СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПО КАНАЛУ СВЯЗИ Российский патент 2018 года по МПК H04N19/66 

Предлагаемое техническое решение относится к передаче изображений при условии, когда на каналы передачи данных наложены ограничения по скорости и величине битовой ошибки.

Для уменьшения времени передачи изображений по современным каналам связи проблема сжатия изображений имеет особую актуальность. Целью сжатия изображений является минимизация числа бит, требуемых для представления изображения. Существующие способы сжатия цифровых изображений могут быть поделены на две большие категории: без потерь и с потерями. Сжатие без потерь означает, что восстановленное после сжатия изображение с точностью до пикселя соответствует оригиналу. Сжатие без потерь не приводит к высоким коэффициентам сжатия (в 2-10 раз, но обычно не более 3-х раз), в то время как алгоритмы сжатия с потерями позволяют достигать компрессии до 50-ти раз без заметного ухудшения качества. Дело в том, что цифровое изображение имеет существенное количество излишней информации, которая может быть устранена практически без визуальной заметности. Существует ряд способов изменить изображение таким образом, что возникшие в результате этого искажения с точки зрения наблюдателя, для которого предназначено это изображение, будут несущественны, зато представление информации в новой форме позволит значительно увеличить компрессию по сравнению со сжатием без потерь.

Широко используются методы сжатия с потерями JPEG и JPEG 2000 (см., например, Киволвиц П. Сжатие изображений по стандарту JPEG // Мир ПК. - 1992. - №4. - С. 46-51; Santa-Cruz D., Grosbois R., Ebrahimi Т. JPEG 2000 performance evaluation and assessment // Signal Processing: Image Communication. - 2002. - V. 17. - №1. - P. 113-130). Общая идея, лежащая в основе этих методов, заключается в применении к изображению преобразования, концентрирующего большую часть энергии в относительно малом количестве коэффициентов. За счет более грубого квантования значительная часть коэффициентов преобразования, отвечающих за мелкие детали оригинала, обращается в 0, что позволяет эффективно закодировать полученную битовую последовательность энтропийным кодером. За высокие степени сжатия приходиться расплачиваться ухудшением детализации и размытием контуров. Из-за этого в отраслях, где предъявляются повышенные или специфические требования к качеству изображений, сжатие с потерями практически не используется, а использование сжатия без потерь не позволяет радикально сократить объем цифровых изображений. Отказ от использования сжатия с потерями приводит к увеличению затрат на хранение изображений и их передачу. Однако при условии, когда на каналы передачи данных наложены ограничения по скорости и величине битовой ошибки, использование алгоритма сжатия изображений способами группы JPEG не всегда возможно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ, описанный в патенте США №5065444 G06T 9/00, опубл. 12.11.1991 г. В указанном способе процессы сжатия и восстановления происходят по алгоритму метода фрактального кодирования исходного изображения. Основа метода фрактального кодирования - это обнаружение самоподобных участков в изображении и установление функциональной связи между ними. Часть информации теряется потому, что вероятность того, что ранговая и доменная области будут идеально похожи, очень мала. Кроме того, чем больше будет коэффициент сжатия, тем больше будут и потери, так как коэффициент сжатия увеличивается за счет увеличения количества подобных областей, что является следствием большего допустимого различия областей. Недостатком этого способа является недостаточное для решения практических задач соотношение качества восстановленного после сжатия изображения PSNR и коэффициента сжатия K. На практике могут возникать ситуации, когда при жестко ограниченной скорости передачи информации по каналу из-за поворота фотовидеокамеры, из-за перемещения объектов, из-за изменения картинки (кадра, обстановки) по другой причине или совсем по иной причине объем сжатых данных может незначительно увеличиваться до некоторого максимального заданного ограниченного объема (либо может потребоваться немного большая частота передачи кадров для обеспечения требуемой величины задержки). Так как объем исходной графической информации может быть относительно большим для обеспечения передачи более полной и точной информации о наблюдаемых объектах (это зависит от характеристик камеры - разрешение, глубина цвета пикселя), то даже несмотря на высокий коэффициент сжатия фрактального метода, объем сжатых данных может быть довольно большим. Поэтому увеличение этого объема даже на величину, соответствующую малой доли от этого объема, может привести к значительному возрастанию объема сжатых данных не по относительному, а по абсолютному значению, что может отрицательно повлиять на процесс обработки информации, например, когда обрабатывается последовательность кадров с определенной частотой (при этом на передачу одного кадра выделяется ограниченное и фиксированное количество времени, а при превышении объема сжатых данных кадра существенно может увеличиться время на его передачу) и при этом время общей задержки передачи изображения не должно превышать заданную величину, так как устройство, работающее по некоторому алгоритму (или оператор), может ошибочно принять решение о том, что наблюдаемый объект находится в точке с некоторыми координатами в некоторый момент времени. Описываемый фрактальный способ обеспечивает следующие соотношения качества (качество в рассматриваемом случае - это отношение пикового уровня сигнала к шуму - PSNR) и коэффициента сжатия (К): при PSNR=30 дБ обеспечивается K=97, при PSNR=32.6 дБ, K=171.

Целью предлагаемого технического решения является улучшение соотношения качества (т.е. отношения пикового уровня сигнала к шуму - PSNR) и коэффициента сжатия K фрактального метода сжатия (увеличение степени сжатия при сохранении качества).

Поставленная цель достигается тем, что в способе передачи изображения по каналу связи, содержащем на передающей стороне сжатие исходного изображения в формате BMP (Bitmap Picture) фрактальным методом, в результате чего изображение преобразуется в данные сжатого изображения в формате FIC (Fractal Image Compression), передачу данных по каналу связи, восстановление на приемной стороне из данных сжатого изображения в формате FIC изображения, представленного в формате BMP, на передающей стороне перед сжатием исходное изображение, представленное в формате BMP, разделяют на различные по объему части в пропорции (, ), где верхний индекс m (m=0, 1, 2, … k) обозначает порядок деления, нижний индекс n (n=0, 1, 2, … k) - номер части деления, определяемой стеганографической вместимостью, для порядка деления ^k, затем каждую часть отдельно сжимают упомянутым фрактальным методом, в результате чего получаются части данных сжатого изображения, представленных в формате FIC, затем производят рекурсивное стегановложение меньших частей в большие (по принципу «матрешки» вкладывают в , с вложением вкладывают в , …, с вложениями вкладывают в ), после чего данные сжатого изображения со стегановложениями передаются по упомянутому каналу связи, а на приемной стороне производят извлечение меньших (вложенных) частей из больших в обратной последовательности, восстанавливают фрактальным методом каждую из частей изображения соответственно из каждой части данных, соединяют восстановленные части изображения, представленных в формате BMP и получают полное изображение.

Для достижения максимального эффекта (для получения максимального коэффициента досжатия при сохранении качества) порядок деления k увеличивают до максимального значения (1).

Максимальное сжатие обеспечивается при порядке деления k, определяемом максимальной пропорцией деления, которая определяется стеганографической вместимостью, размером исходного изображения, а также размером минимальной части после деления, обрабатываемой данным фрактальным алгоритмом; порядок деления k, при котором обеспечивается максимальное сжатие, определяется по формуле:

где - соответствующая стеганографической вместимости максимальная пропорция частей после деления;

- объем минимальной части деления по отношению к объему исходного целого изображения;

S - размер исходного изображения, пиксели;

s - размер минимальной части после деления, пиксели;

k - порядок деления, при котором обеспечивается максимальное сжатия (верхний и нижний индексы принимают значение k: m=n=k).

Для примера рассмотрим досжатие при стеганографической вместимости, задающей пропорцию деления 3:1. Пусть файл исходного изображения имеет объем , который делится в пропорции , ( - объем большей части, - объем меньшей части), которая определяется стеганографической вместимостью системы. Верхний индекс обозначает порядок деления, нижний - номер части при делении какого-либо порядка. При стегановложении части в часть (деление порядка 1) объем исходных сжатых данных уменьшится до (коэффициент досжатия ). Здесь m1 - числитель дроби, соответствующей числовому значению объема сжатых данных по отношению к объему исходного файла изображения при делении порядка 1, n1 - знаменатель вышеописанной дроби. Однако если впоследствии будет возможность уменьшить объем части , то можно изначально уменьшить и объем части (сохраняя пропорцию, определяемую стеганографической вместимостью), в которую будет вкладываться уменьшенная , а следовательно, и увеличить коэффициент досжатия. Уменьшить часть можно аналогично уменьшению части . Таким образом, часть делится на три части (деление порядка 2): , и . Часть вкладывается в часть , полученный файл вкладывается в . В результате объем уменьшится от до , т.е. . При делении порядка 3 получаются четыре файла: , , , . В результате объем уменьшится , и т.д. Таким образом, объем сжатых данных для порядка деления k+1 при записывается следующим образом: , коэффициент досжатия . Последовательность объемов сжатых данных описывается (задается) формулами (обладает свойством): , n₁-m₁=1, m₀=n₀=1, , .

Размер минимальной части после деления (задающей максимальный порядок деления исходя из размера исходного изображения в формате BMP) определяется минимально возможным для обработки данным алгоритмом фрактального сжатия размером изображения (например, изображение в формате BMP размером 32*32, 4*4 пикселя).

Чем выше качество (объем) изображения, тем выше эффективность предлагаемого способа, так как при этом можно увеличить порядок деления, а чем выше порядок деления, тем в большее количество раз увеличивается коэффициент сжатия (и коэффициент досжатия), а при больших объемах изображения даже незначительное увеличение коэффициента сжатия приводит к уменьшению объема данных сжатого изображения на большую величину, что может быть полезно при ограниченной скорости канала связи. Также эффективность предлагаемого способа увеличивается с увеличением стеганографической вместимости.

При использовании предлагаемого метода (например, при соотношении частей деления , что соответствует стеганографической вместимости конкретной системы) обеспечиваются следующие соотношения качества и коэффициента сжатия: от PSNR=30 дБ и K=97 до PSNR=30 дБ и K=129 для деления порядка 1, PSNR=30 дБ и K=140 для деления порядка 2, PSNR=30 дБ и K=143 для деления порядка 3 и т.д.; от PSNR=32.6 дБ и K=171 до PSNR=32.6 дБ и K=228 для деления порядка 1, PSNR=32.6 дБ и K=247 для деления порядка 2, PSNR=32.6 дБ и K=253 для деления порядка 3 и т.д.

При этом, если размер исходного изображения S=100*100=10000 пикселей, а размер минимальной части после деления, обрабатываемой данным фрактальным алгоритмом, s=15*15=225 пикселей, то максимальный порядок деления при равен 3, так как при этом размер минимальной части деления равен 10000/40=250>225, а для порядка деления 4 размер минимальной части равен 10000/121=83<250.

Изобретение относится к передаче изображений при условии, когда на каналы передачи данных наложены ограничения по скорости и величине битовой ошибки. Техническим результатом является улучшение соотношения качества (т.е. отношения пикового уровня сигнала к шуму - PSNR) и коэффициента сжатия фрактального метода сжатия (увеличение коэффициента сжатия K при сохранении качества PSNR). В способе передачи изображения по каналу связи на передающей стороне перед сжатием исходное изображение, представленное в формате BMP, разделяют на различные по объему части в пропорции. Затем каждую часть отдельно сжимают фрактальным методом, в результате чего получаются части данных сжатого изображения, представленные в формате FIC. Производят рекурсивное стегановложение меньших частей в большие (по принципу «матрешки») и передают данные сжатого изображения со стегановложениями по каналу связи. На приемной стороне производят извлечение меньших (вложенных) частей из больших в обратной последовательности и восстанавливают фрактальным методом каждую из частей изображения соответственно из каждой части данных. Соединяют восстановленные части изображения, представленные в формате BMP, и получают полное изображение. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ передачи изображения по каналу связи, содержащий на передающей стороне сжатие исходного изображения в формате BMP фрактальным методом, в результате чего изображение преобразуется в данные сжатого изображения в формате FIC, передачу данных по каналу связи, восстановление на приемной стороне из данных сжатого изображения в формате FIC изображения, представленного в формате BMP, отличающийся тем, что на передающей стороне перед сжатием исходное изображение, представленное в формате BMP, разделяют на различные по объему части в пропорции (, ), где верхний индекс m (m=0, 1, 2, … k) обозначает порядок деления, нижний индекс n (n=0, 1, 2, … k) - номер части деления, определяемой стеганографической вместимостью, для порядка деления k, затем каждую часть отдельно сжимают упомянутым фрактальным методом, в результате получаются части данных сжатого изображения, представленного в формате FIC, затем производят рекурсивное стегановложение меньших частей в большие (по принципу «матрешки» вкладывают в , с вложением вкладывают в с вложениями вкладывают в ), после чего данные сжатого изображения со стегановложениями передаются по упомянутому каналу связи, а на приемной стороне производят извлечение меньших (вложенных) частей из больших в обратной последовательности, восстанавливают фрактальным методом каждую из частей изображения соответственно из каждой части данных, соединяют восстановленные части изображения, представленного в формате BMP, и получают полное изображение.

2. Способ передачи изображения по каналу связи по п. 1, отличающийся тем, что порядок деления k, при котором обеспечивается максимальное сжатие, определяется по формуле:

где - соответствующая стеганографической вместимости максимальная пропорция частей после деления;

- объем минимальной части деления по отношению к объему исходного целого изображения;

S - размер исходного изображения, пиксели;

s - размер минимальной части после деления, пиксели;

k - порядок деления, при котором обеспечивается максимальное сжатия (верхний и нижний индексы принимают значение k: m=n=k).