Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта4

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Вычислительная техника и компьютерная графика»

К ЗАЩИТЕ ДОПУСТИТЬ

Заведующий кафедрой

Ю. В. Пономарчук

«____»_____________2015 г.

Исследование алгоритмов кодирования изображений с целью обеспечения КАЧЕСТВА обслуживания в беспроводных сетях

Выпускная квалификационная работа

ВКР.09.03.01.ИВТ.13.00.943–ПЗ

Студент 943 гр. М.В. Самусева

Руководитель

доцент, к. ф.-м. н Ю.В. Пономарчук

Нормоконтроль

доцент, к.т.н. Е.В. Буняева

Хабаровск 2015

Содержани

Введение 3

1 Анализ предметной области и обзор методов кодирования
изображений 5

1.1 Обзор технологий беспроводных мультимедиа сенсорных сетей 5

1.1.1 Особенности беспроводных мультимедиа сенсорных сетей 5

1.1.2 Стандарты передачи информации Wi-Fi 10

1.1.3 Технология передачи информации WiMAX 12

1.1.4 Вопросы качества обслуживания в беспроводных
сенсорных сетях 13

1.2 Алгоритмы кодирования изображений 15

1.2.1 Алгоритм RLE 17

1.2.2 LZW-алгоритм 19

1.2.3 Алгоритм Deflate 21

1.2.4 Алгоритм JPEG 23

1.2.5 Вейвлет-преобразование 25

1.2.6 Алгоритм фрактального сжатия 29

1.2.7 Сравнительный анализ алгоритмов кодирования
изображений 33

2 Проектирование приложения 35

2.1 Назначение разрабатываемого приложения 35

2.2 Требования к системе 35

2.3 Требования к графическому интерфейсу пользователя 37

2.4 Проектирование графического интерфейса пользователя 38

2.5 Требования к функционалу приложения 39

3 Реализация приложения 41

3.1 Обоснование выбора технологий реализации 41

3.1.1 Обоснование выбора языка программирования 41

3.1.2 Обоснование выбора среды разработки 41

3.1.3 Библиотеки OpenCV и wxWidgets 41

3.2 Реализация GUI с использованием wxWidgets 43

3.3 Реализация алгоритмов 46

3.3.1 Работа с изображением 46

3.3.2 Реализация алгоритмов YUV (YCbCr) 47

3.3.3 Реализация алгоритма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции 56

4 Технико-экономическое обоснование 57

4.1 Техническое обоснование проекта 57

4.2 Обоснование выбора объекта для сравнения 58

4.3 Расчёт рыночной стоимости затратным подходом 59

Заключение 63

Список использованных источников 65

Приложение А 69

Введение

В связи с бурным развитием инфокоммуникационных технологий, технологий разработки и производства интегральных схем, миниатюризацией ЭВМ в последние годы наблюдается растущий интерес научного сообщества к внедрению технологий дистанционного мониторинга, контроля и управления технологическими процессами. В настоящее время становятся популярными устройства, снабженные фото- и видео-камерами в системах контроля доступа, мониторинга состояния строительных сооружений, местоположения станков и оборудования на фабриках и заводах. Фотографии и видео-потоки, получаемые с видеокамер, передаются к базовым станциям по радиоканалу в автоматическом режиме с целью своевременного принятия решений об изменении параметров технологических процессов или вызове специалистов. Однако реализация подобных систем связана с трудностями, возникающими вследствие достаточно высоких требований качества обслуживания и природой беспроводных мультимедиа-сенсорных сетей. С целью снижения затрат на передачу, обработку и хранение данных рекомендуется использовать алгоритмы сжатия изображений. Актуальность темы состоит в том, что в случае использования эффективного алгоритма, будет оптимизирована работа в беспроводных мультимедийных сетях.

Объект исследования – алгоритмы кодирования и сжатия изображений.

Предмет исследования – работа с международными стандартами, их анализ.

Целью данной работы является исследование алгоритмов кодирования изображений для выполнения требований качества обслуживания в беспроводных мультимедиа-сенсорных сетях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выполнить анализ предметной области;

• сделать обзор алгоритмов кодирования изображений и исследовать возможность применения в приложениях для беспроводных мультимедийных сетей;

• разработать проект приложения визуализации результатов кодирования информации;

• реализовать приложение для обработки графических файлов;

• проанализировать результаты сравнительного анализа алгоритмов кодирования.

1. Анализ предметной области и обзор методов кодирования изображений

1. Обзор технологий беспроводных мультимедиа сенсорных сетей

   1. Особенности беспроводных мультимедиа сенсорных сетей

В связи с бурным развитием инфокоммуникационных технологий и технологий разработки и производства аппаратного обеспечения, миниатюризацией компонентов вычислительных систем, в последние годы наблюдается растущий интерес научного сообщества к беспроводным сенсорным сетям (БСС). Это обусловлено большим количеством новых задач бизнеса, промышленности и науки, которые требуют внедрения приложений и аппаратного обеспечения для экологического и технологического мониторинга, автоматического и автоматизированного сбора, обработки и передачи различного рода информации из окружающей среды.

Чаще всего для решения подобных задач используются беспроводные сенсорные сети (БСС), представляющие особый класс современных аппаратно-программных адаптивных систем.

БСС обычно реализуются как распределённые, самоорганизующиеся сети, состоящие из множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счёт способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому [1].

Миниатюрные устройства – узлы, снабжённые сенсорами (датчиками температуры, давления, освещенности, уровня вибрации, местоположения ит.п.) и трансиверами, работающими в заданном радиодиапазоне, объединенные в беспроводную сеть, предоставляют широкие возможности для мониторинга, контроля состояния и управления территориями, предприятиями, сооружениями [2].

Гибкая архитектура, снижение затрат при монтаже выделяют беспроводные сети среди других беспроводных и проводных средств передачи данных. Следует отметить ситуации, когда речь идет о большом количестве соединённых между собой устройств, поскольку сенсорная сеть позволяет подключать до 65 000 устройств.

Постоянное снижение стоимости беспроводных решений, повышение их эксплуатационных характеристик позволяют постепенно перейти на эти системы сбора телеметрических данных, средства дистанционной диагностики, обмена информации. По сравнению с проводной датчиковой сетью БСС обладают следующими основными потенциальными преимуществами [3]:

– простотой и быстротой развертывания и технического обслуживания, способностью к оперативному (при смене задачи или условий) изменению топологии за счет имеющегося у нее свойства самоорганизации, проявляющегося в способности элементов сети (сенсоров) самостоятельно связываться друг с другом и формировать наиболее эффективную для текущего применения структуру сети;

– высокой масштабируемостью, связанной с сохранением принципов функционирования и основных возможностей сети при изменении количества используемых сенсоров и их пространственного расположения;

– преимуществами распределенных вычислительных структур;

– возможностью использования в труднодоступных местах (куда невозможно подвести электроэнергию и (или) невозможно развернуть проводную сеть – горная местность, зараженная местность и др.);

– повышенной живучестью и отказоустойчивостью (отказ одного или нескольких устройств не ведет к отказу сети);

– возможностью внедрения в объект на стадии изготовления;

– меньшей стоимостью (за счет отсутствия проводов и затрат на их прокладку, отсутствия необходимости в монтаже, настройке и обслуживании сети).

Однако БСС присущи и недостатки, связанные со следующими факторами:

• большей подверженностью влиянию внешних помех и сложностью обеспечения защиты информации;

• обеспечением заданной надежности радиоканалов в условиях отсутствия прямой видимости;

• ограниченным сроком службы сети, который определяется, в первую очередь, сроком службы источников питания, запасом их энергии, а также способностью сенсоров быть работоспособными во всех погодных условиях («всепогодные корпуса»);

• большими габаритно-массовыми и стоимостными характеристиками сенсоров. Размеры сенсоров для массового применения пока слишком велики, чтобы их множество можно было рассматривать действительно как «умную пыль» (smartdust). Стоимость каждого «мота» (сенсора, mote – пылинка) также далека от той, которая наиболее желаема на данном этапе (менее одного доллара), чтобы можно было относиться к их множеству как к расходному материалу;

• проблематичностью присвоения большому количеству сенсоров каких-либо глобальных идентификационных номеров [4];

• возможной ограниченностью точностных характеристик в связи с затруднительностью их калибровки;

• наличием разрывов связанности сети (в силу неоднородности территориального распределения сенсоров, наличия естественных преград, а также в ходе неравномерной выработки ресурса автономных источников питания сенсоров сеть дробится на несвязанные друг с другом группы узлов);

– проблематичностью реализации некоторых потенциальных преимуществ БСС, связанных с эффективной самоорганизацией большой сети (тысячи и десятки тысяч сенсоров), передачей и обработкой большого объёма измерительной информации и т. д.

По сравнению с обычными беспроводными сенсорными сетями, мультимедийные сенсорные сети требуют большего количества вычислительных ресурсов в своих узлах и более высоких скоростей передачи данных [3]. Необходимо обеспечить достаточную скорость и качество передачи больших объёмов данных. Также решить проблему потери пакетов при передаче, так как утрата даже небольшого объёма данных может стать критической для мультимедийной информации при воспроизведении на приёмнике.

На рисунке 1 приведены виды архитектур беспроводных мультимедиа сенсорных сетей [5].

Рисунок 1 – Типичные виды архитектур БСС [4]

С развитием инфокоммуникационных технологий и технологий производства интегральных схем стала возможной сравнительно дешевая реализация автоматических и автоматизированных систем сбора, обработки и передачи мультимедийной информации.

Как правило, для наблюдения за физическими или технологическими процессами используются системы тeлe-сотрудничества, которые требуют многоадресной, многоточечной, и мультисервисной поддержки сети для групповой рассылки. Они не требуют передачи видео или изображений высокого качества, позволяют адаптировать передаваемые объемы информации с целью выполнения требований приложений к качествуобслуживания. Следовательно, в случае необходимости можно допустить более низкое качество изображений и обеспечить более низкие требования к пропускной способности.

Наиболее сложными проблемами в вопросе передачи мультимедийной информации по БСС являются: во-первых, ограниченная пропускная способность канала связи, во-вторых, фактическая скорость передачи, которая напрямую зависит от объёма передаваемой информации. Уменьшение объема одного кадра с минимальной потерей качества осуществляется за счет сжатия. Но при использовании существующих эффективных форматов сжатия мультимедийной информации возникает третья проблема, связанная с воспроизведением файла после его передачи при потере хотя бы одного пакета данных, т.к. при этом невозможно декодирование данных. Поэтому от беспроводной сенсорной сети требуется передача файла, без потери данных в канале.Поэтому в БСС требуется реализовать надёжные протоколы передачи мультимедийных данных.

C каждым годом использование беспроводных сетей отрывает новые области для применения, такие как:

• выявление отказов исполнительных механизмов деталей машин с целью выявления возможной поломки;

• доступ к удаленным объектам в режиме реального времени;

• автоматизация технического обслуживания промышленных объектов

• применение как компоненты в энерго- и ресурсосберегающих технологий;

• контроль экологических параметров окружающей среды;

• передача потоковой мультимедийной информации (по требованию, «вживую», по расписанию);

• удаленное видеонаблюдение;

• интерактивные мультимедийные игры.

• каждая служба накладывает очень разные требования по базовой инфраструктуре системы [6].

Из-за ограничений пропускной способности канала, сравнительно слабых вычислительных мощностей и ограниченийэнергоресурсов обычно в беспроводных мультимедиа сенсорных сетях имеют дело с небольшим потоком информации. Примером протоколов коммуникации, использующихся в таких сетях, являются стандарты IEEE 802.15.4 [7] и ZigBee [3].

Если приходится иметь дело с большими потоками информации, то более пригодны стандарты IEEE 802.11 и IEEE 802.16 .

Основные характеристики этих стандартов приведены ниже.

1. Стандарты передачи информации Wi-Fi

IEEE 802.11 является базовым стандартом связи для коммуникации в беспроводной локальной сетевой зоне для низких частотных диапазонов (ссылка). В литературе этот стандарт более известен как Wi-Fi. Получил свою известность благодаря широкому распространению мобильных устройств – от ноутбуков до смартфонов. Под этим наименованием, на самом деле, используется семейство протоколов, каждый из которых обладает определенными особенностями, структура сети Wi-Fi представлена на рисунке 2:

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов ВКР