Кодек сигнала моноадресной системы
Проблема совместимости видеопотока в цифровом виде с существующими аналоговыми форматами. Принципы построения цифрового телевидения. Стандарт шифрования данных Data Encryption Standard. Анализ методов и международных рекомендаций по сжатию изображений.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.11.2013 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
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 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).
Рисунок 12 - Декодер изображения по стандарту MPEG-2
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.
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:
Преобразование цветового пространства [RGB] в [YCbCr].
Дискретное косинусное преобразование.
Квантование.
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
ij
DCT = sqr (2/N)*cos[(2j+1)*i*3.14/2N], если i > 0
ij 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++)
{
for (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:
30 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 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:
Инициализуем частоты - 1 для каждого символа
Строим дерево, символы с меньшей частотой мы объединяем в один узел пока есть символы:
Ищем символ в дереве, если идем направо выдаем 1, иначе 0 (конечно в битах).
Увеличиваем частоту символа и перестраиваем дерево.
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 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.
Рисунок 13 - Исходное изображение для шифрования
Рисунок 14 - Изображение на выходе кодирующего устройства
Рисунок 15 - Изображение после декодера
Заключение
кодек телевидение сжатие сигнал
В процессе дипломного проектирования было разработано устройство сжатия ТВ сигнала по стандарту MPEG-2, обеспечивающее передачу информации в один адрес. Данный способ основан на кодировании информации по американскому стандарту DES, который адаптирован для передачи в один адрес с помощью дополнительного устройства - дакточипа. Для реализации сжатия ТВ сигнала применяется графический программируемый процессор фирмы Philips PNX 1300, для шифрования потока видеоданных (скремблирования) используется специализированная микросхема фирмы Philips - VMS 115.
Список источников
1. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника./ пер. с чешского, под ред. Виленчика Л.С. - М: Радио и связь, 1990 - 528 с.
2. Новаковский С.В. Телевидение в перспективе./ Электросвязь 1992 - №5 - с. 5-7.
3. Системы улучшенного качества и высокой четкости - примета нового времени./ Я.М. Гершкович, В.Ф. Крылков, Г.И. Кучеров, Л.Л. Серов // Техника кино и телевидения. - 1990 - №2 - с. 25 - 30
Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений./ под ред. Зубарева Ю.Б. Дворковича B.IL М: Международный центр научной и технической информации 1997 - 216 с.
Цифровое телевизионное вещание по международным стандартам MPEG-2 и DVB/ В.Н. Безруков, Н.А. Логинов, В.Е. Панченко, Н.А. Севальнев // Электросвязь. - 1998 - №6 - с. 13-16
Групповое кодирование ТВ изображений/ С.В. Сардыко, И.И. Цукерман // Техника кино и телевидения. - 1977 - №9 - с. 53 - 55.
Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: уч. Пособие для вузов - М: Горячая линия - Телеком - 2001 -224 с.
Фомин А.Ф. Анализ методов и международных рекомендаций по сжатию изображений // Электросвязь. - 1994 - №5 - с. 16 - 22.
Самойлов Ф.В. Методы сжатия спектра цифровых видеосигналов/ Техника кино и телевидения. 1995 - №6 - с. 20 - 22
10. Методы анализа и компенсации движения в динамических изображениях/ Ю.Б. Зубарев, В.П. Дворкович, А.Ю. Соколов В.В. Нечепаев // Электросвязь. - 1998 - №11 - с. 14-18
11. Цукерман И.И, Лебедев Д.С. Телевидение и теория информации. М: Энергия, 1965 -218 с.
12. Мамаев Н.С. и др. Цифровое телевидение. - М: Горячая линия - Телеком - 2001 - 178 с.
13. Брайс Р. Справочник по цифровому телевидению - Жуковский: Эра 2001 -229 с.
l4. Kocc В.П. Сжатие спектра ТВ сигнала в системах передачи видеоинформации/ уч. Пособие // РГРТА - Рязань - 1996 - 64 с.
15. Безруков В.Н. Цифровая обработка ТВ сигналов/ уч. Пособие // М: Технический университет связи и информации - 1998 - 47 с.
16. Гуталл К. Видеосистемы нового поколения. // Электроника - 1993 - №13 - с. 50-54.
17. Курило А. Цифровое Видео: MPEG // Мир ПК. - 1997. - №3 - с. 172-177.
18. Татарников О.А. Компьютерное видео как область самодеятельности // Техника кино и телевидения. 1995 - №9 - с. 19-23
19. Применение интегральных микросхем памяти: Справочник // А.А. Дерюгин, В.В Цыркин, В.Е. Красовский и др.; под ред. А.Ю. Гордонова, А.А. Дерюгина. - М.: Радио и связь, 1994 - 232 с.
20. Аванесян Г.Р., Левшин В.П. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ: Справочник. - М: Машиностроение, 1993 - 254 с.
21. www.philips-semicopdactors.coni/tml300.pdf - описание микросхемы NXP1300.
22. www.philips-semicopdactors.coni/vms113.pdf - описание микросхемы vms 113.
23. www.philips-semicopdactors.coni/vms115.pdf - описание микросхемы vmsl 15.
24. ГОСТ 12.1.004-91 Пожарная безопасность. Общие требования.
25. ГОСТ 12.1.038-82. ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые уровни напряжений и прикосновений и токов.
26. ГОСТ 12.1.030-81. ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление и зануление.
27. ГОСТ 12.1.003-83. Шум. Общие требования безопасности.
28. ГОСТ 12.1.029-80. Средства и методы защиты от шума. Классификация.
29. СНиП 1 - 33 - 75 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
30. ПДУ 5803 - 91. Предельно допустимы уровни воздействия ЭМП диапазона 10-60 кГц.
31. ГОСТ 12.1.006-87. ЭМП радиочастот. Общие требования безопасности.
32. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение.
33. Безопасность жизнедеятельности. Учеб. пособие/ В.Е. Болтнев, Н.В. Веселкин, Ю.В. Зайцев, В.И. Кремнев/ под общ. ред. Ю.В. Зайцева, РГРТА; Рязань, 2002, 100 с.
34. ГОСТ 12.2.006-87*.ССБТ. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Требования безопасности.
35. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданиях и на территории жилой застройки.
36. СанПин 2.2.4.548-96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений.
37. ГОСТ Р 50923-96. Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования к производственной среде. Методы измерения.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Принципы построения цифрового телевидения. Стандарт шифрования данных Data Encryption Standard. Анализ методов и международных рекомендаций по сжатию изображений. Энтропийное кодирование видеосигнала по методу Хаффмана. Кодирование звука в стандарте Mpeg.
дипломная работа [2,4 M], добавлен 18.11.2013Основные понятия о цифровом устройстве и главные принципы его построения. Этапы разработки цифрового автомата по алгоритму функционирования. Выбор микросхем, их учет и расчет мощности, потребляемой автоматом. Исследование цифрового автомата на переходе.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 09.10.2009Особенности развития современных систем телевизионного вещания. Понятие цифрового телевидения. Рассмотрение принципов организации работы цифрового телевидения. Характеристика коммутационного HDMI-оборудования. Анализ спутникового телевидения НТВ Плюс.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 14.09.2012Понятие цифрового интерактивного телевидения. Классификация интерактивного телевидения по архитектуре построения сети, по способу организации обратного канала, по скорости передачи данных, по степени интерактивности. Мировой рынок платного телевидения.
курсовая работа [276,4 K], добавлен 06.02.2015Устройство жидкокристаллических, проекционных и плазменных телевизоров. Перспективы развития цифрового телевидения в России. Высокая четкость трансляций и интерактивное телевидение. Экономическая эффективность проекта внедрения цифрового телевидения.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 04.01.2012Основные параметры и тактико-технические характеристики цифрового телевизионного передатчика. Организация интерактивной системы в наземном цифровом телевещании. Разработка возбудителя для канального кодирования и модуляции сигнала по стандарту DVB-T.
дипломная работа [5,7 M], добавлен 06.06.2014Обоснование необходимости проектирования цифрового эфирного телевидения. Состав радиотелевизионной передающей станции. Выбор цифрового передатчика. Обоснование проектируемой одночастотной сети цифрового наземного эфирного телевизионного вещания.
дипломная работа [3,1 M], добавлен 28.11.2014Свойства аналоговых сигналов. Речевые звуковые вибрации. "Аналоговое" преобразование сигнала. Понятие цифрового сигнала и полосы пропускания. Аналоговые приборы. Преобразователи электрических сигналов. Преимущества цифровых приборов перед аналоговыми.
реферат [65,6 K], добавлен 20.12.2012Передача цифровых данных по спутниковому каналу связи. Принципы построения спутниковых систем связи. Применение спутниковой ретрансляции для телевизионного вещания. Обзор системы множественного доступа. Схема цифрового тракта преобразования ТВ сигнала.
реферат [2,7 M], добавлен 23.10.2013Обмен речевой, факсимильной и цифровой информацией между абонентскими системами. Общие принципы построения сетей стандарта GSM. Принципы построения наземной радиосети. Основные модели предсказания мощности сигнала. Модель для квазигладкой местности.
контрольная работа [732,9 K], добавлен 15.09.2015
