Высокоэффективные системы сжатия медиа контента телевизионных программ, оценка качества и их способы дальнейшего совершенствования

Аннотация

Актуальность и востребованность темы диссертации. В мире проводятся исследования, направленные на разработку и усовершенствование высокоэффективных систем сжатия, позволяющих повысить качество медиа контента телевизионных программ и увеличить количество передаваемых каналов. «Если учесть, что к 2025 году глобальная база данных возрастет до 163 ЗБ (зеттабайт - триллион гигабайт)»1, то уменьшение большого объема, занимаемую аудио-видеосигналами телевизионных программ с сохранением качества звука и изображения является одной из актуальных проблем. В этой связи в зарубежных странах, в том числе США, Великобритании, Японии, Франции, Италии, Бельгии, Испании, Швейцарии, Германии, Китае, России и других государствах достигнуты определенные результаты, в которых особое внимание уделяется созданию высокоэффективной системы сжатия медиа контента телевизионных программ. С приобретением независимости в нашей республике особое внимание уделялось развитию средств массовой информации, техническому и технологическому переходу на цифровое телевидение, а также улучшению систем передачи и приема медиаконтента телевизионных программ. В этом отношении достигнуты значительные результаты в предоставлении населению качественного изображения и звука с помощью цифрового телевещания, в том числе налажено производство приемных устройств цифровых видеосигналов. Вместе с тем требуется совершенствование высокоэффективных систем сжатия сигналов изображения и звука исходя из современных требований. В Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан определены задачи, в частности «... усиление роли средств массовой информации, ... установка и эксплуатация 66 высокомощных и 328 маломощных передатчиков цифрового телевидения, ... обеспечить 100 процентный охват населения цифровым телевидением». Для выполнения этих задач одним из важных вопросов являются повышение качества изображения и звука передаваемых телевизионных сигналов, уменьшение объема медиа контента телевизионных программ, создание возможности внедрения дополнительных сервисных услуг. В мире одной из актуальных задач является разработка систем сжатия изображений и звука на основе модифицированного дискретно-косинусного и вейвлет преобразований и их трехмерных реализаций, алгоритмов блочного масштабирования, быстрого преобразования Фурье и различных их комбинированных методов. В этом отношении особое внимание уделяется осуществлению целенаправленных научных исследований, в том числе: разработка систем кодирования медиа контента телевизионных программ позволяющих уменьшить объем в сто и более раз с сохранением качество звука и изображений, разработка методов оценки качества восстановленных изображений и звука, усовершенствование разработанных систем, разработка методов согласования созданного нового стандарта Н.265 с предыдущим стандартом Н.264. Данное диссертационное исследование в определенной степени служит выполнению задач, предусмотренных в Указе Президента Республики Узбекистан №УП-4947 от 7 февраля 2017 года «О стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», Постановлениях Президента Республики Узбекистан №ПП-1730 от 21 марта 2012 года «О мерах по дальнейшему внедрению и развитию современных информационнокоммуникационных технологий», №ПП-1741 от 17 апреля 2012 года «О государственной программе по техническому и технологическому переходу на цифровое телевещание в Республике Узбекистан», постановлении Кабинета Министров Республики Узбекистан №24 от 1 февраля 2012 года «О мерах по созданию условий для дальнейшего развития компьютеризации и информационно-коммуникационных технологий на местах», а также в других нормативно-правовых документах, принятых в данной сфере. Целью исследования является разработка высокоэффективной системы сжатия медиа контента телевизионных программ, уменьшающей их объем в сто и более раз с сохранением хорошего качества изображения и звука. Научная новизна исследования заключается в следующем: создан метод яркостного преобразования, приводящий изображения в однородный вид с помощью блоков адаптивно изменяющими размерами; разработаны метод и алгоритм межаудиокадровой обработки, увеличивающий коэффициент сжатия аудиосигналов ТВ программ; создан алгоритм межкадрового масштабирования, повышающий качество изображения при больших коэффициентах сжатия; разработан метод сжатия видеосигналов ТВ программ на основе межкадрового масштабирования, увеличивающий качество изображения, с яркостным преобразованием, использующий блоки переменного размера; разработана структурная схема и сформирована элементная база аудиовидео кодека. Заключение Представлены следующие выводы по теме диссертации «Высокоэффективные системы сжатия медиа контента телевизионных программ, оценка качества и способы их дальнейшего совершенствования»: 1. Разработаны методы и алгоритмы эффективного сжатия аудиовидеосигналов ТВ программ на основе яркостных преобразований, использующих переменные блоки усреднения. При применении, которое позволяет увеличить быстродействие преобразования и сжимать без потерь данных и соответственно, восстанавливать изображения без ухудшения качества. 2. Разработан межкадрово-масштабирующий алгоритм, позволяющий устранить временную избыточность изображений. Экспериментальные исследования показали, что на изображениях без мелких деталей применение данного метода позволяет обеспечить хорошее качество изображений при результирующем сжатии в сто раз и уменьшить объем выходных аудиовидео файлов в 1,2 раза по сравнению с существующими кодеками. 3. Разработан метод и алгоритм сжатия аудиосигнала на основе устранения временной избыточности звукового сигнала, применение которого позволяет увеличить итоговое сжатие звуковых сигналов в 1.1 раза по сравнению с существующими кодеками и уменьшить объем выходных файлов в 1,05-1,1 раза (5-10%) в зависимости от сюжета программы. 4. Разработан измеритель средней яркости изображений, показывающий подобие двух кадров, который позволяет наиболее точно найти подобные кадры. 5. Разработан корректор четкости декодированных изображений, позволяющий получить высококачественное изображение, исправляя значения, полученные при восстановлении, с использованием базисных функций. 6. Разработаны измерители резкости и среднеквадратического отклонения значений пикселей сравниваемых изображений для оценки полученных результатов восстановления по сравнению с исходными, позволяющий объективно оценить погрешности кодирования. 7. Разработана структурная схема устройства сжатия аудиовидеосигналов на основе вейвлет преобразований яркостей изображений и фрактально-спектральной обработки аудиосигналов для внедрения в государственном унитарном предприятии «O‘zbckiston MTRK mcdiamarkazi» была реализована на микропроцессорном устройстве telcstrcam pipeline dual HD. В результате применения разработанной системы эффективного кодирования аудио-видеосигналов уменьшился объем выходных сигналов в 1,2 раза, что позволило хранить на 20% больше информации на сервере.