автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.00, диссертация на тему:Методы сжатия цифрового сигнала без потери информации для телевизионных систем воздушной тактической разведки

62 11/42

Экз. № 5

ХАРЬКОВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОЗДУШНЫХ СИЛ

На правах рукописи

Козелков Олег Александрович

УДК 621.396: 681.5

МЕТОДЫ СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО СИГНАЛА БЕЗ ПОТЕРИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ ВОЗДУШНОЙ

ТАКТИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

■ 1 •■■■ ••• л........................■■ ..........;

Научный руководитель \МХ>Ц еу^ц' о( кандидат технических наук

старший научный сотрудник КУЧУК ГЕОРГИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

Харьков - 2005

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.......................................... 5

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 6

РАЗДЕЛ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИСТЕМ ВОЗДУШНОЙ ТАКТИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ................................................................................. 16

1.1. Анализ основных требований и информационных процессов при телевизионной воздушной тактической разведке........................... 16

1.2. Выбор показателей эффективности при сжатии видеоданных

в телевизионных системах воздушной тактической разведки.................. 26

1.3. Исследование основных направлений решения задач разработки методов сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала без потери информации в телевизионных системах воздушной тактической разведки................................................................... 29

1.4. Постановка задачи на исследование................................ 32

Выводы............................................................................ 34

РАЗДЕЛ 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВНУТРИКАДРОВОГО СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА ДЛИНАМИ

СЕРИЙ....................................................................................... 35

2.1. Обоснование выбора метода сжатия кадра цифрового цветного телевизионного сигнала без потери информации за счет сокращения статистической избыточности........................................ 35

2.2. Разработка процедуры внутристрочного кодирования цифрового цветного телевизионного сигнала длинами серий................ 43

2.3. Разработка процедуры межстрочного кодирования цифрового цветного телевизионного сигнала длинами серий................................. 49

2.4. Разработка алгоритма комбинированного внутрикадрового сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала длинами серий....... 54

2.5. Исследование характеристик разработанного внутрикадрового

метода сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала.................. 56

Выводы........................................................................... 66

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ПРЕДЛОЖЕНИЙ АДАПТИВНОГО СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА..................................................... 68

3.1. Обоснование возможности применения методов сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала на основе учета межкадровой избыточности без потери информации............................ 68

3.2. Разработка алгоритма адаптивного сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала................................................................ 72

3.3. Модификация алгоритма адаптивного сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала для систем воздушной тактической разведки..................................................................................... 77

3.4. Исследование характеристик разработанных методов сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала....................................... 90

Выводы........................................................................... 100

РАЗДЕЛ 4. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ СЖАТИЯ ЦИФРОВОГО ЦВЕТНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО СИГНАЛА И ИХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.......................................... 102

4.1. Сравнительная оценка разработанных методов сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала..................................... 102

4.2. Оценка параметров модифицированного адаптивного метода сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала для систем воздушной тактической разведки..................................................... 113

4.3. Схемотехническая реализация разработанных методов сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала..................................... 127

4.3.1. Схемотехническая реализация комбинированного внутрикадрового кодирования цифрового цветного телевизионного сигнала....................................................................................... 1^8

4.3.2. Схемотехническая реализация адаптивного метода сжатия

цифрового цветного телевизионного сигнала..........................................................................136

Выводы......................................................................................................................................................I44

ВЫВОДЫ....................................................................................................................................................................146

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ А................................................................................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..................................................................................................................................................171

ПРИЛОЖЕНИЕ В....................................................................................................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ Д..................................................................................................................................................180

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж..................................................................................................................................................181

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...................................................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЕ К..................................................................................................................................................184

БПЛА ВКФ ВТР ДЗЗ

дикм

дмз

икм

ИРЭ ЛА

мси

НАНУ

НИР

НКАУ

ПЗС

ПК

тк

ТСР

ХВУ

ХУВС

ццтс

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

беспилотный летательный аппарат взаимно корреляционная функция воздушная тактическая разведка дистанционное зондирование Земли дифференциальная импульсно-кодовая модуляция дистанционный мониторинг Земли импульсно-кодовая модуляция Институт радиофизики и электроники летательный аппарат метод сжатия информации Национальная Академия Наук Украины научно-исследовательская работа Национальное Космическое Агентство Украины прибор с зарядовой связью предыдущий кадр текущий кадр

технические средства разведки Харьковский военный университет Харьковский университет воздушных сил цифровой цветной телевизионный сигнал

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На рубеже XX и XXI столетий большое внимание уделяется средствам дистанционного мониторинга Земли (ДМЗ), с помощью которого решается ряд важных различных задач двойного назначения, что нашло свое подтверждение в Государственной программе развития вооружения и военной техники, а также в Национальной космической программе Украины. Одной из таких задач является телевизионная воздушная тактическая разведка (ВТР) местности.

В последнее время при ведении телевизионной ВТР с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) наблюдается тенденция использования многоспектральных и цветных телевизионных изображений с целью повышения информативности [18, 37]. Для улучшения качества и достоверности восстановленного изображения все чаще применяются методы обработки и передачи цифрового сигнала [78, 92], что нашло свое отражение в Национальной космической программе Украины, а также Национальной программе информатизации Украины. Ограниченная пропускная способность каналов связи и большой поток передаваемой информации затрудняют доставку данных в короткие сроки [13, 23]. При этом передача видеоизображений в режиме реального времени обеспечивается при помощи методов и средств сжатия информации [10, 84],

Большой вклад в решение научно-технических проблем, связанных с обработкой (сжатием) изображений, внесли многие как зарубежные, так и отечественные ученые. Среди них Королев A.B., Чернега B.C., Зубарев Ю.Б. и др. Среди исследователей дальнего зарубежья большой вклад внесли Претт У.К., Ахмед Н, Pao К.Р и др.

Проведенный анализ показал, что применяемые в настоящее время в цифровом телевидении методы сжатия ЦЦТС, основанные на ортогональных преобразованиях, не позволяют восстанавливать

изображение с высоким качеством [13, 93]. Существующие методы кодирования ЦЦТС без потери информации не могут применяться при дистанционном мониторинге Земли в реальном времени вследствие своей вычислительной сложности, недостаточной степени сжатия и низкого быстродействия [59, 73]. Таким образом, разработка методов и средств, позволяющих уменьшить время обработки и передачи цифрового цветного телевизионного сигнала без потери информации, является актуальной научно-технической задачей.

Связь с научными программами, планами, темами. Исследования в диссертационной работе проводились в соответствии с Государственной программой развития вооружения и военной техники, Национальной космической программой Украины, Национальной программой информатизации Украины, „Концепцией автоматизации Вооруженных сил Украины", утверждённой приказом Министра обороны Украины № 030 от 11.02.94 г., заданием Национальной программы информатизации Украины на 2000 - 2005 г., планами НИР ХВУ: шифр «Дон» («Методи та засоби скорочення часу обробки вщеоданих»), «Мр1я» («Розробка метод1в та засоб1в автоматизацп мошторингу ЗемлЬ>), «Океан» («Разработка методов и средств автоматизации доступа к данным дистанционного зондирования Земли»), планами НИР ИРЭ НАНУ: шифр «Равелин» («Дистанционное зондирование окружающей среды и биологических объектов радиофизическими методами и средствами»).

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является обеспечение передачи цифрового цветного телевизионного сигнала при ведении телевизионной разведки оперативно-тактическими беспилотными летательными аппаратами в реальном масштабе времени с высокой степенью достоверности. В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие частные задачи исследований:

1. Провести анализ информационных характеристик цифрового цветного телевизионного сигнала с целью выявления возможности

эффективного сжатия без потери информации.

2. Разработать внутрикадровый метод кодирования ЦЦТС, обеспечивающий сжатие без потери информации.

3. Разработать адаптивный метод сжатия ЦЦТС, обеспечивающий компрессию потока кадров как внутрикадровым, так и межкадровым методами без потери информации.

4. Разработать модифицированный адаптивный метод сжатия ЦЦТС, позволяющий учитывать смещение кадров вследствие движения летательного аппарата.

5. Провести сравнительную оценку разработанных методов сжатия ЦЦТС с известными методами без потерь информации.

6. Разработать схемотехнические решения предложенных методов сжатия ЦЦТС.

Объект исследований. Объектом диссертационных исследований является процесс ведения телевизионной разведки оперативно-тактическими беспилотными летательными аппаратами.

Предмет исследований. Предметом диссертационных исследований является сжатие цифрового цветного телевизионного сигнала при ведении телевизионной разведки оперативно-тактическими беспилотными летательными аппаратами.

Методы исследования. В основе методологии исследований были положены принципы системного анализа. Исследование методов и средств сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала при дистанционном мониторинге Земли, оценка свойств разработанных методов основывались на методах теории обработки и передачи изображений, а также теории информации. Разработка внутрикадрового сжатия цифрового цветного телевизионного сигнала проводилась на базе теории обработки и передачи видеоизображений и кодирования длинами серий. Разработка адаптивных методов сжатия ЦЦТС выполнялась на

основе методов матричной алгебры и оптимизации вычислительных процедур. Сравнительная оценка параметров разработанных методов сжатия ЦТС проводилась на базе теории обработки и передачи изображений. Особенности аппаратной реализации предложенных методов выполнялись на основе схемотехники и булевой алгебры.

Научная новизна полученных результатов диссертационной работы состоит в разработке и исследовании методов сжатия ЦЦТС без потери информации, при этом:

1. Получил дальнейшее развитие комбинированный внутрикадровый метод сжатия ЦЦТС без потери информации, основанный на кодировании длинами серий, который отличается от известных методов кодирования длинами серий сокращением статистической избыточности как между соседними элементами внутри строк кадра, так и между соседними строками кадра цифрового сигнала телевизионного изображения, а также передачей перед длинами серий разряда наличия кода повтора, что позволяет снизить объем цифрового сигнала в случаях малой статистической избыточности в кадре телевизионного изображения.

2. Впервые предложена процедура межкадрового сжатия ЦЦТС без потери информации, основанная на сокращении межкадровой избыточности, которая отличается от известных процедур межкадрового сжатия ЦЦТС сокращением избыточности за счет замены соответствующих коррелирующих элементов соседних кадров на разряды наличия корреляции с соблюдением требований действующих стандартов цифрового телевидения.

3. Впервые предложен адаптивный метод сжатия ЦЦТС, основанный на сокращении внутрикадровой и межкадровой избыточности, который отличается от известных методов сжатия потока ЦЦТС без потери информации выбором межкадрового или внутрикадрового вида кодирования в зависимости от максимально достигаемого коэффициента сжатия, что позволяет повысить степень компрессии потока ЦЦТС с

соблюдением требований действующих стандартов цифрового телевидения.

4. Впервые предложен модифицированный адаптивный метод сжатия ЦЦТС, основанный на учете смещения кадров при ВТР с беспилотного летательного аппарата (БПЛА), который отличается от известных методов сжатия тем, что обеспечивается адаптивное сжатие без потери информации потока ЦЦТС с учетом вектора смещения кадров, обусловленного движением летательного аппарата ВТР, в реальном масштабе времени с соблюдением требований цифрового телевидения.

5. Впервые получены аналитические выражения для расчета коэффициента сжатия реального ЦЦТС предложенными внутрикадровым и межкадровым кодированием без потери информации.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложенный комбинированный внутрикадровый метод сжатия ТТТ TTC на основе кодирования длинами серий позволяет получить дополнительную компрессию видеоданных не менее чем на 15 % относительно известных методов сжатия кадра телевизионного изображения без потери информации.

2. Предложенный адаптивный метод сжатия ЦЦТС позволяет получить дополнительную компрессию видеоданных не менее чем на

10 % относительно известных методов сжатия ЦЦТС без потери информации.

3. Разработанный модифицированный адаптивный метод сжатия ЦЦТС позволяет проводить сеансы передачи видеоданных с борта летательного аппарата в режиме реального времени без потери информации, с соблюдением требований цифрового телевидения.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в четырех отчетах о НИР [71,85,88,89].

Практическая значимость полученных результатов подтверждается их применением:

в Институте радиофизики и электроники Национальной Академии Наук Украины, г. Харьков, в НИР «Равелин» при обосновании тактико-технических требований к перспективным системам обработки информации дистанционного мониторинга Земли (акт реализации результатов научных исследований от 4.02.2005 года);

в учебном процессе в Национальной академии обороны Украины, г. Киев, при проведении лекций и практических занятий по учебной дисциплине "Организация аэрокосмической разведки (акт реализации результатов научных исследований от 11.02.2005 года).

в Киевском оперативном центре Национального космического агентства Украины, г. Киев, при обосновании тактико-технических требований к перспективным системам обработки информации дистанционного зондирования Земли (акт реализации результатов научных исследований от 21.02.2005 года);

в Центре контроля космического пространства Национального центра управления и испытаний космических средств Национального космического агентства Украины, г. Евпатория, при обработке результатов дистанционного зондирования Земли (акт реализации результатов научных исследований от 28.02.2005 года).

Личный вклад соискателя. Вклад соискателя в публикации, выполненные в соавторстве, заключается в следующем:

- в работе [40] автором предложен внутристрочный метод сжатия кадра цифрового цветного телевизионного сигнала за счет замены соседних коррелированных элементов строк на серии с неограниченной длиной;

- в работе [49] предложено и обосновано применение внутрикадрового кодирования телевизионного изображения длинами серий;

- в работе [50] автором предложен и обоснован комбинированный метод кодирования кадра цифрового цветного телевизионного сигнала за счет замены соседних коррелированных элементов строк и между строками на серии с неограниченной длиной;

- в работе [51] обосновано применение кодирования кадра ЦЦТС сериями с ограниченной длиной в случаях низкой корреляции элементов кадра изображения;

- в работе [53] предложен �