СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ СЖАТЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПО КАНАЛАМ ДАЛЬНЕЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ С ПОМЕХАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОВТОРОВ, ВОССТАНОВЛЕНИЯ И МИНИМИЗАЦИЕЙ ВРЕМЕНИ НА ОТОБРАЖЕНИЕ ТЕКУЩЕГО ПРИНЯТОГО ОБЪЁМА ДАННЫХ Российский патент 2024 года по МПК H04N19/65 H04B7/185 H04L43/823 

Изобретение относится к области передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами.

Данное техническое решение предназначено для безошибочной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных возможного для отображения с учетом порога функционирования используемого алгоритма сжатия по числу битовых ошибок.

Способность данного способа работать с любыми каналами радиосвязи и применяемыми в них алгоритмами сжатия цифровых изображений, обеспечивает широкую «промышленную применимость», которая в том числе расширяется возможностью реализации предлагаемого способа на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или штатных вычислителях, используемых для формирования цифрового покадрового потока изображений.

Известно, что дальняя космическая связь как вид радиосвязи с космическими аппаратами, находящимися на значительном удалении от Земли, осложняется значительным ослаблением сигнала за счет рассеяния в пространстве, доплеровским смещением частоты, а также значительными задержками, вызванными конечной скоростью распространения радиоволн. Тем не менее, по каналам такого рода в условиях значительных помех и как следствие битовых ошибок передаются потоки данных чувствительные к достоверности. Одним из часто передаваемых типов трафика по данным каналам является трафик цифровых сжатых изображений, для которого битовые ошибки хоть и возможны, но являются определяющими. В том числе радиолокационные, тепловизионные и гиперспектральные изображения, получаемые из дальнего космоса. Такие потоки являются очень требовательными к пропускной способности, что непременно приводит к необходимости сжатия, что усугубляет ситуацию при возникновении битовых ошибок.

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, такую вероятность битовой ошибки в каналах дальней космической связи удается обеспечить не всегда.

В таких условиях алгоритмы сжатия изображений начинают функционировать с существенными искажениями, а имеющаяся узкая полоса пропускания обеспечить требуемую пропускную способность для передачи без сжатия не в состоянии.

На радиосвязь в космосе влияет множество факторов: колеблющаяся ионосфера Земли, низкоуровневое радиоизлучение, микроволновое фоновое излучение. Все они могут подавлять сигнал. Однако для будущих космических исследований необходимо обеспечить устойчивую связь. Для этого коммуникационная система должна обладать возможностью адаптации к искажениям окружающей среды, а используемые механизмы передачи данных должны давать максимум качества передачи из минимума имеющегося ресурса.

Исследования алгоритмов сжатия изображений показали, что для большинства из них существует порог по количеству битовых ошибок при котором, сжатое изображение не может быть декодировано. Данный порог является случайной величиной, но при исследовании статистических данных может быть получена оценка среднего количества ошибок, выше которой алгоритм при заданной степени компрессии не функционирует. Эта идея используется в предлагаемом способе для минимизации времени на отображение текущего принятого объема данных. Изображение предлагается начинать отображать с момента возникновения технической возможности алгоритма к декомпрессии при текущем уровне ошибок и обновлять изображение на экране оператора по мере коррекции ошибок.

Известен способ-аналог 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-аналог имеет следующие недостатки:

1. Не учитывают возможные битовые ошибки при передаче по радиоканалу в условиях помех.

2. Не используют информацию о технических возможностях применяемого алгоритма сжатия.

3. Не отображают текущие принятые данные.

Аналог не позволяет обеспечить безошибочную передачу цифровых сжатых изображений по радиоканалу дальней космической связи с помехами и минимизировать время на отображение текущего принятого объема данных.

Технический результат аналога заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является Способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами (патент RU №2742322, 2021).

Сущность данного способа заключается в следующем: 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, 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.

Способ-прототип имеет следующие недостатки:

1. Не оценивают нижний порог функционирования алгоритма сжатия по вероятности битовой ошибки.

2. Не реализуют механизмы восстановления данных использующие ошибочные версии принятых фрагментов изображения.

3. Не используют канал обратной связи для организации механизма дублирования искаженных фрагментов данных.

4. Производят отображение изображения только после полного приема всех данных.

Прототип не позволяет обеспечить безошибочную передачу покадрового потока цифровых сжатых изображений из дальнего космоса с возможность отображения данных принятых на текущий момент времени.

Технический результат прототипа заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами по показателю меры искажения и времени передачи.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в обеспечении возможности безошибочной передачи цифрового покадрового пакетированного потока сжатых изображений с возможностью отображения данных принятых на текущий момент времени.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами за счет устранения ошибок передачи, посредством дублирования и восстановления данных по информации из повторно ошибочно принятых пакетов, а также возможности визуализации декомпрессированной версии изображения принятой на текущий момент времени.

Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - функциональная схема Способа передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с использованием повторов, восстановления и минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных.

Для решения этой задачи предлагается Способ передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с использованием повторов, восстановления и минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных, заключающийся в том, что:

определяют посредством имитационного моделирования минимальный порог функционирования доступных к использованию в системе дальней космической связи алгоритмов сжатия изображений при различных степенях компрессии в части количества битовых ошибок на сжатое изображение в блоке 1 моделирования функционирования алгоритмов сжатия и передают через приемопередатчики 6 и 7 полученные пороговые значения в блок 14 сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования;

подают входной покадровый поток изображений 2 на блок компрессии 3;

выбирают алгоритм сжатия и степень компрессии и сжимают покадровый поток изображений в блоке компрессии 3 в соответствии с выбранным алгоритмом сжатия;

передают сжатый покадровый поток из блока компрессии 3 в пакетировщик трафика 4;

пакетируют сжатый поток изображений, вставляя контрольную сумму в заголовок каждого пакета и передают пакеты на планировщик дублирования 5;

передают пакеты данных по каналу дальней космической связи от планировщика дублирования 5 через приемопередатчики 6 и 7 на сторону получателя изображений;

принимают пакеты данных по каналу дальней космической связи на стороне получателя изображений и направляют их в буфер 8 и массив хранения принятых версий пакетов 11;

передают впервые принятые пакеты из буфера 8 в порядке их поступления в анализатор контрольной суммы 9;

проверяют контрольную сумму каждого пакета в анализаторе контрольной суммы 9 и делая пометку в заголовке о совпадении контрольной суммы передают пакеты в блок 10 формирования массива данных сжатого изображения;

считывают текущее состояние массива данных 10 сжатого изображения в блок 13 анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении;

вычисляют число ошибок в изображении в блоке 13 анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении, при этом за ошибки принимают данные содержащиеся в пакетах с несовпадающей контрольной суммой и данные, которые должны содержаться в непринятых на текущий момент времени пакетах;

передают общее число ошибок в изображении из блока 13 анализа общего числа ошибок в изображении совместно со всеми принятыми данными в блок 14 сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования;

производят передачу текущей версии принятого изображения из блока 14 сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования в блок декомпрессии 15 при выполнении требования к минимальному порогу функционирования алгоритма сжатия;

запрашивают из блока 13 анализа общего числа ошибок в изображении повторную передачу пакетов, принятых с ошибками у планировщика дублирования 5 через приемопередатчики 7 и 6;

повторно принимают пакеты, принятые ранее с ошибками на приемопередатчике 7 получателя изображений и передают их в буфер 8 и массив хранения принятых версий пакетов 11;

запрашивают все данные из массива хранения принятых версий пакетов 11 в блок 12 определения наиболее вероятного истинного значения и производят восстановление пакетов, принятых с ошибками при наличии нечетного числа версий начиная с трех, посредством принятия за истинное значение каждого бита значения встречающегося наибольшее число раз;

передают повторно принятые пакеты из буфера 8 или их восстановленную версию из блока 12 определения наиболее вероятного истинного значения в порядке их поступления в анализатор контрольной суммы 9;

проверяют контрольную сумму каждого повторно принятого пакета в анализаторе контрольной суммы 9 и передают пакеты, не содержащие ошибок в блок 10 формирования массива данных сжатого изображения, при этом подменяют принятые ранее ошибочные пакеты;

считывают текущее состояние массива данных 10 сжатого изображения в блок 13 анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении;

вычисляют число ошибок в изображении в блоке 13 анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении, при этом за ошибки принимают данные содержавшиеся в пакетах с несовпадающей контрольной суммой и данные, которые должны содержаться в непринятых на текущий момент времени пакетах;

передают общее число ошибок в изображении из блока 13 анализа общего числа ошибок в изображении совместно со всеми принятыми данными в блок 14 сравнения с порогом функционирования;

сравнивают в блоке 14 сравнения с порогом функционирования текущее общее число ошибок в изображении и пороговое;

производят передачу текущей версии принятого изображения из блока 14 сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования в блок декомпрессии 15 при выполнении требования к минимальному порогу функционирования алгоритма сжатия;

декомпрессируют в блоке декомпрессии 15 текущую версию изображения и передают ее получателю изображения 16 для визуализации;

отображают текущую версию изображения на стороне получателя изображения 16;

зацикливают процесс запроса из блока 13 анализа общего числа ошибок в изображении повторной передачи пакетов, принятых с ошибками у планировщика дублирования 5 через приемопередатчики 6 и 7.

Сопоставление заявленного Способа передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с использованием повторов, восстановления и минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных 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.

5. Используют имитационное моделирование для оценки функциональных возможностей применяемых алгоритмов сжатия при различных уровнях помех.

6. Используют априорную информацию о технических возможностях применяемых алгоритмов сжатия при функционировании в условиях помех.

Отличительные признаки предлагаемого решения:

1. Анализируют при имитационном моделировании процесса передачи цифровых сжатых изображений по каналу с помехами порог функционирования алгоритма сжатия по числу битовых ошибок.

2. Производят повторную передачу искаженных фрагментов данных.

3. Отображают текущие принятые данные в виде изображения ухудшенного качества по отношению к оригиналу при появлении технической возможности декомпрессии.

4. Используют восстановление данных на основании статистического анализа многократно принятых версий ошибочных фрагментов данных.

Таким образом, заявленный Способ передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с использованием повторов, восстановления и минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных, позволяет осуществить безошибочную, за счет повторов и восстановления, передачу цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных, возможного для декомпрессии с учетом порога функционирования используемого алгоритма сжатия по числу битовых ошибок.

Изобретение относится к области передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами. Данное техническое решение предназначено для безошибочной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных, возможного для отображения с учетом порога функционирования используемого алгоритма сжатия по числу битовых ошибок. Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами за счет устранения ошибок передачи, посредством дублирования и восстановления данных по информации из повторно ошибочно принятых пакетов, а также возможности визуализации декомпрессированной версии изображения, принятой на текущий момент времени. Способность данного способа работать с любыми каналами радиосвязи и применяемыми в них алгоритмами сжатия цифровых изображений обеспечивает широкую «промышленную применимость», которая в том числе расширяется возможностью реализации предлагаемого способа на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или штатных вычислителях, используемых для формирования цифрового покадрового потока изображений. 1 ил.

Способ передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с помехами с использованием повторов, восстановления и минимизацией времени на отображение текущего принятого объема данных, заключающийся в том, что имитируют работу канала дальней космической связи при передаче цифровых сжатых изображений для всего набора доступных алгоритмов сжатия и степеней компрессии; подают входной покадровый поток изображений на блок компрессии; выбирают алгоритм сжатия и степень компрессии и сжимают покадровый поток изображений в блоке компрессии в соответствии с выбранным алгоритмом сжатия; передают сжатый покадровый поток из блока компрессии в пакетировщик трафика; пакетируют сжатый поток изображений, вставляя контрольную сумму в заголовок каждого пакета и передают пакеты на планировщик дублирования; передают пакеты данных по каналу дальней космической связи от планировщика дублирования через приемопередатчики на сторону получателя изображений; принимают пакеты данных по каналу дальней космической связи на стороне получателя изображений и направляют их в буфер и массив хранения принятых версий пакетов; передают впервые принятые пакеты из буфера в порядке их поступления в анализатор контрольной суммы; проверяют контрольную сумму каждого пакета в анализаторе контрольной суммы и, делая пометку в заголовке о совпадении контрольной суммы, передают пакеты в блок формирования массива данных сжатого изображения; считывают текущее состояние массива данных сжатого изображения в блок анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении; запрашивают из блока анализа общего числа ошибок в изображении повторную передачу пакетов, принятых с ошибками у планировщика дублирования через приемопередатчики; повторно принимают пакеты, принятые ранее с ошибками на приемопередатчике получателя изображений, и передают их в буфер и массив хранения принятых версий пакетов; передают повторно принятые пакеты из буфера или их восстановленную версию из блока определения наиболее вероятного истинного значения в порядке их поступления в анализатор контрольной суммы; декомпрессируют в блоке декомпрессии текущую версию изображения и передают ее получателю изображения для визуализации; отображают текущую версию изображения на стороне получателя изображения; зацикливают процесс запроса из блока анализа общего числа ошибок в изображении повторной передачи пакетов, принятых с ошибками у планировщика дублирования через приемопередатчики, отличающийся тем, что определяют посредством имитационного моделирования минимальный порог функционирования доступных к использованию в системе дальней космической связи алгоритмов сжатия изображений при различных степенях компрессии в части количества битовых ошибок на сжатое изображение в блоке моделирования функционирования алгоритмов сжатия и передают через приемопередатчики полученные пороговые значения в блок сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования; вычисляют число ошибок в изображении в блоке анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении, при этом за ошибки принимают данные, содержащиеся в пакетах с несовпадающей контрольной суммой, и данные, которые должны содержаться в непринятых на текущий момент времени пакетах; передают общее число ошибок в изображении из блока анализа общего числа ошибок в изображении совместно со всеми принятыми данными в блок сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования; производят передачу текущей версии принятого изображения из блока сравнения текущего числа ошибок с порогом функционирования в блок декомпрессии при выполнении требования к минимальному порогу функционирования алгоритма сжатия; запрашивают все данные из массива хранения принятых версий пакетов в блок определения наиболее вероятного истинного значения и производят восстановление пакетов, принятых с ошибками, при наличии нечетного числа версий, начиная с трех, посредством принятия за истинное значение каждого бита значения, встречающегося наибольшее число раз; проверяют контрольную сумму каждого повторно принятого пакета в анализаторе контрольной суммы и передают пакеты, не содержащие ошибок, в блок формирования массива данных сжатого изображения, при этом подменяют принятые ранее ошибочные пакеты; считывают текущее состояние массива данных сжатого изображения в блок анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении; вычисляют число ошибок в изображении в блоке анализа общего числа ошибок в принимаемом изображении, при этом за ошибки принимают данные, содержавшиеся в пакетах с несовпадающей контрольной суммой, и данные, которые должны содержаться в непринятых на текущий момент времени пакетах; передают общее число ошибок в изображении из блока анализа общего числа ошибок в изображении совместно со всеми принятыми данными в блок сравнения с порогом функционирования; сравнивают в блоке сравнения с порогом функционирования текущее общее число ошибок в изображении и пороговое.