СПОСОБ ПОДАВЛЕНИЯ ШУМА КАНАЛА СВЯЗИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ СИГНАЛА ДВУМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H04B15/00 

Изобретение относится к области передачи информации, конкретно - к способам передачи сигналов в оптических каналах связи, и может найти применение при создании перспективных форматов передачи информации по оптическим каналам.

Актуальными задачами в этой области являются возможности увеличения сжатия, помехоустойчивости и скорости при передаче сигналов. Проблема фильтрации различных шумов (помех) решается, как правило, с помощью использования частотных фильтров, что приводит к искажениям полосы пропускания канала связи и, тем самым, к нарушению полноты восстановленного изображения. Однако в настоящее время для подавления шумов часто применяют способы, включающие интегральную обработку изображений с передачей по каналу связи спектральных коэффициентов, соответствующих различным системам базисных функций, используемых для преобразования исходных изображений, например способы с использованием интегральных преобразований типа преобразования Уолша-Адамара.

Известен способ передачи сигналов с использованием преобразования Уолша-Адамара (заявка США №20060067413 от 30.03.2006, Н04К 1/10, H04L 27/06), в котором преобразования Уолша-Адамара используются для кодирования сигналов таким образом, что на размерность и вид матрицы преобразования воздействуют с помощью алгоритма Шермана-Моррисона в соответствии с ковариационной матрицей шума. Использование в этом методе преобразования Адамара для кодирования сигналов при их передаче по каналу связи с трансформированием размерности и вида матрицы преобразования с помощью алгоритма Шерман-Моррисона в соответствии с ковариационной матрицей шума позволяет минимизировать среднеквадратичную ошибку.

Такой метод предполагает наличие многоканальной сети с возможностью множественного доступа с кодовым разделением каналов, что существенно усложняет и удорожает систему передачи информации. Кроме того, с точки зрения помехоустойчивости этот метод опирается на традиционные представления о влиянии величины соотношения сигнал/шум на качество выходного сигнала, при которых предполагается, что величина минимизированного шума (его дисперсия) одинакова для всего массива передаваемых сигналов вне зависимости от информативности участка поля изображения, что снижает возможность максимизировать отношение сигнал/шум в наиболее информативных участках передаваемого изображения.

Прототипом предлагаемого способа является способ пространственной фильтрации временного шума (Подласкин Б.Г. Пространственная фильтрация временного шума при реализации преобразования Адамара на фотоприемной матрице. ЖТФ, т.77, в.4, 2007, с.139), включающий интегральную обработку изображений с разложением их по системе базисных функций Уолша-Адамара размерности N, упорядоченных в соответствии с преобразованием Грея, передачу полученных спектральных коэффициентов по каналу связи при наличии аддитивного шума, проведение обратного преобразования Адамара с восстановлением исходного изображения F и локализацией шума в различных участках экрана. Авторы выявили, что изменение организации системы базисных функций путем перестановки строк в матрице прямого преобразования Адамара Н (т.е. изменение порядка передачи спектральных компонент) влияет на распределение спектра шума в пространстве изображения. При этом можно добиться сосредоточения максимальных шумовых искажений изображения в различных зонах экрана. Иначе говоря, можно производить пространственную локализацию дисперсии шума, концентрируя основную часть шума в наименее информативных участках восстановленного изображения. Для передачи сигналов по каналу связи в этом способе используется прямой оператор строчной развертки L, преобразующий матрицу коэффициентов прямого преобразования Адамара С, полученную на передающей стороне, в одномерный вектор W с размерностью, равной квадрату размерности прямого преобразования Адамара. При прохождении по каналу связи на сигнал W накладывается аддитивный шум ψ, в результате чего на приемной стороне регистрируется сигнал W'. Одномерный вектор W' с помощью обратного оператора строчной развертки L^- преобразуется в матрицу коэффициентов прямого преобразования Адамара С', над которой производится обратное преобразование Адамара Н^-, в результате чего на приемном экране воспроизводится изображение F', представляющее собой восстановленное исходное изображение F и изображение шума, в виде его спектра в базисе функций Уолша, локализованного в определенных участках поля изображения. Таким образом, обработка и передача оптического изображения описывается следующими выражениями:

FH=C

CL=W

W+ψ=W'

W'L^-=C'

C'H^-=F'=F+H^-ψL^-,

или

H^-((FH)L+ψ)L^-=H^-FH+H^-ψL^-=F'=F+H^-ψL^-

Поскольку оператор L является оператором строчной развертки, пространственная локализация временного шума канала в соответствии с построчным расположением секвентивно упорядоченных базисных функций Уолша носит явно выраженный строчный характер, т.е. максимальные значения дисперсии шума расположены вдоль строк, соответствующих положению функций Уолша с минимальными секвентами. Способ позволяет получить при приеме сигнала свободную от шума область пространства экрана, расположенную в центре экрана, в верхней или нижней части экрана, т.е. производить пространственно-строчную локализацию шума.

Недостатком прототипа является реализация пространственной локализации шума только в одном измерении, что не дает возможности получения свободной от шума области пространства экрана существенно большей величины при соизмеримых значениях ширины пространственно-спектральной характеристики шума и размерности преобразования.

Изобретение решает задачу повышения эффективности подавления шума канала связи при передаче сигнала двумерного изображения.

Задача решается способом подавления шума канала связи при передаче сигнала двумерного изображения, включающим кодирование исходного сигнала путем воздействия на него прямого преобразования Адамара, упорядоченного в соответствии с преобразованием Грея, последовательного воздействия на матрицу коэффициентов прямого преобразования Адамара оператором строчной развертки L и дополнительным оператором L*, представляющим собой транспонированную матрицу L, для формирования одномерных векторов W и W*, последовательную передачу коэффициентов этих векторов по каналу связи, декодирование выходного сигнала, полученного в виде коэффициентов суммарного вектора (W+W*'), при котором суммарный вектор разделяют на составляющие W' и W*', производят над ними преобразования с помощью воздействия обратных операторов строчной развертки L^- и L*^-, соответственно, суммируют две сформировавшиеся матрицы коэффициентов преобразования Адамара исходного изображения, после чего над суммарной матрицей производят обратное преобразование Адамара.

Развивая идею, разработанную авторами предлагаемого изобретения и воплощенную в способе-прототипе, авторы установили, что степень пространственной локализации временного шума канала связи (эффективность подавления шума) может быть существенно увеличена за счет суммирования в поле изображения двух реализаций изображений спектрального распределения шума, координаты которых ортогональны друг другу, в результате чего суммирование дисперсии двух реализаций шумовых последовательностей приобретает сверхсуммарный эффект за счет нелинейного распределения дисперсии по полю изображения и резкому увеличению отношения сигнал/шум в области малых значений дисперсии.

В этом случае выражения, описывающие обработку и передачу изображения, принимают вид:

FH=C

CL+CL*=W+W*

(W+ψ)+(W*+ψ)=W'+W*'

W'L^-+W*'L*^-=C'+C*'

С'Н^-+С*'Н^-=F'+F*'=2F+H^-ψL^-+H^-ψL*^-,

или:

H^-((FH)L+ψ)L^-+H^-((FH)L*+ψ)L*^-=H^-FH+H^-ψL^-+H^-FH+H^-ψL*^-=F'+F*'=F+H^-ψL^-+F+H^-ψL*^-=2F+H^-ψL^-+H^-ψL*^-,

где F - массив данных (матрица), предназначенных для передачи по каналу связи (исходное изображение);

Н - матрица прямого преобразования Адамара;

С - матрица коэффициентов прямого преобразования Адамара;

L - оператор строчной развертки;

L* - дополнительный оператор, представляющий собой транспонированную матрицу оператора L;

W - одномерный вектор, полученный при преобразовании оператором L матрицы коэффициентов прямого преобразования Адамара С на передающей стороне;

W* - одномерный вектор, полученный при преобразовании оператором L* матрицы коэффициентов прямого преобразования Адамара С на передающей стороне;

ψ - аддитивный шум;

W' - одномерный вектор, соответствующий W, регистрируемый на приемной стороне;

W*' - одномерный вектор, соответствующий W*, регистрируемый на приемной стороне;

L^- - оператор, преобразующий одномерный вектор W размерностью N² в матрицу С' размерностью N;

L*^- - оператор, преобразующий одномерный вектор W*' размерностью N² в матрицу С*' размерностью N;

С' - матрица коэффициентов прямого преобразования Адамара, полученная при воздействии на W обратного оператора строчной развертки L^-;

С*' - матрица коэффициентов прямого преобразования Адамара, полученная при воздействии на W*' обратного оператора строчной развертки L*^-;

F' - изображение, представляющее собой восстановленное исходное изображение F и изображение шума ψ при воздействии оператора L^-;

F*' - изображение, представляющее собой восстановленное исходное изображение F и изображение шума ψ при воздействии оператора L*^-.

Привлечение в операцию кодирования изображения дополнительного оператора L*, представляющего собой транспонированную матрицу оператора L, производящего считывание коэффициентов прямого преобразования Адамара Н над изображением F и формирующего одномерный вектор W*, а также привлечение в операцию декодирования дополнительного оператора L*^-, представляющего собой транспонированную матрицу оператора L^-, преобразующего одномерный вектор W*' размерностью N² в матрицу С*' размерностью N, приводит к тому, что при восстановлении изображения форма полезного сигнала сохраняется, а его мощность удваивается (2F) за счет использования удвоенной длительности сеанса связи (т.к. в данном случае происходит пересылка двух векторов W и W* вместо одного). Поскольку аддитивный шум канала связи, искажающий сигналы, соответствующие передаваемым коэффициентам Адамара, воздействует на векторы W и W* статистически независимо, а ковариационная матрица дисперсии шума ввиду ортогональности векторов L^- и L*^- становится двумерной, распределение дисперсии восстановленного шума по полю изображения становится существенно нелинейным так, что концентрация максимальной дисперсии может быть сосредоточена на малоинформативных участках изображения, например в его углах. В результате, при заданном пороге минимальной дисперсии, определяемом минимально допустимым значением отношения сигнал/шум, существенно повышается эффективность подавления шума путем его пространственной локализации. Оценка эффективности подавления шума путем его пространственной локализации характеризуется диаметром окружности, вписанной в поле изображения, величина дисперсии в котором не превышает заданный порог минимальной дисперсии.

Способ осуществляют следующим образом.

На первом этапе производят считывание двумерного изображения F в виде матрицы входных параметров с размерностью N×N. Над матрицей F производят кодирование - сначала путем воздействия прямого преобразования Адамара Н, с помощью матрицы Адамара с размерностью N×N, которая упорядочена в соответствии с преобразованием Грея:

.

В результате этого преобразования Адамара создается матрица коэффициентов прямого преобразования , с размерностью N×N, содержащая коэффициенты прямого преобразования Адамара над матрицей F, представляющая собой массив данных, предназначенных для передачи по каналу связи (HF=C). Далее производят преобразование матрицы С в линейную последовательность данных (W+W*) с помощью последовательного воздействия оператора L=|a_k|, где k=j+N(i-1), с размерностью N² и оператора L*=|b_k|, где k=i+N(j-1), с размерностью N², т.е. CL+CL*=W+W*. Затем производят последовательную передачу элементов суммарной последовательности (W+W*) с размерностью, равной 2N², по каналу связи в виде электрических сигналов, подаваемых на входное устройство канала связи и согласованных по форме и частоте следования с параметрами канала, обладающего собственным шумом ψ, аддитивным по отношению к передаваемому сигналу. На приемной стороне канала производится регистрация выходного сигнала (W'+W*'), включающего входную последовательность (W+W*) и аддитивный шум:

W'+W*'=(W+ψ)+(W*+ψ). На приемной стороне производится декодирование выходного сигнала. На первом этапе полученный сигнал (W+ψ)+(W*+ψ), обладающий размерностью 2N², разделяется на две последовательные во времени составляющие (W+ψ) и (W*+ψ), после чего над ними производят преобразование с помощью обратных операторов L^- и L*^-, соответственно, так что образуются две матрицы с размерностью N, С' и С*', образованных из переданных по каналу коэффициентов преобразования Адамара: W'L^-+W*'L*^-=C'+C*'. Над суммой матриц (С'+С*') производят обратное преобразование Адамара: C'H^-+C*^-H^-=F'+F*'=2F+H^-ψL^-+H^-ψL*^-, в результате которого восстанавливается исходное изображение и изображение спектра аддитивного шума канала в базисе преобразования Адамара с нелинейным распределением дисперсии по полю изображения и концентрацией ее в наименее информативных участках восстановленного изображения, что приводит к подавлению шума канала связи при передаче сигналов двумерного изображения. Пример конкретного исполнения.

Способ был осуществлен при передаче с помощью оптоволоконного канала связи сигнала вида:

С помощью последовательного воздействия оператора L, представляющего собой последовательное считывание элементов матрицы вдоль ее строк, и оператора L*, представляющего собой последовательное считывание элементов матрицы вдоль ее столбцов, матрица С преобразовывалась в линейную последовательность данных (W+W*):

Эта последовательность в виде электрических сигналов подавалась на модулятор оптоволоконного канала связи, преобразующий электрические сигналы в оптические. В результате производилась последовательная передача элементов суммарной последовательности (W+W*) по каналу связи в виде оптических сигналов, согласованных по форме и частоте следования с параметрами канала, обладающего собственным шумом ψ, аддитивным по отношению к передаваемому сигналу. Реализация шума ψ с гауссовым распределением и дисперсией 0.5 выглядела следующим образом:

На приемной стороне канала оптическим детектором (фотодиодом) производилась регистрация выходного сигнала (W'+W*'), включающего входную последовательность (W+W*) и аддитивный шум ψ, W'+W*'=(W+ψ)+(W*+ψ):

с помощью компьютера производилось обратное преобразование Адамара, в результате которого восстанавливалось исходное изображение и изображение спектра аддитивного шума канала в базисе преобразования Адамара, с нелинейным распределением дисперсии по полю изображения и концентрацией ее в наименее информативных участках восстановленного изображения, что приводило к подавлению шума канала связи при передаче сигналов двумерного изображения F:

Результаты применения способа графически представлены на Фиг.1, 2, 3.

На Фиг.1 показано изображение на экране исходного двумерного оптического сигнала, передаваемого по каналу связи. Сигнал распределен по центральной части экрана, интенсивность окраски соответствует его мощности.

На Фиг.2 показано изображение выходного сигнала, полученного в результате использования способа, описанного в прототипе. Видно, что, помимо сигнала в центральной части экрана, в верхней и нижней частях экрана вдоль строк распределен шум, причем он практически смыкается с сигналом, что приводит к искажению сигнала.

На Фиг.3 показано изображение выходного сигнала, полученного в результате использования предлагаемого способа. Четко видно существенное уменьшение области, занимаемой шумом (в углах экрана), а также снижение его интенсивности (светлая окраска).

Таким образом, из сравнения Фиг.2 и 3 очевидно, что степень локализации шума и отношение сигнал/шум в области передаваемого сигнала, т.е. эффективность подавления шума, при использовании заявляемого способа значительно выше, чем при применении способа-прототипа.

Изобретение относится к технике оптической передачи сигналов. Технический результат состоит в повышении эффективности подавления шума канала связи при передаче сигнала двумерного изображения. Для этого в способе кодируют исходный сигнал путем воздействия на него прямого преобразования Адамара, упорядоченного в соответствии с преобразованием Грея, последовательного воздействия на матрицу коэффициентов прямого преобразования Адамара оператором строчной развертки L и дополнительным оператором L*, представляющим собой транспонированную матрицу L, декодируют с помощью воздействия обратных операторов строчной развертки L^- и L*^-, соответственно, суммируют две сформировавшиеся матрицы коэффициентов преобразования Адамара исходного изображения и производят обратное преобразование Адамара над суммарной матрицей. Способ повышает эффективность подавления шума за счет суммирования в поле изображения двух реализаций изображений спектрального распределения шума, координаты которых ортогональны друг другу, в результате чего суммирование дисперсии двух реализаций шумовых последовательностей приобретает сверхсуммарный эффект за счет нелинейного распределения дисперсии по полю изображения и резкому увеличению отношения сигнал/шум в области малых значений дисперсии. 3 ил.

Способ подавления шума канала связи при передаче сигнала двумерного изображения, включающий кодирование исходного сигнала путем воздействия на него прямого преобразования Адамара, упорядоченного в соответствии с преобразованием Грея, последовательного воздействия на матрицу коэффициентов прямого преобразования Адамара оператором строчной развертки L и дополнительным оператором L*, представляющим собой транспонированную матрицу L, для формирования одномерных векторов W и W*, последовательную передачу коэффициентов этих векторов по каналу связи, декодирование выходного сигнала, полученного в виде коэффициентов суммарного вектора (W'+W*'), при котором суммарный вектор разделяют на составляющие W' и W*', производят над ними преобразования с помощью воздействия обратных операторов строчной развертки L^- и L*^-, соответственно, суммируют две сформировавшиеся матрицы коэффициентов преобразования Адамара исходного изображения, после чего над суммарной матрицей производят обратное преобразование Адамара.