RU2821327C1

RU2821327C1 - Способ когнитивной квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с адаптацией размера пакета к эффективной пропускной способности

Info

Publication number: RU2821327C1
Application number: RU2023129389A
Authority: RU
Inventors: Александр Олегович Жуков; Константин Алексеевич Иванов; Марина Константиновна Бондарева; Сергей Михайлович Кобозев; Евгений Владимирович Окунев; Владимир Владимирович Омельяненко; Олег Гатыльтанович Шаматов
Original assignee: Акционерное общество "Особое конструкторское бюро Московского энергетического института"
Filing date: 2023-11-14
Publication date: 2024-06-21

Abstract

Изобретение относится к области передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами. Технический результат изобретения заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами. Данное техническое решение предназначено для максимизации качества передаваемого по каналам дальней космической связи цифрового сжатого покадрового потока изображений с учетом имеющегося набора алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций путем применения полного перебора заранее аппроксимированных качественных характеристик всех возможных вариантов построения системы передачи по показателю в виде меры пикового отношения максимального уровня яркости пикселя к среднеквадратической ошибке сравнения эталонного и искаженного изображений, с учетом текущего уровня шума при выборе оптимального размера пакета по критерию минимума времени передачи. Способность данного способа работать с любыми каналами радиосвязи и применяемыми в них сигнально-кодовыми конструкциями при сжатии цифровых изображений любыми методами обеспечивает широкую «промышленную применимость», которая в том числе расширяется возможностью реализации предлагаемого способа на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или штатных ЭВМ, используемых для формирования цифрового покадрового потока изображений. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами.

Данное техническое решение предназначено для максимизации качества передаваемого по каналам дальней космической связи цифрового сжатого покадрового потока изображений с учетом имеющегося набора алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций, путем применения полного перебора заранее аппроксимированных качественных характеристик всех возможных вариантов построения системы передачи по показателю в виде меры пикового отношения максимального уровня яркости пикселя к среднеквадратической ошибке сравнения эталонного и искаженного изображений, с учетом текущего уровня шума при выборе оптимального размера пакета по критерию минимума времени передачи.

Способность данного способа работать с любыми каналами радиосвязи и применяемыми в них сигнально-кодовыми конструкциями при сжатии цифровых изображений любыми методами, обеспечивает широкую «промышленную применимость», которая в том числе расширяется возможностью реализации предлагаемого способа на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) или штатных ЭВМ, используемых для формирования цифрового покадрового потока изображений.

Как известно, дальняя космическая связь - это вид радиосвязи с космическими аппаратами, находящимися на значительном удалении от Земли, который осложняется значительным ослаблением сигнала за счет рассеяния в пространстве, доплеровским смещением частоты, а также значительными задержками, вызванными конечной скоростью распространения радиоволн. Тем не менее одним из часто передаваемых типов трафика по данным каналам является трафик цифровых сжатых изображений, в том числе радиолокационных, тепловизионных и гиперспектральных. Такие потоки являются очень требовательными к пропускной способности, что непременно приводит к необходимости сжатия, и к вероятности битовой ошибки, что усугубляет ситуацию при использовании сжатия.

Применяемые в настоящее время алгоритмы сжатия изображений рассчитаны на каналы передачи данных с вероятностью битовой ошибки порядка 10^-7-10^-9 и менее. Тем не менее, существуют случаи, когда такую вероятность битовой ошибки обеспечить не удается (передача на большие расстояния, передача в условиях преднамеренных помех и др.).

Одним из наиболее ярких примеров таких условий является передача цифровых снимков из дальнего космоса.

В таких условиях алгоритмы сжатия изображений начинают функционировать с существенным искажением, а имеющаяся узкая полоса пропускания обеспечить требуемую пропускную способность для передачи без сжатия не в состоянии.

На радиосвязь в космосе влияет множество факторов: колеблющаяся ионосфера Земли, низкоуровневое радиоизлучение, микроволновое фоновое излучение. Все они могут подавлять сигнал. Однако для будущих космических миссий необходимо обеспечить устойчивое соединение. Для этого коммуникационная система должна научиться адаптироваться к искажениям окружающей среды, обладая элементом когнитивности.

Для качественной оценки искажений, с целью выбора оптимальных параметров канала передачи дальней космической связи и алгоритма сжатия, часто применяется подход, основанный на проведении имитационного моделирования данного процесса.

Наиболее часто используемой на практике мерой оценки качества изображения после его модификации (искажения) является отношение пикового уровня сигнала к шуму (PSNR) Q_PSNR. Т.е. среднеквадратической ошибки для двух изображений, одно из которых считается зашумленным приближением другого. Для вычисления значения данной меры используется следующее выражение

где М×N - размер изображения, ƒ_ij - пиксель изображения оригинала, - пиксель восстановленного (принятого) изображения, b_{pixel_max} - максимальный уровень яркости пикселя изображения.

Данная численная мера может быть применена и к гиперспектральным изображениям широко используемых при исследовании объектов в дальнем космосе.

В выражении (1) числитель ассоциируется как пиковый сигнал, получаемый после передачи изображения, а разность в знаменателе является шумом или искажением, внесенным при передаче через радиоканал.

Именно эта мера и используется в предлагаемом способе в качестве показателя при оптимизации, а под когнитивностью понимается способность адаптироваться к изменяющимся условиям шумовой обстановки с учетом применяемой сигнально-кодовой конструкции и алгоритма сжатия.

Известен способ-аналог передачи изображения по каналу связи (патент RU №2681360, 2019). Сущность данного способа заключается в следующем.

На передающей стороне исходное изображение в формате BMP разделяют на важную и неважную части. Осуществляют сжатие неважной части изображения фрактальным методом, получая данные сжатого изображения в формате FIC. В полученную сжатую неважную часть изображения производят стегановложение несжатой важной части изображения в формате BMP. Затем данные сжатого изображения со стегановложением передают по радиоканалу. На приемной стороне из принятых данных сжатого изображения извлекают вложенную несжатую важную часть изображения в формате BMP. Восстанавливают сжатую неважную часть изображения в формат BMP. После чего соединяют принятые важную и неважную части изображения в формате BMP и получают полное изображение.

Вместо формата BMP могут использоваться и другие форматы представления изображения, например, TIFF (Tagged Image File Format), PNG (Portable network graphics) и др. А вместо формата FIC - другие форматы данных сжатого изображения.

Способ-аналог имеет следующие недостатки:

1. Не учитывают возможные битовые ошибки при передаче по радиоканалу в условиях помех.

2. Не оптимизируют параметры алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций под текущее состояние канала связи.

Аналог не позволяет обеспечить оптимальную передачу цифровых сжатых изображений по радиоканалу дальней космической связи с помехами по критерию максимума качества изображения.

Технический результат заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа является способ квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами (патент RU №2742322, 2021).

Сущность данного способа заключается в следующем: имитируют работу канала связи при передаче цифровых сжатых изображений; формируют множество зависимостей меры качества изображения от уровня шума для имеющихся вариантов использования сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия; измеряют текущий уровень шума; выбирают квазиоптимальный вариант передачи изображений методом полного перебора; сжимают покадровый видео поток; модулируют сигнал, содержащий сжатый цифровой покадровый видео поток и использованный квазиоптимальный вариант; передают сигнал по радиоканалу; принимают сигнал из радиоканала; производят демодуляцию и декомпрессию с учетом использованного при передаче квазиоптимального варианта, используют имитационное моделирование для заблаговременной оценки меры качества изображения при различных уровнях помех; используют экспоненциальную аппроксимацию характеристик, меры качества изображений от уровня шума в радиоканале, для имеющихся в распоряжении сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия; производят выбор квазиоптимального алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции из имеющегося набора вариантов по критерию максимума качества изображения при текущем уровне шума.

Способ-прототип имеет следующие недостатки:

1. Не производят повторную оптимизацию и изменение параметров сжатия и передачи трафика при изменении уровня шума на основании анализа каждого передаваемого пакета.

2. Не оптимизируют размер пакета под текущую эффективную пропускную способность, обусловленную сигнально-кодовой конструкцией, выбранной с учетом реальной помеховой обстановки, по критерию минимума времени передачи сжатого кадра изображения.

3. Не используют канал обратной связи для определения реальной текущей помеховой обстановки.

4. Не учитывают при имитационном моделировании процесса передачи цифровых сжатых изображений по каналу с помехами порог функционирования алгоритма сжатия при возникновении битовых ошибок.

Прототип не позволяет обеспечить оптимальную передачу по радиоканалу с помехами цифровых сжатых изображений по критерию максимума качества изображения при постоянном изменении помеховой обстановки и по критерию минимума времени передачи с учетом имеющейся пропускной способности.

Технический результат заключается в повышении качества передачи цифровых сжатых изображений по каналу связи с помехами по показателю меры искажения и времени передачи.

Задача, которую решает предлагаемый способ, заключается в максимизации качества цифрового сжатого, покадрового потока изображений с учетом имеющегося набора алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций, путем применения полного перебора заранее аппроксимированных качественных характеристик всех возможных вариантов построения системы передачи по показателю в виде меры пикового отношения максимального уровня яркости пикселя к среднеквадратической ошибке сравнения эталонного и искаженного изображений, с учетом текущего уровня шума при выборе оптимального размера пакета по критерию минимума времени передачи.

Функционирование изобретения поясняется следующими графическими материалами:

фиг. 1 - функциональная схема способа когнитивной квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с адаптацией размера пакета к эффективной пропускной способности.

Для решения этой задачи предлагается способ когнитивной квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с адаптацией размера пакета к эффективной пропускной способности, заключающийся в том, что:

определяют посредством имитационного моделирования минимальный порог функционирования доступных к использованию в системе дальней космической связи алгоритмов сжатия изображений в части количества битовых ошибок на сжатое изображение в блоке моделирования функционирования алгоритма сжатия 1 и передают полученные значения в блок оценки порога функционирования алгоритмов сжатия изображений по вероятности битовой ошибки 2;

пересчитывают минимальный порог функционирования доступных к использованию в системе дальней космической связи алгоритмов сжатия изображений из количества битовых ошибок в оценку вероятности битовой ошибки в блоке оценки порога функционирования алгоритмов сжатия изображений по вероятности битовой ошибки 2 в соответствии с выражением вида

где k_ош - максимальный порог (число) ошибок при котором сохраняется возможность проведения декомпрессии, - максимальный размер сжатого изображения;

имитируют работу канала дальней космической связи при передаче цифровых сжатых изображений для всего набора доступных сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия (с учетом возможных значений их параметров) в блоке имитационного моделирования 3 при различных отношениях энергии бита к спектральной плотности мощности шума в пределах от величины отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума соответствующей оценке вероятности битовой ошибки порога функционирования алгоритма сжатия до значения отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума характеризующей передачу с максимальной мощностью и минимальным уровнем шума в канале дальней космической связи для соответствующей сигнально-кодовой конструкции и передатчика, определяя при этом значение меры Q_PSNR качества изображения как среднеквадратической ошибки значений пикселей для изображения эталона (исходного изображения) и искаженного имитированным каналом дальней космической связи изображения;

передают полученные при моделировании значения в блок экспоненциальной аппроксимации 4;

формируют в блоке экспоненциальной аппроксимации 4 множество зависимостей меры качества изображения Q_PSNR от отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума в форме функции экспоненциальной аппроксимации данных имитационного моделирования с использованием метода наименьших квадратов в форме коэффициентов экспоненциальных функций.

При этом используют следующее выражение

где N - количество точек графика, полученного при имитационном моделировании участвующих в аппроксимации, - точка графика полученного при имитационном моделировании.

предают коэффициенты экспоненциальных функций (3) в блок оптимизации 5;

передают тестовый пакет по каналу дальней космической связи через передатчик источника изображений 9 на приемник абонента 10;

демодулируют тестовый пакет в приемнике абонента 10 и, определив текущий уровень шумов, передают значение уровня шума в блок контроля шумов 13;

запоминают принятый уровень шума в блоке контроля шума 13 и передают информационный пакет, содержащий этот уровень, на приемник источника изображений 11 через передатчик 12, если принятый уровень шума отличается от текущего хранимого в блоке контроля шума;

принимают в приемнике источника изображений 11 пакет, содержащий текущий уровень шума и передают его значение в блок оптимизации 5;

выбирают квазиоптимальную комбинацию в блоке оптимизации 5 из имеющегося набора сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия (с учетом возможных значений их параметров), по критерию максимального значения меры качества изображения Q_PSNR для текущего уровня шума , полученного от абонента, при этом производят вычисление по выражению (3) меры качества изображения Q_PSNR для всех наборов экспоненциальных функций полученных в блоке 4, соответствующих возможным вариантам использования сигнально-кодовой конструкции и алгоритма сжатия, для текущего уровня шума и осуществляют выбор в качестве квазиоптимального такой вариант, где значение меры качества изображения вычисленной по аппроксимированной заранее зависимости (3) будет наибольшим;

передают квазиоптимальную комбинацию в части наименования алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции в блок компрессии 6, а в части сигнально-кодовой конструкции в передатчик источника изображений 9;

подают входной покадровый поток изображений 7 на блок компрессии 6;

сжимают покадровый поток изображений в блоке компрессии 6 в соответствии с квазиоптимальным алгоритмом сжатия из блока 5;

передают сжатый покадровый поток из блока компрессии 6 в пакетировщик трафика 8;

вычисляют в пакетировщике трафика 8 размер пакета, обеспечивающий скорейшую передачу для каждого нового изображения с учетом эффективной пропускной способности выбранной квазиоптимальной сигнально-кодовой конструкции по выражению

где L_пл - размер передаваемого сжатого изображения - общий размер полезной части) [бит], - размер служебной части пакета [бит], r_n - скорость поступления потока [бит/с], L_{оч_min} - минимальный объем наполненности буфера [пакетов], R_n - эффективная пропускная способность [пакетов/с];

пакетируют сжатый поток изображений с оптимальным по критерию минимума времени передачи размером пакета и передают пакеты на передатчик источника изображений 9;

передают пакеты данных сжатых изображений по каналу дальней космической связи через передатчик источника изображений 9 на приемник абонента 10;

демодулируют каждый пакет данных сжатых изображений в приемнике абонента 10 и, определив текущий уровень шумов, передают значение уровня шума в блок контроля шумов 13, а пакет с данными сжатых изображений на депакетировщик 14;

направляют информационный пакет, содержащий уровень шума, по каналу дальней космической связи через передатчик абонента 12 и приемник источника изображений 11 в блок оптимизации 5, если уровень шума отличается от текущего хранимого в блоке контроля шума с целью адаптации выбора оптимальной комбинации сигнально-кодовой конструкции и алгоритма сжатия, соответствующих текущей помеховой обстановке;

производят при необходимости повторную оптимизацию и изменение параметров сжатия и передачи трафика в части выбора сигнально-кодовой конструкции;

преобразуют пакетированный поток от приемника абонента 10 в битовый поток в депакетировщике 14 и направляют его для декомпрессии в декодер 15;

производят декомпрессию битового потока с данными сжатых изображений в блоке декомпрессии 15 и формируют выходной поток цифровых несжатых изображений 16.

Сопоставление заявленного способа когнитивной квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с адаптацией размера пакета к эффективной пропускной способности с прототипом показывает, что заявленный способ существенно отличается от прототипа.

Общие признаки заявляемого способа и прототипа:

1. Используют цифровой покадровый поток изображений.

2. Производят сжатие цифровых изображений различными методами.

3. Передают цифровые сжатые изображения по радиоканалу.

4. Оценивают качество цифровых изображений.

5. Используют имитационное моделирование для оценки меры качества изображения при различных уровнях помех для всего имеющегося у используемой системы передачи данных, набора вариантов сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия.

6. Используют получаемую заблаговременно экспоненциальную аппроксимацию характеристик меры качества от уровня шума для имеющихся в распоряжении сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия.

7. Производят квазиоптимальный выбор алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции из имеющегося набора вариантов по критерию максимума качества изображения при текущем уровне шума.

Отличительные признаки предлагаемого решения:

1. Учитывают при имитационном моделировании процесса передачи цифровых сжатых изображений по каналу с помехами порог функционирования алгоритма сжатия по числу битовых ошибок.

2. Производят повторную оптимизацию и изменение параметров сжатия и передачи трафика при изменении уровня шума на основании анализа каждого передаваемого пакета.

3. Оптимизируют размер пакета под текущую эффективную пропускную способность, обусловленную сигнально-кодовой конструкцией, выбранной с учетом реальной помеховой обстановки по критерию минимума времени передачи сжатого кадра изображения.

4. Используют канал обратной связи для определения реальной текущей помеховой обстановки, определяя уровень шума посредством анализа принятого пакета данных.

Таким образом, заявленный способ когнитивной квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с адаптацией размера пакета к эффективной пропускной способности, позволяет максимизировать качество цифрового сжатого покадрового потока изображений с учетом имеющегося набора алгоритмов сжатия и сигнально-кодовых конструкций, путем применения полного перебора заранее аппроксимированных качественных характеристик всех возможных вариантов построения системы передачи по показателю в виде меры пикового отношения максимального уровня яркости пикселя к среднеквадратической ошибке сравнения эталонного и искаженного изображений, с учетом текущего уровня шума при выборе оптимального размера пакета по критерию минимума времени передачи.

Claims

Способ когнитивной квазиоптимальной передачи цифровых сжатых изображений по каналам дальней космической связи с адаптацией размера пакета к эффективной пропускной способности, заключающийся в том, что: имитируют работу канала дальней космической связи при передаче цифровых сжатых изображений для всего набора доступных сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия при различных отношениях энергии бита к спектральной плотности мощности шума в пределах от величины отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума, соответствующей оценке вероятности битовой ошибки порога функционирования алгоритма сжатия до значения отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума, характеризующей передачу с максимальной мощностью и минимальным уровнем шума в канале дальней космической связи для соответствующей сигнально-кодовой конструкции и передатчика, определяя при этом значение меры качества изображения как среднеквадратической ошибки значений пикселей для изображения эталона (исходного изображения) и искаженного имитированным каналом дальней космической связи изображения; передают полученные при моделировании значения в блок экспоненциальной аппроксимации; формируют множество зависимостей меры качества изображения от отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума в форме функции экспоненциальной аппроксимации данных имитационного моделирования с использованием метода наименьших квадратов в форме коэффициентов экспоненциальных функций; предают коэффициенты экспоненциальных функций в блок оптимизации; выбирают квазиоптимальную комбинацию из имеющегося набора сигнально-кодовых конструкций и алгоритмов сжатия по критерию максимального значения меры качества изображения для текущего уровня шума; передают квазиоптимальную комбинацию в части наименования алгоритма сжатия и сигнально-кодовой конструкции в блок компрессии, а в части сигнально-кодовой конструкции в передатчик; сжимают покадровый поток изображений в блоке компрессии в соответствии с квазиоптимальным алгоритмом сжатия; передают сжатый покадровый поток в пакетировщик трафика; пакетируют сжатый поток изображений с оптимальным по критерию минимума времени передачи размером пакета и передают пакеты на передатчик источника изображений; передают пакеты данных сжатых изображений по каналу дальней космической связи на приемник абонента; демодулируют каждый пакет данных сжатых изображений и, определив текущий уровень шумов, передают значение уровня шума в блок контроля шумов, а пакет с данными сжатых изображений на депакетировщик; производят при необходимости повторную оптимизацию и изменение параметров сжатия и передачи трафика в части выбора сигнально-кодовой конструкции; преобразуют пакетированный поток в битовый поток; производят декомпрессию битового потока и формируют выходной поток цифровых несжатых изображений, отличающийся тем, что: определяют посредством имитационного моделирования минимальный порог функционирования доступных к использованию в системе дальней космической связи алгоритмов сжатия изображений в части количества битовых ошибок на сжатое изображение и передают полученные значения в блок оценки порога функционирования алгоритмов сжатия изображений по вероятности битовой ошибки; пересчитывают минимальный порог функционирования доступных к использованию в системе дальней космической связи алгоритмов сжатия изображений из количества битовых ошибок в оценку вероятности битовой ошибки; передают тестовый пакет по каналу дальней космической связи; демодулируют тестовый пакет и, определив текущий уровень шумов, передают значение уровня шума в блок контроля шумов; запоминают принятый уровень шума и передают информационный пакет, содержащий этот уровень, на приемник источника изображений, если принятый уровень шума отличается от текущего; принимают пакет, содержащий текущий уровень шума и передают его значение в блок оптимизации; направляют информационный пакет, содержащий уровень шума, по каналу дальней космической связи в блок оптимизации, если уровень шума отличается от текущего хранимого в блоке контроля шума с целью адаптации выбора оптимальной комбинации сигнально-кодовой конструкции и алгоритма сжатия, соответствующих текущей помеховой обстановке.