RU2509437C1

RU2509437C1 - Method of generating integer orthogonal decorrelating matrices of given dimensions for forward and inverse decorrelating transformation of video images and apparatus for realising said method

Info

Publication number: RU2509437C1
Application number: RU2012130336/08A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Бондаренко; Ольга Владимировна Евстигнеева; Александр Николаевич Кошарновский; Василий Дмитриевич Лебедев
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-03-10

Abstract

FIELD: information technology.

SUBSTANCE: method of generating integer orthogonal decorrelation matrices of given dimensions for forward and inverse decorrelation transformation of video images involves selecting a generating matrix, subsequent generation of matrices of given dimensions and storage thereof. The generating matrix selected is a 2×2 integer orthogonal Hadamard matrix, and when generating matrices of given dimensions, matrices whose dimensions are one unit larger than the previous are successively generated until the required matrix is obtained. Characters of all elements of the first row of the current matrix are replaced with opposite characters, wherein a new integer element is entered to the left of the top row of the obtained matrix, the value of said new integer element being equal to the number of elements to its right in the same row. A new row whose size is a unit greater than the size of the row of the initial matrix and all of whose elements have the same values is entered above the top row of the obtained matrix. Missing elements of the generated matrix are represented by zeros.

EFFECT: enabling forward and inverse decorrelation of digital video images during compression, reconstruction and transmission over communication channels with minimal computational complexity.

2 cl, 1 dwg, 2 app

Description

Предлагаемое изобретение относится к технике передачи телевизионных сигналов с использованием кодирования и может быть использовано для анализа и восстановления изображения.The present invention relates to techniques for transmitting television signals using coding and can be used to analyze and restore the image.

Известен способ шифрования с исправлением ошибок канала связи (см., например, патент РФ №2204886 с приоритетом от 19.12.2000 г., МПК Н04К 1/02), заключающийся в зашифровании на передающей стороне данных путем поразрядного суммирования по модулю 2 с гаммой шифра и в расшифровании данных на приемной стороне, причем на передающей стороне гаммой шифра заполняют ключевую матрицу, которую перемножают с вектором данных, а на приемной стороне сортируют элементы полученного кодового вектора в соответствии с порядком десятичного представления столбцов ключевой матрицы, после чего к получившимся кодовым векторам применяют преобразования Адамара, векторы коэффициентов поэлементно складывают и сравнивают с пороговым значением, а из получившегося выбирают максимальное значение вектора.There is a method of encryption with error correction of a communication channel (see, for example, RF patent No. 2204886 with a priority of 12/19/2000, IPC Н04К 1/02), which consists in encrypting data on the transmitting side by bitwise summation modulo 2 with a gamma of cipher and in deciphering the data on the receiving side, and on the transmitting side, the key matrix is filled with the cipher gamma, which is multiplied with the data vector, and on the receiving side the elements of the obtained code vector are sorted in accordance with the decimal order of the key columns of the matrix, after which Hadamard transforms are applied to the resulting code vectors, the coefficient vectors are added element by element and compared with a threshold value, and the maximum vector value is selected from the resulting one.

Недостатком известного способа является его ориентирование на работу с кодами Хемминга и с матрицами Адамара, что не обеспечивает возможности формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц размерами, заданными числами натурального ряда.The disadvantage of this method is its orientation to work with Hamming codes and with Hadamard matrices, which does not provide the possibility of forming integer orthogonal decorrelating matrices with dimensions given by numbers of the natural series.

Наиболее близким аналогом-прототипом является способ рекуррентного построения ортогональных унитарных матриц (см., например, Э.Е.Дагман и Г.А.Кухарев Быстрые дискретные ортогональные преобразования, НАУКА, Сибирское отделение Новосибирск, 1983, сс.79-86), основанный на формировании последовательности ортогональных целочисленных матриц Хаара, причем началом формирования последовательности ортогональных целочисленных матриц является матрица Адамара, размером 2x2, а затем матрицы следующего порядка, размером вдвое большие, чем матрицы текущего порядка, формируют с помощью последовательности матричных операций, при которой матрицу текущего порядка умножают кронекеровским произведением слева на первый вектор-строку матрицы Адамара, размером 2×2, потом единичную матрицу размером, равным размеру матрицы текущего порядка, умножают слева на вторую вектор-строку матрицы Адамара размером 2×2, а результат второго кронекеровского произведения располагают внизу под результатом первого кронекеровского произведения, образуя матрицу размером, вдвое больше текущего, так как площадь полученной на данном шаге формирования матрицы возрастает по сравнению с площадью предыдущей матрицы в 4 раза.The closest analogue prototype is the method of recurrent construction of orthogonal unitary matrices (see, for example, E.E.Dagman and G.A.Kukharev Fast discrete orthogonal transformations, SCIENCE, Siberian Branch Novosibirsk, 1983, pp. 79-86), based on the formation of a sequence of orthogonal integer matrixes Haar, and the beginning of the formation of a sequence of orthogonal integer matrices is a Hadamard matrix, size 2x2, and then matrices of the next order, twice as large as the matrices current order, form using a sequence of matrix operations, in which the matrix of the current order is multiplied by the Kronecker product on the left by the first row vector of the Hadamard matrix, 2 × 2 in size, then the identity matrix of size equal to the size of the matrix of the current order is multiplied on the left by the second row vector Hadamard matrices are 2 × 2 in size, and the result of the second Kronecker product is placed below the result of the first Kronecker product, forming a matrix twice the size of the current one, since Scientists in this step of forming the matrix increases as compared with the previous matrix area 4 times.

Недостатком данного способа является требование равенства размерностей сформированных ортогональных матриц натуральным степеням числа «два», что не обеспечивает возможности формирования целочисленных неортогональных декоррелирующих матриц размерами, равными произвольным числам натурального ряда.The disadvantage of this method is the requirement that the dimensions of the formed orthogonal matrices be equal to the natural powers of the number two, which does not provide the possibility of forming integer non-orthogonal decorrelating matrices with sizes equal to arbitrary numbers of the natural series.

Известно устройство для шифрования с исправлением ошибок канала связи (см., например, патент РФ №2204886 с приоритетом от 19.12.2000 г., МПК Н04К 1/02), содержащее на передающей стороне генератор ключа, цифрующий блок, блоки формирования ключевой матрицы и информационного вектора, а на приемной стороне блок сортировки элементов вектора, входом соединенный с выходом блока формирования ключевой матрицы, входом подключенного к выходу генератора ключа, и последовательно связанные блок замены элементов кодового вектора, блок умножения кодового вектора на матрицу Адамара и блок принятия решения, входом соединенный с выходом блока формирования порождающей матрицы, а также блок обратного преобразования, выход которого является информационным выходом устройства.A device is known for encryption with error correction of a communication channel (see, for example, RF patent No. 2204886 with priority dated 12/19/2000, IPC Н04К 1/02), comprising a key generator, a digitizing block, key matrix generation blocks, and an information vector, and on the receiving side, a vector element sorting unit connected in input to the output of the key matrix forming unit, an input of a key generator connected to the output, and series-connected code vector element replacement unit, code vector multiplication unit n and the Hadamard matrix and the decision block input connected to the output of the block generating the generating matrix, as well as the inverse transform block, the output of which is the information output of the device.

Известное устройство обеспечивает возможность передачи информации с высокой помехозащищенностью, однако, поскольку оно ориентировано на работу с кодами Хемминга и с матрицами Адамара, с его помощью проблематична возможность формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц размерами, равными произвольным числам натурального ряда.The known device provides the ability to transmit information with high noise immunity, however, since it is oriented to work with Hamming codes and Hadamard matrices, it is difficult to use it to form integer orthogonal decorrelating matrices with sizes equal to arbitrary numbers of the natural series.

Наиболее близким аналогом-прототипом является устройство для формирования ортогональных унитарных матриц (см., например, Э.Е.Дагман и Г.А.Кухарев Быстрые дискретные ортогональные преобразования, НАУКА, Сибирское отделение Новосибирск, 1983, с.14), содержащее блок порождающей матрицы, а также блок умножения матриц и блок формирования последовательности целочисленных матриц.The closest analogue prototype is a device for forming orthogonal unitary matrices (see, for example, E.E.Dagman and G.A. Kukharev Fast discrete orthogonal transformations, SCIENCE, Siberian Branch of Novosibirsk, 1983, p. 14), containing the generating unit matrices, as well as a matrix multiplication block and a block for generating a sequence of integer matrices.

Известное устройство не обеспечивает возможность формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц размерами, равными произвольным числам натурального ряда, так как из-за ориентированности на работу с матрицами Адамара для него обязательно соответствие равенства размерностей сформированных ортогональных матриц натуральным степеням числа «два».The known device does not provide the possibility of forming integer orthogonal decorrelating matrices with sizes equal to arbitrary numbers of the natural series, since due to the focus on working with Hadamard matrices, it is necessary for it to correspond to the equality of dimensions of the formed orthogonal matrices to natural degrees of the number two.

Задача изобретения состоит в разработке способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений и устройства для его осуществления, обеспечивающих возможность обработки цифровых видеоизображений любого формата.The objective of the invention is to develop a method for forming integer orthogonal decorrelating matrices of a given size for direct and inverse decorrelating conversion of video images and devices for its implementation, providing the ability to process digital video images of any format.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений, включающем выбор порождающей матрицы, последующее формирование матриц заданного размера и их запоминание, в качестве порождающей матрицы выбирают целочисленную ортогональную матрицу Адамара размером 2×2, а при формировании матриц заданного размера последовательно до получения требуемой матрицы формируют матрицы размерами, на единицу большими предыдущей, причем знаки всех элементов первой строки (состоящей из одних единиц) текущей матрицы меняют на противоположные, при этом слева от верхней строки полученной матрицы вводят новый целочисленный элемент, значение которого равно количеству расположенных в его же строке справа от него элементов, причем над верхней строкой полученной матрицы вводят новую строку, размер которой на единицу превышает размер строки исходной матрицы и все элементы которой имеют единичные значения, при этом недостающие элементы формируемой матрицы представляют в виде нулей.The essence of the invention lies in the fact that in the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating transforming video images, including selecting a generating matrix, subsequent generation of matrices of a predetermined size and storing them, a 2 × integer Hadamard orthogonal matrix is selected as the generating matrix 2, and during the formation of matrices of a given size, matrices with dimensions of unit is larger than the previous one, and the signs of all elements of the first row (consisting of one unit) of the current matrix are reversed, and a new integer element is introduced to the left of the top row of the resulting matrix, the value of which is equal to the number of elements located in its own row, and a new row is introduced above the top row of the resulting matrix, the size of which is one greater than the row size of the original matrix and all elements of which have unit values, while the missing elements form The matrix being represented is represented as zeros.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройство для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений, содержащее блок хранения порождающей матрицы Адамара размером 2×2 (далее блок хранения порождающей матрицы), блок задания размеров формируемых декоррелирующих матриц, блок оперативной памяти и блок управления, введен блок формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданного размера, при этом выходы блока задания размеров формируемых матриц и блока хранения порождающей матрицы соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц, третьим входом подключенного к первому выходу блока управления, вторым, третьим и четвертым выходами соединенного с первыми входами соответственно блока хранения порождающей матрицы, блока задания размеров формируемых декоррелирующих матриц и блока оперативной памяти, своим вторым входом подключенного к выходу блока формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц, четвертым входом соединенного с первым выходом блока оперативной памяти, вторым и третьим выходами подключенного соответственно к первому и второму выходам устройства для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров, первым, вторым, третьим и четвертым входами соединенного соответственно со вторыми входами блока хранения порождающей матрицы и блока задания размеров формируемых декоррелирующих матриц, с пятым входом блока формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц и с четвертым входом блока управления.The essence of the invention lies in the fact that in a device for implementing a method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating transformation of video images, comprising a 2 × 2 Hadamard generator matrix storage unit (hereinafter, a generator matrix storage unit), a size setting block of generated decorrelating matrices, a RAM block and a control block, a block for the formation of integer orthogonal decorrelating matrices of a given size is introduced measure, while the outputs of the block for specifying the sizes of the formed matrices and the storage block of the generating matrix are connected respectively to the first and second inputs of the block for forming integer orthogonal decorrelating matrices, the third input connected to the first output of the control unit, the second, third and fourth outputs connected to the first inputs of the block, respectively storing the generating matrix, the size setting block of the generated decorrelating matrices, and the random access memory block, with its second input connected to the output unit for generating integer orthogonal decorrelating matrices, the fourth input connected to the first output of the RAM block, the second and third outputs connected respectively to the first and second outputs of the device for implementing the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of a given size, the first, second, third and fourth inputs connected respectively with the second inputs of the generator matrix storage unit and the size setting unit of the generated decorrelating matrices , A fifth input of the integral formation decorrelated orthogonal matrices and to fourth input of the control unit.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения «Способ формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений» является возможность прямой и обратной декорреляции цифровых видеоизображений при сжатии, восстановлении и передаче по каналам связи с минимальной вычислительной сложностью.The technical result of the use of the present invention, “A method for generating integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelation transformation of video images” is the possibility of direct and inverse decorrelation of digital video images during compression, restoration and transmission over communication channels with minimal computational complexity.

Техническим результатом использования предлагаемого изобретения «Устройство для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений» является упрощение обработки при декорреляции цифровых видеоизображений.The technical result of the use of the present invention “A device for implementing the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating conversion of video images” is to simplify the processing of decorrelation of digital video images.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений.Figure 1 presents a block diagram of a device for implementing the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating transformation of video images.

Устройство для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений содержит (фиг.1) блок 1 хранения порождающей матрицы Адамара размером 2×2 (далее блок хранения порождающей матрицы), блок 2 задания размеров формируемых декоррелирующих матриц, блок 3 формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданного размера, блок 4 оперативной памяти и блок 5 управления, при этом выходы блока 2 задания размеров формируемых матриц и блока 1 хранения порождающей матрицы соединены соответственно с первым и вторым входами блока 3 формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц, третьим входом подключенного к первому выходу блока 5 управления, вторым, третьим и четвертым выходами соединенного с первыми входами соответственно блока 1 хранения порождающей матрицы, блока 3 задания размеров формируемых декоррелирующих матриц и блока 4 оперативной памяти, своим вторым входом подключенного к выходу блока 3 формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц, четвертым входом соединенного с первым выходом блока 4 оперативной памяти, вторым и третьим выходами подключенного соответственно к первому и второму выходам устройства для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров, первым, вторым, третьим и четвертым входами соединенного соответственно со вторыми входами блока 1 хранения порождающей матрицы и блока 2 задания размеров формируемых декоррелирующих матриц, с пятым входом блока 3 формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц и четвертым входом блока 6 управления.A device for implementing a method for generating integer orthogonal decorrelation matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelation transformation of video images contains (Fig. 1) a 2 × 2 Hadamard generator matrix storage unit 1 (hereinafter, a generator matrix storage unit), a size setting unit 2 of the generated decorrelating matrices, block 3 of forming integer orthogonal decorrelating matrices of a given size, block 4 of RAM and control block 5, while the outputs of block 2 of job measures of the generated matrices and the generating matrix storage unit 1 are connected respectively to the first and second inputs of the integer orthogonal decorrelating matrix forming unit 3, the third input of the control unit 5 connected to the first output, the second, third and fourth outputs of the generating matrix storage unit 1 connected to the first inputs , block 3, specifying the sizes of generated decorrelating matrices and block 4 of random access memory, with its second input connected to the output of block 3 of forming integer orthogonal decorrelating matrices, the fourth input connected to the first output of the RAM block 4, the second and third outputs connected respectively to the first and second outputs of the device for implementing the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of a given size, the first, second, third and fourth inputs connected respectively to the second inputs of the block 1 for storing the generating matrix and block 2 for setting the dimensions of the generated decorrelating matrices, with the fifth input of the block 3 forms of integer orthogonal decorrelating matrices and the fourth input of control unit 6.

Блок 1 хранения порождающей матрицы выполнен в виде блока ввода информации вычислительного устройства 386 серии фирмы IBM PC (см., например, B.C. Петрухин и др. «Персональные ЭВМ на основе архитектуры INTEL 80386», книга 2, «Инвеско», Обнинск, 1993, с.120), блок 2 задания размеров формируемых матриц и блок 3 формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц выполнены в виде соответствующих блоков этого вычислительного устройства, блок 4 оперативной памяти выполнен в виде, например, сервера базы данных (см., например, проспект АРИС MultiVox, ООО «Альда Универсал», www.multivox.ru), а также в виде, например, твердотельного диска на Flash-памяти типа SD25B1-350-101 фирмы SanDisk (см., например, справочник «Передовые технологии автоматизации», Москва, апрель 1999, с.25, составитель справочника и поставщик продукции фирма ProSoft, адрес в Web-http://www.prosoft.ru), а блок 5 управления выполнен в виде соответствующего устройства (см., например, описание патента РФ №2117326).The generator matrix storage unit 1 is made in the form of an information input unit of the computing device 386 series of IBM PC (see, for example, BC Petrukhin et al. “Personal computers based on the INTEL 80386 architecture”, book 2, “Invesko”, Obninsk, 1993, p.120), block 2 for specifying the sizes of the formed matrices and block 3 for forming integer orthogonal decorrelating matrices are made in the form of the corresponding blocks of this computing device, block 4 of RAM is made in the form, for example, of a database server (see, for example, ARIS MultiVox prospectus , LLC Al a Universal ", www.multivox.ru), as well as, for example, a solid-state drive on a Flash-memory type SD25B1-350-101 from SanDisk (see, for example, the reference book" Advanced Automation Technologies ", Moscow, April 1999, p.25, the compiler of the reference book and the supplier of the products, ProSoft company, the address is at Web-http: //www.prosoft.ru), and the control unit 5 is made in the form of an appropriate device (see, for example, the description of RF patent No. 2117326).

Устройство для осуществления способа формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданного размера для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений работает следующим образом:A device for implementing the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of a given size for direct and inverse decorrelating transformation of video images works as follows:

В блок 1 вводят и запоминают данные порождающей матрицы, в качестве которой выбирают матрицу Адамара размером 2×2. Затем в блоке 2 задания размеров формируемых целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц задают размерности декоррелирующей матрицы, после чего в блоке 3 формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц последовательно, до получения требуемой матрицы формируют матрицы размерами, на единицу большими предыдущей, причем знаки всех элементов первой строки (состоящей из одних единиц) текущей матрицы меняют на противоположные, при этом слева от верхней строки полученной матрицы вводят новый целочисленный элемент, значение которого равно количеству расположенных в его же строке справа от него элементов, причем над верхней строкой полученной матрицы вводят новую строку, размер которой на единицу превышает размер строки исходной матрицы и все элементы которой имеют единичные значения, при этом недостающие элементы формируемой матрицы представляют в виде нулей.In block 1, data of the generating matrix are entered and stored, for which a 2 × 2 Hadamard matrix is selected. Then, in block 2, the dimensions of the generated integer orthogonal decorrelating matrices are set to the dimensions of the decorrelating matrix, after which, in block 3 of forming integer orthogonal decorrelating matrices, matrices are formed in sizes one unit larger than the previous one in order to obtain the required matrix, with the signs of all elements of the first row (consisting of one units) of the current matrix is changed to the opposite, while a new integer element is introduced to the left of the top row of the resulting matrix, the value of which is equal to the number of elements located in its own row to the right of it; moreover, a new row is introduced above the top row of the resulting matrix, the size of which exceeds the row size of the original matrix by one and all elements of which have unit values, while the missing elements of the generated matrix are represented as zeros.

В приложении приведены функциональная схема, иллюстрирующая способ формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц заданных размеров для прямого и обратного декоррелирующего преобразования видеоизображений и пример итерационного процесса формирования целочисленных ортогональных декоррелирующих матриц размера от 3×3 до 8×8 элементов.The appendix contains a functional diagram illustrating a method for generating integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating transformation of video images and an example of an iterative process for generating integer orthogonal decorrelating matrices with sizes from 3 × 3 to 8 × 8 elements.

Claims

1. A method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating transformation of video images, including selecting a generating matrix, subsequent generation of matrices of a predetermined size, and storing them, characterized in that a 2 × 2 integer orthogonal Hadamard matrix is selected as the generating matrix, and when forming matrices of a given size, matrices with sizes one unit larger are formed sequentially until the desired matrix is obtained by the previous one, and the signs of all elements of the first row (consisting of one units) of the current matrix are reversed, and a new integer element is introduced to the left of the top row of the resulting matrix, the value of which is equal to the number of elements located in its row to the right of it the top row of the resulting matrix introduces a new row, the size of which is one greater than the row size of the original matrix and all elements of which have unit values, while the missing elements of the generated matrix Representing as zeros.

2. A device for implementing a method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of predetermined sizes for direct and inverse decorrelating video image transformations, comprising a 2 × 2 Hadamard generator matrix storage unit (hereinafter referred to as a generator matrix storage unit), a size setting unit for the generated decorrelating matrices, a random access memory unit, and a control unit, characterized in that a unit for generating integer orthogonal decorrelating matrices of a given size is introduced into it; the outputs of the unit for specifying the sizes of the formed matrices and the storage unit of the generating matrix are connected respectively to the first and second inputs of the unit for generating integer orthogonal decorrelating matrices, the third input connected to the first output of the control unit, the second, third and fourth outputs connected to the first inputs of the generating unit matrix, unit for setting sizes of generated decorrelating matrices and RAM block, its second input connected to the output of the block the formation of integer orthogonal decorrelating matrices, the fourth input connected to the first output of the RAM block, the second and third outputs connected respectively to the first and second outputs of the device for implementing the method of forming integer orthogonal decorrelating matrices of a given size, the first, second, third and fourth inputs connected respectively to the second inputs of the storage block of the generating matrix and the block for specifying the sizes of the generated decorrelating matrices, with five th input block of integral formation decorrelated orthogonal matrices and to fourth input of the control unit.