Способ неадаптивного непрерывного сжатия кадров телеметрических данных Российский патент 2024 года по МПК H03M7/30 

Изобретение относится к области кодирования и декодирования без потерь с сокращением избыточности передаваемой информации и может использоваться для сжатия и восстановления кадров телеметрических данных в информационно-измерительных системах.

Известен способ сжатия кадров телеметрических данных в основе которого лежит отображение битового представления полученного в текущий момент времени кадра на прямоугольную область, поверхность которой затем разбивается на множество полностью покрывающих ее прямоугольных областей меньшего размера, состоящих из бит только одного типа. После обнаружения каждую из областей предлагается кодировать с использованием глубины рекурсивного разбиения, проведенного для ее получения, что позволяет сжимать области, которые содержат в себе число бит больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего глубину рекурсивного разбиения, проведенного для получения каждой зафиксированной области, а также бита их типа (патент РФ №2697794 Н03М 7/30 (2006.01), H04N 1/64 (2006.01) от 19.08.2019).

Основным недостатком данного способа является то, что глубина рекурсивного разбиения нелинейно увеличивается от количества разбиваемых областей, в связи с чем данный способ показывает низкие результаты скорости сжатия-восстановления, помимо этого способ не позволяет сжимать области, размер которых меньше количества бит, отводимого на хранение описывающего глубину рекурсивного разбиения кода и не учитываются корреляции, устанавливающиеся между парой соседних во временим кадров.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ сжатия двоичных данных, представленных в виде структурированных информационных блоков заключающийся в том, что для входного потока данных, который содержит символы, представленные битовыми последовательностями фиксированного размера, производят подсчет частоты повторяемости символов. Затем, для обозначения часто и редко встречающихся символов производят выработку, соответственно, более короткой и более длинной битовых последовательностей, которые объединяют в совокупную битовую последовательность. Такая последовательность отличается тем, что из нее исключены битовые последовательности, соответствующие повторяющимся символам входного потока двоичных данных (патент РФ №2497277 Н03М 7/30 (2006.01) от 29.07.2010).

Недостатком данного способа является его ориентация исключительно на одномерное представление потока данных и отсутствие учета корреляционных связей между ними.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является повышение скорости сжатия-восстановления кадров телеметрических данных.

Поставленная задача достигается тем, что в способе сжатия кадров телеметрических данных, заключающемся в отображении полученного в текущий момент времени битового представления кадра на прямоугольную область, поверхность которой затем разбивается на множество полностью покрывающих ее прямоугольных областей меньшего размера, которые могут состоять из бит только одного типа, с последующей фиксацией для каждой области глубины рекурсивного разбиения, проведенного для их получения, что позволяет сжимать области, которые содержат в себе число бит, больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего глубину рекурсивного разбиения, проведенного для получения каждой зафиксированной области, а также бита их типа согласно изобретению, запоминается битовое представление кадра данных, отображенное на прямоугольную область, полученное в предыдущий момент времени, которое сравнивается с битовым представлением кадра данных, отображенном на прямоугольную область, полученным в текущий момент времени, для которых определяются отличающиеся по своему положению биты с последующей фиксацией их координат, что позволяет сжимать кадры, которые содержат в себе число бит, больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего координаты отличающихся бит.

Способ работает следующим образом. Кадр телеметрических данных, полученный в момент времени t, содержащий отсчеты n датчиков с разрядностью m, представляется в виде разностного кадра, как вектор-столбец Δd размерностью n:

Δd(t)=(Δd(t)₁, Δd(t)₂, …, Δd(t)_i, …, Δd(t)_n)^T.

Каждый элемент вектор-столбца Δd(t)_i представляется в виде битовой последовательности и записывается в виде вектор-строки Δb размерности m:

Δd(t)_i=Δb(t)i=(b(t)_i,1, b(t)_i,2, …, b(t)_i,j, …, b(t)_i,m).

В конечном счете, вектор-столбец Δd представляется в виде разностной битовой матрицы ΔВ(t), размерностью n×m:

ΔВ(t)=(Δb(t)₁, Δb(t)₂, …, Δb(t)_i, …, Δb(t)_n)^T.

Далее предлагается отобразить кадр телеметрических данных, представленный матрицей ΔВ(t), на прямоугольную область и дальнейшие манипуляции проводить над ней. В таком случае процедуру сжатия можно свести к запоминанию ранее переданного кадра и некоторого набора данных, который указывает на различия в положении отличающихся бит между предыдущим и текущим кадрами.

Важно заметить, что для первого переданного кадра восстановление необходимо произвести относительно «нулевого» (в общем случае, состоящего только из нулевых бит), содержимое которого должно быть заранее определено и согласовано между устройствами, отвечающими за сжатие (УС) и восстановление (УВ).

В общем виде способ непрерывного сжатия и восстановления кадров данных можно описать с помощью следующей последовательности шагов:

1. На УС поступает текущий кадр;

2. Текущий кадр сравнивается с предыдущим, если это был не первый отправляемый кадр, иначе сравнивается с нулевым кадром;

3. Результат сравнения, выраженный в координатах отличающихся бит между текущим и предыдущим кадрами записывается в специальный формат описания;

4. Текущий кадр запоминается в УС как предыдущий;

5. Сформированный в п. 3 формат передается УВ по каналу связи;

6. В УВ происходит восстановление структуры текущего кадра из предыдущего путем инверсии в нем бит, координаты которых были переданы вместе с форматом описания, если это был не первый принятый кадр, иначе в качестве предыдущего выбирается нулевой кадр;

7. Текущий кадр запоминается в УВ как предыдущий, после чего происходит переход к п. 1.

Для описания результатов работы способа предлагается использовать формат, представленный на фиг., который состоит из одного бита флага F_э.сж после которого идут поля описания: Q, С_х, и С_у.

Флаг F_э.сж фиксирует эффективность сжатия кадра данных (устанавливается если коэффициент сжатия кадра больше единицы). Поля описания имеют следующий смысл: поле Q хранит число зафиксированных бит; поле С_х описывает координаты бит на оси абсцисс; поле С_у описывает координаты бит на оси ординат.

Предложенный способ сжатия тестировался с помощью нескольких наборов кадров телеметрических данных (НКД), полученных от разных технических объектов. Для исследования использовались данные как со стационарными свойствами, так и нестационарного характера.

Кадр данных представляет собой набор однобайтных отсчетов датчиков, причем для разных наборов данных кадры включают в себя разное их число (от 32-х до 56-и). Все наборы отличаются друг от друга числом кадров данных: набор НКД1 содержит 17 тыс.кадров данных, НКД2 - 11 тыс.кадров данных, НКД3 - 19,5 тыс.кадров данных, а НКД4 и НКД5 - 19 тыс.кадров данных.

В таблице 1 приведены средний коэффициент сжатия (СКС) и среднее время сжатия-восстановления (СВСВ) наборов данных.

Таким образом, данный способ позволяет повысить скорость сжатия-восстановления за счет того, что вместо глубокого рекурсивного разбиения при сжатии и восстановлении, при сжатии выполняется операция поэлементного сравнения текущего и предыдущего кадров, а при восстановлении - операция инверсии значений, отличающихся между ними бит для сохраненного ранее предыдущего кадра.

Изобретение относится к средствам сжатия и восстановления кадров телеметрических данных в информационно-измерительных системах. Технический результат - повышение скорости сжатия-восстановления кадров телеметрических данных. Технический результат достигается отображением полученного в текущий момент времени битового представления кадра на прямоугольную область, поверхность которой затем разбивается на множество полностью покрывающих ее прямоугольных областей меньшего размера, которые могут состоять из бит только одного типа, с последующей фиксацией для каждой области глубины рекурсивного разбиения, проведенного для их получения, что позволяет сжимать области, которые содержат в себе число бит больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего глубину рекурсивного разбиения, проведенного для получения каждой зафиксированной области, а также бита их типа согласно изобретению, запоминается битовое представление кадра данных, отображенное на прямоугольную область, полученное в предыдущий момент времени, которое сравнивается с битовым представлением кадра данных, отображенным на прямоугольную область, полученным в текущий момент времени, для которых определяются отличающиеся по своему положению биты с последующей фиксацией их координат, что позволяет сжимать кадры, которые содержат в себе число бит больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего координаты отличающихся бит. 1 ил., 1 табл.

Способ сжатия кадров телеметрических данных, заключающийся в отображении полученного в текущий момент времени битового представления кадра на прямоугольную область, поверхность которой затем разбивается на множество полностью покрывающих ее прямоугольных областей меньшего размера, которые могут состоять из бит только одного типа, с последующей фиксацией для каждой области глубины рекурсивного разбиения, проведенного для их получения, что позволяет сжимать области, которые содержат в себе число бит больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего глубину рекурсивного разбиения, проведенного для получения каждой зафиксированной области, а также бита их типа, запоминается битовое представление кадра данных, отображенное на прямоугольную область, полученное в предыдущий момент времени, которое сравнивается с битовым представлением кадра данных, отображенным на прямоугольную область, полученным в текущий момент времени, для которых определяются отличающиеся по своему положению биты с последующей фиксацией их координат, что позволяет сжимать кадры, которые содержат в себе число бит больше количества бит, отводимого на хранение кода, описывающего координаты отличающихся бит.