Оценка эффективности методов сжатия для кодирования многоракурсных изображений с подвижных объектов

Доклады БГУИР

2014 № 5

УДК 621.391

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДОВ СЖАТИЯ ДЛЯ КОДИРОВАНИЯ МНОГОРАКУРСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ С ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

В.Ю. ЦВЕТКОВ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 1 апреля 2014

Произведена оценка эффективности методов сжатия для кодирования многоракурсных изображений, формируемых камерами, установленными на подвижных объектах.

Ключевые слова: сжатие изображений, кодирование многоракурсных изображений.

Введение

Развитие систем дистанционного зондирования Земли, пассивной оптической локации и мобильного видеонаблюдения привело к формированию проблемы эффективной передачи видеоданных с подвижных объектов. Для таких систем характерно использование радиоканала с ограниченной пропускной способностью, передача многоракурсных изображений от одной или нескольких перемещающихся камер и снижение временной избыточности видеоданных из-за параллакса, проявляющегося на изображениях при перемещении камеры. Таким образом, актуальной задачей является оценка эффективности методов сжатия в рассмотренных условиях. Для этого необходимо сопоставить характеристики многоракурсных изображений, радиоканалов и кодеков сжатия в условиях передачи многоракурсных изображений с подвижных объектов.

Характеристики многоракурсных изображений с подвижных объектов

Возможны следующие способы формирования многоракурсных изображений с подвижных объектов (рис. 1): перекрывающиеся кадры одной видеопоследовательности, сформированные в различные моменты времени одной перемещающейся камерой; перекрывающиеся кадры нескольких видеопоследовательностей, сформированные в различные моменты времени одной или несколькими циклически перемещающимися камерами; перекрывающиеся кадры нескольких видеопоследовательностей, сформированные в один момент времени несколькими камерами (неподвижными или перемещающимися, установленными на одном или нескольких носителях).

Видеопоследовательность, формируемая перемещающейся камерой, может быть разделена на перекрывающиеся фрагменты, кадры которых представляют собой разноракурсные изображения одних и тех же объектов (3Б-изображения). В результате обработки многоракурсного изображения формируются плоские, круговые, сферические, секторные панорамы, включающие преобразованные разноракурсные фрагменты многоракурсного изображения. По способу формирования панорамные изображения могут быть отнесены к классу многоракурсных изображений, хотя и не являются таковыми по способу представления (хранения) и воспроизведения.

Видеокамеры, используемые в системах видеонаблюдения, формируют цветные или полутоновые кадры с размерами от 320^180 до 2048^1536 пикселей с частотой ¥к =[1,120] кадр/с. Тепловизоры формируют полутоновые кадры с размерами 640x480,

320x240, 160x120 пикселей с частотой ¥к =[1,120] кадр/с.

а б в

Рис. 1. Способы формирования многоракурсных изображений: а - от одной перемещающейся камеры; б - от одной или нескольких циклически перемещающихся камер; в - в один момент времени от нескольких камер Скорость Вк формирования 3D изображений (в бит/с) от одной перемещающейся видеокамеры определяется с помощью выражения

Вк = УкРкйв:

где Ук = Ук Хк Ыс - объем видеоданных (в байтах), приходящихся на один кадр размером Ук х Х^ пикселей; - число каналов (Ыс = 1 для полутонового кадра, Мс = 3 для цветного кадра); 0В - битовая глубина (число бит на пиксель) кадра.

Для определения скорости Вк формирования стереоизображений необходимо удвоить соответствующее значение для одной камеры.

Скорость В формирования плоской панорамы определяется с помощью выражения

вмур = умур ^к^в,

где УМУР = Ук ХМУР Ыс - объем видеоданных, приходящейся на один фрагмент плоской панорамы размером Ук х ХМУР пикселей; ХМУР = Хк иХ/(3Х ¥к ) - размер фрагмента плоской панорамы по горизонтали; = 2 Lxtg(yx /2) - размер (в метрах) области видимости на расстоянии ЬХ от камеры; оХ - скорость (в м/с) носителя камеры; Ух - угол (в градусах) обзора камеры по горизонтали. Скорость В формирования круговой панорамы с помощью одной камеры определяется с помощью выражения

Вср = УсР^В,

где УСР = Ук ХСР N - объем видеоданных, приходящихся на одну круговую панораму размером Ук х ХсР пикселей; ХСР = 360ХК /ух - размер круговой панорамы по горизонтали; ^р =юк/360 - частота (панорам/с) формирования кругового панорамного видеоизображения; юк - угловая скорость (град/с) поворота камеры.

При использовании двух однотипных камер, установленных на одном или двух объектах-носителях, для формирования стереоскопического видеоизображения, круговой стереопанорамы, плоской стереопанорамы для расчета скоростей формирования изображений принимаются соответствующие удвоенные значения, установленные для одной камеры. Необходимым условием формирования панорам является перекрытие изображений на 25 % и более. Поэтому для вычисления скоростей формирования панорамного изображения от двух однотипных камер принимаются соответствующие значения, установленные для одной камеры, умноженные на 1,75. Для двух разнотипных камер (видеокамера и тепловизор), установленных на одном объекте-носителе, скорости формирования многоракурсных изображений вычисляются с учетом того, что размер и частота кадров определяются минимальными значениями для двух камер.

При раздельной передаче видео от N однотипных камер, установленных на одном или нескольких объектах-носителях, формируется SD-видеоизображение. Для определения его размеров YNK х XNK, объема VNK и скорости BNK передачи принимаются соответствующие значения, установленные для одной камеры, умноженные на N. В случае использования одного носителя для полного кругового обзора периметра необходимое число N устанавливаемых на него однотипных камер вычисляется с помощью выражения N = 360/ (о,75у x ), где 0,75 -коэффициент, учитывающий перекрытие изображений по горизонтали. Для сферического обзора пространства необходимое число N устанавливаемых на одном носителе однотипных камер вычисляется с помощью выражения N = 4-180/ (l80 • 0,56sin2 (yY/2))= 4/(o,56sin2 (yY/2)), где у7 - угол обзора камеры по вертикали; 0,56 - коэффициент, учитывающий перекрытие изображений по вертикали.

Скорость Вж передачи круговой видеопанорамы вычисляется с помощью выражения

bnk = vnkfkdb ,

где VNK = Yn

1nkxnknc ; xnk = 360xkIуX ; Ynk = Yf .

Для сферической видеопанорамы N = 4 -180/ (l80sin2 (уг/2)) = 4/sm2 (уг/2);

ynk = nyf ; xnk = nxk •

Расчеты по выражениям (1)-(4) показывают, что скорость формирования многоракурсных изображений от нескольких десятков видеокамер или тепловизоров при минимальном качестве составляет около 100 Мбит/с (рис. 2). С увеличением числа камер и качества многоракурсных изображений скорость их формирования быстро растет.

N

Рис. 2. Зависимости минимальной (min) и максимальной (max) скоростей формирования многоракурсных изображений от числа камер

Требования к качеству формирования и передачи многоракурсных изображений с подвижных объектов определяются задачами их обработки, в число которых входят обнаружение, идентификация, сопровождение, определение координат местоположения цели, трехмерная реконструкция, панорамирование.

Характеристики радиоканалов передачи видеоданных с подвижных объектов

Единственным в своем роде стандартом, устанавливающим требования к радиоканалам передачи видеоданных с подвижных объектов, является STANAG 4609, разработанный НАТО в 2005 году и постоянно модифицируемый [1]. Стандартом предусмотрена передача видеоданных по радиоканалам с подвижных объектов на скоростях от 32 Кбит/с до 1485 Мбит/с. С учетом используемого частотного диапазона максимальная скорость передачи, доступная для носимых и возимых систем, составляет до 0,5 Мбит/с; для самолетов - до 360 Мбит/с; для космических аппаратов до 1500 Мбит/с.

Характеристики кодеков сжатия видеоданных

Радиоканал имеет жесткие ограничения по скорости передачи и дальности, обусловленные массогабаритными и энергетическими характеристиками радиоаппаратуры.

Для передачи многоракурсных изображений с подвижных объектов необходимо согласовать скорость их формирования с пропускной способностью радиоканала. Это осуществляется с помощью сжатия.

Коэффициент СЯ сжатия рассчитывается с помощью выражения

CR = Bj/BR,

где BR - пропускная способность радиоканала (с учетом помехоустойчивого кодирования); B - скорость формирования многоракурсных изображений.

Требуемый коэффициент сжатия для передачи многоракурсных изображений по радиоканалам может достигать 20xlO10 раз. Однако реально возможный коэффициент сжатия значительно ниже. Во-первых, максимально возможный коэффициент сжатия определяется используемым кодеком. Во-вторых, метод и максимально допустимый коэффициент сжатия ограничены задачами обработки многоракурсных изображений, восстановленных после сжатия. Кроме того, пропускная способность радиоканала ограничена условиями его применения.

Для сжатия видеоданных с подвижных объектов используются, как правило, два кодека: MPEG-2 и H.264. Для них установлены максимальные коэффициенты сжатия 165 и 430 раз соответственно при частоте 25 кадров/с и кодировании RGB 8 бит/пиксель [1]. Эти значения близки к максимально возможным коэффициентам сжатия для данных кодеков и соответствуют значению PSNR пикового отношения сигнал-шум на уровне 20-25 дБ [2].

Значение PSNR определяется с помощью выражения

PSNR = 10log 10Г(2Bd -1 J/mSE],

где МБЕ = — - Xi У - среднеквадратическая ошибка; X,, X, - исходное и

восстановленное значения /-го пикселя; п - число пикселей в изображении.

В системах стационарного видеонаблюдения используются также MJPEG, MJPEG2000 и MPEG-4 [3]. Максимально возможные коэффициенты сжатия для этих кодеков при PSNR на уровне 20 дБ составляют около 50, 150 и 300 раз соответственно [2]. При РЗМЯ на уровне 25 дБ коэффициенты сжатия для данных кодеков составляют около 30, 100 и 140 раз.

Коэффициенты сжатия при PSNR на уровне 25 дБ являются предельно допустимыми для задач обработки многоракурсных изображений, не критичных к потере мелких деталей. В некоторых условиях к таким задачам могут быть отнесены обнаружение, сопровождение и определение координат местоположения цели. Задача обнаружения цели допускает использование кодеков любого типа (табл.). Другие задачи обработки многоракурсных изображений требуют более высокого качества и, соответственно, значительно меньших коэффициентов сжатия.

Скорости передачи и максимально допустимые

коэффициенты сжатия изображений

Задачи обработки многоракурсных изображений

PSNR, дБ

Коэффициент сжатия для различных кодеков

MJPEG

MJPEG 2000

MPEG-2

MPEG-4

H.264

Обнаружение цели

Сопровождение цели

25

30

100

85

140

200

Определение координат цели

Идентификация

Сопровождение цели

30

10

25

Определение координат цели

3D реконструкция

Панорамирование

Сопровождение цели

30

10

25

27

35

55

Определение координат цели

Для задач идентификации цели в системах стационарного видеонаблюдения (распознавание лиц, номеров автомобилей) используется несжатое видео или видео с покадровым сжатием в форматах MJPEG и MJPEG2000 при PSNR около 30 дБ [4], что соответствует

максимально допустимым коэффициентам сжатия до 10 раз для MJPEG и до 25 раз для MJPEG2000.

Для задач 3Б-реконструкции и панорамирования могут использоваться изображения, сжатые с помощью кодека JPEG до 10 раз. В случае использования JPEG2000 максимально допустимый коэффициент сжатия при PSNR = 30 дБ возрастает до 25 раз, в случае MPEG-4 -до 35 раз, а в случае H.264 - до 55 раз [2]. Видеокодек MPEG-2 обеспечивает примерно в 2 раза меньший коэффициент сжатия по сравнению с H.264, т.е. примерно 27 раз для PSNR на уровне 30 дБ. Аналогичные максимально допустимые коэффициенты сжатия могут быть приняты для задач сопровождения и определения координат местоположения цели. Задача сопровождения при размерах цели порядка 50 пикселей сводится к задаче идентификации (допускает сжатие не более чем в 7 или 20 раз в зависимости от кодека MJPEG или MJPEG2000), а при размерах цели порядка 4^4 пикселей сводится к задаче обнаружения (допускает сжатие в десятки - сотни раз).

Сопоставление характеристик многоракурсных изображений, радиоканалов и кодеков

На рис. 3 представлены зависимости требуемой пропускной способности радиоканала от коэффициента сжатия для некоторых типов многоракурсных изображений, сформированных видеокамерой в различных условиях с учетом рассмотренных ограничений (см. табл.), где S -системы космического базирования; A - системы авиационного базирования; H/M - носимые и возимые системы.

10 BR

10е Kbps

ю5

MJPEG 200 Н.264 S

А 1

Ч\ \ \ V_____ \ \ Н/М

Хч \ ч : очх

r 460.8 Kbps 1Я87 18870 1887436.8 188698 11324820 8_ ...........................CR

10' BR

ю8 Kbps

ю5

MJPEG 200 H 264 : s

А :

чо \ Н/М

X X \ \ \ \ ч. X.

33 В,-» 1= Kbps 15 12146 1214669 121464 1513336 ...................CR .......

10' BR

ю8 Kbps

ю5

MJPEG 200 3 H 264 S

А 1

Ч ^ . Н/М

х \\\ \ \ X \

Kbps 2765 13562 1358955 135619 11690652_ ...........................CR

10' BR

10е Kbps

10s

MJPEG 2 000 H 264 S

\ ч V \ д

\ \ \ \ \ \ \ \ \\ Н/М :

Kbps 2765 3397359 339736624 339733 33973566 2036431744 CR-

в г

Рис. 3. Зависимости требуемой пропускной способности радиоканала от коэффициента сжатия для различных многоракурсных изображений: а - 3Б изображения; б - плоская панорамы; в - круговая

панорамы; г - круговая видео--панорамы

б

а

Анализ данных зависимостей показывает следующее. В носимых и возимых системах формирования и передачи многоракурсных изображений возможна передача 3Б-изображений и плоских панорам в среднем разрешении с использованием кодеков любого типа. Круговые панорамы и видеопанорамы могут передаваться только в низком разрешении при высоких коэффициентах сжатия (5-25 раз для круговых панорам и кодека MJPEG2000; 8-100 раз для круговых видеопанорам и кодека H.264). В системах формирования и передачи многоракурсных изображений авиационного и космического базирования передача 3D-изображений, плоских и круговых панорам в высоком разрешении возможна с использованием кодеков любого типа. Круговые видеопанорамы могут передаваться в среднем разрешении при использовании кодека H.264 и сжатии в 25-200 раз или в низком разрешении при использовании кодека MJPEG2000 и сжатии до 25 раз.

Заключение

Ограничения на пропускную способность радиоканалов и максимально допустимый коэффициент сжатия в системах формирования и передачи многоракурсных изображений с подвижных объектов являются основными причинами, препятствующими использованию камер высокого разрешения и решению задач обработки многоракурсных изображений, связанных с 3D реконструкцией, панорамированием, идентификацией, сопровождением и определением координат местоположения цели. Необходимым условием расширения области применения камер высокого разрешения и задач обработки многоракурсных изображений является увеличение максимально допустимого коэффициента сжатия, что требует разработки новых методов кодирования многоракурсных изображений, учитывающих специфику их формирования и передачи.

PERFORMANCE EVALUATION OF COMPRESSION METHODS FOR MULTI-ANGLE IMAGES FROM MOVING OBJECTS

V.Yu. TSVIATKOU Abstract

Evaluating the effectiveness of compression methods for encoding multi-angle images that are formed cameras mounted on moving objects is produced.

Список литературы

1. STANAG 4609 NATO Digital Motion Imagery Standard // NATO Standardization Agency, Brussels, Belgium: 1st edition, 2005.

2. MSU Video Codecs Comparison. - [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://compression.ru/video/codec_comparison/codec_comparison.html. - Дата доступа: 16.03.2013.

3. Системы безопасности. 2010. № 4.

4. Аппаратная видеоаналитика для охраны стратегических объектов. - [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://synesis.ru/blog/article/ptitsyn-apparatnaya-videoanalitika-dlya-oxranyi-strategicheskix-obektov. - Дата доступа: 16.03.2013.