реферат, рефераты скачать
 

Системы цифрового видеонаблюдения при организации охранных структур на особо охраняемых объектах


решает проблемы, поскольку предельные для них коэффициенты сжатия (2-3 в

случае черно-белых полутоновых или 1,5-2 для RGB изображений) совершенно

недостаточны для большинства приложений. Коэффициент сжатия, достигаемый

при использовании любого метода, зависит от характера изображения. Например

одноцветный фон в любом случае сожмется лучше полного мелких деталей

изображения.

Полноцветные 24-битовые изображения можно сжать путем синтеза

изображения с искусственной палитрой и применения кодирования длин серий в

сочетании со статистическим кодированием, но при этом максимальный

коэффициент сжатия будет не более 3-5 относительно исходного изображения,

причем основное сжатие произойдет за счет перехода от RGB к 256-цветному

изображению с искусственной палитрой, причем искажения, возникающие при

таком переходе, необратимы, и уже это обстоятельство не позволяет считать

такой способ сжатия неискажающим.

Большинство современных методов сжатия как неподвижных, так и

видеоизображений, обеспечивающих сжатие в десятки, а иногда в сотни раз,

предполагает некоторые потери, то есть восстановленное изображение не

совпадает в точности с исходным. Потери эти связаны с отказом от передачи

или некоторого "загрубления" тех компонентов изображения, чувствительность

к точности воспроизведения которых у человеческого глаза невелика.

Рассмотрим это на конкретных примерах.

Как было сказано выше, при записи изображений традиционно используется

RGB-представление, когда на каждую цветовую составляющую приходится по

одному байту. Альтернативный подход состоит в переходе от RGB- к YCrCb-

представлению:

Y=0,299*R+0,587*G+0,114*B

Cb=(B-Y)/0,866/2+128

Cr=(R-Y)/0,701/2+128

Чувствительность человеческого глаза к яркостному Y-компоненту и

цветностным компонентам Cb и Cr неодинакова, поэтому вполне допустимым

представляется выполнение этого преобразования с прореживанием

(интерливингом) Cb- и Cr-компонентов, когда для группы из четырех соседних

пикселов (2Х2) вычисляются Y-компоненты, а Cb и Cr используются общие

(схема 4:1:1). Более того, пре- и постфильтрация в плоскостях Cb и Cr

позволяет использовать прореживание по схеме 16:1:1 без сколько-нибудь

значительной потери качества.

Схема 4:1:1

Y=0,299*8+0,587*8+0,114*8=7,856 Бит

Cb=Y/4=1,964 Бит

Cr= Y/4=1,964 Бит

Y+Cr+Cb=11,784 Бит

Расчет показал, что схема 4:1:1 позволяет сократить выходной поток

вдвое.

Схема 16:1:1

Y=0,299*8+0,587*8+0,114*8=7,856 Бит

Cb=Y/16=0,491 Бит

Cr= Y/16=0,491 Бит

Y+Cr+Cb=8,838 Бит

Схема 16:1:1 позволяет сократить выходной поток в 2,71 раза.

В основе ставших уже классическими стандартов сжатия JPEG (для

статических изображений) и MPEG (для видеоданных), так же как и в

сравнительно новых методах сжатия на основе Wavelet-преобразования, лежит

переход от пространственного представления изображения к спектральному. В

случае JPEG/MPEG для такого перехода используется дискретное косинус-

преобразование (ДКП) на блоках 8Х8, в случае Wavelet - система фильтров,

примененных к изображению. На рисунке приведен фрагмент некоего блока

(матрицы) пикселов

[pic]

размером 8Х8 (разделенный по диагонали черно-белый квадрат).

Применение к пиксельной матрице ДКП дает матрицу из 64 коэффициентов или

спектральных составляющих. Нулевой коэффициент представляет собой среднюю

яркость исходного блока, поэтому, отбрасывая при восстановлении

коэффициенты с 1 по 63, мы получим просто серый квадрат (в верхнем ряду в

центре). Добавление первого коэффициента позволяет достаточно грубо описать

распределение яркостей в исходном блоке по горизонтали (вверху справа).

Внизу слева и в центре приведены результаты восстановления исходного

блока с использованием коэффициентов соответственно 6 и 15. Очевидно, что

число ненулевых спектральных составляющих тем выше, чем больше мелких

деталей содержалось в исходном блоке. Эксперименты показывают, что на

типичных полутоновых изображениях более половины всех блоков 8Х8 могут быть

описаны менее чем 20 спектральными составляющими.

Чувствительность человеческого глаза к точности передачи

высокочастотных спектральных составляющих невелика, что позволяет сократить

число бит, используемых для их кодирования. Реализуется такое сокращение

делением каждого частотного коэффициента на соответствующий ему элемент

матрицы квантования, причем матрицы квантования для цветностных компонентов

(Cb и Cr) содержат, как правило, большие коэффициенты для одних и тех же

спектральных составляющих, чем для яркостной.

Квадрат в нижнем ряду справа иллюстрирует реконструкцию исходного

блока 8Х8 при использовании матрицы квантования, обеспечивающей

приблизительно восьмикратное сжатие типичного полутонового изображения.

Достижение высоких степеней сжатия (порядка сотен) при использовании

методов, основанных на ДПК, невозможно, поскольку минимальным кодируемым в

них остается стандартный блок 8Х8. Использование блоков большего размера

возможно например на блоках 16Х16, но практическая реализация таких схем

сопряжена с серьезными вычислительными затратами. При неумеренном повышении

степени сжатия изображение становится все более "оквадраченым".

Гораздо более перспективным для получения больших коэффициентов сжатия

представляется использование Wavelet-преобразования (wavelet - небольшая

волна.). Переход в частотную область в схемах на его основе, как было

сказано выше, достигается применением набора фильтров.

Общую схему сжатия на основе Wavelet-преобразования можно описать так.

Исходное изображение (естественно, после преобразования RGB - YCrCb)

фильтруется с применением низкочастотного и высокочастотного фильтров по

строкам и столбцам с последующим прореживанием, так что вместо одного

изображения размером M X N пикселов после первого прохода синтезируется

четыре, размером (M/2) X (N/2) каждое, причем наиболее информативным из них

является [hh] - то, которое было получено с использованием низкочастотного

фильтра как по строкам, так и по столбцам.

Применение низкочастотного фильтра по строкам и высокочастотного по

столбцам [hg] или высокочастотного по строкам и низкочастотного по столбцам

[gh] дает значительно более "бедную" картинку, и совсем уж

малоинформативным оказывается изображение [gg], полученное с использованием

высокочастотного фильтра как по горизонтали, так и по вертикали. Дальнейшая

судьба этих изображений (саббэндов) неодинакова. Саббэнды [hg] и [gh]

обычно квантуются и после применения статистического кодирования попадают

непосредственно в выходной поток. Саббэнд [gg] чаще всего просто

игнорируется, а вот [hh] ждет та же судьба, что и исходное изображение. Для

изображений "экранного" размера число уровней фильтрации составляет обычно

4-6.

Максимально достижимые коэффициенты сжатия при использовании Wavelet-

преобразования зависят от размеров исходного изображения, и при приемлемых

искажениях на экранном разрешении можно говорить о 50-70-кратном сжатии.

Протоколы передачи видеосигнала по высоко скоростным компьютерным

сетям

Fast Ethernet

У технологии Fast Ethernet есть несколько ключевых свойств, которые

определяют области и ситуации ее эффективного применения. К этим свойствам

относятся:

Большая степень преемственности по отношению к классическому 10-

Мегабитному Ethernet'у;

Высокая скорость передачи данных - 100 Mб/c;

Возможность работать на всех основных типах современной кабельной

проводки - UTP Category 5, UTP Category 3, STP Type 1, многомодовом

оптоволокне.

В 1992 году группа производителей сетевого оборудования, включая таких

лидеров технологии Ethernet как SynOptics, 3Com и ряд других, образовали

некоммерческое объединение Fast Ethernet Alliance для разработки стандарта

на новую технологию, которая обобщила бы достижения отдельных компаний в

области Ethernet-преемственного высокоскоростного стандарта. Новая

технология получила название Fast Ethernet.

В мае 1995 года комитет IEEE принял спецификацию Fast Ethernet в

качестве стандарта 802.3u, который не является самостоятельным стандартом,

а представляет собой дополнение к существующему стандарту 802.3. Отличия

Fast Ethernet от Ethernet сосредоточены на физическом уровне.

[pic]

Более сложная структура физического уровня технологии Fast Ethernet

вызвана тем, что в ней используется три варианта кабельных систем -

оптоволокно, 2-х парная витая пара категории 5 и 4-х парная витая пара

категории 3.

Метод доступа к среде CSMA/CD

Подуровни LLC и MAC в стандарте Fast Ethernet не претерпели изменений.

Подуровень LLC обеспечивает интерфейс протокола Ethernet с протоколами

вышележащих уровней, например, с IP или IPX. Кадр LLC, изображенный на

рисунке, вкладывается в кадр MAC, и позволяет за счет полей DSAP и SSAP

идентифицировать адрес сервисов назначения и источника соответственно.

Например, при вложении в кадр LLC пакета IPX, значения как DSAP, так и SSAP

должны быть равны Е0. Поле управления кадра LLC позволяет реализовать

процедуры обмена данными трех типов.

Процедура типа 1 определяет обмен данными без предварительного

установления соединения и без повторной передачи кадров в случае

обнаружения ошибочной ситуации.

Процедура типа 2 определяет режим обмена с установлением соединений,

нумерацией кадров, управлением потоком кадров и повторной передачей

ошибочных кадров.

Процедура типа 3 определяет режим передачи данных без установления

соединения, но с получением подтверждения о доставке информационного кадра

адресату.

[pic]

Существует расширение формата кадра LLC, называемое SNAP (Subnetwork

Access Protocol). В случае использования расширения SNAP в поля DSAP и SSAP

записывается значение AA, тип кадра по-прежнему равен 03, а для обозначения

типа протокола, вложенного в поле данных, используются следующие 4 байта,

причем байты идентификатора организации (OUI) всегда равны 00 (за

исключением протокола AppleTalk), а последний байт (TYPE) содержит

идентификатор типа протокола (например, 0800 для IP).

Заголовки LLC или LLC/SNAP используются мостами и коммутаторами для

трансляции протоколов канального уровня.

Подуровень управления доступом к среде Media Access Control (MAC)

Подуровень MAC ответственен за формирование кадра Ethernet, получение

доступа к разделяемой среде передачи данных и за отправку с помощью

физического уровня кадра по физической среде узлу назначения.

Разделяемая среда Ethernet, независимо от ее физической реализации

(коаксиальный кабель, витая пара или оптоволокно с повторителями), в любой

момент времени находится в одном из трех состояний - свободна, занята,

коллизия. Состояние занятости соответствует нормальной передаче кадра одним

из узлов сети. Состояние коллизии возникает при одновременной передаче

кадров более, чем одним узлом сети.

MAC-подуровень каждого узла сети получает от физического уровня

информацию о состоянии разделяемой среды. Если она свободна, и у MAC-

подуровня имеется кадр для передачи, то он передает его через физический

уровень в сеть. Физический уровень одновременно с побитной передачей кадра

следит за состоянием среды. Если за время передачи кадра коллизия не

возникла, то кадр считается переданным. Если же за это время коллизия была

зафиксирована, то передача кадра прекращается, и в сеть выдается

специальная последовательность из 32 бит (так называемая jam-

последовательность), которая должна помочь однозначно распознать коллизию

всеми узлами сети.

После фиксации коллизии MAC-подуровень делает случайную паузу, а затем

вновь пытается передать данный кадр. Случайный характер паузы уменьшает

вероятность одновременной попытки захвата разделяемой среды несколькими

узлами при следующей попытке. Максимальное число попыток передачи одного

кадра - 16, после чего MAC-подуровень оставляет данный кадр и начинает

передачу следующего кадра, поступившего с LLC-подуровня.

MAC-подуровень узла приемника, который получает биты кадра от своего

физического уровня, проверяет поле адреса кадра, и если адрес совпадает с

его собственным, то он копирует кадр в свой буфер. Затем он проверяет, не

содержит ли кадр специфические ошибки, если кадр корректен, то его поле

данных передается на LLC-подуровень, если нет - то отбрасывается.

Формат кадра

[pic]

Структура физического уровня и его связь с MAC-подуровнем

Для технологии Fast Ethernet разработаны различные варианты

физического уровня, отличающиеся не только типом кабеля и электрическими

параметрами импульсов, но и способом кодирования сигнала.

[pic]

Физический уровень состоит из трех подуровней:

Уровень согласования (reconciliation sublayer);

Независимый от среды интерфейс (Media Independent Interface, MII);

Устройство физического уровня (Physical layer device, PHY).

Устройство физического уровня (PHY) обеспечивает кодирование данных,

поступающих от MAC-подуровня для передачи их по кабелю определенного типа,

синхронизацию передаваемых по кабелю данных, а также прием и декодирование

данных в узле-приемнике.

Интерфейс MII поддерживает независимый от используемой физической

среды способ обмена данными между MAC-подуровнем и подуровнем PHY.

Интерфейс MII располагается между MAC-подуровнем и подуровнями кодирования

сигнала, которых в стандарте Fast Ethernet три - FX, TX и T4.

Подуровень согласования нужен для того, чтобы согласовать работу

подуровня MAC с интерфейсом MII.

[pic]

Передача данных через MII

MII использует 4-битные порции данных для параллельной передачи их

между MAC и PHY. Канал передачи данных от MAC к PHY образован 4-битной

шиной данных, которая синхронизируется тактовым сигналом, генерируемым PHY.

Физический уровень 100Base-FX - многомодовое оптоволокно.

Физический уровень PHY ответственен за прием данных в параллельной

форме от MAC-подуровня, трансляцию их в один (TX или FX) или три

последовательных потока бит с возможностью побитной синхронизации и

передачу их через разъем на кабель. Аналогично, на приемном узле уровень

PHY должен принимать сигналы по кабелю, определять моменты синхронизации

бит, извлекать биты из физических сигналов, преобразовывать их в

параллельную форму и передавать подуровню MAC.

[pic]

4B/5B метод кодирования со скоростью10 Мб/с использует манчестерское

кодирование для представления данных при передаче по кабелю. При этом

методе каждые 4 бита данных MAC-подуровня (называемых символами)

представляются 5 битами.

После преобразования 4-битовых порций MAC-кодов в 5-битовые порции PHY

их необходимо представить в виде оптических или электрических сигналов в

кабеле, соединяющем узлы сети. Спецификации PHY FX и PHY TX используют для

этого различные методы физического кодирования - NRZI и MLT-3

соответственно. Эти же методы определены в стандарте FDDI для передачи

сигналов по оптоволокну (спецификация PMD) и витой паре (спецификация TP-

PMD).

Физический уровень 100Base-T4 - четырехпарная витая пара

Спецификация PHY T4 была разработана для того, чтобы можно было

использовать для высокоскоростного Ethernet'а имеющуюся проводку на витой

паре категории 3. Эта спецификация использует все 4 пары кабеля для того,

чтобы можно было повысить общую пропускную способность за счет

одновременной передачи потоков бит по нескольким витым парам.

[pic]

ATM

Технология ATM сначала рассматривалась исключительно как способ

снижения телекоммуникационных расходов, возможность использования в ЛВС

просто не принималась во внимание. Большинство широкополосных приложений

отличается взрывным характером трафика. Высокопроизводительные приложения

типа ЛВС клиент-сервер требуют высокой скорости передачи в активном

состоянии и практически не используют сеть в остальное время. При этом

система находится в активном состоянии (обмен данными) достаточно малое

время. Даже в тех случаях, когда пользователям реально не нужна

обеспечиваемая сетью полоса, традиционные технологии ЛВС все равно ее

выделяют. Технология ATM позволяет решить эту проблему, Вместо выделения

специальных сетевых ресурсов для каждого соединения сети с коммутацией

пакетов выделяют ресурсы по запросам (сеансовые соединения). Для передачи

пакетов по сетям ATM от источника к месту назначения источник должен

сначала установить соединение с получателем. При использовании других

технологий передачи данных, таких как Ethernet и Token Ring, соединение

между источником и получателем не устанавливается - пакеты с

соответствующей адресной информацией просто помещаются в среду передачи, а

концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы находят получателя и

доставляют ему пакеты.

Идея сети ATM очень проста: данные передаются по сети небольшими

пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells), они должны

вводиться в форме ячеек или преобразовываться в ячейки с помощью функций

адаптации. Сети ATM состоят из коммутаторов, соединенных транковыми

каналами ATM. Краевые коммутаторы, к которым подключаются пользовательские

устройства, обеспечивают функции адаптации, если ATM не используется вплоть

до пользовательских станций. Другие коммутаторы, расположенные в центре

сети, обеспечивают перенос ячеек, разделение транков и распределение

потоков данных. В точке приема функции адаптации восстанавливают из ячеек

исходный поток данных и передают его устройству-получателю.

[pic]

Ячейки имеют два важных преимущества:

Ячейки всегда имеют одну и ту же длину, они требуют меньшей

буферизации (т.е. сохраняются в памяти), что гарантирует его целостность до

начала передачи.

Ячейки имеют одинаковую длину: их заголовки всегда находятся на одном

и том же месте. В результате коммутатор автоматически обнаруживает

заголовки ячеек и их обработка происходит быстрее.

В сети АТМ так называемой сети с трансляцией ячеек, размер каждой из

них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но

достаточно велик, чтобы минимизировать издержки. Время ожидания (latency) -

это интервал между тем моментом, когда устройство запросило доступ к среде

передачи (кабелю), и тем, когда оно получило этот доступ. Сеть, по которой

передается восприимчивый к задержкам трафик (например, звук или видео),

должна обеспечивать минимальное время ожидания.

Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер,

маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору.

Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора,

устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания

становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика

достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время

ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким;

тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять

на ячейки, ожидающие передачи.

Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой

стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на "издержки"

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.