Автореферат (Методы и устройство формирования сигналов в цифровых видеоинформационных системах)

2На правах рукописи3Актуальность темы. Формирование телевизионных (ТВ) изображений высокой исверхвысокойчеткостиотражаетсовременныенаправленияразвитиявидеоинформационных технологий на основе новых научных достижений в областителевидения и передачи видеоданных. Однако лишь недавно эти форматы четкостиуспели доказать востребованность, завоевать признание обычных пользователей ипрофессионалов, а также показать свое преимущество перед ТВ изображениямистандартной четкости.Пользователи все чаще выбирают возможность работы с изображениями сбольшей четкостью, независимо от того, смотрят ли они фильм, программы передачтелевидения высокой четкости (ТВЧ), занимаются видеомонтажом или хотяторганизовать видеоконференцсвязь, используя для этого персональный компьютер илисвое мобильное устройство.Повсеместному внедрению, например, систем ТВЧ препятствуют трудности,обусловленныевысокой инерционностью процесса модернизации аппаратуры итехнического оснащения для формирования и обработкисоответствующихвидеоинформационных сигналов с учётом обеспечения требований, предъявляемыхпотребителями к качеству таких сигналов.Соответственно, удовлетворениеперечисленных потребностей пользователей в полной мере возможно только сиспользованием самых передовых высокопроизводительных средств передачи сигналов имощных аппаратных вычислительных ресурсов, стоимость которых зачастую оказываетсяочень высокой.Последнее заставляет предпринимать шаги для того, чтобыкомпенсировать инерционность развития технической составляющей, создаваявозможности реализации современных требований к обработке видео на базе приемлемыхпо стоимости аппаратных платформ и доступных для пользователей средств передачиданных.Для эффективного решения такой задачи необходимы исследования, достижения иперспективные разработки в области методов и устройств кодирования, которые позволятускорить интеграцию современных технологий в жизнь каждого потребителя.

Уже сейчаснеоценимый вклад по данным направлениям, внесли и продолжают вноситьтеоретические и практические работы С.И. Катаева, М.И. Кривошеева, Ю.Б. Зубарева,А.С. Селиванова, Б.П. Хромого, В.П. Дворковича, Ю.С. Сагдуллаева, В.Н. Безрукова, атакже других отечественных и зарубежных авторов.Современным продуктом таких исследований являются, например, широкоиспользуемые стандарты сжатия H.264/AVC и H.265/HEVC.

Они реализуют эффективноекодирование в системах ТВЧ для работы на большинстве аппаратных платформ и систем,с использованием меньшего количества ресурсов для передачи видеоинформационныхсигналов.Однако остается ряд платформ, для которых названные стандарты неспособныобеспечить эффективное кодирование сигналов ТВ изображений с качеством,соответствующим формату высокой четкости, особенно, для кодирования изображений,передаваемых в режиме реального времени. Кроме этого, исследования показали, чтоновейшие форматы ТВ изображений сверхвысокой четкости 4K и 8K, скорее всего,предъявят бескомпромиссно высокие требования к основным алгоритмам современныхстандартов сжатия в отношении их эффективности и скорости обработкивидеоинформационных сигналов, что говорит о скором достижении предела заложенногов эти стандарты ресурса. Сказанное выше приводит к выводу о необходимости4дальнейших исследований и разработок более эффективных методов обработки икодирования ТВ сигналов в цифровых видеоинформационных системах.По этой причине актуальными являются разработки новых цифровых методов иустройств, отличающихся не только эффективным и качественным, но и быстрым повремени, за счёт снижения объёма необходимых вычислений, кодированиемвидеоинформационных сигналов высокой и сверхвысокой четкости.

При этом в процессеобработки таких сигналов не потребуется привлечение высокопроизводительногооборудования. Наличие таких методов и устройств позволит успешно обеспечиватьсовременные и будущие требования к видеоинформационным системам на баземобильных и стационарных аппаратных платформ.Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертационной работы являетсямодернизация существующих и разработка новых адаптивных методов, алгоритмов иустройств, позволяющих эффективно формировать, обрабатывать и кодироватьвидеоинформационные сигналы ТВ изображений со стандартной, высокой исверхвысокой четкостью, а также сократить за счёт снижения объёма вычисленийнеобходимое количество используемых временных и аппаратных ресурсов дляреализации перечисленных операций в сравнении с существующими методами.Для достижения поставленной цели в данной диссертационной работе решеныследующие научно-практические задачи:1.

Проведентеоретическийанализметодовобработкиикодированиявидеоинформационных сигналов в современных стандартах сжатия H.264/AVC,H.265/HEVC и эффективных методов противошумовой коррекции структуры ТВизображений.2. На основе аналитических результатов выбраны параметры размера блоковобрабатываемых пикселей внутрикадрового пространства и конкретизированыперспективные направления в области разработки новых методов эффективногоформирования видеоинформационных сигналов.3. Разработан эффективный метод шумовой коррекции, преимуществом которогоявляется относительно высокая степень подавления высокочастотных, в пределахвнутрикадрового пространства, составляющих шума.4.

Разработана структурная схема устройства многомерной шумовой коррекциивидеоинформационных сигналов, обеспечивающее эффективное устранение шума.5. Разработан метод итерационной противошумовой обработки, обеспечивающийформирование адаптивных сигналов управления высокой точности.6. Разработан метод внутрикадрового сжатия сигналов изображений, обеспечивающиймасштабируемость видеоинформационного потока при передаче кодированныхданных.7. Разработан высокоэффективный метод межкадрового кодирования данных, нетребующий в процессе своей работы привлечения высокопроизводительныхаппаратных ресурсов.Методы исследования. Поставленные в данной диссертационной работе задачирешались с использованием современных методов цифровой обработки изображений,численного анализа, статистической радиотехники, теории численного интегрирования идифференцирования, спектрального анализа, программирования и др.Научная новизна51.

Для варианта кодирования изображений высокой четкости выявлена спецификакорреляционных связей смежных в пространстве пикселей и конкретизированыпараметры размеров блоков пикселей, обеспечивающие увеличение эффективностиустранения внутрикадровой избыточности в пространственном спектре изображениябез существенной потери качества в последнем.2. Предложена таблица с увеличенным набором коэффициентов частотноговзвешивания для квантования трансформант ДКП в пространственном направлениивидеоформата высокой четкости.3.

Разработан метод трехмерной противошумовой коррекции на основе адаптивнойпространственно-временнойфильтрациисигналовТВизображенийвпоследовательности кадров.4. Разработана структурная схема устройства трехмерной противошумовой коррекциина основе пространственно-временной фильтрации сигналов ТВ изображений впоследовательности кадров.5. Для адаптивной внутрикадровой и межкадровой обработки ТВ изображений высокойчеткости разработан метод формирования управляющих сигналов, основанный наитерационной, линейной и нелинейной противошумовой обработке сигналов ТВизображений.6.

Разработан метод адаптивного внутрикадрового сжатия с возможностьюформирования корректирующей информации, обеспечивающей масштабируемостьвидеоинформационного потока.7. Разработан метод адаптивного межкадрового сжатия с уменьшением необходимогочисла сигналов векторов движения для восстановления кадра и соответственноувеличенной производительностью при выполнении процесса кодирования.Практическая ценность1.

Реализовано эффективное формирование управляющих сигналов для адаптивнойвнутрикадровой и межкадровой обработки ТВ изображений высокой четкости.2. Разработан алгоритм формирования корректирующей информациипривнутрикадровом сжатии видеосигнала с выполнением условия масштабируемостирезультирующего информационного потока.3. При реализации межкадрового сжатия сигналов изображений обеспечено уменьшениенеобходимого числа сигналов векторов движения для восстановления кадра исоответственно увеличена производительность при выполнении процессакодирования.4. Разработана структурная схема устройства трехмерной шумовой коррекции наоснове пространственно-временной фильтрации сигналов изображений впоследовательности кадров.5.

Создано программное обеспечение для моделирования разработанного методаадаптивноговнутрикадровогосжатиясвозможностьюформированиякорректирующей информации.6. Создано программное обеспечение для моделирования разработанного методаадаптивного межкадрового сжатия.Реализация результатов работы. Результаты работы использованы при разработкесистем передачи видеоинформации в ООО «Радиокомп», ЗАО «Спецвидеопроект» и привыполнении гранта РФФИ № 14-07-00793-А «Разработка методов, алгоритмов иустройства объективной комплексной и раздельной относительной оценки характеристик6систем сжатия спектра сигналов изображений вещательного телевидения» в ФГОБУ ВПОМТУСИ. Они также использованы при проведении учебного процесса на кафедретелевидения и звукового вещания им. С.И.

Катаева ФГОБУ ВПО МТУСИ для подготовкибакалавров и магистров.Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работыдокладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях“Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения”, Москва, Intermatic2011 г. и Москва, Intermatic 2012 г., VIII международно-отраслевой научно-техническойконференция “Технологии информационного общества”, Москва, 2014 г., а также нанаучно-технических семинарах, организованных на кафедре телевидения и звуковоговещания им.

С.И. Катаева ФГОБУ ВПО МТУСИ, 2011 – 2014 гг.Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 5 научныхработ, в том числе три статьи в ведущих рецензируемых журналах, входящих в переченьВАК.Личный вклад. Теоретические выводы, основные положения и рекомендации,изложенные в материалах данной диссертации, получены автором лично.Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёхглав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 205 страницахмашинописного текста. Список литературы включает 91 наименований.Основные положения, выносимые на защиту1. Разработанный метод трехмерной противошумовой коррекции внутрикадровогопространства на основе адаптивнойпространственно-временной фильтрациисигналов изображений в последовательности кадров, реализующий эффективноеподавление шумов различного происхождения и обеспечивающий экономное, в силуприменения простых математических операций, использование вычислительныхресурсов.2.