RU2288547C1 - Message compression and recovery method - Google Patents

Message compression and recovery method Download PDF

Info

Publication number
RU2288547C1
RU2288547C1 RU2005115283/09A RU2005115283A RU2288547C1 RU 2288547 C1 RU2288547 C1 RU 2288547C1 RU 2005115283/09 A RU2005115283/09 A RU 2005115283/09A RU 2005115283 A RU2005115283 A RU 2005115283A RU 2288547 C1 RU2288547 C1 RU 2288547C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
elements
size
matrix
matrices
random
Prior art date
Application number
RU2005115283/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Алексеевич Бардюков (RU)
Дмитрий Алексеевич Бардюков
Владимир Феликсович Комарович (RU)
Владимир Феликсович Комарович
Андрей Александрович Устинов (RU)
Андрей Александрович Устинов
Original Assignee
ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ им. С.М. Буденого
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ им. С.М. Буденого filed Critical ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ им. С.М. Буденого
Priority to RU2005115283/09A priority Critical patent/RU2288547C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2288547C1 publication Critical patent/RU2288547C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Compression Or Coding Systems Of Tv Signals (AREA)

Abstract

FIELD: electrical communications; data digital computation and processing including reduction of transferred information redundancy.
SUBSTANCE: proposed message compression and recovery method includes pre-generation of random quadrature matrix measuring m x m constituents and k random key matrices measuring N x m and m x N constituents on transmitting and receiving ends, and generation of quantum reading matrix of fixed half-tone video pattern measuring M x M constituents. Matrices obtained are transformed to digital form basing on addition and averaging of A images, each image being presented in the form of product of three matrices, that is, two random rectangular matrices measuring N x m and m x N constituents and one random quadrature matrix measuring m x m constituents. Transferred to communication channel are constituents of rectangular matrix measuring N x m constituents. Matrix of recovered quantum readings of fixed half-tone video pattern measuring M x M constituents is generated basing on rectangular matrix measuring N x m constituents received from communication channel as well as on random quadrature matrix measuring m x m constituents and random rectangular matrix of m x N constituents, and is used to shape fixed half-tone video pattern.
EFFECT: enhanced error resistance in digital communication channel during message compression and recovery.
2 cl, 26 dwg, 1 app

Description

Изобретение относится к области электросвязи, а именно к методам цифровых вычислений и обработки данных с сокращением избыточности передаваемой информации. Предлагаемый способ может быть использован для передачи неподвижных видеоизображений по цифровым каналам связи с ошибками. Изобретение относится к классу способов кодирования-восстановления на основе преобразования.The invention relates to the field of telecommunications, and in particular to methods of digital computing and data processing with reduced redundancy of transmitted information. The proposed method can be used to transmit stationary video images on digital communication channels with errors. The invention relates to a class of transform-based encoding-recovery methods.

Известны способы кодирования видеоизображений на основе импульсно-кодовой модуляции, дифференциальной импульсно-кодовой модуляции, статистического кодирования и кодирования с предсказанием, см., например, книгу: У.Претт. Цифровая обработка изображений. Часть 2. - М.: Мир, 1982, с.641-688. Данные способы подразумевают кодирование изображений с поэлементной обработкой, когда непрерывный видеосигнал преобразуется в последовательность квантованных отсчетов и затем представляется кодовыми словами в виде нулей и единиц.Known methods for encoding video images based on pulse-code modulation, differential pulse-code modulation, statistical coding and prediction coding, see, for example, the book: W. Prett. Digital image processing. Part 2. - M .: Mir, 1982, p.641-688. These methods involve the encoding of images with bitwise processing, when a continuous video signal is converted into a sequence of quantized samples and then represented by code words in the form of zeros and ones.

Известны также способы кодирования на основе преобразования, см., например, книгу: Н.Ахмед, К.Р.Рао. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. - М.: Радио и связь, 1980, с.192-201, включающие выполнение трех операций: сначала изображение подвергается двумерному ортогональному преобразованию, полученные в результате коэффициенты преобразования квантуют и кодируют для передачи по каналу связи.Conversion-based encoding methods are also known, see, for example, the book: N. Ahmed, K. R. Rao. Orthogonal transformations when processing digital signals. - M .: Radio and communication, 1980, p. 192-201, including the performance of three operations: first, the image undergoes two-dimensional orthogonal transformation, the resulting conversion coefficients are quantized and encoded for transmission over the communication channel.

Недостатком перечисленных выше способов - аналогов является относительно низкая скорость передачи сообщений при заданном качестве их восстановления, а также низкая устойчивость к ошибкам в цифровом канале связи.The disadvantage of the above methods - analogues is the relatively low speed of message transmission for a given quality of their recovery, as well as low resistance to errors in the digital communication channel.

Известен способ сжатия и восстановления речевых сообщений, описанный в патенте РФ №224463, МПК7 G 10 L 19/00, от 2005 г., который обеспечивает исправление ошибок, возникающих в передаваемых цифровых последовательностях под влиянием нестабильности параметров канала связи и позволяет осуществлять передачу информации по низкоскоростным цифровым каналам связи. Недостатком данного способа является относительно низкое качество восстановления информации при вероятности ошибки в канале связи 10-4.There is a method of compression and restoration of voice messages described in RF patent No. 22463, IPC 7 G 10 L 19/00, 2005, which provides the correction of errors that occur in transmitted digital sequences under the influence of instability of the communication channel parameters and allows information transfer on low-speed digital communication channels. The disadvantage of this method is the relatively low quality of information recovery when the probability of error in the communication channel 10 -4 .

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному способу является способ сжатия и восстановления речевых сообщений, описанный в патенте РФ №2244963, МПК7 Н 04 N 7/30, от 2005 г.The closest in technical essence to the claimed method is the method of compression and restoration of voice messages described in the patent of the Russian Federation No. 2244963, IPC 7 H 04 N 7/30, from 2005

Известный способ-прототип, заключающийся в том, что предварительно на передающей и приемной сторонах идентично генерируют случайную квадратную матрицу размером m×m элементов. Представляют информационный цифровой сигнал в виде матрицы нормированных значений. Генерируют случайные прямоугольные матрицы размером N×m и m×N элементов, преобразуют их путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы размером Nxm элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Затем вычисляют результирующую матрицу размером N×N элементов, путем последовательного умножения преобразованной случайной прямоугольной матрицы размером Nxm на случайную квадратную матрицу размером m×m и на преобразованную случайную прямоугольную матрицу размером m×N элементов. Далее вычисляют среднеквадратическую ошибку между элементами результирующей матрицы размером NxN элементов и элементами матрицы нормированных значений размером N×N элементов. После чего последовательно инвертируют каждый элемент случайных прямоугольных матриц размером N×m и m×N элементов, и после инверсии каждого элемента в случайной прямоугольной матрице преобразуют ее путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы с инвертированным элементом размером N·m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы с инвертированным элементом размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Повторно вычисляют результирующую матрицу размером N×N элементов, путем последовательного умножения преобразованной случайной прямоугольной матрицей с инвертированным элементом размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на преобразованную случайную прямоугольную матрицу с инвертированным элементом размером m×N. После чего вычисляют среднеквадратическую ошибку между элементами повторно вычисленной результирующей матрицы размером N×N элементов с элементами матрицы нормированных значений размером N×N элементов. Передают по каналу связи случайную прямоугольную матрицу размером N×N. Принимают из канала связи эту матрицу и на приемном конце преобразуют принятые случайные прямоугольные матрицы N×m и m×N путем деления элементов строки каждой случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Вычисляют результирующею матрицу размером N×N элементов, путем последовательного умножения преобразованной случайной прямоугольной матрицы размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на преобразованную случайную прямоугольно матрицу размером m×N. Формируют цифровой информационный сигнал. На приемной и передающей сторонах дополнительно генерируют по k случайных ключевых матриц размером N×m и m×N элементов. Каждый элемент случайной квадратной матрицы размером mxm элементов принадлежит диапазону -500 ÷ +500, в качестве цифрового информационного сигнала принимают k матриц квантованных отсчетов неподвижного полутонового изображения размерами М×М, где k>1.The known prototype method, which consists in the fact that previously on the transmitting and receiving sides, a random square matrix of size m × m elements is identical generated. Present information digital signal in the form of a matrix of normalized values. Random rectangular matrices of size N × m and m × N elements are generated, converted by dividing the elements of each row of a random rectangular matrix of size Nxm elements by the sum of units of the corresponding row and dividing the elements of each column by a random rectangular matrix of size m × N elements by the sum of units of the corresponding column . Then, the resulting matrix of N × N elements is calculated by successively multiplying the transformed random rectangular matrix of size Nxm by a random square matrix of size m × m and by the transformed random rectangular matrix of size m × N elements. Next, the standard error is calculated between the elements of the resulting matrix of size NxN elements and the elements of the matrix of normalized values of size N × N elements. After that each element of random rectangular matrices of size N × m and m × N elements is sequentially inverted, and after the inversion of each element in a random rectangular matrix, it is transformed by dividing the elements of each row of a random rectangular matrix with an inverted element of size N · m elements by the sum of units of the corresponding rows and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix with an inverted element of size m × N elements by the sum of the units of the corresponding column. Recalculate the resulting matrix of N × N elements by successively multiplying the transformed random rectangular matrix with an inverted element of size N × m by a random square matrix of size m × m and the transformed random rectangular matrix with an inverted element of size m × N. Then calculate the standard error between the elements of the recalculated resulting matrix of size N × N elements with elements of the matrix of normalized values of size N × N elements. A random rectangular matrix of size N × N is transmitted over the communication channel. This matrix is received from the communication channel and the received random rectangular N × m and m × N matrices are converted at the receiving end by dividing the row elements of each random rectangular matrix of N × m elements by the sum of the units of the corresponding row and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix of size m × N elements for the sum of units of the corresponding column. The resulting matrix of N × N elements is calculated by successively multiplying the transformed random rectangular matrix of size N × m by a random square matrix of size m × m and by the transformed random rectangular matrix of size m × N. Form a digital information signal. At the receiving and transmitting sides, k random key matrices of size N × m and m × N elements are additionally generated. Each element of a random square matrix of size mxm elements belongs to the range of -500 ÷ +500; k matrices of quantized samples of a stationary grayscale image with dimensions M × M, where k> 1, are taken as a digital information signal.

Генерируют на приемной и передающей сторонах идентичную нормировочную матрицу размером N×N элементов, элементы которой C(i,j) вычисляют по формуле

Figure 00000002
где i=1, 2, ..., N, j=1, 2, ..., N. В качестве случайной прямоугольной матрицы размером mxN элементов принимают на передающей стороне транспонированную случайную прямоугольную матрицу размером N×m элементов. Формируют k матриц коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов путем последовательного перемножения матрицы дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов на каждую матрицу квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов и на транспонированную матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов. Далее формируют k матриц коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов, по формуле Ag(i,j)=Lg(i,j), где i=1, 2, ..., N, j=1, 2, ..., N, g=1, 2, ..., k, Lg(i,j)-i,j-й элемент g-й матрицы коэффициентов двумерного дискретного косинусного преобразования размером М×М элементов, Ag(i,j)-i,j-й элемент g-й матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов, причем выбирают N<M. Затем формируют k матриц нормированных значений размером N×N элементов путем умножения каждого коэффициента матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов Ag(I,j) на соответствующий ему элемент нормировочной матрицы размером N×N элементов. Каждую из ключевых матриц размерами N×m и m×N элементов суммируют по модулю 2 соответственно с прямой и транспонированной случайной прямоугольной матрицей размерами N×m и m×N элементов, а после вычисления среднеквадратической ошибки между соответствующими элементами каждой результирующей матрицы размером N×N элементов и матрицы нормированных значений размером N×N элементов, вычисляют их итоговую сумму. После инвертирования каждого элемента случайной прямоугольной матрицы размером N×m полученную итоговую сумму сравнивают с предыдущей итоговой суммой. По каналу связи передают случайную прямоугольную матрицу размером N×m элементов, а на приемной стороне после перемножения k случайных матриц размерами N×m на случайную матрицу размером m×m и на k случайных матриц размерами m×N преобразуют результирующие матрицы размерами N×N элементов путем поэлементного деления их элементов на соответствующие элементы нормировочной матрицы размером N×N элементов. Полученные k матрицы восстановленных коэффициентов размерами N×N элементов дополняют нулями до размеров М×М элементов. Восстанавливают k матриц неподвижных полутоновых изображений путем последовательного перемножения транспонированной матрицы дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов на k матриц восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов и на матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов. Для формирования k матриц квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размерами М×М элементов каждому ее элементу Sg(x,y), где х=1, 2, ..., М, у=1, 2, ..., М, g=1, 2, ..., k, присваивают квантованное значение соответствующего пиксела g неподвижных полутоновых видеоизображений, размером N×N. Для представления k матриц квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов в виде k неподвижных полутоновых видеоизображений каждому пикселу k неподвижных полутоновых видеоизображений присваивают значение соответствующего элемента k матриц восстановленных квантованных отсчетов неподвижных полутоновых видеоизображений размером М×М элементов.An identical normalization matrix of size N × N elements is generated on the receiving and transmitting sides, the elements of which C (i, j) are calculated by the formula
Figure 00000002
where i = 1, 2, ..., N, j = 1, 2, ..., N. As a random rectangular matrix of size mxN elements, a transposed random rectangular matrix of size N × m elements is received on the transmitting side. K Matrices of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of M × M elements are formed by sequentially multiplying a matrix of a discrete cosine transform of M × M elements by each matrix of quantized samples of a still grayscale video image of M × M elements and by a transposed discrete cosine transform matrix of size M × M elements. Then, k matrices of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements are formed, according to the formula A g (i, j) = L g (i, j), where i = 1, 2, ..., N, j = 1 , 2, ..., N, g = 1, 2, ..., k, Lg (i, j) -i, the jth element of the gth matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements, Ag (i, j) -i, jth element of the gth matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements, with N <M selected. Then, k matrices of normalized values of N × N elements are formed by multiplying each coefficient of the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of N × N elements of size A g (I, j) by the corresponding element of the normalization matrix of N × N elements. Each of the key matrices of sizes N × m and m × N elements is added modulo 2, respectively, with a direct and transposed random rectangular matrix of sizes N × m and m × N elements, and after calculating the standard error between the corresponding elements of each resulting matrix of size N × N elements and matrices of normalized values of size N × N elements, calculate their total amount. After inverting each element of a random rectangular matrix of size N × m, the resulting total amount is compared with the previous total amount. A random rectangular matrix of N × m elements in size is transmitted via the communication channel, and on the receiving side, after multiplying k random N × m matrices by a random × m × m matrix, the resulting matrices of N × N elements are transformed into k random matrices of size m × N by elementwise dividing their elements into the corresponding elements of the normalization matrix of size N × N elements. The resulting k matrices of reconstructed coefficients with sizes of N × N elements are supplemented with zeros to sizes M × M of elements. K matrices of fixed grayscale images are restored by sequentially multiplying the transposed matrix of a discrete cosine transform of size M × M elements by k matrices of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements and by a matrix of discrete cosine transformation of size M × M elements. To form k matrices of quantized samples of a stationary grayscale video image with dimensions M × M elements, each element S g (x, y), where x = 1, 2, ..., M, y = 1, 2, ..., M, g = 1, 2, ..., k, is assigned the quantized value of the corresponding pixel g of still halftone video images of size N × N. To represent k matrices of quantized samples of a stationary halftone video image of size M × M elements in the form of k stationary halftone video images, each pixel k of stationary halftone video images is assigned the value of the corresponding element of k matrices of reconstructed quantized samples of stationary halftone video images of size M × M elements.

Способ-прототип позволяет, не ухудшая качества восстановления сообщений, повысить скорость передачи информации до величины, при которой возможно ведение видеоинформационного обмена по низкоскоростным цифровым каналам связи.The prototype method allows, without compromising the quality of message recovery, to increase the speed of information transfer to a value at which it is possible to conduct video-information exchange via low-speed digital communication channels.

Недостатком этого способа-прототипа является относительно низкая устойчивость к ошибкам в цифровом канале связи. Это объясняется тем, что на приемной стороне цифровые последовательности считаются принятыми без ошибок, поэтому при инверсии символов в передаваемых цифровых последовательностях под влиянием нестабильности параметров канала связи сообщения будут восстанавливаться с определенными искажениями.The disadvantage of this prototype method is the relatively low resistance to errors in the digital communication channel. This is due to the fact that on the receiving side, digital sequences are considered received without errors, therefore, when the characters in the transmitted digital sequences are inverted, the messages will be restored with certain distortions due to the instability of the communication channel parameters.

Целью изобретения является разработка способа сжатия и восстановления сообщений, обеспечивающего повышение устойчивости к ошибкам в цифровом канале связи при сжатии и восстановлении сообщений.The aim of the invention is to develop a method of compression and restoration of messages, providing increased resistance to errors in the digital communication channel during compression and restoration of messages.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сжатия и восстановления сообщений предварительно на передающей и приемной сторонах идентично генерируют случайную квадратную матрицу размером m×m элементов, каждый элемент которой принадлежит диапазону -500 ÷ +500. Генерируют по k случайных ключевых матриц размером N×m и m×N элементов. Затем формируют нормировочную матрицу размером N×N элементов, элементы которой C(i,j) вычисляют по формуле

Figure 00000002
где i=1, 2, ..., N, j=1, 2, ..., N, и формируют матрицу квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов, в которой каждому ее элементу S(x,y) присваивают квантованное значение соответствующего пиксела неподвижного полутонового видеоизображения, размером М×М пикселов, где x=1, 2, ..., M; y=1, 2, ..., M. Далее формируют матрицу коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов путем последовательного перемножения матрицы дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов на матрицу квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов и на транспонированную матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов. Формируют матрицу коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов, по формуле A(i,j)=L(i,j), где L(ij)-i,j-й элемент матрицы коэффициентов двумерного дискретного косинусного преобразования размером M×M элементов, A(i,j)-I, j-й элемент матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов, причем выбирают N<M, после чего формируют матрицу нормированных значений размером N×N элементов путем умножения каждого коэффициента матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов А(i,j) на соответствующий ему элемент нормировочной матрицы размером N×N элементов. Затем генерируют случайную прямоугольную матрицу размером N×m элементов, а в качестве случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов принимают транспонированную случайную прямоугольную матрицу размером N×m элементов, затем каждую из ключевых матриц размерами N×m и m×n элементов суммируют по модулю 2 соответственно с прямой и транспонированной случайной прямоугольной матрицей размерами N×m и m×N элементов. Преобразуют полученные матрицы путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Далее вычисляют k результирующих матриц V(g), где g=1, 2, ..., k, размером N×N элементов путем последовательного умножения k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером m×N элементов. Последовательно инвертируют каждый элемент случайных прямоугольных матриц размерами N×m и m×N элементов и после инверсии преобразуют их путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы с инвертированным элементом размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы с инвертированным элементом размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Повторно вычисляют k результирующих матриц размером N×N элементов, путем последовательного умножения k преобразованных случайных прямоугольных матриц с инвертированным элементом размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на k преобразованных случайных прямоугольных матриц с инвертированным элементом размером m×N. Передают по каналу связи случайную прямоугольную матрицу размером N×m и принимают из канала связи эту матрицу. Затем каждую из ключевых матриц размерами N×m и m×N элементов суммируют по модулю 2 соответственно с прямой и транспонированной случайными прямоугольными матрицами размерами N×m и m×N элементов. Преобразуют принятые случайные прямоугольные матрицы размерами N×m и m×N путем деления элементов строки каждой случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца. Затем вычисляют k восстановленных результирующих матриц
Figure 00000003
где g=1, 2, ..., k, размером N×N элементов путем последовательного умножения k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером m×N соответственно, а матрицу восстановленных коэффициентов размером N×N элементов дополняют нулями до размеров М×М элементов. Получают матрицу восстановленных коэффициентов дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, восстанавливают матрицу неподвижного полутонового изображения путем последовательного перемножения транспонированной матрицы дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов на матрицу восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов и на матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов. Формируют цифровой информационный сигнал, каждому пикселу неподвижного полутонового видеоизображения присваивают значение соответствующего элемента матрицы восстановленных квантованных отсчетов неподвижных полутоновых видеоизображений размером М×М элементов. После вычисления k результирующих матриц вычисляют суммарную матрицу размером N×N элементов Vs по формуле
Figure 00000004
Затем вычисляют среднеквадратическую ошибку между элементами матрицы нормированных значений размером N×N элементов и элементами суммарной матрицы Vs размером N×N элементов. После инверсии каждого элемента случайных прямоугольных матриц размерами N×m и m×N повторно вычисляют k результирующих матриц, суммарную матрицу Vs и среднеквадратическую ошибку между элементами матрицы нормированных значений размером N×N элементов и элементами повторно вычисленной суммарной матрицы Vs размером N×N элементов. Полученную среднеквадратическую ошибку вычитают от предыдущей среднеквадратической ошибки и в случае положительной разности запоминают инвертированный элемент, а после вычисления k восстановленных результирующих матриц
Figure 00000005
вычисляют восстановленную суммарную матрицу размером N×N элементов
Figure 00000006
s по формуле
Figure 00000007
а для получения матрицы восстановленных коэффициентов размером N×N элементов преобразуют восстановленную суммарную матрицу размером N×N элементов путем поэлементного деления ее элементов на соответствующие элементы нормировочной матрицы размером N×N элементов.This goal is achieved by the fact that in the known method of compressing and recovering messages, a random square matrix of size m × m elements, each element of which belongs to the range of -500 ÷ +500, is preliminarily generated on the transmitting and receiving sides. Generate k random key matrices of size N × m and m × N elements. Then a normalization matrix is formed with the size of N × N elements, the elements of which C (i, j) are calculated by the formula
Figure 00000002
where i = 1, 2, ..., N, j = 1, 2, ..., N, and form a matrix of quantized samples of a fixed grayscale video image with the size of M × M elements, in which each of its elements S (x, y) assign the quantized value of the corresponding pixel of a stationary grayscale video image, the size of M × M pixels, where x = 1, 2, ..., M; y = 1, 2, ..., M. Next, a matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements is formed by sequentially multiplying a matrix of discrete cosine transforms of size M × M elements by a matrix of quantized samples of a still halftone video image of size M × M elements and on the transposed matrix of discrete cosine transform size M × M elements. The matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements is formed, according to the formula A (i, j) = L (i, j), where L (ij) -i, the jth element of the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements, A (i, j) -I, j-th element of the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements, moreover, select N <M, and then form a matrix of normalized values of size N × N elements by multiplying each the coefficient matrix of the coefficients of a two-dimensional discrete cosine transforming the size of N × N elements A (i, j) to the corresponding element of the normalization matrix of size N × N elements. Then a random rectangular matrix of size N × m elements is generated, and a transposed random rectangular matrix of size N × m elements is taken as a random rectangular matrix of size m × N, then each of the key matrices of size N × m and m × n elements is summed modulo 2, respectively, with a direct and transposed random rectangular matrix of sizes N × m and m × N elements. The resulting matrices are transformed by dividing the elements of each row of a random rectangular matrix of size N × m elements by the sum of units of the corresponding row and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix of size m × N elements by the sum of units of the corresponding column. Next, k resulting matrices V (g) are calculated, where g = 1, 2, ..., k, of size N × N elements by successively multiplying k transformed random rectangular matrices of size N × m by a random square matrix of size m × m and by k transformed random rectangular matrices of size m × N elements. Each element of random rectangular matrices with sizes of N × m and m × N elements is sequentially inverted and, after inversion, they are converted by dividing the elements of each row of a random rectangular matrix with an inverted element of size N × m elements by the sum of the units of the corresponding row and dividing the elements of each column of the random rectangular matrix with an inverted element of size m × N elements in the sum of units of the corresponding column. Recalculate k resultant matrices of size N × N elements by sequentially multiplying k transformed random rectangular matrices with an inverted element of size N × m by a random square matrix of size m × m and k converted random rectangular matrices with an inverted element of size m × N. A random rectangular N × m matrix is transmitted via the communication channel and this matrix is received from the communication channel. Then, each of the key matrices of sizes N × m and m × N elements is added modulo 2, respectively, with direct and transposed random rectangular matrices of sizes N × m and m × N elements. Accepted random rectangular matrices of sizes N × m and m × N are converted by dividing the row elements of each random rectangular matrix of size N × m elements by the sum of units of the corresponding row and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix of size m × N elements by the sum of units of the corresponding column. Then, k reconstructed result matrices are calculated.
Figure 00000003
where g = 1, 2, ..., k, by the size of N × N elements by sequentially multiplying k transformed random rectangular matrices of size N × m by a random square matrix of size m × m and by k converted random rectangular matrices of size m × N, respectively and the matrix of reconstructed coefficients with the size of N × N elements is supplemented with zeros to the sizes of M × M elements. A matrix of reconstructed coefficients of a discrete cosine transform of M × M elements is obtained, a matrix of a fixed grayscale image is restored by sequentially multiplying a transposed matrix of a discrete cosine transform of M × M elements by a matrix of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of M × M elements and a matrix discrete cosine transform of size M × M elements. A digital information signal is generated, each pixel of a stationary grayscale video image is assigned a value of the corresponding element of the matrix of reconstructed quantized samples of stationary grayscale video images of size M × M elements. After calculating the k resulting matrices, a total matrix of size N × N elements V s is calculated by the formula
Figure 00000004
Then calculate the standard error between the elements of the matrix of normalized values of size N × N elements and the elements of the total matrix V s of size N × N elements. After inverting each element of random rectangular matrices of sizes N × m and m × N, k resulting matrices, the total matrix V s and the standard error between the elements of the normalized value matrix of N × N elements and the elements of the recalculated total matrix V s of size N × N are recalculated elements. The resulting mean square error is subtracted from the previous mean square error and, in the case of a positive difference, the inverted element is stored, and after calculating k reconstructed resulting matrices
Figure 00000005
calculate the reconstructed total matrix of size N × N elements
Figure 00000006
s by the formula
Figure 00000007
and to obtain a matrix of reconstructed coefficients of size N × N elements, the reconstructed total matrix of size N × N elements is converted by elementwise division of its elements into corresponding elements of a normalization matrix of size N × N elements.

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет выполнения дискретного косинусного преобразования над матрицей квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения обеспечивается переход к представлению видеоизображения в виде матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования. Для уменьшения цифрового представления видеоизображения кодируют и передают не все коэффициенты ДКП, а только N2 коэффициентов ДКП из области спектра с максимальной энергией, а для увеличения устойчивости к ошибкам в цифровом канале связи, компенсация ошибок, возникающих в цифровом канале связи, происходит на основе суммирования и усреднения k результирующих матриц. Отмеченное обеспечивает устойчивость к ошибкам при сжатии и восстановлении сообщения, тем самым повышает качество восстановления сообщения при передаче по каналу связи с ошибками.Thanks to the new set of essential features, due to the discrete cosine transform performed over the matrix of quantized samples of a fixed grayscale video image, the transition to the video representation in the form of a matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform is provided. To reduce the digital presentation of the video image, not all DCT coefficients are encoded and transmitted, but only N 2 DCT coefficients from the spectral region with maximum energy, and to increase error resistance in the digital communication channel, the compensation of errors that occur in the digital communication channel is based on the summation and averaging k resulting matrices. The aforementioned provides error tolerance during compression and restoration of a message, thereby improving the quality of message recovery during transmission over the communication channel with errors.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".The analysis of the prior art made it possible to establish that analogues that are characterized by a combination of features that are identical to all the features of the claimed technical solution are absent, which indicates the compliance of the claimed method with the condition of patentability "novelty".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".Search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the prototype of the claimed method showed that they do not follow explicitly from the prior art. The prior art also did not reveal the popularity of the impact provided by the essential features of the claimed invention, the transformations on the achievement of the specified technical result. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".

Заявленный способ поясняется чертежами.The claimed method is illustrated by drawings.

- Фиг.1а. Формирование случайной квадратной матрицы размером m×m элементов.- Figa. Formation of a random square matrix of size m × m elements.

- Фиг.1б. Вариант случайной квадратной матрицы размером m×m элементов.- Fig.1b. A variant of a random square matrix of size m × m elements.

- Фиг.2. Формирование матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов.- Figure 2. Formation of a matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements.

- Фиг.3. Формирование матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов.- Figure 3. Formation of a matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements.

- Фиг.4а, 4б. Формирование нормировочной матрицы размером N×N элементов.- Figa, 4b. Formation of a normalization matrix of size N × N elements.

- Фиг.5. Формирование матрицы нормированных значений размером N×N элементов.- Figure 5. Formation of a matrix of normalized values of size N × N elements.

- Фиг.6а. Формирование k случайных ключевых матриц размером Nxm элементов.- Figa. Generation of k random key matrices of size Nxm elements.

- Фиг.6б. Вариант k случайных ключевых матриц размером N×m элементов.- Fig.6b. Variant of k random key matrices of size N × m elements.

- Фиг.6в. Формирование k случайных ключевых матриц размером m×N элементов.- Fig.6c. Generation of k random key matrices of size m × N elements.

- Фиг.6г. Вариант k случайных ключевых матриц размером m×N элементов.- Fig.6g. Variant of k random key matrices of size m × N elements.

- Фиг 7а. Формирование случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов.- Fig 7a. Formation of a random rectangular matrix of size N × m elements.

- Фиг.7б. Вариант случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов.- Fig.7b. A variant of a random rectangular matrix of size N × m elements.

- Фиг.7в. Формирование k случайных прямоугольных матриц размером N×m элементов.- Figv. Formation of k random rectangular matrices of size N × m elements.

- Фиг 7г. Формирование k случайных прямоугольных матриц размером m×N элементов.- Fig 7g. Formation of k random rectangular matrices of size m × N elements.

- Фиг.7д. Преобразование k случайных прямоугольных матриц размером N×m элементов.- Fig.7d. Convert k random rectangular matrices of size N × m elements.

- Фиг.7е. Преобразование k случайных прямоугольных матриц размером m×N элементов.- Fig. 7e. Transformation of k random rectangular matrices of size m × N elements.

- Фиг.8. Формирование k результирующих матриц размером N×N элементов.- Fig. 8. Formation of k resulting matrices of size N × N elements.

- Фиг.9а. Вариант инверсии элемента случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов.- Figa. Variant of inversion of an element of a random rectangular matrix of size N × m elements.

- Фиг.10. Передача случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов по цифровому каналу связи.- Figure 10. Transmission of a random rectangular matrix of size N × m elements over a digital communication channel.

- Фиг.11а. Вариант матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов.- Figa. A variant of the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements.

- Фиг.11б. График абсолютных значений первой строки матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов.- Fig. 11b. Graph of the absolute values of the first row of the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements.

- Фиг.12. Формирование матрицы восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов.- Fig. 12. Formation of a matrix of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements.

- Фиг.13. Формирование матрицы восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов.- Fig.13. Formation of a matrix of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements.

- Фиг.14. Формирование матрицы восстановленных квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения.- Fig. 14. Formation of a matrix of reconstructed quantized samples of a stationary grayscale video image.

Возможность реализации заявленного способа сжатия и восстановления сообщений объясняется следующим. При необходимости передачи по каналу связи сообщения, объем которого превышает возможности канала связи или для передачи которого требуется недопустимо большой временной интервал, используют различные приемы сокращения объема передаваемого сообщения.The ability to implement the claimed method of compression and recovery of messages is explained as follows. If it is necessary to transmit over a communication channel a message whose volume exceeds the capabilities of a communication channel or for transmitting which an unacceptably large time interval is required, various methods are used to reduce the amount of transmitted message.

Например, (см. книгу: У. Претт. Цифровая обработка изображений. Часть 1. - М.: Мир, 1982, с.96-118) кодируемое сообщение представляют в виде произведения матрицы опорных векторов на матрицу коэффициентов разложения. Для этой цели используют один из известных приемов: дискретное косинусное преобразование, быстрое преобразование Фурье, преобразование Карунена-Лоэва, Вейвлет-преобразование и другие.For example, (see the book: W. Prett. Digital image processing. Part 1. - M .: Mir, 1982, p.96-118) the encoded message is represented as the product of the matrix of support vectors by the matrix of decomposition coefficients. For this purpose, one of the well-known techniques is used: the discrete cosine transform, the fast Fourier transform, the Karunen-Loeve transform, the wavelet transform, and others.

Такой прием обуславливает некоторое снижение объема информации, необходимого для передачи по каналу связи и одновременное достижение требуемого качества.This technique causes a certain decrease in the amount of information necessary for transmission over the communication channel and at the same time achieve the required quality.

На приемном конце принятое сообщение восстанавливают.At the receiving end, the received message is restored.

Таким образом, при некотором ухудшении качества передаваемой информации обеспечивают снижение объема информации, необходимого для передачи. В то же время объем передаваемой информации о матрице опорных векторов и матрице коэффициентов разложения все еще велик, что не соответствует требованиям к современным каналам связи при сохранении требуемого качества, а также данные приемы не обеспечивают устойчивость к ошибкам в канале связи. Для повышение устойчивости к ошибкам в канале связи применяют помехоустойчивое кодирование, описанное, например, в книге: У. Питерсон, Э. Уэлдон. Коды, исправляющие ошибки. - М.: Мир, 1976. Данное помехоустойчивое кодирование основано на разделении всех возможных кодовых комбинаций на разрешенные и запрещенные. Такой подход предполагает введение в передаваемую цифровую последовательность избыточности. Это приводит к существенному снижению степени сжатия передаваемой информации и соответственно повышению требований к скорости передачи цифрового канала связи. Известен также способ борьбы с помехами на основе метода накопления, описанный, например, в книге: А.А.Харкевич. Борьба с помехами. - М.: ГИФМЛ, 1963. Данный метод основан на передаче одного сообщения по нескольким независимым каналам. Данный метод увеличивает отношение сигнал-помеха в k раз без увеличения мощности сигнала. Однако за этот выигрыш приходится расплачиваться k кратным использованием канала. При временном разделении каналов увеличивается в k раз время передачи, при частотном - в k раз занимаемая полоса частот и т.д.Thus, with some deterioration in the quality of the transmitted information, they provide a decrease in the amount of information necessary for transmission. At the same time, the amount of transmitted information about the matrix of support vectors and the matrix of decomposition coefficients is still large, which does not meet the requirements for modern communication channels while maintaining the required quality, and these techniques do not provide error tolerance in the communication channel. To increase error tolerance in the communication channel, noise-resistant coding is used, described, for example, in the book: W. Peterson, E. Weldon. Error correction codes. - M .: Mir, 1976. This error-correcting coding is based on the division of all possible code combinations into allowed and forbidden. This approach involves the introduction of redundancy in a transmitted digital sequence. This leads to a significant reduction in the degree of compression of the transmitted information and, accordingly, an increase in the requirements for the transmission speed of the digital communication channel. There is also a known method of controlling interference based on the accumulation method, described, for example, in the book: A.A. Kharkevich. Fighting interference. - M.: GIFFL, 1963. This method is based on the transmission of a single message through several independent channels. This method increases the signal-to-noise ratio by a factor of k without increasing the signal power. However, for this gain you have to pay with k multiple use of the channel. With time division of channels, the transmission time increases by a factor of k, and with a frequency division, the occupied frequency band by a factor of k, etc.

В предлагаемом способе решается задача снижения объема передаваемых данных и обеспечения устойчивости восстановленных изображений к влиянию ошибок на основе метода накопления при однократном использовании канала.The proposed method solves the problem of reducing the amount of transmitted data and ensuring the stability of the restored images to the influence of errors based on the accumulation method with a single use of the channel.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Формирование на передающей и приемной сторонах случайной квадратной матрицы размером m×m элементов (в дальнейшем обозначим ее как [B]m×m), каждый элемент которой принадлежит диапазону -500 ÷ +500 (см. фиг.1а, 1б). Размер m матрицы [B]m×m выбирают опытным путем исходя из размера передаваемого сообщения - М. Экспериментальные исследования показывают, что для качественной аппроксимации передаваемого сообщения размер m составляет 1/5-1/4 размера передаваемого сообщения. Операция формирования матрицы [B]m×m может быть выполнена с использованием датчика случайных чисел. Для выполнения требования идентичности матрицы [B]m×m приемника аналогичной матрице передатчика элементы матрицы [В]m×m могут быть сгенерированы на передающей стороне и переданы по цифровому каналу связи на приемную сторону, например, в составе синхропосылки.Formation on the transmitting and receiving sides of a random square matrix of size m × m elements (hereinafter, denote it as [B] m × m ), each element of which belongs to the range -500 ÷ +500 (see figa, 1b). The size m of the matrix [B] m × m is chosen empirically based on the size of the transmitted message - M. Experimental studies show that for a qualitative approximation of the transmitted message, the size m is 1 / 5-1 / 4 of the size of the transmitted message. The operation of forming the matrix [B] m × m can be performed using a random number sensor. To fulfill the identity requirement of the receiver matrix [B] m × m to a similar transmitter matrix, elements of the matrix [B] m × m can be generated on the transmitting side and transmitted via a digital communication channel to the receiving side, for example, as part of a sync packet.

В качестве сообщения, подлежащего сжатию и восстановлению, далее рассматривается неподвижное полутоновые видеоизображение, из которого формируют матрицу квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов, присвоив каждому ее элементу S(x,y), где x=1, 2, ..., M; y=1, 2, ..., M, квантованное значение соответствующего пиксела неподвижного полутонового видеоизображения (см. фиг.15).As a message to be compressed and restored, a stationary halftone video image is considered from which a matrix of quantized samples of a stationary halftone video image of size M × M elements is formed, assigning to each of its elements S (x, y), where x = 1, 2, .. ., M; y = 1, 2, ..., M, the quantized value of the corresponding pixel of a stationary grayscale video image (see Fig. 15).

С целью уменьшения объема информации, передаваемой по каналу связи, используют дискретное косинусное преобразование, описанное, например, в книге: Н.Ахмед, К.Р.Рао. Ортогональные преобразования при обработке цифровых сигналов. - M.: Связь, 1980, с.156-159.In order to reduce the amount of information transmitted over the communication channel, a discrete cosine transform is used, described, for example, in the book: N. Ahmed, K. R. Rao. Orthogonal transformations when processing digital signals. - M .: Communication, 1980, p. 156-159.

Матрицу коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов формируют на основании выраженияThe matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements is formed based on the expression

[L(x,y)]M×M=[Г([x,y)]M×M×[S(x,y)]M×M, ([Г(x,y)M×M, где [L(x,y)]M×M - матрица коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов, [S(x,y)]M×M - матрица квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов, [Г(х,y)]M×M - матрица прямого дискретного косинусного преобразования, [Г(х,у)]'M×M - матрица обратного дискретного косинусного преобразования (см. фиг.2).[L (x, y)] M × M = [G ([x, y)] M × M × [S (x, y)] M × M , ([G (x, y) M × M , where [L (x, y)] M × M is the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of a stationary halftone video image of size M × M elements, [S (x, y)] M × M is a matrix of quantized samples of a stationary halftone video image of size M × M elements, [G (x, y)] M × M is the matrix of the direct discrete cosine transform, [G (x, y)] ' M × M is the matrix of the inverse discrete cosine transform (see FIG. 2).

Наиболее информативными, с точки зрения восстановления передаваемого видеоизображения, являются коэффициенты двумерного дискретно-косинусного преобразования с максимальной энергией, располагающиеся в левом верхнем квадранте матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов (см. фиг.11a). Их выделяют, формируя матрицу коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов (в дальнейшем обозначим ее как [A]N×N), на основании выражения A(i,j)=L(i,j), где i=1, 2, ..., N, j=1, 2, ..., N, L(i,j)-i,j-й элемент матрицы коэффициентов двумерного дискретного косинусного преобразования неподвижного полутонового видеоизображения размером M×M элементов, A (i,j)-i,j-й элемент матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования неподвижного полутонового видеоизображения размером N×N элементов, причем выбирают N≤M (см. фиг.3).The most informative, from the point of view of restoring the transmitted video image, are the coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform with maximum energy, located in the upper left quadrant of the matrix of coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements (see Fig. 11a). They are distinguished by forming a matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements (hereinafter, denote it as [A] N × N ), based on the expression A (i, j) = L (i, j), where i = 1, 2, ..., N, j = 1, 2, ..., N, L (i, j) -i, the jth element of the coefficient matrix of a two-dimensional discrete cosine transform of a stationary grayscale video image of size M × M elements, A (i, j) -i, jth element of the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete-cosine transform of a stationary grayscale video image of size N × N elements, and N≤M (s m. figure 3).

Величина коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования в большой степени зависит от их порядкового номера, о чем можно судить исходя из графика (см. фиг.11б), где по оси абсцисс отложены порядковые номера коэффициентов первой строки матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, а по оси ординат - их абсолютные значения. Для того чтобы устранить зависимость величины элементов матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов от их местоположения в матрице и в дальнейшем более точно их аппроксимировать, необходимо произвести операцию нормирования. Суть данной операции заключается в том, что на передающей и приемной сторонах идентично формируют нормировочную матрицу размером N×N элементов (в дальнейшем обозначим ее как [С]N×N), элементы которой C(i,j) вычисляют по формуле

Figure 00000008
(см. фиг.4), полученную опытным путем. При этом учтена особенность матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, заключающаяся в расположении коэффициентов с максимальной энергией в левом верхнем квадранте и зависимости значений коэффициентов от их порядкового номера (i и j).The magnitude of the coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform depends to a large extent on their serial number, which can be judged from the graph (see Fig. 11b), where the ordinal numbers of the coefficients of the first row of the coefficient matrix of the two-dimensional discrete cosine transform of size M are plotted on the abscissa × M elements, and their absolute values along the ordinate axis. In order to eliminate the dependence of the magnitude of the matrix elements of the coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements on their location in the matrix and to approximate them more accurately in the future, it is necessary to carry out the normalization operation. The essence of this operation is that on the transmitting and receiving sides, a normalization matrix of size N × N elements is identical formed (hereinafter, denote it as [C] N × N ), the elements of which C (i, j) are calculated by the formula
Figure 00000008
(see figure 4) obtained experimentally. In this case, the peculiarity of the coefficient matrix of the two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements was taken into account, consisting in the arrangement of the coefficients with maximum energy in the upper left quadrant and the dependence of the coefficient values on their serial number (i and j).

Затем формируют матрицу нормированных значений двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов (в дальнейшем обозначим ее как [V]N×N) путем умножения каждого элемента A(i,j) матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования неподвижного полутонового видеоизображения размером N×N элементов на соответствующий ему элемент C(i,j) нормировочной матрицы размером N×N элементов (см. фиг.5).Then, a matrix of normalized values of the two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements (hereinafter, referred to as [V] N × N ) is formed by multiplying each element A (i, j) of the coefficient matrix of the two-dimensional discrete cosine transform of a fixed grayscale video image of size N × N elements to the corresponding element C (i, j) of the normalization matrix of size N × N elements (see figure 5).

Далее, аналогично способу-прототипу используют подход, основанный на представлении g-й - результирующей матрицы размером NxN элементов (в дальнейшем обозначим ее как

Figure 00000009
) в виде произведения трех матриц: преобразованной прямоугольной матрицы размером N×m элементов (в дальнейшем обозначим ее как
Figure 00000010
), случайной квадратной матрицы размером m×m элементов [B]m×m и преобразованной прямоугольной матрицы размером m×N элементов (в дальнейшем обозначим ее как
Figure 00000011
) (см. фиг.8):
Figure 00000012
где [Ypr(g)] и [Xpr(g)] находятся таким образом, чтобы суммарная матрица размером N×N элементов (в дальнейшем обозначим ее как [Vs]N×N) полученная путем суммирования соответствующих элементов всех матриц
Figure 00000013
и деления на k, была наиболее близкой по заданному критерию к матрице [V]N×N.Further, similarly to the prototype method, an approach based on the representation of the gth - resulting matrix of size NxN elements is used (hereinafter, we denote it as
Figure 00000009
) in the form of the product of three matrices: a transformed rectangular matrix of size N × m elements (hereinafter, denote it as
Figure 00000010
), a random square matrix of size m × m elements [B] m × m, and a transformed rectangular matrix of size m × N elements (hereinafter, denote it as
Figure 00000011
) (see Fig. 8):
Figure 00000012
where [Y pr (g)] and [X pr (g)] are found so that the total matrix of size N × N elements (hereinafter, denote it as [V s ] N × N ) obtained by summing the corresponding elements of all matrices
Figure 00000013
and dividing by k, was closest according to a given criterion to the matrix [V] N × N.

Матрицы

Figure 00000014
и
Figure 00000015
формируют путем суммирования по модулю 2 случайной прямоугольной матрицы [Е]N×m со случайной ключевой матрицей [Yкл(g)]N×m и транспонированной прямоугольной матрицы [Е]TN×m со случайной ключевой матрицей [Xкл(g)]m×N соответственно, где матрицы [Yкл(g)]N×m и [Xкл(g)]m×N являются идентично генерируемыми на передающей и приемной сторонах размерами N×m и m×N соответственно (см. фиг.7в, 7 г), где знак
Figure 00000016
означает суммирование по модулю 2.Matrices
Figure 00000014
and
Figure 00000015
form by summing modulo 2 a random rectangular matrix [E] N × m with a random key matrix [Y cells (g)] N × m and a transposed rectangular matrix [E] T N × m with a random key matrix [X cells (g) ] m × N, respectively, where the matrices [Y cells (g)] N × m and [X cells (g)] m × N are identically generated on the transmitting and receiving sides with sizes N × m and m × N, respectively (see FIG. .7c, 7d), where the sign
Figure 00000016
means summation modulo 2.

Особенностью матриц

Figure 00000010
и
Figure 00000017
является то, что они могут быть легко приведены к цифровому виду. Это достигается тем, что на элементы этих матриц накладываются следующие ограничения:Matrix feature
Figure 00000010
and
Figure 00000017
is that they can be easily digitized. This is achieved by the following restrictions on the elements of these matrices:

- элементы матриц

Figure 00000010
и
Figure 00000017
принимают значения в диапазоне от нуля до единицы;- matrix elements
Figure 00000010
and
Figure 00000017
take values in the range from zero to one;

- ненулевые элементы каждой строки матрицы

Figure 00000010
равны между собой и в сумме образуют единицу;- nonzero elements of each row of the matrix
Figure 00000010
are equal to each other and in total form a unit;

- ненулевые элементы каждого столбца матрицы

Figure 00000017
равны между собой и в сумме образуют единицу;- nonzero elements of each column of the matrix
Figure 00000017
are equal to each other and in total form a unit;

При таких ограничениях если элементы каждой строки матрицы

Figure 00000010
умножить на количество ненулевых элементов в этой строке, то будет получена матрица [Ypr(g)]N×m элементы которой определены только на множестве "1" и "0". Аналогично, если элементы каждого столбца матрицы
Figure 00000017
умножить на количество ненулевых элементов в столбце, то будет получена матрица [Xpr(g)]m×N элементы которой определены только на множестве "1" и "0".Under such restrictions, if the elements of each row of the matrix
Figure 00000010
multiplied by the number of non-zero elements in this row, the matrix will be obtained [Y pr (g)] N × m whose elements are defined only on the set "1" and "0". Similarly, if the elements of each column of the matrix
Figure 00000017
multiplied by the number of nonzero elements in the column, the matrix will be obtained [X pr (g)] m × N whose elements are defined only on the set "1" and "0".

Процедура, реализующая поиск на передающей стороне оптимальных матриц

Figure 00000010
и
Figure 00000018
подробно описана в способе-прототипе (см. патент РФ №2244963, МПК7 Н 04 N 7/30, от 2005 г.).A procedure that implements a search on the transmitting side of optimal matrices
Figure 00000010
and
Figure 00000018
described in detail in the prototype method (see RF patent No. 2244963, IPC 7 H 04 N 7/30, from 2005).

Таким образом, представление матрицы нормированных значений двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов [V]N×N в цифровом виде на передающей стороне осуществляют на основе генерирования множества нулевых и единичных элементов в виде случайной прямоугольной матрицы размером N×m (матрица [E]N×N) (см- фиг.7а, 7б) и k случайных ключевых матриц размером m×N и N×m элементов (матрицы [Xкл(g)] и [Yкл(g)]N×m (см. фиг.6б, 6г) Затем случайные прямоугольные матрицы [X(g)m×N] и [Y(g)]N×m преобразуют путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки, т.е. ее вес - vy(g) (см. книгу: Э. Берлекэмп. Алгебраическая теория кодирования. - М.: Мир, 1971. с.12) (см. фиг.7д) и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца, т.е. его вес - vx(g). Тем самым формируют матрицы

Figure 00000010
и
Figure 00000017
(см. фиг.7д, 7е).Thus, the representation of the matrix of normalized values of a two-dimensional discrete cosine transform size N × N elements [V] N × N in digital form on the transmission side is carried out based on generating a plurality of zero and unit cells in the form of a random rectangular matrix of size N × m (matrix [ E] N × N ) ( see Figs . 7a, 7b) and k random key matrices of size m × N and N × m elements (matrices [X cells (g)] and [Y cells (g)] N × m ( cm. 6b, 6d) is then random rectangular matrix [X (g) m × N ] and [Y (g)] N × m is converted by dividing elements of each row cases hydrochloric rectangular matrix of size N × m elements in the amount corresponding row units, i.e. its weight - v y (g) (see the book: E. Berlekamp, Algebraic Coding Theory - M .: Mir, 1971, p.12... ) (see Fig.7d) and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix of size m × N elements by the sum of the units of the corresponding column, i.e., its weight is v x (g).
Figure 00000010
and
Figure 00000017
(see fig.7d, 7e).

Аналогично способу-прототипу вычисляют k результирующих матриц размером N×N элементов, т.е.

Figure 00000019
путем последовательного перемножения полученной после преобразования прямоугольной матрицы размером N×m элементов
Figure 00000020
случайной квадратной матрицы размером m×m элементов [B]m×m и полученной после преобразования прямоугольной матрицы размером m×N элементов
Figure 00000017
(см. фиг.8).Similarly to the prototype method, k resulting matrices of size N × N elements are calculated, i.e.
Figure 00000019
by successively multiplying the obtained after the transformation of a rectangular matrix of size N × m elements
Figure 00000020
random square matrix of size m × m elements [B] m × m and obtained after the transformation of a rectangular matrix of size m × N elements
Figure 00000017
(see Fig. 8).

Далее полученные результирующие матрицы суммируют по правилу

Figure 00000021
где
Figure 00000022
- i,j - элемент g-й результирующей матрицы.Next, the resulting resulting matrices are summarized according to the rule
Figure 00000021
Where
Figure 00000022
- i, j is the element of the gth resulting matrix.

Матрица [Vs]N×N должна быть наиболее близкой к матрице [V]N×N по некоторому критерию. Известно (см., например, книгу: У.Претт. Цифровая обработка изображений. Часть I. - М.: Мир, 1982, с.121-127), что одним из основных объективных критериев близости является среднеквадратическая ошибка. Минимизируя среднеквадратическую ошибку добиваются минимальных расхождений между матрицами [V]N×N и [Vs]N×N. Поэтому, рассчитывают сумму квадратов разностей между элементами суммарной результирующей матрицы размером N×N элементов [Vs]N×N и соответствующими им элементами матрицы нормированных значений двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов [V]N×N. Затем последовательно инвертируют каждый элемент случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов (см. фиг.9) и преобразуют их аналогичным образом, как было описано при преобразовании матриц [Y(g)] N×m и [X(g)]m×N (см. фиг.7б, 7в, 7г, 7д, 7е). Последовательно перемножают полученные после преобразования k случайных прямоугольных матриц размером Nxm элементов, случайную квадратную матрицу размером m×m элементов и полученные после преобразования k случайных прямоугольных матриц размером m×N элементов. Полученные k результирующие матрицы

Figure 00000023
размером N×N элементов поэлементно суммируют и усредняют по формуле
Figure 00000024
The matrix [V s ] N × N should be closest to the matrix [V] N × N by some criterion. It is known (see, for example, the book: W. Prett. Digital image processing. Part I. - M .: Mir, 1982, p. 121-127) that one of the main objective criteria for proximity is the standard error. By minimizing the standard error, the minimum discrepancies between the matrices [V] N × N and [V s ] N × N are achieved. Therefore, the sum of the squared differences between the elements of the total resulting matrix of size N × N elements [V s ] N × N and the corresponding elements of the matrix of normalized two-dimensional discrete-cosine transforms of size N × N elements [V] N × N is calculated . Then each element of a random rectangular matrix of size N × m elements is sequentially inverted (see Fig. 9) and they are transformed in the same way as described when transforming the matrices [Y (g)] N × m and [X (g)] m × N (see Fig. 7b, 7c, 7d, 7d, 7e). Sequentially multiply k random rectangular matrices of size Nxm elements obtained after conversion, multiply a random square matrix of size m × m elements and obtained after conversion of k random rectangular matrices of size m × N elements. The resulting k resulting matrices
Figure 00000023
the size of N × N elements are element-wise summed and averaged according to the formula
Figure 00000024

Поскольку в матрице [E]N×m содержался инвертированный элемент, что после преобразования привело к изменению значений элементов матриц [Y(g)] N×m и [X(g)]m×N и соответственно привело к изменениям матриц

Figure 00000010
и
Figure 00000025
изменятся значения элементов результирующей матрицы
Figure 00000026
тем самым изменяя значения матрицы
Figure 00000027
Затем для оценки степени приближения матрицы
Figure 00000028
к [V]N×N повторно рассчитывают сумму квадратов разностей между элементами суммарной результирующей матрицы размером N×N элементов и элементами матрицы нормированных значений двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов. Затем вычитают полученную сумму квадратов разности от аналогичной суммы, полученной на предыдущем шаге. В случае положительной разности, т.е. уменьшения среднеквадратической ошибки, сохраняют инвертированное значение элемента, а в противном случае - выполняют его повторную инверсию.Since the matrix [E] N × m contained an inverted element, which after conversion led to a change in the values of the elements of the matrices [Y (g)] N × m and [X (g)] m × N and, accordingly, led to changes in the matrices
Figure 00000010
and
Figure 00000025
the values of the elements of the resulting matrix will change
Figure 00000026
thereby changing the values of the matrix
Figure 00000027
Then, to estimate the degree of approximation of the matrix
Figure 00000028
to [V] N × N, the sum of the squared differences between the elements of the total resulting matrix of N × N elements and the elements of the normalized values of the two-dimensional discrete cosine transform of N × N elements is recalculated. Then, the resulting sum of the squares of the difference is subtracted from the similar amount obtained in the previous step. In the case of a positive difference, i.e. reduce the standard error, save the inverted value of the element, and otherwise, perform its repeated inversion.

Подобным образом производят инверсию всех битов в матрицы [Е]N×m и добиваются минимальной среднеквадратической ошибки между матрицами

Figure 00000028
и [V]N×N, что однозначно указывает на оптимальность сформированных матриц [Y(g)] N×m, [X(g)]m×N и
Figure 00000010
и
Figure 00000029
т.e. достижение наилучшего качества при заданном фиксированном объеме передаваемой информации.Similarly, invert all the bits into the matrices [E] N × m and achieve the minimum mean square error between the matrices
Figure 00000028
and [V] N × N , which uniquely indicates the optimality of the generated matrices [Y (g)] N × m , [X (g)] m × N and
Figure 00000010
and
Figure 00000029
i.e. achieving the best quality for a given fixed amount of information transmitted.

Передают множество нулевых и единичных элементов случайной прямоугольной матрицы [Е]N×m по каналу связи (см. фиг.10). На фиг.10 знак · обозначает перемножение матриц.A plurality of zero and single elements of a random rectangular matrix [E] N × m is transmitted over a communication channel (see Fig. 10). In figure 10, the symbol · denotes the multiplication of matrices.

На приемной стороне принимают из канала связи множество нулевых и единичных элементов случайной прямоугольной матрицы [E]N×m. Затем вычисляют матрицы [Y(g)]N×m и [X(g)]m×N путем суммирования по модулю 2 матрицы [E]N×m на матрицу [Yкл(g)]N×m и суммирования по модулю 2 транспонированной матрицы [E]N×m на матрицу [Xкл(g)]m×N соответственно. Затем преобразуют матрицы [Y(g)]N×m и [X(g)]m×N путем деления элементов каждой строки прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки, т.е. ее вес vy (см. фиг.7е) и деления элементов каждого столбца прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца, т.е. его вес vx (см. фиг.7д). Тем самым на приемной стороне формируют матрицы

Figure 00000010
и
Figure 00000030
At the receiving side, a plurality of zero and single elements of a random rectangular matrix [E] N × m is received from the communication channel. Then, the matrices [Y (g)] N × m and [X (g)] m × N are calculated by summing modulo 2 the matrices [E] N × m onto the matrix [Y cells (g)] N × m and summing modulo 2 transposed matrices [E] N × m per matrix [X cells (g)] m × N, respectively. Then, the matrices [Y (g)] N × m and [X (g)] m × N are transformed by dividing the elements of each row of a rectangular matrix of size N × m elements by the sum of the units of the corresponding row, i.e. its weight v y (see FIG. 7e) and the division of the elements of each column of a rectangular matrix of size m × N elements by the sum of the units of the corresponding column, i.e. its weight v x (see fig.7d). Thus, matrices are formed on the receiving side
Figure 00000010
and
Figure 00000030

Формируют k восстановленных результирующих матриц размером N×N элементов

Figure 00000031
путем последовательного перемножения k случайных прямоугольных матриц
Figure 00000032
случайной квадратной матрицы [B]m×m и k случайных прямоугольных матрицы
Figure 00000017
(см. фиг.8). Затем формируют матрицу восстановленных нормированных значений двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов
Figure 00000028
путем суммирования и усреднения k матриц восстановленных результирующих матриц размером N×N элементов
Figure 00000031
по формуле
Figure 00000033
Form k reconstructed resultant matrices of size N × N elements
Figure 00000031
by successively multiplying k random rectangular matrices
Figure 00000032
random square matrix [B] m × m and k random rectangular matrices
Figure 00000017
(see Fig. 8). Then, a matrix of reconstructed normalized values of the two-dimensional discrete cosine transform with the size of N × N elements is formed
Figure 00000028
by summing and averaging k matrices of the restored resulting matrices of size N × N elements
Figure 00000031
according to the formula
Figure 00000033

Для получения восстановленных коэффициентов реальной размерности необходимо произвести операцию денормирования. Учитывая, что на приемной стороне была сформирована нормировочная матрица [C]N×N, матрицу восстановленных значений двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов (в дальнейшем обозначим ее как

Figure 00000034
M×M) формируют путем деления значения каждого i,j-го элемента матрицы
Figure 00000028
на соответствующий элемент нормировочной матрицы размером N×N элементов (см. фиг.12).To obtain the restored coefficients of the real dimension, it is necessary to perform the denormation operation. Considering that on the receiving side, a normalization matrix [C] N × N , a matrix of reconstructed values of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements (in the future, we denote it as
Figure 00000034
M × M ) is formed by dividing the values of each i, jth matrix element
Figure 00000028
on the corresponding element of the normalization matrix of size N × N elements (see Fig. 12).

Для восстановления передаваемого сообщения необходимо сформировать матрицу восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов (в дальнейшем обозначим ее как

Figure 00000035
). Эту операцию производят путем присвоения значения каждого i,j-го элемента матрицы восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов каждому i,j-му элементу матрицы восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, а в качестве остальных элементов записывают нули (см. фиг.13).To restore the transmitted message, it is necessary to form a matrix of the reconstructed coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements (hereinafter, denote it as
Figure 00000035
) This operation is performed by assigning the value of each i, jth element of the matrix of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements to each i, jth element of the matrix of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements, and as the remaining elements record zeros (see Fig.13).

Далее формируют матрицу восстановленных квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения путем перемножения транспонированной матрицы дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов на матрицу восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов и на матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов (см. фиг.14), т.е. на основании формулы: [

Figure 00000036
(х,y)]M×M=[Г(x,у)]'M×M×[
Figure 00000037
(x,y)]M×M×[Г(x,y)]M×M, где
Figure 00000038
- матрица восстановленных квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером МхМ элементов.Next, a matrix of reconstructed quantized samples of a fixed grayscale video image is formed by multiplying the transposed matrix of a discrete cosine transform of size M × M elements by a matrix of reconstructed coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements and a matrix of discrete cosine transform of size M × M elements (cm Fig. 14), i.e. based on the formula: [
Figure 00000036
(x, y)] M × M = [G (x, y)] ' M × M × [
Figure 00000037
(x, y)] M × M × [G (x, y)] M × M , where
Figure 00000038
- a matrix of reconstructed quantized samples of a stationary grayscale video image with the size of MXM elements.

На последнем этапе представляют матрицу

Figure 00000038
в виде неподвижного полутонового видеоизображения, присвоив каждому пикселу неподвижного полутонового видеоизображения значение соответствующего элемента матрицы
Figure 00000039
At the last stage, they present the matrix
Figure 00000038
in the form of a motionless grayscale video image, assigning to each pixel of a motionless grayscale video image the value of the corresponding matrix element
Figure 00000039

Для оценки возможности достижения сформулированного технического результата при использовании заявленного способа сжатия и восстановления сообщений было проведено имитационное моделирование на ПЭВМ. Размер случайной квадратной матрицы [B]m×m составлял 128×128 элементов. Такой размер матрицы [B]m×m выбран исходя из того, что в качестве исходного сообщения использовано неподвижное полутоновое видеоизображение размером 512×512 пикселов. В предлагаемом способе высокая степень сжатия исходного сообщения достигнута за счет того, что для формирования на приемной стороне неподвижного полутонового видеоизображения в цифровой канал связи необходимо передать количество двоичных единиц, определяемое размерами матрицы [E]N×m. Для повышения помехоустойчивости использовался подход, которыйTo assess the feasibility of achieving the formulated technical result when using the claimed method for compressing and recovering messages, simulation was carried out on a PC. The size of the random square matrix [B] m × m was 128 × 128 elements. This matrix size [B] m × m is selected based on the fact that a stationary halftone video image of 512 × 512 pixels is used as the initial message. In the proposed method, a high degree of compression of the original message is achieved due to the fact that in order to form a stationary grayscale video image on the receiving side, it is necessary to transmit the number of binary units determined by the size of the matrix [E] N × m to the digital communication channel. To increase the noise immunity, an approach was used that

основан на методе накопления, компенсация ошибки происходила за счет суммирования и усреднения k образов восстановленного сообщения, которые формировались на основе известных на передающей и приемной сторонах k случайных взаимонезависимых ключевых матриц и полученной из канала связи одной матрицы [E]N×m, таким образом метод накопления был реализован без многократной передачи матрицы [E]N×m. В общем случае матрица [E]N×m является прямоугольной. Но в ходе имитационного моделирования N взята равной 128, а m=128. Такая величина N обусловлена требованиями к качеству восстановленного видеоизображения. Практические исследования показывают, что при оставлении 1/16 спектральных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования из левого верхнего квадранта матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером 512×512 элементов пиковое отношение сигнал/шум для исходного и восстановленного видеоизображения составляет порядка 30 дБ. В ходе имитационного моделирования параметр число k было выбрано опытным путем, k=12, уменьшение этого параметра приводит к резкому уменьшению величины компенсации ошибки. При увеличение данного параметра выигрыш увеличивается незначительно, но качество восстановления неподвижного полутонового изображения снижается.based on the accumulation method, error compensation was carried out by summing and averaging k images of the recovered message, which were formed on the basis of random random-independent key matrices known on the transmitting and receiving sides k and one matrix [E] N × m obtained from the communication channel, thus the method accumulation was implemented without multiple transmission of the matrix [E] N × m . In the general case, the matrix [E] N × m is rectangular. But in the course of simulation N is taken equal to 128, and m = 128. This value of N is due to the quality requirements of the reconstructed video image. Practical studies show that when 1/16 of the spectral coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform are left from the upper left quadrant of the matrix of two-dimensional discrete cosine transform coefficients with a size of 512 × 512 elements, the peak signal-to-noise ratio for the original and reconstructed video image is about 30 dB. During simulation, the parameter number k was chosen experimentally, k = 12, a decrease in this parameter leads to a sharp decrease in the error compensation value. With an increase in this parameter, the gain increases slightly, but the quality of restoring a stationary grayscale image decreases.

Достигаемый коэффициент сжатия может быть найден по формуле:The achieved compression ratio can be found by the formula:

Figure 00000040
Figure 00000040

Цифра 8 в числителе указанной формулы говорит о том, что для кодирования впрямую неподвижного полутонового видеоизображения, т.е. значение каждого пиксела лежит в диапазоне 0÷255, требуется 8 бит. При выборе N=128, m=128 и М=512 результирующий коэффициент сжатия составил 16 раз. При использовании способа-прототипа для сжатия сообщений результирующий коэффициент сжатия составил 16 раз при пиковом отношении сигнал/шум порядка 29,5 дБ, но при имитации ошибок в канале связи качество восстановления составило 16 дБ. Объективная оценка качества восстановленного при помощи заявленного способа видеоизображения показывает, что пиковое отношение сигнал/шум для исходного и восстановленного видеоизображений составляет 28,4 дБ, а при имитации ошибок в канале связи 10-2 пиковое отношение сигнал/шум для исходного и восстановленного видеоизображения составляет порядка 25,8 дБ. Полученные восстановленные видеоизображения изображены на фиг.16.The number 8 in the numerator of this formula indicates that for encoding directly a stationary grayscale video image, i.e. the value of each pixel lies in the range 0 ÷ 255, 8 bits are required. When choosing N = 128, m = 128 and M = 512, the resulting compression ratio was 16 times. When using the prototype method for compressing messages, the resulting compression ratio was 16 times with a peak signal-to-noise ratio of about 29.5 dB, but when simulating errors in the communication channel, the recovery quality was 16 dB. An objective assessment of the quality of the video image restored using the claimed method shows that the peak signal-to-noise ratio for the original and restored video images is 28.4 dB, and when simulating errors in the communication channel 10 -2, the peak signal-to-noise ratio for the original and restored video is about 25.8 dB The resulting reconstructed video images are depicted in FIG.

Анализ вычислительной сложности показал, что сложность предлагаемой процедуры кодирования/декодирования пропорциональна приблизительно величине m2. Поэтому предлагаемый способ сжатия и восстановления сообщения может быть реализован на современных процессорах обработки сигналов.An analysis of computational complexity showed that the complexity of the proposed encoding / decoding procedure is proportional to approximately m 2 . Therefore, the proposed method for compressing and recovering messages can be implemented on modern signal processing processors.

Claims (2)

1. Способ сжатия и восстановления сообщений, заключающийся в том, что предварительно на передающей и приемной сторонах идентично генерируют случайную квадратную матрицу размером m×m элементов, каждый элемент которой принадлежит диапазону -500 ÷ +500, генерируют по k случайных ключевых матриц размером N×m и m×N элементов, формируют нормировочную матрицу размером N×N элементов, элементы которой C(i, j) вычисляют по формуле1. A method of compressing and restoring messages, which consists in the fact that previously on the transmitting and receiving sides they identically generate a random square matrix of size m × m elements, each element of which belongs to the range -500 ÷ +500, generate k random key matrices of size N × m and m × N elements, form a normalization matrix of size N × N elements, the elements of which C (i, j) are calculated by the formula
Figure 00000041
Figure 00000041
где i=1, 2, ..., N, j=1, 2, ..., N, формируют матрицу квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером M×M элементов, в которой каждому ее элементу S(x,y) присваивают квантованное значение соответствующего пиксела неподвижного полутонового видеоизображения, размером М×М пикселов, где х=1, 2, ..., М; у=1, 2, ...,М, формируют матрицу коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов путем последовательного перемножения матрицы дискретно-косинусного преобразования размером M×M элементов на матрицу квантованных отсчетов неподвижного полутонового видеоизображения размером М×М элементов и на транспонированную матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, формируют матрицу коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов, по формуле A(i,j)=L(i,j), где L(i,j)-i,j-й элемент матрицы коэффициентов двумерного дискретного косинусного преобразования размером М×М элементов, A(i,j)-i,j-й элемент матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов, причем выбирают N×M, после чего формируют матрицу нормированных значений размером N×N элементов, путем умножение каждого коэффициента матрицы коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером N×N элементов A(i,j) на соответствующий ему элемент нормировочной матрицы размером N×N элементов, генерируют случайную прямоугольную матрицу размером N×m элементов, а в качестве случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов принимают транспонированную случайную прямоугольную матрицу размером N×m элементов, затем каждую из ключевых матриц размерами N×m и m×N элементов суммируют по модулю 2 соответственно с прямой и транспонированной случайной прямоугольной матрицей размерами N×m и m×N элементов, преобразуют полученные матрицы путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца, вычисляют k результирующих матриц V(g), где g=1, 2, ..., k, размером N×N элементов, путем последовательного умножения k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером m×N элементов, последовательно инвертируют каждый элемент случайных прямоугольных матриц размерами N×m и m×N элементов, и после инверсии преобразуют их путем деления элементов каждой строки случайной прямоугольной матрицы с инвертированным элементом размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы с инвертированным элементом размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца, повторно вычисляют k результирующих матриц размером N×N элементов, путем последовательного умножения k преобразованных случайных прямоугольных матриц с инвертированным элементом размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на k преобразованных случайных прямоугольных матриц с инвертированным элементом размером m×N, передают по каналу связи случайную прямоугольную матрицу размером N×m, принимают из канала связи эту матрицу, затем каждую из ключевых матриц размерами N×m и m×N элементов суммируют по модулю 2 соответственно с прямой и транспонированной случайными прямоугольными матрицами размерами N×m и m×N элементов, преобразуют принятые случайные прямоугольные матрицы размера N×m и m×N путем деления элементов строки каждой случайной прямоугольной матрицы размером N×m элементов на сумму единиц соответствующей строки и деления элементов каждого столбца случайной прямоугольной матрицы размером m×N элементов на сумму единиц соответствующего столбца, вычисляют k восстановленных результирующих матриц
Figure 00000042
(g), где g=1, 2, ..., k размера N×N элементов, путем последовательного умножения k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером N×m на случайную квадратную матрицу размером m×m и на k преобразованных случайных прямоугольных матриц размером m×N соответственно, матрицу восстановленных коэффициентов размером N×N элементов дополняют нулями до размеров М×М элементов, получают матрицу восстановленных коэффициентов дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, восстанавливают матрицу неподвижного полутоновых изображения, путем последовательного перемножения транспонированной матрицы дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов на матрицу восстановленных коэффициентов двумерного дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов и на матрицу дискретно-косинусного преобразования размером М×М элементов, формируют цифровой информационный сигнал, каждому пикселу неподвижного полутонового видеоизображения присваивают значение соответствующего элемента матрицы восстановленных квантованных отсчетов неподвижных полутоновых видеоизображений размером М×М элементов, отличающийся тем, что после вычисления k результирующих матриц, вычисляют суммарную матрицу размером N×N элементов Vs по формуле
where i = 1, 2, ..., N, j = 1, 2, ..., N, form a matrix of quantized samples of a fixed grayscale video image of size M × M elements, in which each of its elements S (x, y) is assigned the quantized value of the corresponding pixel of a stationary grayscale video image, size M × M pixels, where x = 1, 2, ..., M; y = 1, 2, ..., M, form the matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements by sequentially multiplying the matrix of discrete cosine transform of size M × M elements by a matrix of quantized samples of a still grayscale video image of size M × M elements and on the transposed matrix of a discrete cosine transform of size M × M elements, form a matrix of coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements, according to the formula A (i, j) = L (i, j) , where L (i, j) -i, the jth element of the coefficient matrix of a two-dimensional discrete cosine transform of size M × M elements, A (i, j) -i, the jth element of the coefficient matrix of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements, moreover, select N × M, and then form a matrix of normalized values of size N × N elements by multiplying each coefficient matrix of the coefficients of a two-dimensional discrete cosine transform of size N × N elements A (i, j) by the corresponding element of the normalization matrix of size N × N elements, ge A random rectangular matrix of size N × m elements is generated, and a transposed random rectangular matrix of size N × m elements is taken as a random rectangular matrix of size m × N, then each of the key matrices of size N × m and m × N elements is added modulo 2 respectively, with a direct and transposed random rectangular matrix of sizes N × m and m × N elements, the resulting matrices are transformed by dividing the elements of each row of a random rectangular matrix of size N × m elements by the sum of units kits of the corresponding row and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix of size m × N elements by the sum of the units of the corresponding column, k result matrices V (g) are calculated, where g = 1, 2, ..., k, size N × N elements, by sequentially multiplying k transformed random rectangular matrices of size N × m by a random square matrix of size m × m and by k converted random rectangular matrices of size m × N elements, each element of random rectangular matrices of size N × m and m × N elements, and after inversion transform them by dividing the elements of each row of a random rectangular matrix with an inverted element of size N × m elements by the sum of the units of the corresponding row and dividing the elements of each column of a random rectangular matrix with an inverted element of size m × N elements by the sum of the units of the corresponding column, recalculate k resulting matrices of size N × N elements by sequentially multiplying k transformed random rectangular matrices with inverted an element of size N × m onto a random square matrix of size m × m and to k transformed random rectangular matrices with an inverted element of size m × N, a random rectangular matrix of size N × m is transmitted via the communication channel, this matrix is received from the communication channel, then each of key matrices of sizes N × m and m × N elements are summed modulo 2, respectively, with direct and transposed random rectangular matrices of sizes N × m and m × N elements, transform the received random rectangular matrices of size N × m and m × N by doing k of the elements of the row of each random rectangular matrix of size N × m elements by the sum of the units of the corresponding row and the division of the elements of each column of the random rectangular matrix of size m × N elements by the sum of the units of the corresponding column, k restored result matrices are calculated
Figure 00000042
(g), where g = 1, 2, ..., k of size N × N elements, by sequentially multiplying k transformed random rectangular matrices of size N × m by a random square matrix of size m × m and by k transformed random rectangular matrices of size m × N, respectively, the matrix of reconstructed coefficients of size N × N elements is supplemented with zeros to the dimensions of M × M elements, a matrix of reconstructed coefficients of discrete cosine transforms of size M × M elements is obtained, the matrix of a fixed grayscale image is restored, p Then, by sequentially multiplying the transposed matrix of the discrete cosine transform with the size of M × M elements by the matrix of the reconstructed coefficients of the two-dimensional discrete cosine transform with the size of M × M elements and by the matrix of the discrete cosine transform by the size of M × M elements, a digital information signal is generated, each pixel of a fixed grayscale video images assign the value of the corresponding element of the matrix of reconstructed quantized fixed grayscale samples video images of size M × M elements, characterized in that after calculating k resulting matrices, calculate the total matrix size N × N elements V s according to the formula
Figure 00000043
Figure 00000043
затем вычисляют среднеквадратическую ошибку между элементами матрицы нормированных значений размером N×N элементов и элементами суммарной матрицы Vs, размером N×N элементов, а после инверсии каждого элемента случайных прямоугольных матриц размерами N×m и m×N повторно вычисляют k результирующих матриц, суммарную матрицу Vs и среднеквадратическую ошибку между элементами матрицы нормированных значений размером N×N элементов и элементами повторно вычисленной суммарной матрицы Vs размером N×N элементов, а полученную среднеквадратическую ошибку вычитают от предыдущей среднеквадратической ошибки и в случае положительной разности запоминают инвертированный элемент, а после вычисления k восстановленных результирующих матриц
Figure 00000042
(g) вычисляют восстановленную суммарную матрицу размером N×N элементов
Figure 00000042
s по формуле
then the mean square error between the elements of the normalized value matrix of N × N elements and the elements of the total matrix V s , the size of N × N elements is calculated, and after the inversion of each element of random rectangular matrices of sizes N × m and m × N, k resulting matrices are recalculated, the total matrix V s and the mean square error between the matrix elements of the normalized values of size N × N elements and elements recalculated total matrix V s size N × N elements, and the resulting mean square oshi Ku is subtracted from the previous mean square error in the case of a positive difference inverted stored element, after calculating the resultant reconstructed matrices k
Figure 00000042
(g) calculate the restored total matrix size N × N elements
Figure 00000042
s by the formula
Figure 00000044
Figure 00000044
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения матрицы восстановленных коэффициентов размером N×N элементов преобразуют восстановленную суммарную матрицу размером N×N элементов путем поэлементного деления ее элементов на соответствующие элементы нормировочной матрицы размером N×N элементов.2. The method according to claim 1, characterized in that to obtain a matrix of restored coefficients of size N × N elements, the restored total matrix of size N × N elements is converted by elementwise division of its elements into corresponding elements of the normalization matrix of size N × N elements.
RU2005115283/09A 2005-05-19 2005-05-19 Message compression and recovery method RU2288547C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005115283/09A RU2288547C1 (en) 2005-05-19 2005-05-19 Message compression and recovery method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005115283/09A RU2288547C1 (en) 2005-05-19 2005-05-19 Message compression and recovery method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2288547C1 true RU2288547C1 (en) 2006-11-27

Family

ID=37664547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005115283/09A RU2288547C1 (en) 2005-05-19 2005-05-19 Message compression and recovery method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2288547C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Efficient and robust image coding and transmission based on scrambled block compressive sensing
KR102361927B1 (en) Method and apparatus for encoding and decoding hdr images
US6661842B1 (en) Methods and apparatus for error-resilient video coding
Adsumilli et al. A robust error concealment technique using data hiding for image and video transmission over lossy channels
JP2014504829A (en) Multiple description coding on multiple transmission resources in time or frequency using analog modulation
CN109309840A (en) Compressed sensing image encoding method based on noise shaping, storage medium
CN103026636B (en) Orthogonal multiple description coded
RU2419246C1 (en) Method to compress and recover fixed halftone video images
RU2288547C1 (en) Message compression and recovery method
RU2246798C1 (en) Message compression and recovery process
KR100561392B1 (en) Method and apparatus for fast inverse discrete cosine transform
RU2374785C2 (en) Method for compression and recovery of messages
Zheng et al. Block compressed sensing-based joint source-channel coding for wireless image transmission
Bugár et al. Blind steganography based on 2D Haar transform
CN109787637B (en) Integer finite field compressed sensing method
RU2261532C1 (en) Method for compressing and restoring messages
Kulkarni et al. A comparison of real valued transforms for image compression
JP2808110B2 (en) Digital image data compression method
CN106797481A (en) Method for transmitting signals, device and equipment
CN114422787A (en) Image pseudo-simulation wireless transmission method based on residual error layer blocking DCT
KR100590184B1 (en) A method for designing codebook in channel-optimized vector quantization
Merbin et al. Wireless JPEG Image Transmission Using Diversity Techniques
KR0170931B1 (en) High-speed affine transformation apparatus in the fractal encoding
Memon et al. Robust Transmission of Images Based on JPEG2000 using Edge Information.
RU2244963C1 (en) Method for compaction and decompaction of speech messages

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20070520