вместо формата FIC - другие форматы данных сжатого изображения.
Способ прототип имеет следующие недостатки.
1. Не учитывают возможные битовые ошибки при передаче по радиоканалу в условиях помех.
2. Не оптимизируют параметры алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций под текущее состояние канала связи.
Прототип не позволяет обеспечить оптимальную передачу по радиоканалу с помехами цифровых сжатых изображений по критерию максимума качества изображения.
Технический результат заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами.
Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в квазиоптимальном выборе СКК и алгоритма сжатия из имеющегося набора СКК и алгоритмов сжатия, доступных для используемой системы передачи цифровых изображений. При этом наборы СКК и алгоритмов сжатия формируются исходя из возможных значений их параметров (вид модуляции, скорость кода, степень компрессии и др.)
Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - функциональная схема способа квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами.
Для решения этой задачи предлагается способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами, заключающийся в том, что:
заблаговременно имитируют работу канала связи при передаче цифровых сжатых изображений для всего набора доступных СКК и алгоритмов сжатия (с учетом возможных значений их параметров) в блоке имитационного моделирования 1 при различных отношениях энергии бита к спектральной плотности мощности шума 
вычисляя при этом значение меры QPSNR качества изображения как среднеквадратической ошибки значений пикселей для изображения эталона (исходного изображения) и искаженного каналом связи изображения.
передают полученные при моделировании значения в блок экспоненциальной аппроксимации 2;
формируют в блоке 2 множество зависимостей меры QPSNR от 
в форме функции экспоненциальной аппроксимации данных имитационного моделирования с использованием метода наименьших квадратов; При этом используют следующее выражение
где Nуз - количество точек графика полученного при имитационном моделировании участвующих в аппроксимации, 
- точка графика полученного при имитационном моделировании.
предают коэффициенты экспоненциальных функций (3) в блок оптимизации 3;
измеряют в блоке 4 текущий уровень шума в канале связи в виде отношения 
передают текущий уровень шума в канале из блока 4 в блок оптимизации 3;
выбирают квазиоптимальный вариант в блоке 3 из имеющегося набора СКК и алгоритмов сжатия (с учетом возможных значений их параметров), по критерию максимального значения меры QPSNR для текущего уровня шума 
полученного из блока 4; При этом производят вычисление по выражению (3) меры качества изображения QPSNR для всех наборов экспоненциальных функций полученных в блоке 2, соответствующих возможным вариантам использования СКК и алгоритма сжатия, для текущего уровня шума 
и осуществляют выбор в качестве квазиоптимального такой вариант, где значение меры вычисленной по аппроксимированной заранее зависимости (3) будет наибольшим.
передают квазиоптимальный вариант, в части алгоритма сжатия, в блок компрессии 5;
подают входной покадровый видеопоток 6 на блок компрессии 5;
сжимают покадровый видеопоток в блоке 5 в соответствии с квазиоптимальным вариантом из блока 3;
передают квазиоптимальный вариант, в части сигнально-кодовой конструкции, в модем 7;
модулируют сигнал в блоке 7, содержащий сжатый цифровой покадровый видео поток и использованные квазиоптимальные параметры, с использованием сигнально-кодовой конструкции, полученной из блока 3;
передают сигнал из блока 7 на передатчик 8;
передают сигнал в радиоэфир передатчиком 8;
принимают сигнал из радиоэфира в блоке 9 и передают в блок 10;
производят в блоке 10 демодуляцию и декомпрессию с учетом использованного в блоке 7 квазиоптимального варианта переданного совместно со сжатым покадровым видеопотоком;
формируют выходной разжатый покадровый видеопоток 11.
Сопоставление заявленного способа квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.
Общие признаки заявляемого способа и прототипа:
1. Используют цифровой покадровый поток изображений.
2. Производят сжатие цифровых изображений различными методами.
3. Передают цифровые сжатые изображения по радиоканалу.
4. Оценивают качество цифровых изображений.
Отличительные признаки предлагаемого решения.
1. Используют имитационное моделирование для оценки меры качества изображения при различных уровнях помех для всего имеющегося, для используемой системы передачи данных, набора вариантов сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия.
2. Используют экспоненциальную аппроксимацию характеристик, меры качества от уровня шума, для имеющихся в распоряжении сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия, получаемую заблаговременно.
3. Производят квазиоптимальный выбор алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции из имеющегося набора вариантов по критерию максимума качества изображения при текущем уровне шума.
Таким образом, заявленный способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами, позволяет максимизировать качество передаваемого цифрового сжатого покадрового видеопотока с учетом имеющегося набора алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций путем применения полного перебора заранее аппроксимированных качественных характеристик всех возможных вариантов построения системы передачи по показателю в виде меры PSNR.
Способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами, заключающийся в том, что имитируют работу канала связи при передаче цифровых сжатых изображений; формируют множество зависимостей меры качества изображения от уровня шума для имеющихся вариантов использования сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия; измеряют текущий уровень шума; выбирают квазиоптимальный вариант передачи изображений методом полного перебора; сжимают покадровый видео поток; модулируют сигнал, содержащий сжатый цифровой покадровый видео поток и использованный квазиоптимальный вариант; передают сигнал по радиоканалу; принимают сигнал из радиоканала; производят демодуляцию и декомпрессию с учетом использованного при передаче квазиоптимального варианта, отличающийся тем, что используют имитационное моделирование для заблаговременной оценки меры качества изображения при различных уровнях помех; используют экспоненциальную аппроксимацию характеристик, меры качества изображений от уровня шума в радиоканале, для имеющихся в распоряжении сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия; производят выбор квазиоптимального алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции из имеющегося набора вариантов по критерию максимума качества изображения при текущем уровне шума.
