|
Тип изображения
|
Сигналы
|
Граничная частота сигналов
яркости, МГц
|
Сигналы цветовой
поднесущей, МГц
|
Скорость передачи цифровой
информации, Мбит/с
|
|
Монохромное
|
E'Y
|
6.0
|
-
|
72
|
|
HTSC
|
E'Y/E'1/E'Q
|
4.2/1.5/0.6
|
-3.58
|
128.7
|
|
PAL
|
E'Y/E'U/E'V
|
5.0/1.5/1.5
|
-4.43
|
159.6
|
|
SECAM
|
E'Y/E'R/E'B Построчно
|
6.0/1.5/1.5
|
4.406-D'R 4.25-D'B
|
158.6
|
Технико-экономическое
обоснование темы проекта
Скремблер - устройство, предназначенное для
кодирования ТВ сигналов от несанкционированного доступа, посредством применения
криптографических алгоритмов. Выполняют кодирование исходного цифрового сигнала
с помощью дактилоскопического устройства, что приводит к полной потере
изображения и звука при приеме сигнала без специального декодера. Декодер
установленный на приемной стороне, на 100% восстанавливает исходный сигнал. С
технической точки зрения данное устройство в настоящее время представляет
немалый интерес, в связи с широким развитием техники кино и ТВ, растет число
потребителей. Постоянно увеличивается число стандартов цифрового вещания.
По рекомендации HL261 наиболее оптимальным стандартом для цифрового
телевидения, является стандарт MPEG -
2. Обобщенная структурная схема разрабатываемого устройства, представлена на
рис.1. Но разработать такое устройство не представляется возможным поскольку,
сигнал на выходе скремблера имеет достаточно широкую полосу пропускания которую
трудно передать по наземным и спутниковым каналам связи. Для решения данной
проблемы предлагается ввести в структурную схему еще один дополнительный
элемент - кодер для ТВ сигнала, которое позволит за счет уменьшения
избыточности ТВ сигнала сократить полосу пропускания сигнала (рис. 2) и
позволит снизить требования к быстродействию системы. Таким образом этот шаг с
экономической точки зрения, удорожит систему в целом, но позволит улучшить
качественные показатели системы.
К числу неэффективно решаемых проблем при разработке
кодека MPEG относятся:
· распознавание смены сюжета и связанное с ним разбиение
· последовательности изображений на I -, Р - , и В - кадры,
· расширение зоны и точности опенки
компенсации движения деталей динамических изображений,
· повышение коэффициента сжатия I - кадров.
В данном дипломном проекте уделяется внимание
повышению защищенности ТВ сигнала от несанкционированного доступа, посредством
применения криптографического алгоритма шифрования DES, и использования дактилоскопического устройства для
возможности работы кодера по одному адресу. Также ведется анализ метода сжатия
изображений для заданной матрицы коэффициентов дискретного косинус
преобразования (ДКП).
Рисунок 1 - Соотношение полосы сигнала на входе и
выходе Скремблера.
Рисунок 2 - Обобщенная структурная схема
разрабатываемого устройства
Раздел 1.
Теоретическая часть
Для представления видеопотока в цифровом виде пришлось
решить немало проблем. Большие сложности составила проблема совместимости с
существующими аналоговыми форматами (PAL, SECAM, NTSC). Стандарт CC1RR-601 определил базовые характеристики
для видеопотоков 720x576x25 кадров/сек (совместимость с PAL), 720x480x30 (совместимость с NTSC). Для хранения такого количества
данных требуются огромные ресурсы, поэтому очевидно, что необходимо применять
сжатие информации. Но сжимать видеоизображения без потерь невозможно из-за
большой энтропии, поэтому приходится применять алгоритм сжатия с потерями
качества.
1.1 Принципы
построения цифрового телевидения
Цифровое телевидение - это отрасль ТВ техники в
которой передача, обработка и хранение ТВ сигнала осуществляется с его
преобразованием в цифровую форму. Применение методов и средств цифрового
телевидения - это новая ступень развития ТВ техники. Преимущества цифрового
телевидения по сравнению с аналоговым обусловлены как самими принципами ТВ, так
и наличием разнообразных алгоритмов, схемных решений и мощной технологической
базы для создания соответствующих устройств [5]. В своем развитии цифровое ТВ
прошло ряд этапов:
1. Использование цифровой техники в отдельных
частях ТВ системы, при сохранении разложения и аналогового канала
2. 2. Создание гибридных аналого-цифровых систем
с параметрами отличающимися от принятых в обычных стандартах ТВ. Примерами
могут служить японская система телевидения высокой четкости MUSE и западно-европейские системы
семейства MAC.
. Создание полностью цифровых ТВ систем.
Главными особенностями нового поколения ТВ систем
являются[7]:
· Высокая степень сжатия цифрового ТВ сигнала,
достигаемая путем последовательного применения нескольких методов эффективного
кодирования изображений и позволяющая передать программы ТВЧ по стандартам
наземных каналов ТВ вешания с шириной полосы частот 6 МГц.
· Единый подход к кодированию и
передаче ТВ сигналов с различным разрешением: видеотелефон с уменьшенной
четкостью, стандартный сигнал NTSC,
ТВЧ с количеством строк 1050.
· Интеграция с другими видами
информации при передаче по цифровым сетям связи.
Структурная схема тракта цифровой ТВ системы показана
на рисунке 3.
В ТВ системе обязательно должен передаваться сигнал
звука. Он также преобразуется в цифровую форму и кодируется в соответствующем
кодере. Кодированные сигналы звука и изображения объединяются в общий поток
данных в мультиплексоре.
Далее цифровой сигнал поступает на блок канального
кодирования и модуляции. Здесь осуществляется помехоустойчивое кодирование
сигнала и модуляция несущей.
Сигнал цифровой ТВ системы на несущей частоте
передается по каналу связи и поступает в приемник. Здесь происходит демодуляция
несущей и декодирование помехоустойчивого кода. Затем из общего потока данных
выделяются цифровые сигналы изображения и звука, поступающие на соответствующие
декодеры. На выходе декодера изображения получаются яркостный и цветоразностный
сигналы. После преобразования в аналоговую форму эти сигналы поступают на
монитор, на котором воспроизводится цветное ТВ изображение. Декодированный
сигнал звука также преобразуется в аналоговую форму и поступает на усилитель
низкой частоты ТВ приемника.
Так как параметры радиочастотного канала связи в
цифровой ТВ системе остаются такими же, как в стандартных аналоговых ТВ
системах, высокочастотная часть ТВ приемника, включающая селектор каналов и
усилитель промежуточной частоты изображения, в принципе остается такой же, как
в обычных современных телевизорах.
Рисунок 3 - Структурная схема цифровой ТВ системы
1.2 Стандарт
шифрования данных Data Encryption Standard
В 1977 году Национальное бюро Стандартов США (NBS) опубликовало стандарт
шифрования данных Data Encryption Standard (DES), предназначенный для
использования в государственных и правительственных учреждениях США для защиты
от несанкционированного доступа важной, но несекретной информации. К настоящему
времени DES является наиболее распространенным алгоритмом, используемым в
системах защиты коммерческой информации. Более того реализация алгоритма DES в
таких системах является просто признаком хорошего тона! За примерами далеко
ходить не надо. Программа DISKREET из пакета Norton Utilities, предназначенная
для создания зашифрованных разделов на диске, использует именно алгоритм DES.
"Собственный алгоритм шифрования" отличается от DES только числом
итераций при шифровании. Основные достоинства алгоритма DES:
· используется только один ключ длиной 56 битов;
· зашифровав сообщение с помощью одного пакета, для расшифровки
вы можете использовать любой другой;
· относительная простота алгоритма обеспечивает высокую
скорость обработки информации;
· достаточно высокая стойкость алгоритма.осуществляет
шифрование 64-битовых блоков данных с помощью 56-битового ключа. Расшифрование
в DES является операцией обратной шифрованию и выполняется путем повторения
операций шифрования в обратной последовательности (несмотря на кажущуюся
очевидность, так делается далеко не всегда. Позже мы рассмотрим шифры, в
которых шифрование и расшифрование осуществляются по разным алгоритмам). Процесс
шифрования заключается в начальной перестановке битов 64-битового блока,
шестнадцати циклах шифрования и, наконец, обратной перестановки битов (рисунок
4).
Пусть из файла считан очередной 8-байтовый блок T, который преобразуется
с помощью матрицы начальной перестановки IP (таблица 1) следующим образом: бит
58 блока T становится битом 1, бит 50 - битом 2 и т.д., что даст в результате:
T(0) = IP(T). Полученная последовательность битов T(0) разделяется на две
последовательности по 32 бита каждая: L(0) - левые или старшие биты, R(0) -
правые или младшие биты.
Рисунок 4 - Обобщенная схема шифрования в алгоритме DES
Рисунок 5 - Структура алгоритма шифрования DES
Таблица 1.1 - Матрица начальной перестановки IP
Затем выполняется шифрование, состоящее из 16 итераций. Результат i-й
итерации описывается следующими формулами:
L(i) = R(i-1)(i) = L(i-1) xor f(R(i-1), K(i))
где xor - операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.
Функция f называется функцией шифрования. Ее аргументы - это 32-битовая
последовательность R(i-1), полученная на (i-1)-ой итерации, и 48-битовый ключ
K(i), который является результатом преобразования 64-битового ключа K. Подробно
функция шифрования и алгоритм получения ключей К(i) описаны ниже. На 16-й
итерации получают последовательности R(16) и L(16) (без перестановки), которые
конкатенируют в 64-битовую последовательность R(16)L(16). Затем позиции битов
этой последовательности переставляют в соответствии с матрицей IP-1.
Таблица 1.2 - Матрица обратной перестановки IP-1
Матрицы IP-1 и IP соотносятся следующим образом: значение 1-го
элемента матрицы IP-1 равно 40, а значение 40-го элемента матрицы IP
равно 1, значение 2-го элемента матрицы IP-1 равно 8, а значение
8-го элемента матрицы IP равно 2 и т.д. Процесс расшифрования данных является
инверсным по отношению к процессу шифрования. Все действия должны быть
выполнены в обратном порядке. Это означает, что расшифровываемые данные сначала
переставляются в соответствии с матрицей IP-1, а затем над
последовательностью бит R(16)L(16) выполняются те же действия, что и в процессе
шифрования, но в обратном порядке. Итеративный процесс расшифрования может быть
описан следующими формулами:
R(i-1) = L(i), i = 1, 2, ..., 16;
L(i-1) = R(i) xor f(L(i), K(i)), i = 1, 2, ..., 16 .
На 16-й итерации получают последовательности L(0) и R(0), которые
конкатенируют в 64-битовую последовательность L(0)R(0). Затем позиции битов
этой последовательности переставляют в соответствии с матрицей IP. Результат
такой перестановки - исходная 64-битовая последовательность. Теперь рассмотрим
функцию шифрования f(R(i-1),K(i)). Схематически она показана на рисунке 6.
Рисунок 6 - Вычисление функции f(R(i-1), K(i))
Для вычисления значения функции f используются следующие функции-матрицы:
· Е - расширение 32-битовой последовательности до 48-битовой,
· S1, S2, ... , S8 - преобразование 6-битового блока в
4-битовый,
· Р - перестановка бит в 32-битовой последовательности.
Функция расширения Е определяется таблицей 1.3. В соответствии с этой
таблицей первые 3 бита Е(R(i-1)) - это биты 32, 1 и 2, а последние - 31, 32 и
1.
Таблица 1.3 - Функция расширения E
Результат функции Е(R(i-1)) есть 48-битовая последовательность, которая
складывается по модулю 2 (операция xor) с 48-битовым ключом К(i). Получается
48-битовая последовательность, которая разбивается на восемь 6-битовых блоков
B(1)B(2)B(3)B(4)B(5)B(6)B(7)B(8). То есть: E(R(i-1)) xor K(i) = B(1)B(2)...B(8)
.
Функции S1, S2, ... , S8 определяются таблице 1.4.
Таблица 1.4 - Функции преобразования S1, S2, ..., S8
К таблице 1.4. требуются дополнительные пояснения. Пусть на вход
функции-матрицы Sj поступает 6-битовый блок B(j) = b1b2b3b4b5b6, тогда
двухбитовое число b1b6 указывает номер строки матрицы, а b2b3b4b5 - номер
столбца. Результатом Sj(B(j)) будет 4-битовый элемент, расположенный на
пересечении указанных строки и столбца. Например, В(1)=011011. Тогда S1(В(1))
расположен на пересечении строки 1 и столбца 13. В столбце 13 строки 1 задано значение
5. Значит, S1(011011)=0101. Применив операцию выбора к каждому из 6-битовых
блоков B(1), B(2), ..., B(8), получаем 32-битовую последовательность
S1(B(1))S2(B(2))S3(B(3))...S8(B(8)). Наконец, для получения результата функции
шифрования надо переставить биты этой последовательности. Для этого применяется
функция перестановки P (таблица 1.5). Во входной последовательности биты
перестанавливаются так, чтобы бит 16 стал битом 1, а бит 7 - битом 2 и т.д.
Таблица 1.5 - Функция перестановки P
Таким образом,
(R(i-1), K(i)) = P(S1(B(1)),...S8(B(8)))
Чтобы завершить описание алгоритма шифрования данных, осталось привести
алгоритм получения 48-битовых ключей К(i), i=1...16. На каждой итерации
используется новое значение ключа K(i), которое вычисляется из начального ключа
K. K представляет собой 64-битовый блок с восемью битами контроля по четности,
расположенными в позициях 8,16,24,32,40,48,56,64. Для удаления контрольных
битов и перестановки остальных используется функция G первоначальной подготовки
ключа.
Таблица 1.6 - Матрица G первоначальной подготовки ключа
Результат преобразования G(K) разбивается на два 28-битовых блока C(0) и
D(0), причем C(0) будет состоять из битов 57, 49, ..., 44, 36 ключа K, а D(0)
будет состоять из битов 63, 55, ..., 12, 4 ключа K. После определения C(0) и
D(0) рекурсивно определяются C(i) и D(i), i=1...16.
Для этого применяют циклический сдвиг влево на один или два бита в
зависимости от номера итерации, как показано в таблице 1.7.
Таблица 1.7 - Таблица сдвигов для вычисления ключа
Полученное значение вновь "перемешивается" в соответствии с
матрицей H (таблица 1.8).
Таблица 1.8 - Матрица H завершающей обработки ключа
Ключ K(i) будет состоять из битов 14, 17, ..., 29, 32 последовательности
C(i)D(i). Таким образом:
(i) = H(C(i)D(i))
Блок-схема алгоритма вычисления ключа приведена на рисунке 7.
Восстановление исходного текста осуществляется по этому алгоритму, но вначале
вы используете ключ K(15), затем - K(14) и так далее.
Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма вычисления ключа K(i)
1.3 Анализ
методов и международных рекомендаций по сжатию изображений
Главное направление развития различных систем связи,
телевидения и информационно-измерительных систем различного назначения
разработка и внедрение цифровых методов и устройств обработки преобразования и
передачи сигналов. Однако использование таких методов приводит к необходимости
многократного увеличения полосы занимаемых частот и соответственно уменьшения
скорости передачи изображений. Эта проблема может быть решена путем разработки
эффективных методов цифрового кодирования (сжатия) различных сигналов и прежде
всего изображений [1-6].
Можно сказать, что интенсивное развитие методов и
устройств сжатия различных видеоизображений стимулируется развитием цифровых
сетей интегрального обслуживания ЦСИО (ISDN -Integrated Service
Digital Network) и технологии "мультимедиа". Каждое из этих
направлений обычно характеризуется своими особыми требованиями и в ряде случаев
затруднительно использование разработанного кодека для других целей.
Следует отметить, что методы и устройства сжатия
различных сигналов (в том числе и телевизионных) интенсивно развивалось с 70-х
годов, но только в последнее время на базе новых электронных технологий
достигнуты выдающиеся результаты.
Возможности сокращенного описания изображений
обуславливаются в основном двумя факторами. Первый связан с ограничениями
зрительного восприятия получателя, благодаря которым исходное изображение можно
без ущерба для субъективного качества аппроксимировать другим, более простым,
экономно описываемым изображением (первичное сжатие).
Второй опирается на избыточность цифрового
представления изображений (даже после "первичного" сжатия).
Последовательность дискретных величин, поступающих с выхода устройства
первичного сжатия изображений, как правило, содержит остаточную избыточность
которую можно уменьшить методами неравномерного (статистического, энтропийного)
кодирования источников.
Первая группа методов сжатия основана на свойствах
изображения и динамики его изменения от кадра к кадру. Его применение ведет
часто к неизбежным потерям информации и ухудшению качества изображения. Этот
способ может быть реализован в виде как внутрикадрового кодирования, так и
межкадрового кодирования: обычно берется сочетание этих процедур. Энтропийное
(статистическое) кодирование обеспечивает сжатие за счет использования
статистических свойств сигнала и в принципе не ведет к потерям информации.
Сегодня уже известно и разрабатывается значительное
число методов сжатия телевизионных и других видеосигналов с учетом указанных
факторов. К первой (первичной) группе методов сжатия следует отнести [4]:
кодирование с предсказанием (например, видео-АДИКМ);
линейное кодирование с преобразованием (обычно с
использованием ортогональных рядов Фурье, Карунена-Лоэва, Адамара, Хартли,
Гильберта, косинусного и др.);
межкадровое кодирование, основанное на том, что
большинство изображений незначительно изменяется от кадра к кадру;
прореживание отсчетов (и кадров) с последующим их
восстановлением путем интерполяции и (или) экстраполяции;
кодирование с расчленением изображения на фрагменты;
гибридное (комбинированное) внутри- и межкадровое
кодирование, представляющее собой различные сочетания пере численных методов с
преобразованием и некоторые другие;
Ко второй группе методов статистического сжатия
следует отнести:
использование статистических кодов, например кода
Хаффмана и
его модификаций, кода Джелинека, арифметических кодов,
Lempel-Ziv-Welch coding;
векторного квантования и др. В современных устройствах
сжатия видеоизображений обычно также применяют различные комбинации из первой и
второй групп.
Некоторым особняком от этих двух названных групп
методов сжатия изображения стоит так называемый фрактальный метод сжатия,
которому в последнее время уделяется большое внимание [8]. Рассмотрим коротко
основные методы и устройства сжатия видеоизображений, на которые уже имеются
рекомендации (стандарты) или они находятся на конечной стадии разработки.
Сегодня существует несколько стандартов (рекомендаций)
международных и европейских организаций и групп экспертов по различным видам
услуг в области сжатого кодирования видеосигналов. Основные требования,
предъявляемые к кодекам изображений: возможно более высокое сжатие без
существенной потери качества изображения, удовлетворение требований
международных стандартов и рекомендаций, относительно низкая стоимость.
1.3.1
Кодирование неподвижных изображений по рекомендации JPEG
Алгоритм сжатия неподвижных кадров (видеоизображений)
основывается в основном на стандарте JPEG (Joint Photographic Experts Group). [8].
В рекомендации JPEG рассмотрены два основных класса алгоритмов сжатия: на
основе дискретного косинусного преобразования (ДКП) и дифференциальной
импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). Считается что алгоритм с ДКП обеспечивает
значительное большее сжатие, чем алгоритм с ДИКМ.
Кодирование изображения по алгоритму JPEG обычно начинается с преобразования
цветного пространства в сигнал яркости Y и два цветоразностных сигнала Сb Сr.
Такой подход позволяет повысить эффективность сжатия. При этом система сжатия
компоненты яркости будет меньше, чем цветоразностных компонентов, так как люди
в гораздо меньшей степени замечают изменения в цвете.
После преобразования цветового пространства обычно, но
необязательно, производится прореживание данных цветности. При прореживании
отбрасываются цветоразностные компоненты строк или столбцов пикселов с
определенными номерами (например, каждой второй строки и каждого второго
столбца).
Следующий этап процедуры сжатия заключается в
преобразовании небольших блоков изображения с помощью двумерного ДКП. Обработка
ведется блоками 8x8 пикселов, т. е. сразу обрабатываются 64 пиксела. Выбор
блока подобного размера объясняется несколькими причинами. Во-первых, такой
блок с большой вероятностью содержит пикселы близкого цвета (яркости);
во-вторых, он достаточно большой (чаще всего превышает интервал корреляции).
ДКП во многом напоминает дискретное преобразование Фурье.
При выполнении этой операции информация 64 пикселов
преобразуется в матрицу из 64 коэффициентов. Важнейшая особенность этой матрицы
- то, что в ней основную энергию несут первые коэффициенты, а энергия
последующих быстро убывает (максимальные значения коэффициентов ДКП
концентрируются в левом верхнем углу матрицы, а минимальные - в нижнем правом).
Операция ДКП выполняется раздельно для каналов яркости и цветности.
Использование ДКП объясняется тем, что для большого
класса изображений оно хорошо аппроксимирует оптимальное дискретное представление
Корунена-Лоэва, имеет алгоритм быстрого преобразования, просто в реализации и
обеспечивает при этом существенное сжатие. Сканирование коэффициентов ДКП
обычно производится по зигзагу, что облегчает статистическое кодирование, так
как наиболее вероятно коэффициенты ДКП будут убывать с увеличением частоты.
Далее преобразованная матрица проходит операцию
квантования, применяемую для сокращения разрядности коэффициентов. Фактически
квантование означает деление матрицы 8x8 коэффициентов ДКП на матрицу
квантования также с размерностью 8x8. При этом результат деления округляется до
ближайшего целого. После квантования значения чисел в левом верхнем углу
оказываются намного меньше чем ранее, а в правом углу получаются
преимущественно нули. Именно здесь происходит основное сжатие и основная
необратимая потеря информации. Причем цветоразностные компоненты могут
квантоваться более грубо. После этого матрица, представляющая результат
квантования, вытягивается в строку данных так, что все последовательности нулей
правого нижнего угла оказываются в конце строки.
В некоторых версиях информация о яркости и цвете затем
кодируется так, что сохраняются только отличия между соседними блоками, т. е.
используется алгоритм ДИКМ. После этого производится статистическое кодирование
по методу Хаффмана (метод сжатия без потерь). Сначала анализируется вся
последовательность символов. Часто повторяющимся сериям бит присваиваются
короткие элементы (маркеры). В частности, последние нули в конце строки могут
быть заменены одним символом конца блока. Поскольку все блоки имеют одинаковую
длину, всегда известно сколько нулей было опущено. В рекомендациях JPEG предусматривается такое
использование арифметического кодирования. При восстановлении (декодировании)
данных перечисленные выше операции выполняются в обратном порядке.
Возможная степень сжатия зависит как от вида
изображений, так и от применяемых типов матриц квантования. Гладкие полутоновые
изображения без мелких деталей сжимаются лучше, чем с мелкими деталями.
Например, изображение человеческого лица можно сжимать с большим коэффициентом,
чем картинку с текстом.
Увеличение размера матрицы квантования приводит к
повышению коэффициента сжатия. Для различных компонентов Y, С6, Сг могут
использоваться свои матрицы квантования.
Известно несколько расширений алгоритма. В частности,
может применяться сглаживание, которое при восстановлении изображения
сглаживает разрывы между границами блоков.
Следует отметить, что сегодня существует несколько
различных пакетов программ по алгоритму JPEG. В одних программах, требуется дополнительное
дисковое пространство в дополнение к основной памяти. Часть из них
предусматривает несколько фиксированных режимов сжатия, другие дают возможность
выбирать их. Важным фактором служит скорость сжатия, которая может изменяться
от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Некоторые алгоритмы создают
самовосстанавливающиеся изображения.
Пользователи алгоритма JPEG могут устанавливать различную степень сжатия, идя на
компромисс между качеством изображения и размером файла (временем вычислений).
Разные программы могут обладать весьма различными функциональными и скоростными
возможностями.
Следует также отметить, что для оценки качества
восстанавливаемых JPEG-файлов важно
иметь специальный монитор. Стандартные VGA и Super VGA-дисплеи (не
говоря уже о CGA) не способны воспроизводить,
например 24-битовый файл изображения.
Для цветного изображения при использовании полного
алгоритма в зависимости от качества изображения требуются примерно следующие
затраты бит на растровый элемент (пиксел) [8]: 0,25...0,5 бит/рэл -хорошее
качество; 0,5...0,75 бит/рэл - очень хорошее качество; 0,75...1,5 бит/рэл -
отличное качество для большинства применений.
Размеры сжатого файла составляют от 1,2 Мбайт до 30
кбайт, время сжатия на компьютерах IBM PC - от нескольких
десятков секунд до нескольких минут. На рабочих станциях типа DEC Alpha, Cparc
10 эти времена будут значительно меньше.
1.3.2 Сжатое
кодирование подвижных изображений
В области
сжатого кодирования подвижных изображений действуют два основных стандарта:
стандарт МККТТ Н.261 - в основном для задач видеоконференцсвязи и
видеотелефонии с использованием ЦСИО; стандарт MPEG (Moving Picture
Experts Group) - с более широкими и универсальными возможностями
[6, 8]. Разработаны и другие алгоритмы, например PLV и RTV.
Рекомендация Н.261 МККТТ прежде всего предписывает
представление входного кадра по форматам CIF и QCIF,
межкадровое предсказание с использованием ДИКМ, ДКП блоками 8x8 ошибки
предсказания, компенсацию движения по блокам 16x16, энтропийное кодирование
коэффициентов ДКП методом Хаффмана и помехоустойчивое кодирование с помощью
кодов Боуза-Чоудхури-Хоквингема.
В таблице 1.9 приведены основные характеристики
видеоформатов CIF (Common Intermetdiate Format) и QCIF (Qurter CIF) для алгоритма H.261 (частота для обоих форматов составляет 29,97 Гц).
Рекомендация Н.261 согласуется с требованиями
организации видеоконференцсвязи и видеотелефонии, для которых суммарная
пропускная способность информационного канала составляет Рх64 кбит/с, где
Р=1,2... 30. Качество изображения зависит от значения Р. Рекомендуются три
наиболее "экономных" варианта:
) один В-канал (64 кбит/с), в котором 16 кбит/с
отводится для передачи речи и остальные 48 кбит/с - для передачи изображения;
) два В-канала по 64 кбит/с (один для речи, другой -
для изображения);
) два В-канала (16 кбит/с для речи и 112 кбит/с для
изображения).
Таблица 1.9 - Основные характеристики видеоформатов CIF (Common Intermetdiate Format) и QCIF (Qurter CIF) для алгоритма Н.261
|
Сигналы
|
Формат CIF
|
Формат QCIF
|
|
линий/кадр
|
пиксел/линий
|
линий/кадр
|
пиксел/ линий
|
|
Сигнал яркости Y
|
288
|
360(352)
|
144
|
180(176)
|
|
Каждый сигнал цветности
|
144
|
180(176)
|
72
|
90(88)
|
Алгоритм сжатия по MPEG стандарту базируется на трех основных операциях [8]: компенсации движения на основе
предсказания (АДИКМ) между кадрами: ДКП погрешности предсказания, полученной в
результат первой операции сжатия статистическом кодировании.
В стандарте MPEG использованы некоторые рекомендации из стандарта Н.261. Для того, чтобы
обеспечить в изображении на приемной стороне плавность движения объектов и
сохранить при этом их четкость, передается информация о скорости и направлении
движения. Такую информацию называют вектором движения.
При этом осуществляется кодирование сигнала с
компенсацией движения и использованием трех кадров. Каждый кадр вначале делится
на микроблоки, состоящие из блоков по 16 х 16 элементов изображения по яркости,
и двух соответствующих блоков по 8 х 8 элементов для двух компонентов
цветности. Блок 16 х 16 по яркости далее делится на четыре блока 8x8. Обработка
сигнала осуществляется с применением двумерного ДКП, выполняемого на основе
сравнения блоков 8x8 текущего кадра (64 коэффициента) и соответствующих блоков
предыдущего кадра, и информации о движении объекта (предсказанные блоки).
Оценка движения осуществляется путем сравнения
текущего блока 16 х 16 элементов по яркости с предыдущим блоком (тем же блоком
в предыдущем кадре). Сравнивается несколько таких блоков в определенных местах
кадра и выбирается пара блоков с минимальным общим абсолютным изменением по
отношению к предыдущему кадру. Положение выбранного блока в кадре и называется
вектором движения. Дополнительное повышение эффективности сжатия достигается
кодированием коэффициентов ДКП статистическим кодом переменной длины Хаффмана
или арифметическим кодом.
Основные характеристики алгоритма MPEG приведены в таблице 1.10. В
последнее время МККТТ разработал рекомендации Н.221 и Н.242 [8] в которых
рассматриваются системные аспекты организации аудиовидео и других видов связи
по п х 64 кбит/с каналу (В-канал ISDN).
Аппаратные средства сжатия видеоизображений. Наиболее широко используется два
подхода к реализации кодеков изображений: первый - чисто программный
(применяются либо специализированные автономные программы либо соответствующие
методы в программах); второй представляет собой сочетание программных и
аппаратных средств. Применение специальных устройств позволяет сократить время
цикла "сжатие-восстановление" и повысить эффективность сжатия.
Сегодня уже разработаны и ведется дальнейшее
совершенствование СБИС и высокоэффективных сигнальных процессоров для
видеокодеков различного назначения. В частности, зарубежом производят
специализированные микросхемы (CL-500
и CL-550) для реализации алгоритма JPEG и ведеопроцессор 1750, позволяющий
решать все задачи, определяемые алгоритмами JPEG и MPEG в
различных форматах [6].
Объявлено также, что фирма Intel совместно с фирмой PictureTel заканчивает разработку
программируемого видеопроцессора с быстродействием, на порядок выше используемых.
Его производительность оценивается в 1 Bops (миллиард операций в секунду). Процессор будет
обеспечивать практически все широко применяемые сегодня алгоритмы сжатия видео:
MPEG, JPEG, Н.261, а также PLV и RTV,
производя все операции в реальном времени. Дальнейшее развитие алгоритмов
сжатия. Один из недостатков алгоритма JPEG - то, что при больших коэффициентах сжатия на восстановленных
изображениях становятся видимыми границы фрагментов. Для устранения этого
явления предлагается использование быстрого дискретного синус-преобразования,
увеличение размеров фрагментов разбиения до величин 15x15 и 31x31, а также
синтез матрицы квантования на основе характеристик восприятия изображения
глазом человека.
В качестве альтернативных алгоритму JPEG интенсивно разрабатываются алгоритмы
фрактального сжатия [7, 35 36] алгоритмы на базе новых дискретных ортогональных
преобразований (например, wavelet),
а также новых адаптивных алгоритмов статистического кодирования.
Предварительный анализ литературных источников
показывает, что в порядке уменьшения коэффициента сжатия при одинаковом
качестве различные алгоритмы располагаются в следующим порядке: фрактальное, wavelet, JPEG. Однако по времени сжатия-восстановления эти
алгоритмы располагаются в обратном порядке, т. е. наибольшее время требует
фрактальное сжатие, а наименьшее - JPEG.
Интенсивно разрабатываются также алгоритмы сжатия на
базе выделения контуров и текстур, а также различные алгоритмы, обеспечивающие
быстрый просмотр изображений (quik-look).
Идет интенсивное изучение более эффективных методов
сжатия и подвижных изображений, альтернативных рекомендациям Н.261 и MREG.
Таблица 1.10 - Основные характеристики алгоритма MPEG
|
ФОРМАТ
|
Видеопараметры
|
Скорость передачи, Мбит/с
|
|
CIF
|
320 х 240 х 30Гц
|
1.2...3
|
|
МККР рек. 601
|
720 х 486 х 30
|
5...10
|
|
EDTV
|
960 х 486 х 30
|
7...5
|
|
HDTV (ТВВЧ)
|
1920 х 1080 x 30
|
20...40
|
В частности, предлагается новый вид многомерных
ортогональных преобразований, позволяющий, по сравнению с известными, более
полно выявить статистические связи между последовательно передаваемыми кадрами
изображений, содержащих подвижные объекты, разделить подвижные и неподвижные
области кадра разместив их в различных пространствах многомерного базиса.
Относительно аппаратурных средств сжатия изображений
следует указать на выпуск специальных плат JPEG и MPEG
(например, video maker™ и OptiVideo™), работающих в реальном масштабе времени. В соответствии с программой
МАРС-94 фирмой Matra Marconi Space разработана малогабаритная и экономичная плата,
предназначенная для сжатия телевизионных изображений поверхности Марса и
обладающая достаточно высоким коэффициентом сжатия (от 3 до 20) и относительно
высоким быстродействием (до 0,1 с). Методической базой служит стандарт JPEG.
Из всего многообразия разработанных алгоритмов сжатия
видеоизображений (подвижных и неподвижных) международными рекомендациями, в
основном, предлагаются: блочное адаптивное двумерное дискретное косинусное
преобразование, статистическое кодирование по Хаффмену, дифференциальная
адаптивная импульсно-кодовая модуляция и компенсация движения по блокам на
основе предсказания между кадрами. Несмотря на каясущуюся изученность указанных
алгоритмов сжатия, продолжается поиск путей повышении их эффективности, о чем
свидетельствует поток публикаций в периодической литературе.
Широкое внедрение цифровых систем передачи и сжатия
различных и прежде всего подвижных изображений (в интересах
видеоконференцсвязи, цифрового телевидения и мультимедиа) сдерживается
недостаточным быстродействием процессоров и их относительной дороговизной.
1.4 Основные
этапы кодирования по стандарту MPEG
Перво-наперво, кадр изображения разбивается на
макроблоки и блоки. В зависимости от выбранной модели сжатия количество блоков
в макроблоке может отличаться. Каждому Y, Сb и Сr блоку сопоставляется матрица
соответствующего размера.
Далее над матрицами производится прямое дискретное
косинус-преобразование (пДКП, fDCT, forward Discrete Cosine Transform) каждого 8x8 блока (разложение в
спектр). Одномерное ДКП по п дискретным значениям амплитуды сигнала формирует
вектор длины n, состоящий из коэффициентов
разложения. То есть рассматривая строку матрицы как вектор значений амплитуды
некоего сигнала, можно применить одномерное ДКП. В результирующем векторе
сначала будут находиться низкочастотные, а в конце - высокочастотные компоненты
сигнала.
с0=128 с1..7=2^1/2
После обработки строк матриц, ДКП применяется для
столбцов
c0=l/1024 c1..7=c0*2^l/2
В итоге получается матрица коэффициентов разложения,
которая в левом верхнем углу содержит низкочастотные составляющие, а в правом
нижнем - высокочастотные. Далее идет процесс квантования коэффициентов
разложения, а по сути уменьшение динамического диапазона, путем деления на
матрицы квантования. В связи с тем что цветовая характеристика элементов
изображения имеет сильную пространственную корреляцию (то есть соседние пикселы
обычно не очень сильно отличаются друг от друга), в полученном спектре будут
преобладать низкочастотные составляющие. Поэтому появляется возможность
провести не статическое квантование, а адаптированное, то есть не делить на
матрицы из одинаковых элементов, а подобрать коэффициенты наиболее удобным
образом, чтобы исключить излишнюю информацию о высокочастотной составляющей. В
связи с этим матрицы квантования в левом верхнем углу содержат минимальные по
модулю делители, а в правом нижнем - максимальные. После квантования часть
коэффициентов из-за выравнивания сравняется, а большинство малых коэффициентов
округлится до нуля, образовав подобласти с нулевым значением. Это
обстоятельство позволяет произвести упаковку длинных цепочек одинаковых
значений методом группового кодирования (RLE, Run Length Encoding). Для этого квадратная матрица
преобразуется зиг-заг обходом в вектор, и цепочки повторяющихся коэффициентов
упаковываются в пары (длина, значение). В формате MJPEG и MPEG-1
используется обычный для JPEG
зигзаг обход, но в MPEG-2
используется немного другой способ. Такой модифицированный обход повышает
эффективность группового кодирования для чересстрочного видеопотока. Далее
производится уменьшение энтропии по алгоритму Хаффмана. Суть его заключается в
статистическом анализе потока данных и составления специальной кодирующей
таблицы. В такой таблице наиболее часто встречающимся данным сопоставляется
наиболее короткие коды, а редко встречающимся - длинные.
Матрица квантования для вступительного кадра
Рисунок 8 - К вопросу об основных этапах кодирования по стандарту MPEG
1.5
Энтропийное кодирование видеосигнала по методу Хаффмана
Первый известный метод эффективного кодирования
символов известен как кодирование Шеннона - Фано [7]. Он основан на знании
вероятности каждого символа, присутствующего в сообщении. Зная эти вероятности,
строят таблицу кодов, обладающую следующими свойствами:
- различные коды имеют различное количество
бит;
- коды символов, обладающих меньшей вероятностью,
имеют больше бит, чем коды символов с большей вероятностью,
- хотя коды имеют различную битовую длину, они могут
быть декодированы единственным образом.
Этими свойствами обладает алгоритм Хаффмана [7],
основанный на элегантной и простой процедуре построения дерева вероятностей.
Средняя длина слов L, находится в диапазоне:
Н(В) < L < Н(В)+1 бит/пиксел и L,
>1 бит/пиксел, т.е. средняя длина слов не более чем на 1 бит/пиксел больше
энтропии, но не менее 1 бит/пиксел (в предельном случае, когда энтропия равна
нулю).
Принцип построения дерева вероятностей можно
достаточно про сто пояснить на конкретном примере. Пусть для передачи
изображения используется 8 уровней квантования, распределение которых
определяется гистограммой со следующими данными:
Р(b0) -
Р(b5) = Р(b6) = Р(b7) =
0,06; Р(b,) = 0,23; Р(b2) = 0,30; Р(bЗ) =
0.15; Р(b4) = 0,08.
Дерево строится справа налево следующим образом
(рисунок 9 - верхняя диаграмма):
в секции I уровни пикселов сортируются по вероятности от наибольшей к наименьшей
сверху вниз; при равенстве Р(bi) = P(bj) выше ставится уровень bi < bj;
в секции II две самые нижние ветви объединяются в узел, их вероятности складываются,
и узел образует новую ветвь; общее количество
количество ветвей уменьшается на одну и они вновь
сортируются по вероятности от наибольшей к наименьшей; в секциях III и IV и т.д. производятся операции, аналогичные проводимым в
секции II до тех пор, пока не останется одна
ветвь с вероятностью, равной 1.
Все это дерево можно перестроить (рисунок 9 - нижняя
диаграмма), убрав пересечения.
Кодирование осуществляется движением слева направо по
дереву каждому кодируемому уровню bi.
При этом на каждом узле коду приписывается, например,
двоичный "0" если осуществляется шаг вверх и "1", если
осуществляется шаг вниз. Таким образом, для данного случая наиболее вероятные
значения и b2 кодируются двухбитовым кодом,
величины b3 и b4 - трехбитовым кодом, а наименее вероятные значения b0, b5, b6 и b7 - четырехбитовым кодом (на рисунке
9 - нижняя диаграмма, - указаны справа). Не трудно понять, что эти коды легко
различимы:
если второй бит кода является двоичным нулем, то код -
двухбитовый; в противном случае количество бит в коде более двух; - если третий
бит кода является двоичным нулем, то код трехбитовый; в противном случае
количество бит в коде равно четырем. Приемник декодирует информацию, используя
то же самое дерево, двигаясь вверх при получении "0" и вниз при
получении "1". Средняя битовая скорость в данном случае L, =2,71 бит/пиксел при энтропии =2,68
бит/пиксел (т.е. L, практически
совпадает с Н).
Используются неадаптивный и адаптивный варианты хаффманского
кодирования. В первом случае перед передачей сообщения передается таблица
плотностей вероятностей, если она заранее неизвестна на приемной стороне. При
адаптивном варианте кодирования таблица плотностей вероятностей вычисляется как
на передающей, так и на приемной стороне по мере поступления данных. При этом
до начала кодирования исходно предполагается, например, равновероятное
распределение уровней пикселов.
Рассмотренный выше пример показывает высокую
эффективность хаффмановской процедуры при относительно равномерном
распределении уровней пикселов.
Однако когда энтропия сообщения становится существенно
меньше единицы эффективность хаффмановского кодирования резко снижается,
поскольку действует упомянутое выше ограничение снизу > 1 бит/пиксел.
Рисунок 9 - Пример построения кодового дерева
Оценка эффективности сжатия видеоинформации
статистическими кодами
Код Хаффмана
Для расчета задана матрица коэффициентов ДКП, для
элемента изображения 8 х 8 пикселей. Закон распределения уровней коэффициентов
матрицы косинусного - преобразования считается равновероятный. Оценка
проводится для Z - группирования
матрицы коэффициентов ДКП.
В данной матрице ячейки со значением "1"
передаются, а "0"-фильтруются. В полученной одномерной
последовательности коэффициентов в результате пороговой обработки оказывается
большое количество нулевых элементов. Это позволяет применить следующий метод
кодирования. Каждый отличный от нуля коэффициент передается в виде пары чисел.
Первое число показывает сколько нулевых значений прошло подряд в
последовательности перед данным не нулевым элементом. Второе, значение самого
коэффициента.
В результате получается следующий алфавит символов
подлежащих
передаче:
А1(0,1);А2(0,1);АЗ(0,1);А4(0,1);А5(0,1);А6(0,1);А7(0,1);А8(0,1);А9(0,1);
А10(0,1);А11(0,1);А12(0,1);А13(0,1);А14(0,1);А15(0,1);А16(13,1);А17(6,1);
А18(27,1)
Необходимо передать 18 пар, т.е. 36 чисел. Получен
выигрыш примерно в 2 раза. Данный алфавит символов для увеличения степени
сжатия информации кодируют статистическими кодами, которые представляют собой
сжатие без потерь.
На основании методики построения кода Хаффмана
составляется таблица 3, в которой сведены символы подлежащие передаче их
вероятности появления, кодовые значения для обычного кода и статистического.
Далее оценивается выигрыш применения кода Хаффмана.
Энтропия обычного и хаффмановского кода находится по формуле
N=∑ni*pi,
где ni -
длина кодового слова при передаче i-oгo символа, pi -
вероятность появления данного символа в сообщении.
=2*0.83+6*0.055=2
Ncж=0.83+2*0.055+3*0.055+3*0.055
Ncж=1,27
Эффективность кода - Nl/Ncж=2/1,27
Эффективность кода -1,6
Кодирование статистическими кодами дает дополнительное
преимущество при передаче сообщений.
Таблица 1.11 - К анализу кода Хаффмана
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
|
1
|
|
1
|
1
|
1
|
1
|
|
|
|
|
|
1
|
1
|
1
|
|
|
|
|
|
|
1
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
|
|
|
|
|
|
1
|
Таблица 1.12 - К анализу кода Хаффмана.
|
Символ
|
Вероятность символа
|
Обычное кодирование
|
|
А1-А15
|
0,83
|
00
|
0
|
|
А16
|
0,055
|
01
|
10
|
|
А17
|
0,055
|
10
|
110
|
|
А18
|
0,055
|
11
|
111
|
1.6 Анализ и
компенсация движения в динамических изображениях
При цифровом сжатии и кодировании видеосигналов по
стандарт MPEG-1 и MPEG-2 исключение внутрикадровой избыточности изображения
осуществляется аналогично методу JPEG
благодаря использованию дискретного косинусного преобразования (ДКП) и
последующего квантования коэффициентов. Для исключения межкадровой избыточности
применяется компенсация движения. Межкадровое кодирование с компенсацией
движения позволяет, с одной стороны, при одинаковом качестве передаваемого
изображения увеличить степень сжатия информации в 2 - 4 раза. С другой стороны,
анализ и компенсация движения - один из наиболее вычислительно-затратных этапов
цифрового кодирования, требующий дорогостоящих сигнальных процессоров с высоким
быстродействием. Использование таких процессоров значительно повышает общую
стоимость MPEG кодера.
Согласно стандарту MPEG все кадры последовательности делятся на три типа: I, Р и В. I - кадр передается без предсказания движения (обычно один раз
в группе кадров и является опорным для кодирования и восстановления остальных
кадров); Р - кадр кодируется с предсказанием движения в одну сторону и для его
восстановления необходим I - ,
или другой опорный Р - кадр. Для кодирования Р - кадра все изображение
разбивается на макроблоки размером 16x16 пикселов, и каждому макроблоку
ставится в соответствие наиболее "похожий" участок изображение из
опорного кадра, сдвинутый на вектор, называемый вектор движения (ВД). Кодером
передаются только разности сигналов яркости и цветоразности между макроблоком и
соответствующим участком изображения опорного кадра. В случае В - кадра
межкадровая избыточность исключается с предсказанием Во в времени в обе
стороны, для чего используется два ВД и два опорных кадра (I- или Р - типа). Такой способ
позволяет увеличить сжатие примерно в 2 раза по сравнению с кодирование только
с предсказанием во времени в одну сторону. В обоих способах для текущего и
опорного кадров необходимо определить набор макроблоков, что является
относительно сложной задачей, требующая большого количества вычислений.
Несмотря на то что известно большое количество схем анализа движения,
разработка и поиск различных эффективных алгоритмов анализа и компенсации
движения представляет огромный интерес.
1.7
Кодирование звука в стандарте MPEG
Звуковая часть стандарта MPEG-2 определяет низкоскоростное кодирование
многоканального звука. MPEG-2
поддерживает до 5 полных широкополосных каналов плюс дополнительный
низкочастотный канал или до 7 многоязычных комментаторских каналов.
На рисунке 10 приведены структурные схемы кодера и
декодера звука. Дискретизация звукового канала в АЦП осуществляется с частотой
32.0, 44.1 или 48.0 кГц. Цифровой сигнал поступает на блок разложения на частотные
поддиапазоны, содержащий набор цифровых полосовых фильтров. Число частотных
поддиапазонов равно 32. В каждом поддиапазоне отсчеты звукового сигнала
группируются в блоки по 12 или по 36 отсчетов в зависимости от типа кодера. В
блоке вычисления масштаба определяется максимальное значение сигнала в каждом
блоке, и устанавливается следующий масштабный коэффициент.
В блоке БПФ выполняется быстрое преобразование Фурье
полного звукового сигнала. Для БПФ берутся участки звукового сигнала по 512 или
по 1024 отсчета. По результатам обработки полученного частотного спектра в
блоке распределения бит определяются параметры квантования сигнала в разных
частотных поддиапазонах. В тех поддиапазонах, в которых искажения звука,
вызываемые квантованием, менее заметны для слушателя или маскируются большим
уровнем сигнала в других поддиапазонах квантование делается более грубым.
Благодаря этому удается существенно уменьшить количество передаваемой
информации.
Затем выполняется квантование с различным шагом квантования для разных
частотных поддиапазонов и с учетом масштабирующего коэффициента. В
мультиплексоре объединяются данные с выходов квантования, блока вычисления
масштабирующего коэффициента блока определения распределения бит.
В декодере звука на входе принятый поток данных
разделяете демультиплексором на собственно звуковой сигнал и данные
масштабирующем коэффициенте и распределении бит для все блоков звукового
сигнала, С учетом этих данных осуществляете восстановление количества бит
отсчетов сигнала, после чего производится объединение сигналов всех частотных
поддиапазонов в единый звуковой сигнал. Следует отметить, что обратное БПФ
декодере не требуется.
Из принципов кодирования и декодирования звука
следует, что звуковой сигнал сжимается отдельным устройством, а затем помощью
мультиплексирования разбивается на транспортные пакеты и становится частью
транспортного потока.
Рисунок 10 - Кодирование звука по стандарту MPEG-2.
Раздел 2.
Выбор и обоснование структурной схемы
Для кодирования ТВ сигнала Международной организацией
стандартизации был принят стандарт MPEG-2. Его преимущества перед другими стандартами компрессии [17]:
·
Открытость
стандарта, означающая возможность для производителей компонентов и деталей
электронной и компьютерной техники выпускать интегральные микросхемы для MPEG в необходимых количествах;
·
гибкость, которая
означает, что производителям оборудования предоставляется
возможность создавать свои разработки при построении систем кодирования,
оптимизирующие кодирование по стандарту MPEG;
поддержка Рекомендации 601 МККР, то есть поддержка стандартом MPEG-2 форматов квантования цифровых
сигналов в рамках Рекомендации 601 МККР, а именно: 4:2:2 и 4:2:0, что
способствует осуществлению непосредственной стыковки студийного ТВ;
· оборудования с устройствами
кодирования сигналов;
· маскирование и устранение ошибок.
Кодек ТВ сигнала состоит из двух частей: кодера и
декодера. Структурная схема кодера изображения по стандарту MPEG-2 приведена на рисунке 11. Кодер
изображения имеет два режима работы, внутрикадровый, в котором кодируются I-кадры, и межкадровый в котором
кодируются Р-кадры и находятся векторы смещения для Р-кадров и В-кадров. На
структурной схеме наличие двух режимов отображается с помощью переключателя, направляющего
на блоки внутрикадрового кодирования или непосредственно входной сигнал в
режиме внутрикадрового кодирования (положение 1), или разностный сигнал с
вычитателя представляющий собой ошибку сделанную с учетом оценки движения.
Рисунок 11 - Структурная схема кодера по стандарту MPEG-2.
Важную роль в работе изображения играет буфер,
представляющий собой ЗУ достаточного объема со схемами управления. Основная
функция буфера - согласование неравномерного во времени потока данных на выходе
кодера изображения со строго постоянной скоростью передачи двоичных символов в
канале связи.
Неравномерность потока данных на выходе кодера
изображения обусловлена в первую очередь наличием разных типов кадров. При
передаче I-кадра поток информации будет
большим, так как происходит передача изображения только с внутрикадровым
кодированием. При передаче Р-кадров поток информации меньше, так как передается
разность предсказанного и действительного кадра, а также векторы движения,
имеющие относительно небольшой объем данных. Наконец при передаче В-кадров
передаются только векторы движения, и поток информации будет наименьшим.
Буфер работает по принципу "первым вошел - первым
вышел". Запись данных в буфер производится по мере их поступления с
мультиплексора. Считывание данных из буфера производится с постоянной
скоростью, определяемой скоростью передачи двоичных символов в канале связи.
Степень заполнения буфера будет колебаться во времени, возрастая при увеличении
потока данных и уменьшаясь при уменьшении этого потока. Помимо различия типов
кадров на степень заполнения буфера может влиять характер передаваемого
изображения. Если в изображении много мелких деталей, возрастает количество и
уровень высокочастотных составляющих. Пространственно-частотного спектра, то
есть количество отличных от нуля коэффициентов ДКП. Это приводит к увеличению
потока данных на выходе. При передаче "гладких" изображений
количество отличных от нуля коэффициентов ДКП уменьшается, так как изображение
имеет в основном низкочастотные составляющие пространственно-временного
спектра.
Для оптимизации работы системы желательно поддерживать
уровень заполнения буфера приблизительно постоянным. Если буфер переполняется
то будет происходить потеря части данных, то есть ухудшение качества
изображения на выходе из системы. Если же буфер полностью опорожняется, то по
каналу связи приходится передавать "пустые" блоки, что приводит к
снижению эффективности его использования. Чтобы избежать обоих нежелательных
случаев, в кодере изображения имеется обратная связь с буфера на квантователь
через регулятор цифрового потока.
Сущность действия регулятора цифрового потока
заключается в следующем. Если передается мелкоструктурное изображение, и
заполнение буфера увеличивается, то под действием регулятора цифрового потока
увеличивается шаг квантования коэффициентов ДКП. При этом количество бит на
каждый коэффициент уменьшается, и величина потока данных поддерживается
примерно постоянной. При передаче "гладкого" изображения квантование
становится более точным. Такой метод соответствует свойствам человеческого
зрения.
Изменение шага квантования может осуществляться или
после кодирования каждого кадра с учетом его типа, или в пределах одного кадра
после кодирования каждой его части.
Структурная схема декодера изображения приведена на
рисунке 12. Поток данных поступающий с демодулятора, разделяется в
демультиплексоре на кодированные сигналы изображения и векторы движения. В
блоках внутрикадрового декодирования осуществляется декодирование группового
кода, декодирование кода Хаффмана, восстановление количества уровней
квантования обратное косинусово преобразование (ОДКП), сборка предсказания
передаваемого кадра. Последний случай соответствует межкадровому кодированию
(положение 2).
В блоках внутрикадрового кодирования выполняются
операции, в основном совпадающие со стандартом JPEG. При внутрикадровом кодировании выполняются разбиение
кодируемого изображения на блоки 8x8 элементов, дискретное косинусово
преобразование (блок ДКП) в каждом блоке с получением матрицы 8x8 коэффициентов
ДКП, квантование этих коэффициентов и считывание полученных квантованных
коэффициентов в зигзагообразном порядке (рисунок 8) в блоке прямого
квантования, кодирование получаемых последовательностей чисел с помощью кодов
Хаффмана. Сжатие данных происходит в первую очередь за счет квантования, при
котором различные пространственно-частотные составляющие
Рисунок 12 - Декодер изображения по стандарту MPEG-2
квантуются с различным шагом, в зависимости от
заметности их квантования для человека. Количество бит информации, необходимых
для передачи данного блока, при этом существенно сокращается.
Пространственно-частотные составляющие, имеющие низкий уровень вообще
отбрасываются. Дополнительное сжатие достигается с помощью кодирования с
переменной длиной кодового слова (кодер Хаффмана).
Для предсказания в режиме межкадрового кодирования
используется не сам предыдущий входной кадр, а результат внутрикадрового
декодирования, формируемый соответствующими блоками. При этом в обратном
порядке выполняется формирование матрицы коэффициентов ДКП каждого блока,
восстановление исходного количества бит всех коэффициентов, обратное дискретное
косинусное преобразование (ОДКП), объединение блоков 8x8 элементов в единое
изображение. Мультиплексор объединяет данные, поступающие с выхода кодера
Хаффмана, и векторы движения макроблоков, поступающие с блока оценки движения.
В декодере, так же как и в кодере, имеется два режима
работы. При приеме I-кадров на выходе
блока ОДКП формируется цифровой сигнал самого кадра. Коммутатор на структурной
схеме при этом находится в положении 1, и сигнал с блока ОДКП направляется на
выход. При приеме Р-кадров и В-кадров коммутатор находится в положении 2. В
этом случае формирование выходного сигнала происходит путем сложения
поступающих с выхода ОДКП значений межкадровых разностей с предсказанным
кадром, формируемым на основе ранее принятых кадров блоком предсказателя. На
это блок поступают с мультиплексора принятые в общем потоке данных векторы
движения, с помощью которых осуществляется компенсация движения. Буфер на входе
декодера выполняет функцию согласования постоянной скорости передачи двоичных
символов в канале связи с процессами в декодере, при которых данные из буфера
считываются неравномерно во времени.
Кодирование и декодирование яркостного и
цветоразностных сигналов осуществляется раздельно, а получаемые при кодировании
потоки данных объединяются в общий поток.
Раздел 3.
Экспериментальная часть
3.1 Моделирование
на ЭВМ выбранных алгоритмов
В данном дипломном проекте уделяется внимание
повышению криптостойкости и защиты видеоинформации от несанкционированного
доступа. Расчет проводится в программной среде Mathcad 2003. Расчеты в данной программе позволят оценить
коэффициент сжатия I-кадров и
проверить алгоритм кодирования и шифрования изображения.
3.2
Результаты моделирования
При проектировании любой системы необходимо проводить
эксперимент, т.е. создавать опытный образец и проверять качество его функционирования.
Как правило, это длительный и сложный этап проектирования, особенно если это
сложная система. Однако в ряде случаев алгоритм работы системы можно описать с
помощью математических формул. Это дает возможность проверить работоспособность
системы посредством моделирования на ЭВМ.
Передача коэффициентов матрицы ДКП возможна двумя
путями:
·
Пороговый метод,
в котором при введении порога передаваемые коэффициенты ниже его не передаются;
·
Зональный метод,
при котором используются стандартные таблицы квантования, и заведомо известно
какие элементы передаются, а какие нет.
Для упрощения расчетов используется зональный метод
передачи коэффициентов матрицы ДКП.
При проектировании устройства в данном дипломном
проекте было введенное новое устройство не меняющее особенности стандарта MPEG-2. Оно позволяет шифровать
изображение по стандарту DES с
дополнительной возможностью передачи информации в один адрес путем
использования дакточипов.
При реализации видеосигнала в стандарте MPEG-2, в блоках внутрикадрового кодирования
выполняются операции совпадающие со стандартом JPEG, благодаря использованию ДКП и последующего
кантования элементов. Алгоритм компрессии JPEG был разработан группой экспертов в области фотография
специально для сжатия 24-битных изображений. JPEG - Joint Photographic Expert Group - подразделение в рамках ISO - международной организации по стандартизации. В
целом алгоритм основан на дискретном косинусном преобразовании (в дальнейшем
ДКП), применяемом к матрице изображения для получения некоторой новой матрицы
коэффициентов.
Для получения исходного изображения применяется
обратное преобразование.
Рассмотрим работу алгоритм подробнее. Предположим для
примера, что мы сжимаем 24-битное изображение. Тогда весь алгоритм представляет
собой несколько последовательных шагов:
1. Преобразование цветового пространства
[RGB] в [YCbCr].
2. Дискретное косинусное преобразование.
3. Квантование.
4. Кодирование по Хаффману.
1. Преобразование цветового пространства [RGB] в [YCbCr].
Нужно преобразовать изображение в вид
яркость/цветность, можно использовать цветовую схему YCbCr (YUV),
формулы перевода:
Y= 0.299*R +
0.578*G + 0.114*В
Cb = 0.1678*R -
0.3313*G + 0.5*В
Сr=
0.5*R - 0.4187*G + 0.0813*В
Y нужно сохранить без изменений, его можно сжать любым
алгоритмом без потери данных. Рассмотрим сжатие Сb и Сг.
2. Дискретное косинусное преобразование
Основным этапом работы алгоритма является дискретное косинусное
преобразование (ДКП), представляющее собой разновидность преобразования Фурье.
Оно позволяет переходить от пространственного представления изображения к его
спектральному представлению и обратно.
Следует создать ДКП матрицу, используя такую формулу :
DCT = 1/sqr(N), если i=0= sqr(2/N)*cos[(2j+1)*i*3.14/2N], если i > 0 N = 8, 0 < i <
7 , 0 < j < 7
в результате имеем:
например, нам нужно сжать следующий фрагмент изображения:
формула, по которой производится ДКП: RES*IMG*DCTT
для начала нужно посчитать промежуточную матрицу: TMP = IMG*DCTT
затем умножаем ее на ДКП матрицу: RES = TMP*DCT
3. Квантование.
На этом этапе мы посчитаем матрицу квантования, используя этот псевдокод:
for(i=0;i<8;i++)
{(j=0;j<8;j++)
Q[i][j] = 1+((1+i+j)*q);
}
где q - это коэффициент качества, от него зависит степень потери качества
сжатого изображения, для q = 2 имеем матрицу квантования:
теперь нужно каждое число в матрице квантования разделить на число в
соответствующей позиции в матрице RES, в результате получим:
здесь имеется довольно много нулей, получим наиболее длинную
последовательность нулей, если будем использовать следующий алгоритм:
получилась последовательность:
0 -7 -11 8 0 0 1 6 -5 -7 -3 0 1 0 0 0 1 0 -3 -4 -1 4 2 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 -3 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
для большего сжатия можно перед первым этапом JPEG можно провести
субдискретизацию, или другими словами уменьшить частоту изображения, идея очень
проста: к примеру, у нас есть следующая последовательность (Cb или Cr) 11 42
200 123 56 32 125 234 12 24 34 78 145 134 245 101 если будем использовать
субдискретизацию 4:1:1, результирующая последовательность будет: 11 123 125 24
145 101
а если использовать 4:2:2 11 234 245
а для восстановления последовательности нужно интерполировать.
4. Кодирование по Хаффману. Этот алгоритм основывается
на частотах появления символов, и более часто повторяющийся символ
представляется более малым кодом алгоритм:
1. Инициализуем частоты - 1 для каждого
символа
2. Строим дерево, символы с меньшей
частотой мы объединяем в один узел пока есть символы:
3.Ищем символ в дереве, если идем направо выдаем 1, иначе 0 (конечно в
битах).
4.Увеличиваем частоту символа и перестраиваем дерево.
5.Переходим к 3.
Кодирование последовательности.
Чтобы сделать все значения положительными, надо
добавить 128:
128 121 117 136 128 128 129 134 123 121 125 128 129
128 128 128 129 128
124 127 132 130 128 128 128 128 128 128 128 128 128
128 128 125 129 129
128 128 128 128 128 128 128 128 128 128 128 128 128
128 128 128 128 128
128 128 128 128 128 128 128
для упрощения предполагаем, что все возможные символы
это:
158 128 121 117 136 129 134 123 125 124 127 132 130
(от 0 до 256)
Имеем частоты:
-1, 128 -1, 121 -1, 117 -1, 136 -1, 129 -1, 134 -1,
123 -1, 125 -1,
124 -1, 127 -1, 132 -1, 130 -1
и дерево:
=158
для него код будет 1111
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 1101
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=121
для него код будет 1011
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=117
для него код будет 1001
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
CHARACTER=136
для него код будет 0111
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 110
теперь частота CHARACTER будет 3, теперь перестроим дерево
=129
для него код будет 01011
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
CHARACTER=134
для него код будет 01001
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=123
для него код будет 00111
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=121
для него код будет 00111
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=125
для него код будет 0011
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 111
теперь частота CHARACTER будет 4, теперь перестроим дерево
CHARACTER=129
для него код будет 1000
теперь частота CHARACTER будет 3, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 5, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 6, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 7, теперь перестроим дерево
=129
для него код будет 100
теперь частота CHARACTER будет 4, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 8, теперь перестроим дерево
=125
для него код будет 0010
теперь частота CHARACTER будет 3, теперь перестроим дерево
=124
для него код будет 00101
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=127
для него код будет 00011
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=132
для него код будет 00001
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
CHARACTER=130
для него код будет 00000
теперь частота CHARACTER будет 2, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 9, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 10, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 11, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 12, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 13, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 14, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 15, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 16, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 17, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 18, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 19, теперь перестроим дерево
=125
для него код будет 1000
теперь частота CHARACTER будет 4, теперь перестроим дерево
=129
для него код будет 101
теперь частота CHARACTER будет 5, теперь перестроим дерево
=129
для него код будет 101
теперь частота CHARACTER будет 6, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 20, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 21, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 22, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 23, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 24, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 25, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 26, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 27, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 28, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 29, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 30, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 31, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 32, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 33, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 34, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 35, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 36, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 38, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 39, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 40, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 42, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 43, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 44, теперь перестроим дерево
=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 45, теперь перестроим дерево
CHARACTER=128
для него код будет 11
теперь частота CHARACTER будет 46, теперь перестроим дерево
получилось:
Вторая часть эксперимента заключается в проверке алгоритма сжатия MPEG-2 и алгоритма шифрования по
алгоритму DES. Для проверки использовалось
изображение на рисунке 13, и подвергалось процедуре шифрования, программой
написанной в среде программирования Borland Delphi 7, модулем Des.
Изображение, зашифрованное криптографическим алгоритмом, представлено на
рисунке 14, пользователь сможет посмотреть правильное изображение в том случае,
если дактилоскопическая биометрическая система DC21, которая служит защитой от несанкционированного доступа,
содержит в памяти отпечаток пальца пользователя.
На рисунке 15 изображено принятое, декодированное изображение.
Пикселизация появилась из-за сжатия исходного изображения в 10 раз (с 300 кбайт
до 30 кбайт) при внутрикадровом кодировании при реализации алгоритма MPEG-2.
Раздел 4.
Элементная база и аппаратная реализация кодека ТВ сигнала по стандарту MPEG-2
4.1 Выбор и
обоснование выбора частоты дискретизации и числа уровней квантования
Цифровой ТВ сигнал получается путем его преобразования
в цифровую форму. Преобразование включает в себя три основные операции:
1.
Дискретизацию по
времени, т.е. замену непрерывного аналогового сигнала последовательностью его
значений в дискретные моменты времени - отсчетов или выборок.
2.
Квантование по
уровню, заключается в округлении значения каждого отсчета до ближайшего уровня
квантования.
3.
Кодирование в
результате которого значение отсчета представляется в виде числа,
соответствующего номеру полученного уровня квантования.
Все три операции выполняются в одном аппаратном узле -
аналого-цифровом преобразователе (АЦП). В основном выбор частоты дискретизации
основывается на основании теоремы Котельникова:
,
где 
- верхняя граничная частота преобразуемого в цифровую форму
сигнала. Полный ТВ сигнал имеет 
соответственно частота дискретизации должна удовлетворять
условию 
Если выполнено условие 
, то спектральные составляющие
кратные частоте дискретизации не перекрываются. Для стандарта 4:2:2 частоты
дискретизации соответственно равны 13,5 МГц для яркостного сигнала и 6,75 МГц
для цветоразностных сигналов.
Выбор числа уровней квантования Nкв , для ТВ сигнала осуществляется
согласно закону Вебера - Фехнера, согласно которому зритель не должен замечать
изменения яркости объекта это выполняется при 
- абсолютный пороговый контраст и является
функцией яркости фона -
Тогда число градаций яркости наблюдаемых зрителем
определяется как:
где N - число градаций яркости, К - контраст, 
- относительный пороговый контраст.
Т.о. при К = 100 и = 0.02 N =
230 - необходимо 256 уровней квантования, при двоичном параллельном коде это
соответствует 8 - разрядному коду.
4.2 Выбор
элементов схемы
.2.1 АЦП
АЦП служит для преобразования аналогового сигнала в
цифровой код. В данном дипломном проекте используется микросхема TDF8704 Т/5 фирмы Philips. Это, выполненный по технологии 8 -
разрядный АЦП частота дискретизации которого может быть установлена до 40 МГц. TDF8704 Т/5 - имеет в своем составе
встроенную схему выборки и хранения (СВХ) на случай если длительность
поступаемого сигнала меньше времени преобразования, задержка выхода - 18 не при
низкой потребляемой мощности (60 мВт). TDF8704 Т/5 является быстродействующим, микропроцессорно-
совместимым, 8-ми разрядным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с
максимальной производительностью 200 К выборок/с. Преобразователь питается от
однополярного источника с напряжением от 2.7 В до 5.5 В и содержит А/Ц
преобразователь последовательного приближения с временем преобразования 4.5 мкc, цепи выборки/хранения (УВХ),
встроенный тактовый генератор и 8-ми разрядный параллельный интерфейс.
Параллельный интерфейс предназначен для удобства согласования с
микропроцессорами и DSP. С
использованием только логики декодирования адреса TDF8704 Т/5 с легкостью встраивается в адресное
пространство микропроцессора.
При использовании TDF8704 Т/5 в режиме экономии энергопотребления, АЦП
автоматически отключается в конце преобразования и включается в начале
следующего. Данная функция значительно сокращает энергопотребление АЦП в режиме
с низкой пропускной способностью. TDF8704 Т/5, также, может работать в высокоскоростном режиме, когда АЦП не
отключается в промежутках между преобразованиями. В таком режиме устройство
способно обеспечивать производительность 200 К выборок/с.
.2.2
Микросхема кодера стандарта MPEG-2
В качестве однокристального MPEG-2 кодера/декодера используется программируемый
процессор NEXPIRIA TM-1300 фирмы Philips.
Серия программируемых мультимедийных процессоров семейства Nexpiria.
Отличительные особенности:
·
Однокристальные
микропроцессоры обработки аудио, видео, графических и коммуникационных сигналов
идеально подходят для использования в мультимедийных видеоустройствах. Мощный,
тонкоструктурный VLIW центральный
процессор, работающий в параллельном режиме, обеспечивает высокую частоту
обработки сигнала до 200 МГц, центральный процессор обеспечивает скорость
обработки данных до 7.7 миллиардов операций в секунду.
·
Дополнительный
низковольтный центральный процессор до 166 МГц
·
Универсальная
система команд включает стандартный микропроцессор, специальные мультимедийные SIMD-средства и комплексное программное
обеспечение с плавающей точкой по IEЕЕ стандарту, позволяющее использовать в мультимедийных устройствах языки
программирования "С" и "С++"
·
Встроенный,
независимый от центрального процессора, DMA - запускаемый мультимедийный ввод - вывод и блоки
совместной обработки данных
·
PCI/XIO хост-интерфейс шины центрального процессора
поддерживает интерфейс PCI
без фиксированного контакта и периферию восьмибитного микроконтроллера, включая
ROM / FLASH, EEPROM,
68К, и х86 устройства
·
16-, 64-, 128-, и
256 Мбит SDRAM частотой до 183 МГц
·
Встроенные
функции аутентификации / дешифрования DVD-записи
·
Системные
библиотеки Philips и других производителей,
обеспечивают решения MPEG-4
кодирования / декодирования, MPEG-2
кодирования / декодирования, Dolby Digital (AC-3) декодирования, MP3 декодирования и т.д. [21]
Применение:
Микропроцессоры серии PNX1300 широко применяются в следующих устройствах:
оборудовании Интернет-связи, web-камерах,
элементах изображения, видео телефонах, персональных видеомагнитофонах,
системах проведения видеоконференций, видеомонтажа, системах видеонаблюдения,
Интернет радиовещания, DVD
видеомагнитофонах, устройствах беспроводных ЛВС и цифровых телевизорах и
приставках. Микропроцессоры также поддерживают работу Java-приложений.
Рисунок 16 - Структурная схема видеопроцессора
Общее описание:
Philips Nexperia PNX1300 - серия высококачественных, дешевых
мультимедийных процессоров (до 200 МГц) предназначенных для использования в
ряде мультимедийных устройств. Процессоры имеют 100%-ую совместимость по шагу
выводов со своими предшественниками процессорами серии ТМ-1300 и обеспечивают
скорость обработки видео, аудио, графических и коммуникационных данных и режиме
реального времени более чем семь миллиардов операций в секунду.
По сравнению с ТМ-1300, процессоры серии PNX1300 имеют лучшие рабочие
характеристики при более высокой скорости синхронизации и работе интерфейса
оперативной памяти. Благодаря использованию центрального процессора низкого
напряжения увеличивается эффективность работы мультимедийных устройств с
ограниченными возможностями по мощности.
Микропроцессоры серии PNX1300 (Philips)
- идеальные структурные модули, предназначенные для использования в устройствах
обработки нескольких потоков данных одновременно - MPEG 4, MPEG
2, Н.263, МРЗ, и Dolby Digital ®. За счет использования
дополнительных вычислительных возможностей, устройство способно производить
захват, сжатие и распаковку данных большинства видео- и аудио форматов в режиме
реального времени. Благодаря использованию комплексного TriMediaTM SDE программного обеспечения, PNX1300 микропроцессоры сравнимы по простоте в
использовании с универсальными процессорами. SDE позволяет использовать в мультимедийных устройствах
языки программирования "С" и "C++", за счет чего
обеспечивается быстрое развитие рынка сбыта устройств, снижается их стоимость и
эксплуатационные расходы.[21]
Процессор фирмы Phillips имеет уровни сигналов совместимые с
уровнями сигналов АЦП.
Выбор работы микросхемы в качестве кодера
осуществляется сигналом высокого VLD =
1, декодера - низкого VLD =
0.
Для шифрования потока видеоданных (скремблирования)
используется специализированная микросхема фирмы Philips - VMS
115. Данная микросхема может использоваться как для шифрования, так и для
дешифрования цифрового потока. VMS
115 - имеет параллельный интерфейс. Использует 7 - разрядный порт для загрузки
ключа шифрования с дактилоскопического устройства. И применяется тройной
алгоритм DES, что увеличивает криптостойкость
цифрового сигнала. Микросхема имеет 120 - выводов, из которых 73 сигнальные, а
20 используются для питания и заземления. Все входные сигналы ТТЛ совместимы с
процессором. Микросхема выполнена по технологии КМОП и питается от источника
питания +5 В. Тактовая частота может достигать 40 МГц. Основой криптостойкости
всей системы является то, что шифрование ведется в частотной области. Что
повышает защищенность информации, поскольку переход в спектральную область тоже
преобразование.
4.2.3 Выбор
микросхем памяти
Исходными данными для выбора ОЗУ являются емкость
модуля ОЗУ, ограничение на значение внешних параметров модуля ОЗУ (время
выборки, время цикла обращения, потребляемая мощность, надежность и др.).
Поскольку формат кадра в дипломном проекте 720 × 576, и формат оцифровки 4:2:2, и при
вычислении необходимо хранить матрицы размером 8x8, при числе уровней
квантования равном 8, необходима память 512 Кб. Т.о. выбирается микросхема для
хранения результатов преобразования фирмы Samsung Electronix - K6T4008C1B, выполненные по высокопроизводительной КМОП - технологии.
Данные микросхемы питаются от источника питания +5В, и потребляют 220 мВт, и
имеют уровни сигналов ТТЛ. Время обращения к памяти 55 нс. Для хранения
результата операции кодирования необходима намять 1024 Кб. Поскольку необходимо
хранить 2 матрицы размером 8x8, при числе уровней квантования - 8 Данные
подлежащие передачи хранятся во встроенной памяти графического процессора PNX1300.
Для хранения текста программы используется модуль flash ПЗУ памяти компании ATMEL - AT29BV040A сконфигурированный, как 512к ×
8бит.
4.2.4 ЦАП
Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для
преобразования цифрового потока в аналоговый ТВ сигнал. В качестве ЦАП выбрана
микросхема TDA 8702 фирмы Philips, которая применяется в видео - и телевизионной
аппаратуре. Микросхема выполнена по высокопроизводительной КМОП - технологии и
имеет входы совместимые с ТТЛ уровнями, а частота дискретизации достигает 40
МГц.
Основные электрические параметры:
-число разрядов 8,
-нелинейность, ILE 0,5,
·
напряжение
питания, В +5,
·
рассеиваемая
мощность, мВт 250,
·
время выдержки
выхода, нс 16,
·
диапазон
выходного напряжения, В 0-2.5.
4.2.5
Дактилоскопический сканер
Сканер DC21
производит оптическое считывание отпечатков пальца с высокой разрешающей
способностью до 1500 dpi,
отличается высокой надежностью и устойчивостью к механоклиматическим
воздействиям и позволяет минимизировать вероятности ошибок при идентификации (FAR, FRR).
Сканер предназначен для ввода дактилоскопической
информации c живого пальца и/или с биометрической
пластиковой карты и может использоваться для биометрической идентификации
пользователя в системах контроля доступа, компьютерных сетях, безналичных
платежных системах, персонализации компьютера, паспортных системах и т.д.
Возможна поставка SDK для самостоятельного
программирования и встраивания сканера DC21 в действующие системы.
Параметры:
|
Интерфейс
|
CCIR, ISA, LPT
|
|
Скорость ввода отпечатков,
не более, отп/с
|
50
|
|
Разрешающая способность, не
более, dpi×
|
1500
|
|
Размер вводимого отпечатка,
мм ×
мм
|
10(Г)х15(В)
|
|
Функция защиты от подделок
|
+
|
|
Напряжение питания, DC, В
|
12
|
|
Размер сканера:
|
|
|
в корпусе PC
|
5" дисковод
|
|
внешнее исполнение, мм
|
75 × 75
× 45
|
|
OEM плата, мм
|
45 × 65
|
DC-21 широко применяется для диагностики при медицинском обследовании
пациента, в охранных системах для идентификации личности и создания баз данных
отпечатков пальцев.
Биометрическая система DC-21
(BioFinger) выполнена в виде стандартных
программных и аппаратных модулей, предназначена для считывания
дактилоскопической информации и защиты информации, от несанкционированного
доступа, а также для считывания различной биометрической информации с отпечатка
пальца. Дактилоскопическая система с помощью дактилоскопа (дактилоскопического
сканера) преобразует папиллярный рисунок кожи пальца пользователя в цифровой
8-ми разрядный сигнал, подаваемый на порт ввода ключа микросхемы VMS115. Программное обеспечение
обрабатывает полученную информацию и осуществляет идентификацию пользователя в
соответствии с предварительно занесенными в архив данными.
Работа системы DC-21 основана на обработке дактилоскопического изображения.
Основой системы является фоточувствительный прибор с переносом заряда DactoChip с числом элементов 512 х 576, со
стекловолоконным оптическим входом, преобразующий оптическое изображение
рисунка кожи, полученное без объектива, в проходящем через палец свете и,
следовательно, без оптических искажений, в электрический сигнал. Схема
управления ФППЗ, установленная на плате дактилоскопа, обеспечивает подачу
требуемых рабочих напряжений на ФППЗ и преобразование выходного сигнала ФППЗ до
стандартного телевизионного черно-белого сигнала CCIR (PAL) с
последующим преобразованием его в 8-ми разрядный цифровой сигнал.
Программное обеспечение, предназначенное для работы с
системой в нескольких режимах, необходимо инсталлировать и использовать в
соответствии с описанием, изложенным на прилагаемом CD.
Каталог DC Capture - программа для захвата дактилоскопического
изображения в различных форматах и получения его скелета.
Каталог Finger Card - программа для создания дактилоскопической карты
пользователя с 10 отпечатками пальцев и архива дактилоскопических карт.
Каталог DC Test - программа для демонстрации идентификации пользователя по
отпечатку пальца. Программа предусматривает считывание отпечатка пальца и
специального бар-кода с пластиковой карты.
4.3 Описание
алгоритма функционирования схемы
Поскольку преобразование сигналов производится
раздельно, то рассмотрим алгоритм функционирования кодека, на примере
яркостного сигнала - Y.
Отличие кодера для сигналов цветоразностных состоит в том, что частота
дискретизации в 2 раза меньше. Сначала он поступает на буферный усилитель,
который увеличивает размах сигнала до диапазона (0 - 2)В и поднять входное
сопротивление схемы. Далее сигнал поступает на вход Vin АЦП DA3
для преобразования в цифровую форму. На вход CLK АЦП поступают тактовые импульсы от видеопроцессора
через делитель частоты (счетчик с коэффициентом счета 2), с частотой 13,5 МГц,
что обеспечивает заданную частоту дискретизации, для яркостного сигнала. С
выходов DO - D7 микросхемы DA3
параллельный 8 - разрядный код поступает в порт ввода данных видеопроцессора DD1, в котором ведется обработка
принятых данных по алгоритму MPEG-2.
Над данными сначала выполняется ДКП, блоками 8x8 элементов. Промежуточные
данные записываются в ОЗУ DD4.
На шине адреса микропроцессором выставляется адрес, при этом на выводе SD_WE - появляется сигнал высокого уровня, и сигнал CS =1, т.о. данные помещаются в ячейку
памяти с адресом на шине RAM_ADR. Чтение данных из памяти
осуществляется при сигнале SD_WE = 0. Далее осуществляется операция
группового кодирования, Z -
упорядочивание, и кодирование статистическим кодом Хаффмана (все эти
стандартные операции содержит начальная прошивка микросхемы кодера). И данные с
порта вывода микросхемы DD1
поступают на криптограф DD2.
По аналогичному принципу промежуточные данные записываются и читаются из
памяти. Для хранения данных шифрующего устройства используется дополнительная
микросхема памяти. После шифрования цифровой параллельный код обвиняется в
транспортный поток от трех устройств кодирования сигналов Y,Cr,Cb. Этот поток
должен содержать непосредственно сжатую и зашифрованную видеоинформацию,
служебную информацию (номер кадра, размер блока, номер блока, вид кадра и
т.д.). Ключом шифрования, для того чтобы на приемной стороне возможно было
дешифровать, принятую информацию для выполнения операции декодирования сигнала
по стандарту MPEG-2, является 8-ми разрядный цифровой
сигнал, поступаемый с ПЗУ. 8-ми разрядный код соответствует коду поступаемому с
дактилоскопического устройства на приемной стороне в случае соответствия
отпечатка пальца пользователя.
Декодер работает аналогично кодеру, но операции выполняются в обратном
порядке. Сначала цифровой код поступает на дешифратор, ключ для дешифрования
загружается из дактилоскопического устройства в порт ввода ключа микросхемы DD1 декодера. Затем данные выставляются
на процессор имеющий прошивку декодера, в котором выполняются операции обратные
операциям кодирования. Далее данные поступают на ЦАП, где преобразовываются в
аналоговый ТВ сигнал.
Раздел 5.
Конструкторско-технологическая часть
5.1 Анализ
методов конструирования РЭА
При разработке современной РЭА с большим числом
взаимосвязанных элементов неизбежно возникают обстоятельства, требующие
привлечения таких методов конструирования, которые способствовали бы решению
широкого круга сложных и разнообразных задач. Как показал опыт, в этой области
неоспоримыми преимуществами обладают удачно сочетающиеся между собой методы
геометрического, машиностроительного, топологического конструирования [23].
Принцип геометрического метода вытекает из основных
положений геометрии. С помощью этого метода решают задачи обеспечения точечных
связей при взаимном расположении деталей без избыточной определенности. Малые
нагрузки и незначительные удельные давления в связях допускают применение
точечных опорных площадок, шаровых опор, направляющих призм и других элементов
связи.
Машиностроительный метод конструирования, используя
основные положения геометрического метода, расширяет возможности оптимального
решения ряда задач в наземных конструкциях с подвижными и неподвижными
замкнутыми силовыми связями. Он допускает в связях избыточную определенность
при установке на плоскости более трех опор и образование опорных плоскостей
вместо опорных точек.
Топологический метод конструирования есть графическое
представление взаимного расположения элементов конструкции. Данный метод
позволяет решать задачи возможности сокращения количества проводников, числа
паяных соединений, выводов на разъемы с учетом обеспечения параметров в
соответствии с заданными свойствами конструкции.
Методы компоновки элементов РЭА можно разбить на две
группы: аналитический и модельный. К первому методу относятся численный и
топологический, основой которых является представление геометрических
параметров и операций над ними в виде чисел. Ко вторым относятся
аппликационные, модельные, графические и натуральные методы, основой которых
является та или иная физическая модель элемента, например, в виде геометрически
подобного тела или обобщенной геометрической модели.
Численная и топографическая компоновка выполняется по
перечню элементов принципиальных схем. Однако они не обладают наглядностью и не
дают возможности выполнять пространственные и компоновочные эскизы. Это и
определяет место этих способов как оперативных, пригодных для использования на
предварительных стадиях компоновки РЭА.
При модельной компоновке изготовляют объемные модели
элементов. Формы этих моделей выбирают такими, чтобы они имели достаточно
простые, но характерные обводы. При графической компоновке выполнение ее теми
же приемами, что и в машиностроении нецелесообразно из-за большой длительности
процесса вычерчивания. Обычно требуется выполнить несколько различных
вариантов, поэтому при выполнении графической компоновки целесообразно
использовать упрощенные способы начертания элементов. При натуральной
компоновке вместо моделей или аппликаций пользуются реальными элементами.
Машинная компоновка является одной из стадий машинного
проектирования РЭА, которую можно представить в виде лабораторной разработки
схемы, моделирования на уровне ЭВМ и собственно компоновки. Как видно из
рассмотренных методов в нашем случае наиболее пригоден графический метод
компоновки в сочетании с методами машинного проектирования.
Общая компоновка прибора, как известно, является
первым и наиболее важным конструктивным решением. Это решение определяет
дальнейшую разработку конструкции отдельных элементов прибора.
К современным методам конструирования РЭА относятся
функционально-узловой, моноблочный, блочный методы. Многоблочный прибор состоит
из двух или более отдельных функциональных блоков, отдельных узлов и элементов,
соединенных электрическим монтажом и механически связанных между собой общим
корпусом. Одноблочный прибор состоит из одного блока, установленного в корпусе.
Там же могут быть размещены узлы и элементы, связанные с блоком электрическим
монтажом.
Суть функционально-мостового метода конструирования
РЭА заключается в объединении части схемы РЭА в конструктивно-технологически
законченный узел, выполняющий определенную технологически законченный задачу.
5.2
Конструирование устройства
Элементы разработанного устройства располагаются на
семи платах: кросс-плате и шести платах собственно декодеров и кодеров.
Устройство сжатия яркостной составляющей ТВ сигнала
размещается на плате 130x170 мм, которая полностью соответствует НГО.007.000,
ОСТ4.ГО.078.000 и ГОСТ 10317-79. Лакокрасочные покрытия выбираются по ОСТ и
ГО.014.002. установка элементов схемы показана на рисунке 17.
При двусторонней печати монтаж микросхем, резисторов,
конденсаторов, разъемов и других элементов схемы в случае изготовления опытных
образцов или мелких серий производится паяльником в соответствие с ГОСТ
72-19-69 припоем ПОС-60. При крупносерийном производстве гораздо технологичнее
применять автоматические линии монтажа печатных плат. Следует учесть, что
выводы микросхемы кодера расположены друг от друга на расстоянии 0.4 мм,
поэтому в целях качественного монтажа используют полуавтоматические паяльные
станции. Все элементы схемы монтируются с одной стороны платы.
После монтажа изделие проходит вибро и термоиспытания,
после чего подвергается техническому контролю. Плата покрывается нитролаком для
защиты от пыли и влажности, а также для повышения радиационной стойкости.
Готовая печатная плата проходит окончательный технический контроль.
Окончательный технический контроль функционирования желательно проводить
автоматически.
Рисунок 17 -