Технология селекции значимых объектов кадра для защиты видеопотока в системах управления критическими ситуациями

УДК 621.327:681.5

В.В. БАРАННИК, Д.И. КОМОЛОВ, А.В. ТАРАСЕНКО, А.П. МУСИЕНКО

ТЕХНОЛОГИЯ СЕЛЕКЦИИ ЗНАЧИМЫХ ОБЪЕКТОВ КАДРА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ВИДЕОПОТОКА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ КРИТИЧЕСКИМИ СИТУАЦИЯМИ

Описывается селективный метод обработки видеоданных, который основан на закрытии не всего базового видеокадра, а только его наиболее значимых составляющих. Энергетическая значимость этих составляющих оценивается по степени семантической и структурной насыщенности блоков яркостной составляющей, входящих в ее состав. Впервые вводится понятие структурной единицы. Она формируется из трех макроблоков по одному от каждой цветовой составляющей YCrCb базового видеокадра. Также разрабатывается методологическая база для определения энергетической значимости структурной единицы видеокадра на основе оценки информации, содержащейся в суммарных значениях низкочастотных компонент трансформанты дискретного косинусного преобразования блока яркостной составляющей.

1. Введение

В ведомственных телекоммуникационных системах сегодня происходит активное внедрение различных мультимедийных сервисов и услуг (защищенные системы видеоконфе-ренцсвязи, трансляции потокового видео). Для этих систем являются актуальными проблемы по обеспечению:

- качественной видеоинформации;

- конфиденциальности (скрытие информации от неавторизированных пользователей);

- целостности (предотвращение возможности изменения информации);

- оперативности доставки видеоданных.

Существуют различные технологии и решения, которые применяются для защиты видеоданных. Однако применяемые методы имеют такие недостатки:

- закрытие видеопотока происходит не в он-лайн режиме;

- ограничения, накладываемые на производительность вычислительных систем, не позволяют применять современные методы сжатия и шифрования;

- объем закрытых видеоданных зачастую значительно превышает объем исходных.

Процесс шифрования может быть реализован на разных этапах формирования, обработки и передачи видеоданных [1,2], а именно:

1) до сжатия видеопотока;

2) после того, как сформировано компрессионное представление видеоданных;

3) в процессе сжатия.

Вариант с шифрованием исходных данных до сжатия обладает следующими недостатками:

- не учитывается сокращение избыточности в исходных видеоданных;

- после сжатия происходит увеличение первоначального объема видеоданных в результате разрушения структуры видеопотока из-за предварительного шифрования;

- увеличение объема сжатого представления шифрованных видеоданных влечет за собой увеличение времени на передачу этих данных в канале связи.

Вариант с применением шифрования к уже сжатым видеоданным позволяет сократить предварительную избыточность исходного видеопотока и снизить время на шифрование. Он обеспечивает высокий уровень закрытия информации, но при этом имеет существенные недостатки:

- при ошибках в канале связи происходит размножение ошибок;

- криптографической обработке подлежит вся видеоинформация, из-за чего увеличивается суммарное время обработки формируемых видеоданных на передающей стороне и время обработки видеоданных на принимающей стороне.

Поэтому для устранения недостатков предлагается применять вариант, в котором данные закрываются в процессе их сжатия - селективный подход.

При использовании селективного подхода, основанного на закрытии базового I-кадра, с одной стороны, выполняются требования по обеспечению конфиденциальности и целостности видеоинформационного ресурса. Но с другой - реализация такого подхода приводит к увеличению интенсивности передаваемых закрытых видеоданных, в результате чего снижается пропускная способность закрытого видеоканала. Это делает невозможным выполнение требований, установленных для ведомственных систем видеоконференцсвязи по обеспечению необходимой пропускной способности скрытого канала. В этом случае снижается эффективность проведения ведомственных сеансов видеоконференцсвязи.

Удельный вес закрытого базового кадра значительно (до 80%) влияет на интенсивность всей группы видеокадров. Это объясняется тем, что процесс сжатия с помощью алгоритма MPEG после закрытия I-кадра практически отсутствует. Такое происходит в результате разрушения статистических, психовизуальных, структурных закономерностей в процессе шифрования.

Значит, необходимо дополнительно снизить интенсивность закрытого видеопотока в условиях обеспечения требуемой достоверности и конфиденциальности.

Таким образом, целью исследования является разработка метода, обеспечивающего снижение пропускной способности закрытого видеоканала для систем видеоконференцс-вязи.

2. Основное содержание исследования

Селективный подход, основанный на закрытии I-кадра, относится к варианту межкадровой селекции. Межкадровая селекция находится на уровне структуры потока видеокадров, где закрытию подлежит не весь видеоряд, а определенное количество кадров. В таком подходе закрытия основным недостатком является увеличение интенсивности (снижение пропускной способности видеоданных до 70%). Поэтому для повышения пропускной способности предлагается дополнительно рассматривать подход, основанный на закрытии видеопотока на базе внутрикадровой селекции.

Под понятием внутрикадровой селекции подразумевается закрытие не всего видеокадра, а только значимых S^ его составляющих. Таким образом, видеокадр Kj представляет собой множество ^ значимых S™ и незначимых s nii составляющих:

зн незн

KI _ ^зн U ^незн ,

где ^зн = { i^,..S£ }, а Пезн = ^зн,..^,...,S^r'}, ^зн - множество зна-

чимых составляющих; | ¥зн | - количество значимых составляющих в множестве значимых составляющих; - множество незначимых составляющих; | I - количество

незн незн

незначимых составляющих в множестве незначимых составляющих.

Под значимой S^ составляющей понимается такая составляющая базового видеокадра, которая несет в себе наибольшую семантическую и структурную информативность. В процессе автоматической селекции значимых S^ составляющих предлагается учитывать структурные особенности формирования видеопотока. Для этого предлагается выделять наиболее значимые S^ составляющие на основе цветовой модели видеокадра.

Для селекции значимых структурных единиц S^ предлагается выявлять наиболее информативные, в плане структурного и семантического содержания, составляющие базового кадра. Поскольку наиболее полную информацию несет яркостная составляющая видеокадра Kj , то значимые структурные единицы предлагается выявлять на базе ярко-стных компонент. Поэтому принятие решения по закрытию структурной единицы предлага-

ется осуществлять по результатам анализа информационной составляющей совокупности яркостной составляющей.

блоков В

^ У)

Для определения энергетической насыщенности блоков В^ф"7 предлагается ввести

понятие блоков трех типов:

- слабонасыщенные блоки (блоки, в которых присутствуют равномерные участки изображения);

- средней насыщенности (блоки, в которых имеются незначительные отличия между пикселями, соответственно присутствуют плавные переходы контрастности);

- сильнонасыщенные блоки (блоки, в которых присутствуют резкие переходы яркости и контрастности изображения).

Энергетическую насыщенность блоков предлагается определять после ДКП. С помощью дискретного косинусного преобразования осуществляется переход от пространственно-временного представления видеокадра в пространственно-спектральное. Компоненты трансформанты ДКП являются интегральными характеристиками структурного содержания фрагмента изображения, причем интегральные свойства компонент зависят от их положения в трансформанте (рис 1). На рис. 1 представлено расположение низкочастотных

и высокочастотных компонент трансформанты ДКП в блоках В(У)ф ляющей макроблока.

Область размещения низкочастотных компонент ДКП в блоках макроблока

(Ы

яркостной состав-

БС А / БС 1,

/

/

( /

В (У 'Г В (У

/ Т2

(

БС J Г БС

р ;,у V)

и )3 В( У

м

Рис. 1. Схема расположения низкочастотных и высокочастотных компонент трансформанты ДКП в

блоках В(!)ф яркостной составляющей макроблока

Из рис. 1 видно, что низкочастотные компоненты находятся в области первых пяти диагоналей, среднечастотные компоненты расположены в пределах пятой-девятой диагоналей, а высокочастотные компоненты - между девятой и тринадцатой диагоналями.

Интегральная зависимость компонент трансформанты ДКП выглядит следующим образом:

1. Значения компонент в верхнем левом углу трансформанты ДКП пропорциональны средней яркости изображения. Они характеризуют степень насыщенности блока изображения низкочастотными перепадами. К ним относят ступенчатые изменения уровня яркости или координаты цвета.

2. Компоненты в средней части трансформанты определяют степень насыщенности блока изображения линейными, равномерными изменениями уровня яркости.

3. Значения компонент в нижней правой области трансформанты ДКП характеризуют степень насыщенности высокочастотными перепадами блока изображения. К высокочастотным перепадам относят импульсные изменения значений элементов изображений.

Поэтому можно сделать вывод о том, что энергией блока называется величина, характеризующая наличие неоднородно визуальных контуров блока изображения.

Значения компонент изменяются по мере преобладания в изображении различных структурных особенностей.

Широкий класс изображений содержит в основном линейные, монотонные и ступенчатые структурные изменения уровня яркости. Импульсные изменения занимают меньшую площадь изображения. Кроме того, они могут быть вызваны шумами дискретизации. Поэтому наибольшие значения имеют компоненты, расположенные в верхней левой части трансформанты. Компоненты в нижней части трансформанты соответствуют высокочастотным изменениям и поэтому имеют меньшие значения.

На рис. 2 показано расположение компонент в трансформанте ДКП блока яркостной составляющей видеокадра.

Лн=5

у / У / / / / / /// /' /

/ ж й У

/ У У / 4—а ,=1

/" /

У /

и

Рис. 2. Схема расположения компонент в трансформанте ДКП блока яркости видеокадра

Для трансформанты ДКП в сильнонасыщенных блоках изображениях характерны следующие особенности:

- значения компонент ДКП уменьшаются по диагональному зигзагу слева - направо, сверху - вниз;

- компоненты ДКП с большими значениями сконцентрированы в относительно малой области трансформанты. Компоненты с минимальными значениями занимают большую площадь трансформанты;

- при большой площади изображения, имеющей мало изменяющуюся яркость, размер области трансформанты с большими значениями компонент имеет маленькую площадь.

Предлагается оценивать структурную и семантическую информативность структурной единицы с позиции спектральных характеристик. Очевидно, что чем больше размер однородной яркостной площади и чем меньше площадь, заполненная мелкими деталями, тем меньше степень структурной и семантической информативности обрабатываемого блока видеокадра. Наоборот, чем чаще яркостные перепады и чем больше площадь, отводимая под мелкие детали и контурные перепады, тем выше структурная и семантическая информативность. В связи с этим для оценки значимости структурных единиц предлагается использовать информацию, содержащуюся в спектральном представлении изображения.

Для определения блоков с выраженными яркостными ступенчатыми перепадами предлагается использовать информацию, содержащуюся в совокупности низкочастотных компонент. Такую информацию предлагается оценивать с помощью показателя 2(Бн )Ф"у) суммарных значений низкочастотных компонент, которые находятся в первых 4-х диагоналях (1 < Хн < 5). Показатель 2(Бн)Ф^,у) рассчитывается по следующей формуле:

ф

Ч ^(ан) 2

l0g 2 ^ Е У ан,и

2

&

ан =1

где 2(Бн )(^,у) - показатель, который определяет суммарное значение низкочастотных компонент ДКП блока В(У)ф яркости; Уан,и - значение компоненты трансформанты; Хн - количество диагоналей с низкочастотными компонентами в трансформанте; и -индекс элемента внутри ан -й диагонали; ан - индекс низкочастотной Хн -й диагонали; £(ан) - длина низкочастотной ан-й диагонали.

Выражение (1) позволяет определить наличие значительных яркостных перепадов в блоках яркости.

3. Выводы

1. Разработана технология, позволяющая выявлять наиболее энергетически значимые структурные единицы базового видеокадра, которая базируется на оценке информации, содержащейся в низкочастотных компонентах трансформанты ДКП блока яркостной составляющей.

2. Разработана система показателей (метрика) для выявления наиболее значимых блоков яркостной составляющей видеокадра по степени семантической и структурной насыщенности на основе оценки информации, содержащейся в суммарных значениях низкочастотных компонент трансформанты ДКП. Использование метода внутрикадровой селекции, основанного на закрытии наиболее значимых структурных единиц, позволяет снизить интенсивность закрытого видеоинформационного ресурса на 30-70% по сравнению с закрытием всего базового видеокадра.

Получил дальнейшее развитие способ селекции значимых составляющих кадра на основе оценки степени их информативности. Отличительной характеристикой данного способа является оценка информативности для структурных единиц в спектральной области на основе иерархии порогового взвешивания низкочастотных составляющих. Это создает условие для закрытия видеопотока на основе технологии внутрикадровой селекции. Список литературы: 1. Ватолин Д., Ратушняк А., СмирновМ., Юкин В.Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео М.: Диалог-Мифи, 2003. 381с. 2. Ричардсон Ян Видеокодирование. Н.264 и MPEG-4 — стандарты нового поколения. М.: Техносфера, 2005. 368с. 3. Баранник В.В. Кодирование трансформированных изображений в инфокоммуникационных системах. Х.: ХУПС, 2010. 212 с. 4. ГонсалесР., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2006. 1072 с.

Поступила в редколлегию 26.05.2015 Баранник Владимир Викторович, д-р техн. наук, профессор, начальник кафедры Харьковского университета Воздушных Сил им. Ивана Кожедуба. Научные интересы: системы, технологии преобразования, кодирования, защиты и передачи информации, семантической обработки изображений. Адрес: Украина, 61023, Харьков, ул. Сумская, 77/79. Комолов Дмитрий Иванович, главный специалист отдела связи Главного управления Национальной полиции в Харьковской области. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. Совнаркомовская, 5.

Тарасенко Анатолий Васильевич, соискатель, Черкасский институт пожарной безопасности им. Героев Чернобыля.

Мусиенко Александр Павлович, адъюнкт Харьковского университета Воздушных Сил имени Ивана Кожедуба. Адрес: Украина, 61023, Харьков, ул. Сумская, 77/79.