Способ передачи изображения по каналу связи

Предлагаемое техническое решение относится к передаче изображений при условии, когда на каналы передачи данных наложены ограничения по скорости передачи (пропускной способности).

На практике существует проблема передачи больших объемов информации, например, изображений по каналам связи, обладающим низкой пропускной способностью (см. журнал «Электросвязь», №4, 2009 г., с. 36).

Для уменьшения времени передачи изображений по современным каналам связи проблема сжатия изображений имеет особую актуальность.

Целью сжатия изображений является минимизация числа бит, требуемых для представления изображения. Существующие способы сжатия цифровых изображений могут быть поделены на две большие категории: без потерь и с потерями. Сжатие без потерь означает, что восстановленное после сжатия изображение с точностью до пикселя соответствует оригиналу. Сжатие без потерь не приводит к высоким коэффициентам сжатия (в 2-10 раз, но обычно не более 3-х раз), в то время как алгоритмы сжатия с потерями позволяют достигать компрессии до 50-ти раз без заметного ухудшения качества. Дело в том, что цифровое изображение имеет существенное количество излишней информации, которая может быть устранена практически без визуальной заметности. Существует ряд способов изменить изображение таким образом, что возникшие в результате этого искажения с точки зрения наблюдателя, для которого предназначено это изображение, будут несущественны, зато представление информации в новой форме позволит значительно увеличить компрессию по сравнению со сжатием без потерь.

Известны способы передачи изображений, использующие различные методы сжатия с потерями (см., например, Киволвиц П. Сжатие изображений по стандарту JPEG // Мир ПК. - 1992. - №4. - С. 46-51; Santa-Cruz D., Crosbois R., Ebrahimi Т. JPEG 2000 performance evalution and assessment // Signal Processing: Image Communication. - 2002. - V. 17. - №1. - P. 113-130). Общая идея, лежащая в основе этих методов, заключается в применении к изображению преобразования, концентрирующего большую часть энергии в относительно малом количестве коэффициентов. За счет более грубого квантования значительная часть коэффициентов преобразования, отвечающих за мелкие детали оригинала, обращается в ноль, что позволяет эффективно закодировать полученную битовую последовательность энтропийным кодером. За высокие степени сжатия приходиться расплачиваться ухудшением детализации и размытием контуров. Из-за этого в отраслях, где предъявляются повышенные или специфические требования к качеству изображений сжатие с потерями практически не используется, а использование сжатия без потерь не позволяет радикально сократить объем цифровых изображений. Отказ от использования сжатия с потерями приводит к увеличению затрат на хранение изображений и их передачу. Однако при условии, когда на каналы передачи данных наложены ограничения по скорости и величине битовой ошибки, использование алгоритма сжатия изображений способами группы JPEG не всегда возможно.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ, описанный в патенте США №5065444 G06T 9/00, опубл. 12.11.1991 г. Для передачи изображений в указанном способе процесс сжатия и восстановления происходит по алгоритму метода фрактального кодирования исходного изображения. Основа метода фрактального кодирования - это обнаружение самоподобных участков в изображении и установление функциональной связи между ними. Часть информации теряется потому, что вероятность того, что ранговая и доменная области будут идеально похожи, очень мала. Кроме того, чем больше будет коэффициент сжатия, тем больше будут и потери, так как коэффициент сжатия увеличивается за счет увеличения количества подобных областей, что является следствием большего допустимого различия областей. Недостатком этого способа является недостаточное для решения практических задач соотношение качества восстановленного после сжатия изображения PSNR и коэффициента сжатия К. На практике могут возникать ситуации, когда при жестко ограниченной скорости передачи информации по каналу (пропускной способности канала) может потребоваться немного большая частота передачи кадров для обеспечения требуемой величины задержки. Так как объем исходной графической информации может быть относительно большим для обеспечения передачи более полной и точной информации о наблюдаемых объектах (это зависит от характеристик камеры - разрешение, глубина цвета пикселя), то даже, несмотря на высокий коэффициент сжатия фрактального метода, объем сжатых данных может быть довольно большим. Поэтому уменьшение этого объема даже на величину, соответствующую малой доли от этого объема, может привести к значительному уменьшению объема сжатых данных не по относительному, а по абсолютному значению, что может положительно повлиять на процесс обработки информации, например, когда обрабатывается последовательность кадров с определенной частотой (при этом на передачу одного кадра выделяется ограниченное и фиксированное количество времени, а при уменьшении объема сжатых данных кадра существенно может уменьшиться время на его передачу, а следовательно, увеличится частота, что влечет за собой уменьшение времени задержки) и при этом время общей задержки передачи изображения не должно превышать заданную величину, а должно быть как можно меньше, так как устройство, работающее по некоторому алгоритму (или оператор), может ошибочно принять решение о том, что наблюдаемый объект находится в точке с некоторыми координатами в некоторый момент времени. Фрактальный способ сжатия обеспечивает следующие соотношения качества (качество в рассматриваемом случае это отношение пикового уровня сигнала к шуму - PSNR, которое прямо пропорционально отношению максимума возможного значения сигнала и мощности шума, т.е. среднеквадратической ошибки для двух изображений, одно из которых считается зашумленным приближением другого) и коэффициента сжатия (К): при PSNR=30 дБ обеспечивается К=97, при PSNR=35 дБ - К=43.

Целью предлагаемого технического решения является улучшение соотношения качества (т.е. отношения пикового уровня сигнала к шуму - PSNR) и коэффициента сжатия, а именно - увеличение коэффициента сжатия К при сохранении качества (т.е. при неизменном значении PSNR).

Поставленная цель достигается тем, что в способе передачи изображения по каналу связи, включающем на передающей стороне преобразование исходного изображения, представленного в формате BMP (Bitmap Picture - формат представления растровых изображений) в данные сжатого изображения в формате FIC (Fractal Image Compression - формат представления данных сжатого изображения) путем сжатия исходного изображения фрактальным методом, передачу полученных данных по каналу связи, восстановление на приемной стороне из данных сжатого изображения в формате FIC изображения в формате BMP, на передающей стороне перед сжатием исходное изображение в формате BMP разделяют на два неравных по объему файла, затем каждый файл отдельно сжимают упомянутым фрактальным методом, в результате чего получают два файла сжатого изображения в формате FIC, затем производят стегановложение меньшего файла в больший, полученный файл передают по упомянутому каналу связи, а на приемной стороне производят извлечение вложенного файла, восстанавливают каждое из частей изображения в формате BMP соответственно из каждого файла и соединяют восстановленные части изображения в единое целое.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На передающей стороне исходное изображение в формате BMP разделяют на две неравные части. Каждую часть изображения сжимают фрактальным методом, получая два файла сжатого изображения в формате FIC. После чего производят стегановложение меньшего файла в больший. Разделение исходного изображения на две неравные части производят в такой пропорции, чтобы при дополнительном сжатии, обеспечиваемом стегановложением, достигалось наилучшее соотношение качества (PSNR) и коэффициента сжатия (К). Коэффициент дополнительного сжатия изображения, обеспечиваемый стегановложением, равен (m+n)/m, где m - объем большей части (файла) изображения, n - объем меньшей части (файла) изображения. Соотношение между m и n определяется пределом, который называется стеганографической вместимостью.

Полученный после стегановложения файл передают по каналу связи. На приемной стороне производят извлечение вложенного (меньшего) файла. Восстанавливают каждое из частей изображения в формате BMP и соединяют восстановленные части изображения в единое целое.

Предлагаемый способ обеспечивает следующие соотношения качества и коэффициента сжатия. Например, при коэффициенте сжатия, равном 4/3 (когда исходное изображение разделяется в пропорции 3:1, то есть объем одной части 75%, а второй - 25%, и после разделения меньшая вкладывается в большую), обеспечиваются следующие соотношения: при PSNR=30 дБ коэффициент сжатия составляет К=126,1а при - PSNR=35 дБ коэффициент сжатия равен К=55,9.

Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом техническом решении достигнут больший коэффициент сжатия без потери качества восстановленного изображения на приемной стороне. При PSNR=30 дБ коэффициент сжатия в прототипе равен 97,0, а в предлагаемом способе - 126,1, при PSNR=35 дБ - коэффициенты сжатия равны 43 и 55,9 соответственно. Т.е. в предлагаемом способе обеспечивается большее сжатие передаваемого изображения, что позволяет при достаточно узкополосном канале связи быстрее передать больший объем информации без ухудшения качества.