Технология формирования кодовой конструкции для селективного метода обработки видеоданных

УДК681.3

ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ КОДОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ ВИДЕОДАННЫХ

КОМОЛОВ Д.И._

Рассматривается селективный метод шифрования видеокадров, основанный на скрытии базового I-кадра. Работа данного метода базируется на основе обработки группы кадров, с учетом алгоритма MPEG, который реализован по принципу формирования последовательности видеокадров разных типов. Разрабатывается технология формирования кодовой конструкции для селективного метода обработки видеоданных. Развивается технология формирования битового кода в селективном методе шифрования видеоинформационного ресурса с учетом энергетически значимых структурных единиц базового видеокадра. Она позволяет рассчитать пропускную способность закрытого видеоинформационного канала связи с учетом интенсивности битового потока зашифрованных и открытых структурных единиц.

Ключевые слова: видеокадр, группа кадров, интенсивность, шифрование, селективный метод, кодовая конструкция.

1. Введение

В современных телекоммуникационных системах большое внимание уделяется внедрению технологий безопасности. То же касается и систем видеоконфе-ренцсвязи. Существующие технологии скрытия видеоинформационных ресурсов обеспечивают необходимую конфиденциальность. Однако они имеют существенный недостаток: их работа основана на закрытии всего потока передаваемой информации вне зависимости от типа и содержания видеосцены. Такой подход закрытия информации называется полным. Его использование для открытых видеоинформационных ресурсов в инфокоммуникационных системах реального времени является непрактичным.

Для решения этой проблемы применяется селективный подход шифрования. Его суть заключается в скрытии наиболее значимых компонент видеопотока. Эти компоненты формируются в процессе сжатия видеоданных. Поэтому такое шифрование относится к селективному.

Предлагается закрывать только базовый I-кадр. Это позволит уменьшить объем и время обработки шифрованных сжатых видеоданных.

Дополнительно предлагается рассматривать подход, основанный на закрытии видеопотока на базе внутри-кадровой селекции.

Под внутрикадровой селекцией подразумевается закрытие не всего видеокадра, а только значимых его составляющих. Под значимой составляющей понимается такая составляющая базового видеокадра,

которая несет в себе наибольшую семантическую и структурную информативность. В процессе автоматической селекции значимых составляющих предлагается учитывать структурные особенности формирования видеопотока.

Для селекции значимых структурных единиц разработана технология, которая базируется на оценке информации, содержащейся в низкочастотных и высокочастотных компонентах трансформанты ДКП блока яркостной составляющей. Значит, необходимо разработать механизм для реализации внутрикадровой селекции видеоданных.

Таким образом, целью исследования является разработка технологии формирования кодовой конструкции для селективного метода обработки видеоданных.

2. Основная часть

На рисунке показана схема кодовой конструкции представления скрытой группы видеокадров. Видно, что кодограмма скрытого базового видеокадра формируется следующим образом:

1) Сначала располагается общая служебная информация о базовом видеокадре (Ут =113 байт), которая

тслуж

включает в себя такие данные:

- маркер начала кадра рт D8] (2 байта);

- маркер параметров квантования [FF DВ] (2 байта) и сами параметры (67 байт);

- маркер таблицы служебных данных [FF С4] (2 байта), длину параметров (2 байта), идентификатор таблиц (1 байт), длину кодов таблиц;

- маркер метода кодирования [FF С0] (2 байта), длину информационного кода о методе кодирования (2 байта), информацию о методе кодирования (размер видеокадра, разрядность значений каналов, формат цветового представления, параметры вертикального и горизонтального прореживания компонент) (17 байт).

2) После этого идут поля кодовой конструкции, которые соответствуют информации о структурных единицах базового видеокадра. Интенсивность кодового потока зашифрованной структурной единицы определяется как у8Тскр и включает в себя следующие составляющие:

- служебную часть информации о скрытой структурной единице, которая включает в себя маркер начала сканирования структурной единицы [FF DA] и при-

знак закрытия ( vi

= 3 байта);

- кодограмму информационной части (значения компонент матрицы ДКП), интенсивность которой опре-

деляется как

V

•''

В селективном методе обработки видеоданных кодовые конструкции служебной информации о компо-

ы о

Заголовок

Тип

Параметры буф ера

Формат Цветового представления

Параметры квантования

Структурная единиц а

П ар аметры Ф ор мат Цветового Параметры Структурная

буфера квантования единица

>Рсж

Маркер начала кадоа П ара: 1*гры квантшани; Таблица шуже&ьк данных Метод ксдир :г или Маркер начала сканир знания Служебная информация ( компонентах К смпрес сионное представление ОС, АС комитет Маркер конца кадра

Разрядность каналов Ширина и высота Щ«ОВ<ГО лре лишения К аракг еристига компонент

2 Байта 69 Байт 23 Байта 19 Байт 2 Байта 21 Байт 2 Байта

V* ЕРсж

Л

Маркер) начала кадра

П араметры

квант ов ания штабных данньк

Таблица

Ющшрашвсжатого представления В-кадеш

Мет декодирования

Разрядность каналов

ПГйряТа

Форуит цвете ото ДСПЕ1И нп

X арактеригт] пи комганент УСгСЬ

Маркер

2 Байта 69 Байт 23 Байта

19 Байт

V. =113Байт

начала сканир

Служебная информация с комюнентах

Компре основное представление ВС, АС

2 Байга 21 Байт

"слум:

Век

СЖ

" Маркер кенца кадоа

2 Байта

Заголовок Метод КОДИРОВАНИЯ Ширин» п ВЫСОТА Формат Цветового Параметры квантован!и Таблица служебных Закрытая структурная Не закрытая структурная

представления данных единица единица

к> о

(Л

ъ

Маркер Параметры Таблица служебник данных Метод кодирования

начала кадра квантован! ¡я Разрядность каналов Лирина и высота Формат цветового представления Характеристики компонент У СгСЬ

2 Байта 69 Байт 23 Байта 19 Байт

Кодограмма зжрьп^^джатого пред{тивлеши 1-Чяцря

V,

= 1!13 Байт

Маркер начала :ханиров ания

Признак

ЗЖрЫТИЯ

Служебная

2 Байга I Байт

11 Байт

у

^СЛ}ГЖ

К омпрессионное

информация о представление ОС компонентах АС компонент

у'К=Т)

V

Ол)

Маркер конца кадра

2 Байта

Структура кодовой конструкции представления скрытой группы видеокадров

нентах и информационной части энергетически значимых структурных единице 8знт) подлежат шифрованию.

3) Кодовая конструкция открытой структурной единицы, которая состоит из следующих составляющих:

- кодограмма информационной части об открытой структурной единицы ут'(р'у), которая включает в себя

маркер начала сканирования структурной единицы [РР DA] (2 байта) и признак закрытия (1 байт), длину заголовка, количество компонент сканирования, номера компонент сканирования;

- двоичныи код компрессионного представления DC, АС-компонент.

Кодовая конструкция Р-кадра состоит из такой информации:

1. Служебная информация о Р-кадре (урслуж =113 байт), которая включает в себя:

- маркер начала кадра [РР D8] (2 байта);

- маркер параметров квантования [РР DВ] (2 байта) и сами параметры (67 байт);

- маркер таблицы служебных данных [РР С4] (2 байта), длину параметров (2 байта), идентификатор таблиц (1 байт), длину кодов таблиц;

- маркер метода кодирования [РР С0] (2 байта), длину информационного кода о методе кодирования (2 байта), информацию о методе кодирования (размер видеокадра, разрядность значений каналов, формат цветового представления, параметры вертикального и горизонтального прореживания компонент) (17 байт);

2. Потом идут поля кода, которые включают в себя информацию о структурных единицах Р-кадра. Интенсивность битового кода структурной единицы Р-кад-

ра определяется как уЗ^) и включает в себя такие составляющие:

- служебную информацию о компонентах ( длина заголовка, количество компонент сканирования, номера компонент сканирования), Ур^ - длину кода

служебной части (р. у) -й сжатой структурной единицы Р-кадра;

- двоичный код компрессионного представления DC,

АС-компонент структурных единиц Р-кадра, УЗр.у) -длину кода компрессионного представления DC, АС-компонент р, у -й структурной единицы Р-кадра.

Двоичный код В-кадра состоит из следующей информации:

1. Служебная информация о В-кадре (Увслуж =113 байт),

которая включает в себя:

РИ, 2015, № 4

- маркер начала кадра [РР D8] (2 байта);

- маркер параметров квантования [РР DВ] (2 байта) и сами параметры (67 байт);

- маркер таблицы служебных данных [РР С4] (2 байта), длину параметров (2 байта), идентификатор таблиц (1 байт), длину кодов таблиц;

- маркер метода кодирования [РР С0] (2 байта), длину информационного кода о методе кодирования (2 байта), информацию о методе кодирования (размер видеокадра, разрядность значений каналов, формат цветового представления, параметры вертикального и горизонтального прореживания компонент) (17 байт).

2. Потом идут поля кода, которые включают в себя информации о структурных единицах В-кадра. Интенсивность кодового потока структурной единицы В-

кадра определяется как ^^) и состоит из следующих составляющих:

- служебная информация о компонентах ( длина заголовка, количество компонент сканирования, номера

компонент сканирования), Уз^ - длина кода служебной части (р. у) -й сжатой структурной единицы В-кадра;

- двоичный код компрессионного представления DC, АС-компонент структурных единиц В-кадра,

у(р.У) -

длина кода компрессионного представления DC, АС-компонент р, у -й структурной единицы В-кадра.

Длина кодовой конструкции закрытого базового видеокадра Утскр - это сумма интенсивностей битового потока скрытых и компрессионно представленных структурных единиц. Данное определение можно представить следующим образом:

Утскр = У + у, + у,

служ зтсж атскр '

где Уз - длина кода всех компрессионно представ-

тсж

ленных структурных единиц 1-кадра; Уз - длина кода всех скрытых структурных единиц 1-кадра; Утслуж

- длина кода служебной информации базового видеокадра.

Кодовое представление не скрытой структур-

ной единицы базового видеокадра Кт определяется как:

у(р.У) = ут(р.У) + у'(р.У) . кт

зтсж тслуж зт сж '

где У(ру) - длина кода служебной информации

зтслуж

(р.у) -й структурной единицы базового видеокадра;

У

7

- длина битового потока компрессионного

представления (р. у) -й структурной единицы базового видеокадра.

Интенсивность кода всех открытых структурных единиц У^ базового кадра Кт будет рассчитываться как:

т п 16 16

у =уу(у;(р.т) + уз(р.у)).

зтсж ¿—¡¿—1 тслуж зт сж

р=1 у=1

Интенсивность Уз^ зашифрованной структурной единицы определяется по формуле:

у

служ сж ^^ ^служ ^1скр

1 1

<р,У)

Длина кода компрессионного представления у3р структурной единицы Р-кадра определяется так:

у(р,у) = у(р.У + у(р.У

структурных единиц Р-кадра. Это описывается следующим выражением:

m n 16 16

V = Vp +ТТ(Ур ) + vS(p,Y)).

Рсж Рслуж I йРслуж »Рсж

p=1 Y=1

где утсщж - длина кода открытой части служебной информации (р. у) -й зашифрованной структурной

единицы базового видеокадра; У8т(р,У) - длина битового потока зашифрованной информационной части (р. у) -й структурной единицы базового видеокадра.

Интенсивность кода всех зашифрованных структурных единиц Узт базового кадра Кт будет рассчитываться так:

т п 16 16

у =УУ(У" (р.у) + У' (р.у)).

зтскр Х—IX—1 тслуж зтскр

р=1 У=1

Таким образом, длина кодового потока утскр закрытого базового видеокадра будет определяться по следующей формуле:

N„0 N

скР сж

ут = Ут + у

т скр *служ ¿ш^ тслуж зт сж ^^ тслуж зтскр

Длина кода компрессионного представления структурной единицы У^^ В-кадра определяется так:

ур = ур + ур)

Всж Вслуж Всж '

где У(ру) - длина кода служебной информации

зВслуж

(р. у) -й структурной единицы В-кадра; Уз^" - длина битового потока компрессионного представления (р. у) -й структурной единицы В-кадра.

Интенсивность компрессионного представления В-

кадра уВсж определяется как сумма всех кодовых

последовательностей компрессионного представления структурных единиц В-кадра. Это описывается таким выражением:

т п 16 16

уВ = уВ +У У^(уз(р.у) + Уз(р.у)).

Всж Вслуж ¿—¡¿—1 зВслуж зВсж

p=1 Y=1

Интенсивность УООР скрытой группы видеокадров

определяется как сума битовых последовательностей всех видеокадров в группе и описывается выражением:

N B N Р

VGOP = V^ + Ускр +Е УВсжz +Е VP, z=1 z=1

где Услуж - длина кода служебной информации группы видеокадров; ^ - количество Р-кадров в группе видеокадров; ^ - количество В-кадров в группе видеокадров.

Тогда формула для вычисления интенсивности УООР

скрытой группы видеокадров с учетом интенсивности структурных единиц будет иметь вид:

где У(р у) - длина кода служебной информации

зРслуж

(р. у) -й структурной единицы Р-кадра; Уз^ - длина битового потока компрессионного представления (р. у) -й структурной единицы Р-кадра.

Интенсивность кодового потока компрессионного представления Р-кадра УР определяется как сумма

Рсж

битового потока компрессионного представления всех 22

Vgop = Vz + Vi + У (Vp + Vp) +

gop слуЖ 1служ V 1служ S^ '

1

N

^ сж

+У (V1(p,Y) + VS(p,Y)) + VP

^^ 1служ 01скр Р|

+ VS*' ') + VP +

-•служ 1скр служ

1

m n 16 16

+ УУ (VS(p'Y) + Vs(p,y)) + V

»Рслуж »Рсж В

p=1 Y=1 mn

+ У y

¿—i ¿—i »Вслуж »Всж

p=1 Y=1

Выводы

Разработана технология формирования кодовой конструкции для селективного метода обработки видеоданных, которая базируется на оценке кодового представления структурных единиц видеокадров с учетом их энергетической значимости.

Разработана методологическая база для оценки битовой скорости видеопотока с учетом наличия выделенных структурных единиц для закрытия видеоинформационного ресурса. При расчетах интенсивности группы видеокадров учитывается длина двоичного кода энергетически значимых структурных единиц базового видеокадра.

Дальнейшее р азвитие получила технология формирования битового кода в селективном методе шифрования видеоинформационного ресурса с учетом энергетически значимых структурных единиц базового видеокадра. Она позволяет рассчитать пропускную способность закрытого видеоинформационного канала связи с учетом интенсивности битового потока зашифрованных и открытых структурных единиц.

Литература: 1. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео М.: Диалог-Мифи, 2003. 381с. 2. Ян Ричардсон. Видеокодирование. Н.264 и МРЕО-

4 - стандарты нового поколения. М.: Техносфера, 2005. 368 с. 3. Баранник В.В. Кодирование трансформированных изображений в инфокоммуникационных системах / В.В. Баранник, В.П. Поляков. Х.: ХУПС, 2010. 212 с. 4. Баранник В.В. Методологическая база для управления битовой скоростью видеопотока в процессе компрессии / Баранник В.В. // Пращ УНД1РТ. 2013. 22c.

Транслитерированный список литературы: 1. Vatolin D., RatushnjakA., SmirnovM., Jukin V. Metody szhatija dannyh. Ustroj stvo arhivatorov, szhatie izobrazhenij i video M.: Dialog-Mifi, 2003. 381s. 2. Jan Richardson. Videokodirovanie. N.264 i MPEG-4 - standarty novogo pokolenija. Moskva: Tehnosfera, 2005. 368 s. 3. Barannik V.V. Kodirovanie transformirovannyh izobrazhenij v infokommunikacionnyh sistemah / V.V. Barannik, V.P. Poljakov. H.: HUPS, 2010. 212 s. 4. Barannik V.V. Metodologicheskaja baza dlja upravlenija bitovoj skorost'ju videopotoka v processe kompressii / Barannik V.V. // Praci UNDIRT. 2013. 22c.

Поступила в редколлегию 13.11.2015

Рецензент: д-р техн. наук, проф. Безрук В.М.

Комолов Дмитрий Иванович, главный специалист, отдел связи Главного управления Национальной полиции в Харьковской области, соискатель ХНУРЭ. Научные интересы: технологии защиты информации в инфокоммуникационных системах. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. Совнаркомовская, 5.