Курсовой проект подисциплине
«Сжатие данных припередаче изображения»
Содержание
1. Общие сведения о системахфаксимильной связи
2. Адресно-позиционноекодирование
3. Описание алгоритмапрограммы сжатия и восстановления изображения по методу АПК
4. Программа, реализующаясжатие и восстановление изображения по методу АПК
5. Пример сжатиядвухградационного черно-белого изображения по методу АПК
1. Общие сведения о системах факсимильной связи
Техникафаксимильной связи, позволяющая передавать изображения, была изобретена в 1843 г.– за 60 лет до изобретения пишущей машинки и за 138 лет до появления IBM PC!
В течениемногих лет факсимильная связь не находила широкого применения из-за отсутствияэффективных коммуникационных инфраструктур. В 20-е гг. нашего столетияфаксимильная связь стала в большей степени использоваться службами новостей дляпередачи фотографий (фототелеграф). Факсимильная связь по-прежнему являетсяпредпочтительным методом передачи карт погоды в отдаленные места и на суда вморе. Техника факсимильной связи, используемая для этих целей сегодня, осталасьпрактически в неизменном виде.
Старые факсимильные аппараты были неудобны в работе и довольнодороги. За последнее десятилетие снижение стоимости и усовершенствование аппаратныхсредств выдвинули факсимильную связь в ряд основных коммерческих средств связи.
При всей своей сложности, передача данных есть просто передачачисел. Например, чтобы передать страницу текста, символы этого текстакодируются в последовательность числовых величин, передаваемых по каналу связи,а затем декодируются обратно в символы для обработки на приемной сторонеканала.
Однако прифаксимильной связи передача информации осуществляется несколько иначе. В этомслучае кодируются не отдельные символы сообщения, а целая страница, котораярассматривается как одно изображение. Сигнал, передаваемый по каналу связи,представляет картину распределения черных и белых областей, формирующихизображение. На приемной стороне канала факсимильная копия исходной страницы(оригинала) воспроизводится путем прорисовывания изображения в соответствии спринятым сигналом.
Передачастраницы, текста методом факсимильной связи занимает больше времени, чемпередача того же самого текста как блока данных (последовательности символов).На передачу текста, который содержит 60 строк по 80 символов в каждой строке соскоростью 9600 бит/с требуется 5 секунд. На передачу той же страницы сиспользованием современного факсимильного оборудования потребовалось бы 60секунд, но факсимильная связь имеет определенные преимущества по сравнению спростой передачей данных, которые компенсируют увеличение времени,затрачиваемого на передачу. Самое главное преимущество – возможность передачиграфических изображений. Факсимильная связь позволяет также передавать печатныйтекст без повторного ввода с клавиатуры.
Факсимильныеаппараты общего назначения согласно МККТТ подразделяются на четыре основныегруппы:
1) аппараты со временемпередачи страницы формата А4 (210х297 мм) по телефонной сети с разрешающейспособностью 4 лин/мм в пределах 6 мин;
2) аппараты, обеспечивающиепередачу в указанных условиях в течение 3 мин;
3) аппараты, использующиесредства цифровой обработки сигнала с целью сокращения избыточности иобеспечивающие время передачи менее 1 мин,
4) аппараты, предназначенныедля использования на сетях передачи данных, а также на телефонной сети.
Факсимильныйспособ передачи информации заключается в:
1) формированииэлементарных площадок на поверхности оригинала развертывающим элементом передающегоаппарата. Размер элементарных площадок вдоль строки развертки определяетразрешающую способность аппарата, а размер в направлении, перпендикулярномстроке развертки, определяет плотность развертки факсимильного изображения;
2) развертке оригинала развертывающимустройством на передаче, заключающейся в перемещении развертывающего элементапо поверхности носителя записи. Развертка осуществляется по строкам и по кадру.В плоскостных развертках, как правило, развертка по строкам осуществляется засчет перемещения развертывающего элемента, а развертка по кадру – за счетпоступательного движения развертываемой поверхности. В барабанных разверткахдвижение по строке и кадру производится в результате одновременного вращения ипоступательного перемещения вдоль оси вращения развертывающего барабана сизображением. Нормируемые параметры развертки – скорость, направление, шаг иплотность, модуль и коэффициент взаимодействия, формат документа. Устройстваразвертки, развертывающий элемент и фотоэлектрический преобразовательсоставляют анализирующее устройство передатчика;
3) преобразованииоптических плотностей элементарных площадок оригинала во временнуюпоследовательность электрических сигналов с помощью фотоэлектрическихпреобразователей благодаря их способности реагировать на отличия яркостейповерхности подложки оригинала от знаков, нанесенных на подложку таким образом,чтобы получить требуемые величину и разность уровней видеосигнала подложки изнаков. Фотоэлектрические преобразователи фотофаксимильной аппаратуры должныобеспечивать пропорциональную зависимость амплитуды выходного сигнала отяркости изображения;
4) обработке ипреобразовании факсимильного сигнала к виду, удобному для передачи по каналамсвязи. Обработка зависит от группы аппаратуры. В факсимильной аппаратуре первойгруппы и фотофаксимильной аппаратуре применяется амплитудная (AM) или частотная (ЧМ)модуляция. В аппаратуре второй группы используется амплитудно-фазовая модуляция(АФМ) с частично подавленной верхней боковой полосой. Аппаратура третьей ичетвертой групп имеет цифровую форму сигнала;
5) передаче факсимильногосигнала по сети связи. В фотофаксимильной аппаратуре с AM при работе по каналам ТЧиспользуется двухполосная передача с несущей частотой 1900 Гц, пиковоймощностью-3 дБ в точке нулевого относительного уровня и соотношением амплитудсигнала белого поля к сигналу черного поля 30 дБ. В фотофаксимильной аппаратурес ЧМ средняя частота 1900 Гц, частота белого поля 1500 Гц, частота черного поля2300 Гц и уровень сигнала на выходе передатчика выбирается так, чтобымаксимальный уровень мощности сигнала не превышал – 13 дБ.
Вфаксимильной аппаратуре первой группы AM используется только для арендованных каналов.Несущая частота выбирается в пределах 1300–1900Гц. Уровень на выходепередатчика от 0 до 7 дБ. Уровень белого поля на 15 дБ ниже уровня черногополя. Среднечасовой уровень мощности сигнала в пределах – 15 дБ. В факсимильнойаппаратуре первой группы с ЧМ средняя частота 1700 Гц, уровень на выходепередатчика от 0 до –15 дБ, мощность сигнала не должна превышать –13 дБ в точкенулевого относительного уровня. В факсимильной аппаратуре второй группыиспользуется АФМ с несущей частотой 2100 Гц. Уровень сигнала белого поля вышеуровня сигнала черного поля на 26 дБ. Уровень сигнала на выходе передатчика от0 до –15 дБ. Среднечасовой уровень мощности не должен превышать -15 дБ. Вфаксимильной аппаратуре третьей и четвертой групп параметры цифрового сигналаопределяются типом используемых модемов;
6) приеме факсимильногосигнала. Факсимильные приемники аппаратов первой и второй групп должныосуществлять нормальный прием факсимильных сигналов приих мощности от 0до –40 дБ, а приемники аппаратов третьей и четвертой групп–от 0 до –43 дБ;
7) преобразовании сигналак виду, удобному для управления записывающим устройством. Преобразованиезаключается в усилении принятого сигнала, преобразовании его в видеосигнал ипри необходимости-в формировании определенным образом фронтов импульсов дляулучшения срабатывания записывающего устройства;
8) развертке факсимильногобланка на приеме, которая производится синхронно и синфазно развертке оригиналана передающем аппарате;
9) записи факсимильныхсигналов на носитель записи, которая производится на светочувствительныематериалы, красящими веществами на обычную бумагу, на специальные бумаги,обладающие способностью изменять цвет под воздействием принятого сигнала либообразовывать потенциальный рельеф под действием света либо электрическихвоздействий с последующим проявлением этого рельефа специальными красителями. Устройстваразвертки и записи составляют синтезирующее устройство приемника;
10) фазированиифаксимильных аппаратов, заключающемся в установлении одинакового положенияразвертывающих элементов передающего и приемного аппаратовпо отношениюкначалу строки;
11) синхронизациифаксимильных аппаратов, заключающейся в установлении равенства скоростейразвертки в передающем и приемном аппаратах;
l2) управлениициклом приема – передачи, заключающемся в техническом обеспечении выполненияопераций приемопередачи и процедур взаимодействия факсимильных аппаратов в ихлогической последовательности.
Каждая из приведенных технических операций выполняетсясоответствующим техническим устройством. Конструктивно объединеннаясовокупность этих устройств представляет собой факсимильный аппарат.
Передача документов. Факсимильныйаппарат представляет собой неразрывное единство механических, электрических имодулирующих систем. Так же важен, хотя и менее осязаем, протокол, управляющийпередачей факсимильной информации. Объединяющей основой всех протоколов,управляющих передачей факсимильных сообщений, является МККТТ-стандарт Т.ЗО:«Процедуры для факсимильной передачи документов в коммутируемой телефонной сетиобщего пользования».Сеанс факсимильный связи
Стандарт Т.ЗОрассматривает сеанс факсимильной связи как последовательную реализацию пятиразличных фаз.
Фаза А: Вызов(установление связи)
Фаза В: Процедура,предшествующая передаче сообщения
Фаза С: Передачасообщения
Фаза D: Процедура, завершающаяпередачу сообщения
Фаза Е: Завершениевызова (разрыв связи)Фазы сеанса факсимильной связи
Период отфазы А до фазы Е включительно известен как сеанс факсимильной связи(рис. 7.7). Период, который включает фазы В,
С и D,называется процедурой факсимильной связи.
Первая фазаназывается фазой вызова, или фазой установления связи. Это простоозначает, что абонент (неавтоматизированная станция) или сам аппарат(автоматическая станция) вызывает принимающую станцию. На приемной сторонеотвечает факсимильный аппарат (автоматическая станция) или другой абонент(неавтоматизированная станция). На неавтоматизированных станциях выполняетсянекоторая процедура для подключения факсимильного оборудования к каналу связи.Фаза вызова завершается, когда два факсимильных аппарата связываются друг сдругом.
В фазевыполнения процедуры, предшествующей передаче сообщения (фаза В), двафакс-терминала согласовывают, выбирают и подтверждают параметры связи. Этипараметры включают в себя терминальную группу и поддерживающие опции. Послесогласования параметров терминалы обмениваются сигналами фазирования икалибровочными сигналами, устанавливают синхронизацию и выполняют другиедействия, необходимые для обеспечения стабильной связи.
Фаза Свключает как передачу сообщения, так и сопровождающие эту передачу процедуры.Передача факсимильного сообщения есть просто форматирование и передача обычныхданных, получающихся при обработке изображения. Процедура сопровождениясообщения выполняется в то же самое время, когда передается сообщение. Онавключает команды и ответы, которые управляют синхронизацией, выявлением икоррекцией ошибок и осуществляют диспетчерские функции на линии связи.
Процедура,завершающая передачу сообщения (фаза D), может включать обмен различными сообщениями.Типичными сообщениями в этой фазе являются запросы или информация о передачедополнительных страниц, указания на завершение передачи основного сообщения(подтверждение получений этих указаний) или на начало процедуры завершениясеанса связи.
Конечная фазалюбого успешного сеанса связи (фаза Е) – разрыв связи. В этой фазе обесвязывающиеся станции просто отключаются от линии («вешают трубку») вручную,автоматически или с помощью той или иной комбинации этих двух способов.
2. Адресно-позиционноекодирование (АПК)
При кодировании штриховыхизображений возможны новые значения двух типов: переход из белого в черное ипереход из черного в белое. Координата элемента с новым значением яркости (КНЗ)отсчитывается относительно начала строки изображения (рис. 2)./> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Рис. 2Кодирование двухградационного факсимильного сигнала по методу АПК
Длябезошибочного восстановления изображения по сжатым данным необходимо в началекодограммы строки указать признак (код) ее начала и значение яркости первогоэлемента строки:
/код началастроки/ /код первого элемента/ /КНЗ/ /КНЗ/ ………. /КНЗ/.
Приравномерном кодировании длина кода будет определяться из условия, что элемент сновым значением яркости находится в конце строки. Таким образом, длинадвоичного кода k=log2N, где N – число элементов изображения на строке. Коэффициент сжатия kсж при равномерномкодировании новых значений можно вычислить, зная вероятность Рзнпоявления таких элементов:
kсж=N/(mн+mя+NPнзlog2N),
где mн – длина кода начала строки,mя – длина кода яркостипервого элемента.
При АПКнельзя достичь высоких коэффициентов сжатия, если насыщенность изображениядеталями высока, поэтому его целесообразно применять при кодированииизображений, для которых вероятность новых значений не превышает 0,2–0,3.
ДостоинствомАПК является его низкая чувствительность к ошибкам. Поражение ошибкой кодакоординаты нового значения приводит к искажению небольшой группы элементовстроки до следующего нового значения яркости.
3. Описание алгоритмапрограммы сжатия и восстановления изображения по методу адресно-позиционногокодированияОписаниеалгоритма программы сжатия
Программанаписана на языке программирования Паскаль, начинается с раздела описанияконстант, переменных и процедур, используемых в программе.
Во второмблоке на экран выводится сообщение «введите 7 цифр значения яркостиэлементов строки».
В третьемблоке сброс переменой l в ноль и переменной f, содержащей информациюна передачу.
В четвертомблоке описывается цикл от 1 до 7дляобработкимассива исходных данных.
В пятом блокеопределяется координата нового значения, в процедуре to_binary переводится в двоичнуюформу и добавляется к f – переменную на передачу.
В шестомблоке к переменной f добавляется код начала строки – служебная комбинация изодиннадцати единиц.
В седьмомблоке на дисплей выводится содержимое переменной f, которая используетсядля хранения закодированной строки. Этим заканчивается алгоритм программысжатия одной строки.
Описаниеалгоритма подпрограммы to_binary
Процедура to_binary переводит значениепеременной lв двоичную форму, которое добавляется к переменной на передачу данных – f.
В первомблоке схемы представлен заголовок процедуры.
Во второмблоке описываются локальные переменные типа Word для храненияпромежуточных данных.
В третьемблоке происходят начальные установки для перевода переменной l в двоичную форму.
В четвертомблоке происходит сравнение переменной S и переменной K, соответствующей 2n, где n изменяется от 10 до 0.При условии, что S >= K выполняется шестой блок, где добавляется единица к переменной f и изменяется содержимоепеременной S,в противном случае выполняется пятый блок, где осуществляется добавление нуля кпеременой fна передачу данных. В седьмом блоке происходит деление на два переменной К, т.е.переход к следующей степени.
При выполненииусловия i= 12 выполнение подпрограммы завершается.Описаниеалгоритма восстановления изображения по Адресно-позиционному методу
Во второмблоке описывается цикл от 1 до 7 для вывода на экран массива значений,полученных после восстановления закодированных данных, переменная i является счетчикоммассива b для хранения восстановленных значений.
В третьемблоке схемы выполняются начальные установки необходимые для корректноговосстановления закодированных данных.
В четвертомблоке описывается цикл от 1 до11 для перевода принятых значений из двоичнойсистемы в десятичную. При этом, если значение строки ‘е’ =1, то n присваивается значение n+k, иначе – переход кседьмому блоку, в седьмом блоке происходит деление на два переменной k, т.е. переход к следующейстепени.
В восьмомблоке добавляется 1 к переменной j, и если j=1, то возвращаемся к 4 блоку, если нет, то переходим к 9.
В девятомблоке b[i] присваивается значениепеременной n,в 10 блоке текущее значение массива b[i] выводится на экран, переменной j присваивается значениена 1 большее. В 11 блоке происходит сравнение переменной i с числом 8, привыполнении условия происходит возврат ко второму блоку, иначе – конец.
В итоге наэкран должны быть выведены значения длин серий, соответствующих закодированнойстроке, что при правильной реализации программы должно совпадать с введеннымиданными.
4. Программа,реализующая сжатие и восстановление изображения по методу
Адресно-позиционногокодирования
Programm Coding-Decoding;
Uses Crt;
Var
f, e: string;
i, j, l, k, n: word;
b, a: array [1..7] of word;
Procedure to_binary;
Var k, i, s: word;
Begin
k:= 1024;
s:= l;
for i:= 1 to 11 do
Begin
if s>=k then Begin
f:= f + '1';
s:= s – k;
end;
else f:= f + '0';
k:= (k/2);
end;
End;
BEGIN
{–сжатие–}
Writeln ('Введите 7 цифр значения яркости элементов строки ');
Readln (a[1], a[2], a[3], a[4], a[5],a[6], a[7]);
f:= «; {начальноезначение строки f}
l:= 0;
for i:= 1 to 7 do
Begin
l:= l + a[i];
to_binary;
end;
f:= '11111111111' +f;
Writeln ('Содержимое буфера', f);
{–восстанавление–}
e:=f;
For i:=1 to7 do Begin
b[i]:=0;
e:= Delete (e, 1,11);
k:= 1024;
n:= 0;
For j:= 1 to 11 do
Begin
if e[j] = '1' then n:= n + k;
k:= (k/2);
end;
b[i]:=n;
Writeln ('b = ', b[i]);
End;
END.
5. Примерсжатия двухградационного черно-белого изображения по методу АПК
Всоответствии с заданием на курсовое проектирование приводится пример сжатиядвух строк Цвет белый Цвет черный Цвет белый Цвет черный Цвет белый Цвет черный Цвет белый Число пикселей 600 70 591 79 582 88 Число пикселей 72 598 81 589 90 580
При вводеданных чисел в программу получим код:
1 строка:
111111111110100101100001010011110 10011101101 10100111100 11110000010 11111011010 11111011010
2 строка:
111111111110000000000000001001000 01010011110 01011101111 10100111100 10110010110 11111011010
В данномпримере последовательность 11111011010 следует в конце каждой линии.
Дляоценки степени сжатия вычисляется коэффициент сжатия, вычисляемый по формуле
/>
где,N– число элементов натестовом изображении.
Nсж – число двоичных разрядовдля представления сжатого изображения с учетом служебных комбинаций.
/>= (2010 + 2010)/(88 + 88)=23
Данный кодобеспечивает сжатие данных в двадцать три раза. Достоинством Адресно – позиционногокодирования является его низкая чувствительность к ошибкам. Поражение ошибкойкода координаты нового значения приводит к искажению небольшой группы элементовстроки до следующего нового значения яркости. Недостатком является небольшойкоэффициент сжатия по сравнению с методом КДС.
Литература
1. Зуев Е.А. Программированиена языке Turbo Paskal 6.0 7.0 – М.: Радио и связь, 1993
2. Орловский Е.Л. Передачафаксимильных изображений. – М.: Связь, 1980.
3. Щелованов Л.Н. Системыфаксимильной связи. Учебное пособие/ ЛЭИС. – Л., 1991.