RU2450439C1 - Digital data encoding and decoding method based on digital holography principle - Google Patents

Digital data encoding and decoding method based on digital holography principle

Info

Publication number
RU2450439C1
RU2450439C1 RU2010145892A RU2010145892A RU2450439C1 RU 2450439 C1 RU2450439 C1 RU 2450439C1 RU 2010145892 A RU2010145892 A RU 2010145892A RU 2010145892 A RU2010145892 A RU 2010145892A RU 2450439 C1 RU2450439 C1 RU 2450439C1
Authority
RU
Grant status
Grant
Patent type
Prior art keywords
coefficients
walsh
digital
sequence
image
Prior art date
Application number
RU2010145892A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Лазаревич Френкель (RU)
Сергей Лазаревич Френкель
Шлёми Долев (IL)
Шлёми Долев
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт проблем информатики РАН (ИПИ РАН)
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
Grant date

Links

Images

Abstract

FIELD: information technology.
SUBSTANCE: when encoding a source binary array of length n=2m bits, said array is randomised through bitwise modulo 2 summation with bits of a pseudorandom binary sequence, and the resultant uncorrelated pseudorandom sequence, which is such that zero and unit values are equally probable, is subjected to direct Walsh-Hadamard transform, using only summation and shift operations; from the obtained n=2m coefficients, L<n coefficients are selected, and each of the L coefficients together with the value of its index in the set of Walsh-Hadamard functions of the given order 2m is recorded and stored on a certain electronic memory device, or transmitted over a communication channel to a receiver which decodes said sequence.
EFFECT: reduced hardware expenses.
3 dwg

Description

Изобретение относится к способам кодирования и декодирования дискретной информации для ее хранения на электронных носителях в сжатом виде и передачи по каналам связи. The invention relates to methods for encoding and decoding of digital information for its storage in electronic form in a compressed form and transmission over communication channels.

Кодирование и декодирование цифровых данных с использованием голографического принципа важно во многих применениях, связанных как с записью цифровой информации на электронные носители, так и передачей информации по каналам связи. Encoding and decoding of digital data using the holographic principle is important in many applications related to both the recording digital information on the electronic media and the transmission of information through communication channels.

Голографический принцип кодирования изображений состоит в том, что каждая часть голограммы изображения некоторого объекта содержит информацию о всем изображении (каждом его пикселе). The holographic image coding principle is that each part of an object image hologram comprises information about the whole image (each pixel it). Хотя восстановленное по такой порции голограммы изображение будет в той или иной степени нечетким (расплывчатым, blurred), с потерей некоторых деталей, но качество восстанавливаемого изображения растет с ростом размера части используемой голограммы. Although a portion of the reduced image is a hologram varying degrees fuzzy (fuzzy, blurred), with some loss of detail, but the quality of the reconstructed image increases with the size of part used hologram. При использовании цифровой голографии [L.Yaroslavsky, Digital Holography and Digital Image Processing, 2004, Kluwer Acad. When using digital holography [L.Yaroslavsky, Digital Holography and Digital Image Processing, 2004, Kluwer Acad. Publisher], при замене некоторого изображения его цифровой версией голограммы, ее отдельные порции представляют собой сжатые (с потерями) версии исходного изображения, и если рассматривать такое представление как кодирование цифрового массива данных (файла), содержащего оцифрованное изображение, то восстановление изображения по порциям голограмм можно рассматривать как его декодирование. Publisher], with some image replacing it with the digital version of the hologram, its individual portions are compressed (lossy) version of the original image, and if we consider such a representation as encoding digital data set (file) containing the digitized picture, the image restoring portionwise holograms It can be regarded as its decoding.

В цифровой голографии массив пикселей, представляющий изображение (bitmap) рассматривается как амплитудный спектр Фурье преобразования голограммы данного изображения. The digital holography array of pixels representing an image (bitmap) is regarded as the amplitude spectrum of the Fourier transform hologram of an image. Если I(x, y) - двоичное представление изображения, то голограмма представляет собой обратное Фурье-преобразование, вычисляемое на множестве точек данного изображения: If I (x, y) - a binary representation of the image, the hologram is a Fourier inverse transform, calculated on the set of points of this image:

H(u,ν)=FT i {I(x, y)e jP(x,y) }, H (u, ν) = FT i {I (x, y) e jP (x, y)},

где FT i - обратное преобразование Фурье, P(x, y) - случайная фаза, значения которой равномерно распределены в интервале [-π, π]. where FT i - inverse Fourier transform, P (x, y) - random phase values are uniformly distributed in the interval [-π, π].

Иными словами, изображение рассматривается как амплитудный Фурье-спектр его голограммы. In other words, the image is regarded as the amplitude of its Fourier spectrum of the hologram. Соответственно, любая порция (часть) голограммы Н с (u, ν) преобразуется в частотную область, и по этой порции голограммы может быть получена нечеткая версия изображения I(x, y), причем его качество ("четкость") растет с увеличением порции (используемой доли) голограммы. Accordingly, any portion (part) of the hologram H with a (u, ν) is converted to the frequency domain, and for that portion of the hologram fuzzy version of the image can be obtained by I (x, y), and its quality ( "crisp") increases with the portions (used portion) hologram. При этом преобразование Фурье выполняется для порции H c (u, v), дополненной до полной голограммы нулями. In this Fourier transform is performed for a portion H c (u, v), supplemented with zeroes to complete hologram. При потере части порций возможно получить нечеткое (расплывчатое, blurred) изображение объекта, которого в ряде случаев может оказаться достаточным для решения тех или иных задач. When the loss of some portions may get fuzzy (vague, blurred) image of the object, which in some cases may be enough to solve various problems. Например, в сетях с использованием передачи пакетов по множественным каналам, если в пакетах передаются порции цифровой голограммы, могут быть снижены требования к пропускной способности каналов. For example, in networks using transmission of packets on multiple channels, if packets are transferred portions of the digital hologram can be reduced requirement for channel capacity. При потере части порций, на приемном конце все равно возможно восстановление изображения, быть может, и с некоторой потерей четкости, тогда как при обычном методе хранения и передаче изображения (например, при использовании формата JPEG) потеря блока будет безвозвратной, то есть приведет к потере целого фрагмента изображения. When the loss of some portions, at the receiving end is still possible to recover the image, perhaps with some loss of clarity, whereas in the conventional method of storage and transfer of images (e.g., using JPEG format) block the loss will be irretrievable, i.e. lead to a loss of the whole portion of the image. Погрешность восстановления по голограмме зависит только от объема потерянной информации. recovery error in the hologram depends on the amount of lost information. Например, голографическое представление изображения оказывается эффективным в ситуациях, когда положение информационного блока, пришедшего на вход, оказывается неизвестным [А.М.Bruckstein, "Holographic Image Representations: The Fourier Transform Method," IEEE Trans. For example, a holographic image representation is effective in situations where the position of the information unit, has come to the input, is unknown [A.M.Bruckstein, "Holographic Image Representations: The Fourier Transform Method," IEEE Trans. Image Processing, vol.7, 1997]. Image Processing, vol.7, 1997]. Кроме того, голографический метод кодирования изображения предоставляет возможность последовательного уточнения восстановленного изображения в распределенных сетях. Moreover, the holographic image encoding method enables the dual reconstructed image in distributed networks.

Хотя голографический принцип кодирования был сформулирован для хранения и передачи изображений, имеются также примеры его использования для кодирования произвольных цифровых файлов. Although holographic coding principle was formulated for storage and transmission of images, there are also examples of its use to encode arbitrary digital files. Примером использования голографических принципов для кодирования произвольных файлов является Information additive code generator and decoder [Michael Luby, Information additive code generator and decoder for communication systems. An example of the use of holographic principle to encode arbitrary files is Information additive code generator and decoder [Michael Luby, Information additive code generator and decoder for communication systems. United States Patent 6373406, Publication Date: 04/16/2002]. United States Patent 6373406, Publication Date: 04/16/2002]. Кодовые слова генерируются из исходного файла с использованием весовых функций W(I), где I-ключ, присваиваемый каждому кодовому слову, и некоторой выбранной заранее функцией F(I). The codewords are generated from the source file using the weighting function W (I), where I-key assigned to each code word and a selected predetermined function F (I). Кодовые слова независимы друг от друга, и генерируются случайным образом. The code words are independent from each other, and are generated randomly. Ключ I известен декодеру. Key I is known to the decoder. Число кодовых слов, необходимых для декодирования незначительно превышает число слов (блоков) исходного файла. The number of code words needed to decode slightly exceeds the number of words (blocks) of the original file. Данный процесс кодирования-декодирования является квазиголографическим, поскольку каждый передаваемый пакет содержит образ всего передаваемого файла, и по любой части этих пакетов можно реконструировать исходный файл с определенной вероятностью ошибок. The process of encoding-decoding is kvazigolograficheskim because each transmitted packet contains an image of all the transmitted file, and any part of these packages can reconstruct the original file with a certain probability of error. Существенным достоинством данного способа является возможность начинать прием в произвольное время. An important advantage of this method is the ability to start reception at any time. При этом при потере пакетов в некотором случайном наборе передаваемых данных имеется высокая вероятность того, что большинство принятых данных могут быть использованы в процессе восстановления информации. In this case, the loss of packets in a random set of data transmission there is a high probability that most of the received data can be used in the process of recovery. Однако качество декодированного сигнала в данном способе зависит от соотношения от свойств исходного файла. However, the quality of the decoded signal in the present method depends on the relation of the properties of the original file. Особенно это влияет на качество передаваемых изображений. Especially it affects the quality of images to be transmitted.

Данный способ кодирования и декодирования не гарантирует, что вероятность корректной реконструкции каждого бита растет с числом используемых кодовых слов. This method of coding and decoding can not guarantee that the probability of correct reconstruction of each bit grows with the number of codewords used. Это затрудняет пользователю при выборе уровня сжатия информации обеспечивать компромисс между размером сжатого файла и точностью восстановления файла при его распаковке-декодировании, выбирая то соотношение времени и качества сжатия, которое его устраивает, например, для распознавания тех или иных образов в изображении или для понимания текста в частично восстановленном текстовом файле. This hampers the user in selecting the level of compression of the information to provide a compromise between the size of the compressed file and accurately restore files when decompressing-decoding by selecting the ratio of time and quality of the compression, which suits him, for example, to detect certain images in an image or text comprehension partially reconstructed text file.

В большей степени голографическому свойству удовлетворяет способ кодирования цифровых массивов изображений, основанный на цифровой голографии, предложенный в [Alfred M. Bruckstein, Robert J. Holt, and Arun N. Netravali, Holographic Representations of Images I IEEE Trans. In more holographic property satisfies the method of coding digital image arrays based on digital holography, the proposed in [Alfred M. Bruckstein, Robert J. Holt, and Arun N. Netravali, Holographic Representations of Images I IEEE Trans. Image Processing, vol.7, №11, November,1998. Image Processing, vol.7, №11, November, 1998. pp.1583-1598], рассматриваемый нами как возможный аналог. pp.1583-1598], was identified as a possible analogue.

Технически эта идея реализуется следующим образом. Technically, this idea is implemented as follows. Изображение I(x, у) случайным образом разбивают на блоки 8×8 пикселей, каждый из которых представляют набором пар матриц, соответствующих реальной и мнимой частям комплекснозначного представления пикселей, квантуются (аналогично JPEG), причем случайная выборка организуется так, что мнимые части обеспечивают равномерное распределение фазы в интервале [-π, π]. The image I (x, y) are randomly divided into blocks of 8 × 8 pixels each of which represent a set of pairs of matrices corresponding to the real and imaginary parts of the complex-valued representation of the pixels are quantized (similar to JPEG), wherein random sample arranged so that the imaginary parts provide uniform phase distribution in the range [-π, π]. Те или иные подмножества случайно выбранных блоков образуют порции голограмм, из которых обратным преобразованием Фурье могут быть получены указанные выше нечеткие изображения. These or other subset of randomly chosen units to form holograms portion from which the inverse Fourier transform can be obtained blurred image described above. Существенно, что при восстановлении изображения по порциям голограмм неважен порядок выбора порций. It is essential that the reduction of the image in portions of holograms is not important how to select servings.

Однако рассмотренные способы кодирования-декодирования изображений требуют значительных вычислительных затрат, связанных с вычислением комплексного Фурье-преобразования, поскольку необходимо использовать арифметику комплексных чисел (вычислять действительную и мнимые части) с плавающей точкой. However methods discussed image coding-decoding require a significant computational costs associated with the calculation of complex Fourier transform, since it is necessary to use complex arithmetic numbers (to calculate the real and imaginary parts) from the float. Также данные способы не используют явные параметры выбора числа используемых в данной порции спектральных коэффициентов для обеспечения заданного сжатия файла. Also, these methods do not use the explicit selection of the parameters used in this portion of the spectral coefficients for providing a predetermined file compression. Существенно, что точность восстановления (декодирования) обоих указанных выше способов зависит от структурных свойств кодируемых файлов, а в случае использования способа [Alfred M. Bruckstein, Robert J. Holt, and Arun N. Netravali, Holographic Representations of Images I IEEE Trans. It is essential that the accuracy of recovery (decoding) of both the above methods depends on the structural properties of the encoded files, as in the case of the method [Alfred M. Bruckstein, Robert J. Holt, and Arun N. Netravali, Holographic Representations of Images I IEEE Trans. Image Processing, vol.7, №11, November, 1998. pp.1583-1598] и от свойств человеческого зрения, что затрудняет управление объемом информации, используемой при кодировании и декодировании информации для передачи и хранения наборов данных. Image Processing, vol.7, №11, November, 1998. pp.1583-1598] and the properties of human vision, which complicates the control amount information used for encoding and decoding data for transmission and storage of datasets.

Целью настоящего изобретения является способ кодирования и декодирования массивов цифровых данных, как графической, так и любой иной природы, основанный на голографическом представлении информации, требующий для своей реализации меньше ресурсов, чем известные методы, и обеспечивающий большую управляемость при использования сжатия информации для решения задач хранения цифровых (двоичных) массивов на электронных носителях и/или передачи их по каналам связи. The present invention is a method of encoding and decoding of arrays of digital data, such as graphics, and any other nature, based on the holographic representation of information, which requires for its realization less resources than prior art methods and provides greater control when using compression information to address storage problems digital (binary) arrays on electronic media and / or transfer them via communication channels.

Поставленная цель достигается за счет того, что вместо кодирования путем рандомизации исходного массива случайной выборкой фрагментов массива и их преобразования Фурье (как [Bruckstein, Robert J. Holt, and Arun N. Netravali, Holographic Representations of Images, IEEE Trans. Image Processing, vol.7, №11, November, 1998. pp.1583-1598]), или взвешивания по специальным функциям (как в [Michael Luby, Information additive code generator and decoder for communication systems. United States Patent 6373406, Publication Date: 04/16/2002]), используется преобразование Уолша-Адамара псевдослучайной некоррелированной двоичной последовательности, получаемой суммированием по модулю 2 ис The goal is achieved due to the fact that, instead of coding the source array randomized randomized array of fragments and their Fourier transforms (as [Bruckstein, Robert J. Holt, and Arun N. Netravali, Holographic Representations of Images, IEEE Trans. Image Processing, vol .7, №11, November, 1998. pp.1583-1598]), or by weighing the special functions (as in [Michael Luby, Information additive code generator and decoder for communication systems United States Patent 6,373,406, Publication Date:. 04 / 16/2002]) using the Walsh-Hadamard uncorrelated pseudorandom binary sequence obtained by summing modulo-2 IC ходного массива с векторами некоторой псевдослучайной двоичной матрицей, с использованием ограниченного числа коэффициентов Уолша-Адамара, восстановлением псевдослучайной последовательности выполнением обратного преобразования Уолша-Адамара, округлением получаемых результатов и суммированием по модулю 2 с векторами исходной псевдослучайной матрицей. Khodnev array with vectors of a pseudorandom binary matrix using a limited number of Walsh-Hadamard coefficients, restoring the pseudorandom sequence performing inverse Walsh-Hadamard transformation, and rounding the results obtained by summing modulo-2 with the initial pseudorandom vectors matrix. При этом используются только операции суммирования и сдвига, что уменьшает требования к затратам на кодирование-декодирование ресурсов. Thus only uses summation and shifting operations, which reduces the requirements for the costs of coding-decoding resources. Благодаря применению ортогональных преобразований к некоррелированной последовательности, качество восстановления незначительно зависит от структуры (состава) спектра исходного массива и может применяться к файлам произвольной структуры. Through the use of orthogonal transformations to uncorrelated sequence, slightly restoration quality depends on the structure (composition) of the original array of the spectrum and can be applied to files of arbitrary structure.

Изобретение позволяет выполнить кодирование цифровых файлов, получая их образы, подобные порциям голограмм, что обеспечивает получение их нечетких (с отсутствием тех или иных деталей) приближенных образов по ограниченным участкам порций голограмм, требующим существенно меньше памяти, чем голограмма исходного файла, и сколь угодно близкое приближение к качеству исходного файла, при увеличении используемой порции полной голограммы, используя для вычисления только операции сложения по модулю 2 и сдвига в регистрах. The invention enables to perform coding of digital files, receiving their images, similar portions holograms that produces them fuzzy (with the absence of certain parts) of approximate images of limited regions of portions of holograms requires much less memory than the hologram of the original file, and arbitrarily close approximation to the quality of the source file, by increasing the used portion of the entire hologram, using only the operation for calculating the modulo-2 addition and shift registers.

На фиг.1 дано графическое представление способа кодирования и декодирования, где обозначены: Figure 1 is a graphical representation of a method of encoding and decoding, which are designated:

1 - исходный массив данных или файл, предназначенный для записи на электронный носитель или передачи по каналу связи, 1 - the initial array data or a file for recording on an electronic medium, or transmission over a communications channel,

2 - блок суммирования по модулю 2 исходного двоичного файла данных F (в частности, пикселей изображения) размера n=2 m бит, где m некоторое натуральное число, и задаваемой некоторой двоичной матрицей псевдослучайной последовательности (блок 3), не коррелированной с F, формирующий некоррелированную псевдослучайную двоичную последовательность (блок 4) с равной вероятностью появления 0 и 1, 2 - block summation modulo 2 of the original binary file data F (in particular, image pixel) size of n = 2 m bits, where m a positive integer, and defined by a binary matrix of the pseudo-random sequence (block 3) is not correlated with F, forms a uncorrelated pseudo-random binary sequence (block 4) with equal probability of occurrence of 0 and 1,

5 - блок вычисления коэффициентов преобразования Уолша-Адамара (УА), и формирования пар {c i , i} коэффициентов с i и их индексов i, по функциям Уолша-Адамара (блок 6), принимающих только значения 1 и -1 [Л.Рабинер и Б.Гоулд. 5 - calculating unit transform coefficients of the Walsh-Hadamard (MA), and forming pairs {c i, i} of coefficients with indices i and i, Function Walsh-Hadamard (block 6), taking only the values 1 and -1 [L. Rabiner and B.Gould. Теория и применение цифровой обработки сигналов. Theory and application of digital signal processing. - M.: Мир, 1978 г.], - M .: Mir, 1978]

7 - блок выбора L≤2 m коэффициентов 7 - a selection unit L≤2 m coefficients

Figure 00000001
и их индексов i преобразования Уолша-Адамара по заданному значению L и по некоторому коду критерия выбора и их записи на соответствующий носитель или передачи по каналу связи, and i indexes a Walsh-Hadamard transform on the predetermined value L and the code according to a certain selection criterion and the corresponding recording medium or transmission over a communications channel,

8 - набор L коэффициентов преобразования Уолша-Адамара и их индексов, 8 - a set of L transformation coefficients of the Walsh-Hadamard codes and,

9 - кодированные согласно фиг.1 данные, представляющие собой набор L коэффициентов преобразования Уолша-Адамара и их индексов, 9 - coded according to Figure 1 data representing a set of L transformation coefficients of the Walsh-Hadamard codes and,

10 - блок, упорядочивающий коэффициенты и индексы для выполнения обратного преобразования Уолша-Адамара, например, путем добавления в кодированные данные нулевых значения в позициях коэффициентов, индексы которых отсутствуют в кодированной последовательности, 10 - unit ordering the coefficients and codes for performing an inverse Walsh-Hadamard transform, for example, by adding to the encoded data of zero value coefficients in the positions with indices missing in the encoded sequence,

11 - обратное преобразование Уолша-Адамара по полученным на этапе кодирования 1 из 2 m коэффициентов и округление полученных результатов до двоичных значений, 11 - inverse Walsh-Hadamard transform on the received at step 1 of 2 encoding coefficients m and rounding the results obtained to binary values,

12 - суммирование по модулю 2 полученной псевдослучайной последовательностью с двоичной псевдослучайной последовательности (блок 13), используемой при кодировании, 12 - modulo-2 addition with the received pseudo-random sequence of binary pseudo-random sequence (block 13) used during encoding,

14 - восстановленные с точностью, определяемой числом используемых коэффициентов преобразования Уолша-Адамара, кодированные данные. 14 - reconditioned with accuracy determined by the number of Walsh-Hadamard coded data used by transform coefficients.

Исходный двоичный файл (например, изображение в формате bitmap или другом пиксельном формате, или ASCII файл) кодируется преобразованием в двоичную псевдослучайную некоррелированную последовательность суммированием побитно по модулю два с битами псевдослучайной последовательности, генерируемой при данном начальном исходном значении первого генерируемого числа (известного подсистеме декодирования данного кода), выполнения быстрого преобразования Уолша-Адамара полученной псевдослучайной, некоррелированной дискретной случайной последо Original binary image (e.g., picture in bitmap format or a different pixel format, or ASCII file) encoded transform into a binary pseudo-random uncorrelated sequence summing bit by bit modulo two to bits pseudorandom sequence generated at a given initial starting value of the first generated number (known subsystem decoding of code), performing a fast Walsh-Hadamard transform received pseudorandom, uncorrelated random discrete subsequent ательности, выбора заданного числа L коэффициентов из всех 2 m коэффициентов преобразования, исходя из требований к ресурсам системы при решении той прикладной задачи, для которой выполняется кодирование и декодирование, записи на электронный носитель и/или передачи по каналу связи выбранных спектральных коэффициентов и их индексов, и декодируется посредством выполнения обратного преобразования Уолша-Адамара по подмножеству L коэффициентов, округлением полученных значений до двоичных значений 0 или 1, сложением по модулю 2 полученной дв atelnosti, selecting a predetermined number L of coefficients from all the 2 m of transform coefficients, based on the requirements for system resources in the solution of the application tasks for which the encoding and decoding, recording on an electronic medium and / or transmission through the communication channel selected spectral coefficients and their indexes and is decoded by performing an inverse Walsh-Hadamard transform on a subset of the coefficients L, the values ​​obtained by rounding up the binary values ​​0 or 1, adding modulo 2 the obtained dd оичной последовательности с псевдослучайной последовательностью, использовавшейся при кодировании исходного файла, оценкой пригодности полученного файла при передаче части коэффициентов преобразования, с точки зрения возможности распознавания и использования информации, содержащейся в файле, например, для визуального распознавания необходимых графических объектов. oichnoy sequence pseudorandom sequence used in the encoding of the source file, evaluating the suitability of the received file when transferring part of the transformation coefficients in terms of the possibility of recognizing and using the information contained in the file, for example, to visual recognition of necessary graphics objects. Каждый набор коэффициентов и индексов обладает, с точки зрения восстановления по нему исходного массива (в частности, изображения), свойствами порции цифровой голограммы данного массива. Each set of coefficients and indexes has, in terms of recovery thereon of the original array (for example, images), the properties of portions of the digital hologram array.

Изобретение осуществляется следующим образом. The present invention is as follows. Исходный передаваемый файл F=(b 1 , b 2 ,…,b n ) размера n=2 m (блоков или бит, если блок однобитовый), хранящийся на том или ином электронном носителе информации, и предназначенный для передачи по каналу как двоичный файл, или как упорядоченное множество наборов битов, структурированных в блоки (символы), подвергается побитному суммированию по модулю 2 с битами псевдослучайной последовательности, с целью получения некоррелированной псевдослучайной дискретной последовательности, которая подвергается прямому преобразованию Уолша-Адамара (УА): Starting the transmitted image F = (b 1, b 2, ..., b n) the size of n = 2 m (block or bit if the block is a one-bit) stored in one or another electronic medium, and for transmitting on the channel as a binary file or as an ordered plurality of sets of bits structured into blocks (symbols) is subjected to bitwise modulo-2 with the bits of the pseudorandom sequence in order to obtain uncorrelated pseudorandom discrete sequence which undergoes direct Walsh-Hadamard transform (MA):

Figure 00000002

где W(h,i) - функция Уолша индекса h. where W (h, i) - the index of the Walsh function h.

Благодаря указной рандомизация через сложение по модулю 2, каждый коэффициент Уолша-Адамара имеет одну и ту же энтропию, что является исключительно полезным свойством кода. Due ukaznoy randomization through modulo-2, each coefficient of the Walsh-Hadamard has the same entropy, which is a particularly useful feature of the code. Поскольку при кодировании преобразование Уолша-Адамара применяется к некоррелированной последовательности, коэффициенты c i слабо зависят от структуры (спектра) исходного кодированного массива (файла). Since when encoding the Walsh-Hadamard sequence is applied to the uncorrelated coefficients c i weakly depend on the structure (spectrum) of the original encoded array (file).

Исходя из текущих требований к максимально-возможному объему информации, записываемой на носитель и/или передаваемому по каналу (требований к сжатию информации), записываются или передаются L<n коэффициентов из n=2 m , где n - длина (число бит) хранимого/передаваемого файла (или его фрагмента), идентификатор псевдослучайной последовательности, использованной для рандомизации, выполняется обратное преобразование Уолша-Адамара, используя полученные L коэффициентов: Based on the current requirements for the maximum possible amount of information recorded on the carrier and / or transmitted through the channel (compression information claims) are recorded or transmitted L <n coefficients of n = 2 m, where n - the length (number of bits) stored / transmitted file (or fragment thereof), an identifier of the pseudo-random sequence used for the randomization, the inverse Walsh-Hadamard transform, derived using the L coefficients:

Figure 00000003

где Where

Figure 00000004
- оценка i-го символа файла приемником. - assessment of the i-th receiver symbol file.

Если число используемых при восстановлении файла коэффициентов меньше n, то значения восстанавливаемых величин If the number of coefficients used in the restoration of the file is less than n, then the value of recoverable quantities

Figure 00000005
оказываются рациональными числами, расположенными между 0 и 1, и требуется округление до ближайших битовых значений. are rational numbers lying between 0 and 1, and requires rounding to the nearest bit values. Величины value
Figure 00000006
округляются по правилу: биту с индексом i присваивается 0, если абсолютное значение rounded by the rule: the bit with index 0 is assigned to i, if the absolute value
Figure 00000007
, и 1 в противном случае. And 1 otherwise. При этом вероятность ошибки округления, то есть вероятности того, что при округлении к левой (правой) границе интервала, истинное значение восстанавливаемого символа соответствует правой (левой) границе, убывает по мере роста соотношения L/n. The probability of rounding errors, i.e. the probability that during rounding a left (right) boundary interval, the true value of the recovered symbol corresponds to the right (left) edge decreases with increasing ratio of L / n. Величина L выбирается из требований к ресурсам системы при решении той прикладной задачи, для которой выполняется кодирование и декодирование. The magnitude of L is selected from the requirements for system resources in the solution of the application tasks for which the encoding and decoding. Например, если целью является сжатие информации при фиксированном уровне потерь, эффективным оказывается выбор L максимальных по абсолютной величине коэффициентов среди всех n. For example, if the objective is to compress the information at a fixed level of losses, efficient selection of L is the maximum absolute value of the coefficients among all n. При передаче порций голограмм к приемнику в виде пакетов по отдельным каналам некоторой распределенной системы связи, более эффективным оказывается псевдослучайный выбор чисел коэффициентов при вычислении в каждой порции. When transmitting to the receiver portions of holograms in the form of packets over separate channels of a distributed communication system is more efficient pseudorandom selection numbers of the coefficients in the calculation of each portion.

Одно из важных свойств парциального массива, восстановленного из некоторой порции голограммы (то есть восстановленного по неполному множеству коэффициентов), состоит в том, что вероятность правильного восстановления каждого бита не зависит от его положения в массиве, а зависит только от отношения L/n, что, очевидно, соответствует голографическому свойству. One of the important properties of the partial array recovered from some portion of the hologram (ie restore the incomplete set of coefficients), is that the correct recovery every bit of probability does not depend on its position in the array, and depends only on the ratio L / n, that clearly it corresponds to the holographic property.

Применение спектрального преобразования к получаемой псевдослучайной последовательности, а не к исходному массиву данных, как это делается в аналогах изобретения, позволяет существенно ослабить зависимость допустимой степени сжатия от их свойств и более эффективно выполнять сжатие при распределенной передаче данных, например, в сетях с переключением пакетов. Applying spectral transform to the received pseudorandom sequence, and not to the original data set, as is done in prior art invention allows to substantially reduce the dependence of the allowable compression of their properties and more efficiently perform compression at the distributed data transmission, for example, in packet switching.

Фиг.2 и фиг.3 показывают, что для разных исходных двоичных файлов, различающихся размеров, доля правильно восстанавливаемых бит зависит только от доли используемых коэффициентов разложения Уолша-Адамара. Figures 2 and 3 show that for different source binaries, different sizes, the proportion of correctly recoverable bits depends only on the proportion of use of the expansion coefficients of the Walsh-Hadamard. Как видно из этих фигур, при использовании, например, 10% максимальных по абсолютной величине коэффициентов, в обоих случаях примерно 80% бит восстанавливается правильно, и при 25%-30% используемых коэффициентов имеет место полное или почти полное (>95%) восстановление. As seen from these figures, when using, for example, 10% of the maximum absolute value of the coefficients, in both cases, approximately 80% of the bit is restored correctly and at 25% -30% of coefficients used there is complete or nearly complete (> 95%) recovery of .

Благодаря использованию преобразования Уолша-Адамара вместо Фурье, все вычисления выполняются с действительными, а не комплексными числами, и при этом все вычисления можно произвести только с использованием операций сложения и сдвига, что может существенно увеличить скорость кодирования-декодирования (особенно при применении Быстрого преобразования Уолша-Адамара) и уменьшить требования к вычислительным ресурсам. Through the use of Walsh-Hadamard transform instead of a Fourier, all calculations are done with real and not complex numbers, and wherein all of the calculations can be performed only using addition and shift operations, which can substantially increase the rate codec (especially when using a fast Walsh transform -Adamara) and reduce the requirements for computing resources.

В случаях, если передачу массива (файла) предполагается осуществлять в виде пакетов, передаваемых к приемнику по нескольким каналам, то для каждого канала выполняется кодирование со своим числом коэффициентов L i , где i=1,…, k - число каналов, согласно Фиг.1, и декодирование выполняется по всем поступающим к приемнику коэффициентам. In cases where the array of transmission (file) to be carried out in the form of packets to a receiver via multiple channels, then each channel coding is performed with its number of coefficients L i, where i = 1, ..., k - number of channels according to FIG. 1, and decoding is performed on all incoming to the receiver coefficients. При этом имеется возможность последовательного уточнения декодируемого и восстанавливаемого массива (файла). In this case, there is a possibility of the dual decoded and the restored array (file).

Claims (2)

  1. 1. Способ кодирования и декодирования массивов цифровых данных, основанный на принципах цифровой голографии, заключающийся в том, что для кодирования исходного двоичного массива длиной n=2 m бит осуществляется его рандомизация побитным суммированием по модулю 2 с битами псевдослучайной двоичной последовательности, и получаемая в результате этого некоррелированная псевдослучайная последовательность такая, что значения нуля и единицы равновероятны, подвергается прямому преобразованию Уолша-Адамара, с использованием только операций сум 1. A method for encoding and decoding digital data sets based on the principle of a digital holography consists in that for encoding the original binary array of length n = 2 m bits is performed it randomization Bitmapped summation modulo 2 of the bits from pseudorandom binary sequence, and the resulting this uncorrelated pseudo-random sequence such that the values ​​of zero and one are equally subjected to the direct transformation of the Walsh-Hadamard, using only the sum of operations ирования и сдвига, из полученных n=2 m коэффициентов выбирается L<n, где значение L выбирается исходя из требований к ресурсам системы при решении той прикладной задачи, для которой выполняется кодирование и декодирование, и каждый из L коэффициентов вместе со значением его индекса (порядкового номера) в множестве функций Уолша-Адамара данного порядка 2 m записывается и запоминается на некотором электронном устройстве памяти, или передается по каналу связи приемнику, выполняющему декодирование данной последовательности. ation and shear of the obtained n = 2 m coefficient selected L <n, where L value is selected based on the requirements for system resources in the solution of the application tasks for which the encoding and decoding, and each of L coefficients together with the value of its index ( sequence number) in the set of Walsh Hadamard functions of the order of 2 m is recorded and stored in a memory of the electronic device, or transmitted over the communication channel receiver performs a decoding of the sequence.
  2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что декодирование цифровой информации выполняется вычислением обратного преобразования Уолша-Адамара по множеству коэффициентов Уолша-Адамара и их индексов с использованием только операций суммирования и сдвига, упорядочивается согласно используемому способу вычисления обратного преобразования Уолша-Адамара, округляется до значений 0 или 1, и каждый бит полученной последовательности суммируют по модулю 2 с битами псевдослучайной последовательности из п.1, в результате чего образуется файл, восстановл 2. A method according to claim 1, characterized in that the decoding of the digital information is performed by calculating the inverse Walsh-Hadamard transform on a plurality of Walsh-Hadamard coefficients and indices using only addition and shift operations, it is ordered according to the used method of computing the inverse Walsh-Hadamard transform, rounded to the values ​​0 or 1, and each bit of the received sequence are summed modulo 2 with the bits of a pseudorandom sequence of claim 1, whereby a file restored енный с точностью, определяемой только числом выбранных коэффициентов. enny with accuracy determined only by the number of selected coefficients.
RU2010145892A 2010-11-11 2010-11-11 Digital data encoding and decoding method based on digital holography principle RU2450439C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010145892A RU2450439C1 (en) 2010-11-11 2010-11-11 Digital data encoding and decoding method based on digital holography principle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010145892A RU2450439C1 (en) 2010-11-11 2010-11-11 Digital data encoding and decoding method based on digital holography principle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2450439C1 true RU2450439C1 (en) 2012-05-10

Family

ID=46312450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010145892A RU2450439C1 (en) 2010-11-11 2010-11-11 Digital data encoding and decoding method based on digital holography principle

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2450439C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0565506A2 (en) * 1992-04-10 1993-10-13 Ericsson Inc. Multiple access coding for radio communication
RU2160508C2 (en) * 1994-08-16 2000-12-10 Эрикссон Инк. Multiple-access encoding using convoluted sequences for mobile communication radio networks
RU2350021C1 (en) * 2007-10-03 2009-03-20 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Communication path muting mode for 2-d image signalling

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0565506A2 (en) * 1992-04-10 1993-10-13 Ericsson Inc. Multiple access coding for radio communication
RU2160508C2 (en) * 1994-08-16 2000-12-10 Эрикссон Инк. Multiple-access encoding using convoluted sequences for mobile communication radio networks
RU2350021C1 (en) * 2007-10-03 2009-03-20 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Communication path muting mode for 2-d image signalling

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALFRED M.BRUCKSTEIN ET AL "Holographic representation of images", IEEE TRANSACTIONS ON IMAGE PROCESSING, vol.7, №11, November 1998, p.1583-1597. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Celik et al. Reversible data hiding.
US6304196B1 (en) Disparity and transition density control system and method
Fridrich et al. Writing on wet paper
US6411223B1 (en) Generating high weight encoding symbols using a basis
Chang et al. A reversible data hiding scheme based on side match vector quantization
Sarvotham et al. Sudocodes ߝ Fast Measurement and Reconstruction of Sparse Signals
Oggier et al. Self-repairing homomorphic codes for distributed storage systems
Chou et al. On the duality between distributed source coding and data hiding
US6456744B1 (en) Method and apparatus for video compression using sequential frame cellular automata transforms
Fridrich et al. Perturbed quantization steganography
Duminuco et al. A practical study of regenerating codes for peer-to-peer backup systems
CN1717871A (en) Systematic encoding and decoding of chain reaction codes
Hu High-capacity image hiding scheme based on vector quantization
Kumar et al. Lossy compression of encrypted image by compressive sensing technique
JP2000513164A (en) Error protection with variable length coding
US6121905A (en) Method and apparatus for decoding JPEG symbols
Lin et al. Adaptive embedding techniques for VQ-compressed images
US6330283B1 (en) Method and apparatus for video compression using multi-state dynamical predictive systems
US6898756B1 (en) System and method for enabling efficient error correction and encryption using wavelet transforms over finite fields
KR20030043622A (en) Encoding/decoding apparatus for coordinate interpolator, and recordable medium containing coordinate interpolator encoded bit stream
Chan et al. A HDWT-based reversible data hiding method
Chang et al. Lossless recovery of a VQ index table with embedded secret data
WO2007149383A2 (en) Data compression
WO2004051863A1 (en) Automated method for lossless data compression and decompression of a binary string
Lian et al. Perceptual cryptography on SPIHT compressed images or videos

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner