پروژه سیستم های تلویزیون

بسمه تعالي

پردازش
در پردازش تصاوير رقمي معمولا“از شيوه هاي كه به شكل الگوريتم بيان مي شود استفاده مي گرددبنابراين غير از تصويربرداري و نمايش تصوير مي توان اغلب عمليات پردازش تصوير را با نرم افزار اجرا كرد تنها علت استفاده از سخت افزار ويژه پردازش تصوير نياز به سرعت بالا دربعضي كاربردها و يا غلبه بر بعضي محدوديت هاي اساسي رايانه است.مثلا“يك كاربرد مهم از تصويربرداري رقمي ؛ريزبيني درنوركم است براي كاهش نويز تصوير بايد چند متوسط گيري روي تصاوير متوالي با نرخ

قالب(غالبا“۳۰قاب در ثانيه)انجام شود.شاختار بزرگراه در غالب رايانه ها جز چند رايانه بسيار كارآمد نمي تواند به سرعت داده مورد نيازبراي اجراي اين عمل دست يابد بنابراين سامانه هاي پردازش تصوير امروزي تركيبي از رايانه هاي متداول و سخت افزارهاي ويژه پردازش تصوير است كه كارهمه آنها به وسيله نرم افزار در حال اجرا روي رايانه اصلي هدايت مي شود./
مدلهاي متعدد سامانه هاي پردازش تصوير كه در حدود نيمه دهه ۸۰در سراسر دنيا به فرو

ش رسيد وسايل جانبي نسبتا“بزرگي بود كه به رايانه هاي ميزبان با همان بزرگي متصل مي شد.درانتهاي دهه ۸۰و ابتداي دهه ۹۰سخت افزارهاي تجاري پردازش تصوير به شكل بردهاي تكي كه براي سازگاري با بزرگراه هاي استاندارد صنعتي و انطباق با كارگاه هاي كوچك مهندسي و رايانه هاي شخصي طراحي شده بود تغيير يافت .اين تغيير علاوه بركاهش هزينه ها يكي از عوامل تاسيس شركت هاي زيادي با تخصص توليد نرم افزار پردازش تصوير بود.

گرچه هنوز هم سامانه هاي پردازش تصوير بزرگ براي كاربردهاي نظير پردازش تصاوير ماهواره اي به فروش مي رسندحركت به سوي كوچك سازي وايجاد رايانه هاي كوچك همه منظوره كه به سخت افزار پردازش تصوير مجهز است همچنان ادامه دارد.سخت افزار لصلي تصويربرداري كه به اين رايانه ها افزوده مي شود تركيبي از يك ((رقمي ساز و بافرقاب ))براي رقمي سازي و ذخيره موقت تصوير يك ((واحد محاسبه و منطق))(ALU)براي اجراي عمليات حسابي ومنطقي درنرخ قاب و يك يا چند((بافرقاب))براي دستيابي سريع به داده هاي تصوير در طول پردازش است.امروزه مي توان نرم افزارهاي پردازش تصويرفراهم مي شود وسايل نمايش و نرم افزارهاي كارآمد پردازش كلمه و توليد گزارش ارائه نتايج را تسهيل مي كند اغلب نتايج به دست آمده با چنين سامانه هايي به بردهاي پردازش تصوير سريع و خاصي كه بابزرگراه مورد استفاده سازگارند انتقال مي يابد.
يكي از مشخصه هاي علم پردازش تصويرعدم استفاده از يك راه حل براي كاربردهاي متفاوت است

بنابراين فنوني كه دريك مورد خوب كار مي كنند ممكن است در ديگري كاملا“ضعيف باشند تنها فايده وجود سخت افزار قوي ونرم افزارپايه درحال حاضر اين است كه نقطه شروع كار نسبت به يك دهه پيش بسيار پيشرفته تر (وبازار صرفا“كسري از هزينه آن موقع)مي باشد.به طوركلي هنوز هم پيدا كردن راه حل واقعي براي يك مساله خاص نيازمند تحقيق و توسعه فراوان است مباحثي كه درفصول بعدي مطرح مي شود فقط براي اين نوع فعاليت ها ابزارهايي را ارائه مي كند.

مخابرات
استفاده ازمخابرات در پردازش تصوير رقمي معمولا“درمورد ارسال داده هاي تصويري است و اغلب شامل مخابره محلي بين رسانه هاي پردازش تصوير ومخابره را دور از يك نقطه به نقطه ديگر مي باشدبراي اغلب رايانه ها سخت افزار ونرم افزار مخابره محلي به آساني در دسترس است بيشتر كتب راجع به شبكه هاي رايانه اي به روشني توافق هاي مخابره استاندارد را توضيح مي دهند.
اگرداده هاي تصويري فشرده نشده در فواصل طولاني مخابره شوند مشكل جدي تري ايجاد مي شود تاكنون بايد اين موضوع روشن شده باشد كه تصاوير رقمي حاوي مقادير بزرگي از داده ها هستند اما يك خط تلفن صوتي حداكثر مي تواند۹۶۰۰بيت بر ثانيه را انتقال دهد؛بنابراين ارسال يك تصوير ۸بيتي ۵۱۲×۵۱۲با اين نرخ بيت تقريبا“پنج دقيقه طول مي كشد.ارتباط بيسيم با استفاده از ايستگاه هاي مياني نظير ماهواره ها بسيار سريعتر است گرچه هزينه بيشتري دارد نكته اين است كه دربسياري مواقع ارسال تصاوير كامل درفواصل طولاني مورد نياز است درفصل ۶نشان خواهيم داد كه فشرده سازي وافشرده سازي و (انبساط)داده ها نقش اصلي را در حل اين مشكل بر عهده دارد.

نمايش
نمايشگرهاي تك رنگ و رنگي تلويزيوني ابزار اصلي نمايش درسيستم هاي پردازش تصوير امروزي است نمايشگرها با خروجي هاي واحد سخت افزاري نمايش تصوير كه در برد اصلي رايانه ميزبان قرارداد ويابخشي از سخت افزارپردازشگر تصويري مي باشد راه اندازي مي شود همچنين مي توان سيگنالهاي خروجي ازواحد نمايش رابه يك وسيله ثبت تصوير داد تاتصويري چاپي (اسلايد؛عكس ياورق شفاف)ازآنچه روي نمايشگر ديده مي شود توليد كند لامپ هاي اشعه كاتدي (CRT)بادستيابي تصادفي و دستگاه هاي چاپ نيز به عنوان وسايل نمايش استفاده مي شود.
درنمايشگر هاي CRTرايانه با توليد سيگنال هاي راه انداز مورد نياز محل اشعه الكتروني را در هر لحظه معين مي كند تاتصوير ايجاد شود.درهرنقطه يك ولتاژكه متناسب با مقدار روشنايي نقطه متناظر درآرايه عددي است شدت پرتو رامدوله مي كند مقدار شدت پرتو حاصل بين صفر براي نقاط سياه تا مقدار بيشينه براي نقاط سفيد متغير است يك دوربين عكاسي كه روي صفحه CRTمتمركز است الگوي نوري باشدت متغير حاصل را ظبط مي كند.

وسايل چاپ تصوير اغلب براي پردازش تصوير با تفكيك پايين مفيد است يك روش ساده براي توليد تصاوير خاكستري روي كاغذ استفاده از قابليت چند ضربه اي چاپگر خطي استاندارد است.
مي توان با تعداد و چگالي نويسه هاي روي هم چاپ شده درهرنقطه تصوير سطح خاكستري آن نقطه را تنظيم نمود.باانتخاب مناسب مجموعه نويسه ها مي توان با يك برنامه رايانه اي ساد

ه و نويسه هاي نسبتا“كم به توزيع هاي خوب سطح خاكستري دست يافت.ضميمه الف حاوي مثالهايي از اين روش است چند وسيله متداول ديگر براي ثبت تصوير روي كاغذ چاپگرهاي ليزري وسايل داراي كاغذ حساس به حرارت و دستگاه هاي جوهر افشان است.

فشرده سازي تصوير
وقتي براي توليد يك تصوير رقمي ؛تابع شدت نور دوبعدي متناظر نمونه برداري و چندي مي شودمقادير بي شماري ((داده))توليد مي گردد.درواقع مقدار داده هاي توليد شده ممكن است آنقدر بزرگ باشد كه ذخيره سازي ؛پردازش ومخابره آن غير عملي باشد.درچنين حالاتي به نمايش هايي غير از نمونه برداري دوبعدي و چندي سازي ساده نياز است به عنوان مثال براي نمايش دايره المعارف Encyclopaedie Britannice درشكل رقمي بيش از ۲۵ گيگابايت (۱۰×۲۵بايت)داده مورد نياز است.
فشرده سازي تصوير به موضوع كاهش مقدار داده هاي مورد نياز براي نمايش تصوير رقمي مي پردازد.اساس فرآيندكاهش حذف داده هاي زايد است از نقطه نظر رياضي اين فرآيند معادل تبديل يك آرايه پيكسلي دوبعدي به يك مجموعه داده ناهمبسته آماري است كه معمولا“اين تبديل قبل از ذخيره سازي يا ارسال تصوير انجام مي شود.تصوير فشرده در زماني ديگر يا در مقصد وافشرده مي شود تا تصوير اوليه با تقريبي ازآن بازسازي شود.
توجه به فشرده سازي تصوير بيش از۲۵سال سابقه دارد در ابتدا تحقيقات در اين موضوع روي توسعه روش هاي آنالوگ براي كاهش عرض باند ارسال ويديو كه فشرده سازي عرض باند خوانده مي شود متمركز بود گرچه اختراع رايانه هاي رقمي و بدنبال آن توسعه مدارهاي مجتمع پيشرفته باعث شد كه توجه از روش هاي فشرده سازي آنالوگ به روش هاي رقمي معطوف شود اخيرا“با پذيرش جهاني چند استاندارد فشرده سازي تصوير زمينه رشد اين موضوع از طريق كاربرد عملي كارهاي نظري شروع شده از دهه ۱۹۴۰فراهم گرديد شانون و همكارانش در اين دهه براي اولين بار روابط احتمالاتي را براي ميزان اطلاعات و نمايش ارسال و فشرده سازي داده ها بيان كردند.

نياز به فشرده سازي تصوير درطول سال هاي اخير بتدريج رشد كرده است به طوري كه اكنون اين مبحث به عنوان يك ((فناوري فعال ساز))شناخته مي شود.به عنوان مثال همواره فشرده سازي

تصوير در افزايش محاسبات چند رسانه اي (يعني استفاده از رايانه هاي رقمي در چاپ و نشر و توليد و توزيع ويديو)بسيار موثر بوده وهست.بعلاوه ؛فشرده سازي تصوير ؛فناوري
كار باتفكيك مكاني افزايش يافته در حسگرهاي تصوير بردار امروزي واستاندارد هاي درحال تكامل پخش تلويزيون است گذشته از اين فشرده سازي تصوير نقش خيلي مهمي در بسياري از كاربردهاي مهم و گوناگون شامل گردهمايي تصويري از راه دور ؛سنجش از راه دور(استفاده از تصويربرداري ماهواره اي در كاربردهاي هوايي وسايركاربردهاي زميني )تصويربرداري اسناد تصوير برداري پزشكي ؛ارسال دورنگار و كنترل وسايل هدايت از راه دور دركاربردهاي نظامي ؛فضايي ومواد زائد خطرناك بازي مي كند خلاصه اين كه تعداد روبه افزايشي ازكاربردها به پردازش ذخيره سازي و ارسال پر بازده تصاوير دودويي خاكستري يا رنگي نياز دارند.

مباني
عبارت فشرده سازي داده به فرآيند كاهش مقدار داده هاي مورد نياز براي بيان يك مقدار معين از اطلاعات اشاره مي كند تفاوت آشكار بين داده و اطلاعات هستند وازمقادير متفاوتي داده مي توان براي نمايش يك مقدار ثابت اطلاعات استفاده كرد يك مثال آن حالتي است كه فرد ((پرحرف))ويك فرد ((كم حرف))هردو بخواهند يك داستان را تعريف كنند دراين مورد اطلاعات مورد علاقه داستان است و كلمات داده هاي مورد استفاده براي بيان اطلاعات هستند.اگر اين دونفر تعداد متفاوتي از كلمات را براي تعريف داستان به كاربرند دونسخه متفاوت از داستان ايجاد مي شود و حداقل يكي از دونقل داراي داده هاي غيرضروري است يعني داراي داده ها (باكلماتي)است كه ياهيچ اطلاعات مرتبطي را ارائه نمي كنند يا فقط چيزهايي را كه قبلا“معلوم بوده اند دوباره بيان مي كنند.بنابراين گفته مي شودكه اين نقل ؛افزونگي داده دارد.افزونگي داده مهمترين مورد در فشرده سازي تصوير رقمي است.

مدلهاي فشرده سازي تصوير
سامانه هاي عملي فشرده سازي تصوير معمولا“ازتركيب اين روش ها بوجود مي آيند.دراين بخش مشخصات كلي چنين سامانه اي رابررسي مي كنيم و يك الگوي كلي براي نمايش آن ارائه مي نماييم.

همانطوركه شكل يك نشان مي دهد يك سامانه فشرده سازي تصويرداراي دوبلوك ساختاري جداگانه است يك رمز گذار و يك رمزبردارتصوير ورودي (x-y)fبازسازي مي شود.درحالت كلي ممكن است (x-y)fنسخه دوم دقيقي از
(x-y)fباشديانباشد.درحالت مثبت ؛سامانه بدون خطا يا نگهدار اطلاعات است اگر چنين نباش

د مقداري اعوجاج درتصوير بازسازي شده وجود دارد.
رمزگذار ورمزبردار هردو داراي دوتابع يازير بلوك نسبتا“مستقل هستند.رمزگذار از رمزگذار منبع كه افزونگي هاي ورودي را حذف مي كند ورمزگذار كانال كه امنيت نويز خروجي رمزگذار منبع را افزايش مي دهد تشكيل مي شود همان طور كه انتظار مي رود رمز بردار نيز شامل يك رمزبردار كانال و به دنبال آن يك رمزبردار منبع است. اگر كانال بين رمزگذار و رمزبردار بدون نويز باشد(درمعرض خطا نباشد)رمزگذار و رمزبردار كانال حذف مي شوند ورمزگذار و رمزبردار كلي بترتيب معادل رمزگذار و رمزبردار منبع مي شوند.

رمزگزار ورمزبردار منبع
رمزگذار منبع مسؤول كاهش ياحذف هريك ازافزونگي هاي رمزنگاري ؛بين پيكسلي يا روان بصري در تصوير ورودي است كاربرد مورد نظر وميزان كيفيت مورد نياز تصوير بهترين روش رمزگذاري را تعيين مي كند معمولا“اين فرآيندرامي توان با دنباله ي از سه عمل مستقل مدل نمود.همانطور كه

(الف)نشان مي دهد هريك از اعمال براي كاهش يكي از سه نوع افزونگي مشروح طراحي مي شوند شكل۲رمزبردار منبع متناظر آن رانشان مي دهد.
درمرحله اول فرآيند رمزگذاري منبع نگاشت گر داده هاي ورودي را به يك قالب (معمولا“غير بصري)كه براي كاهش افزونگي هاي بين پيكسلي تصوير ورودي طراحي شده است ؛تبديل مي كند.اين عمل درحالت كلي معكوس پذير است و ممكن است مقدار داده مورد نياز براي نماي

ش تصوير را كاهش بدهد ياندهد.رمزنگاري طول دنباله (RL)(بخش هاي۲٫۱٫۶و۲٫۴٫۶)مثالي از يك نگاشت است كه درمرحله اول فرآيند كلي رمزگذاري منبع باعث فشرده سازي داده ها مي شودونمايش تصويربوسيله مجموعه اي از ضرايب تبديل مثالي ازحالت مخالف است دراين حالت نگاشت گر تصوير را به آرايه اي از ضرايب تبديل مي نمايد تا افزونگي هاي بين پيكسلي آن براي فشرده سازي درمراحل بعدي رمزگذاري قابل دسترس تر بشوند.

رمزگذارورمزبردار كانال
وقتي كانال شكل نويزدار يا درمعرض خطا باشد رمزگذار ورمزبرداركانال نقش مهمي درفرآيند كلي رمزگذاري –رمزبرداري بازي مي كنند اين دوبلوك براي كاهش اثر نويز كانال بوسيله افزودن يك شكل كنترل شده از افزونگي به داده هاي رمز شده منبع طراحي مي شوند گرچه خروجي رمزگذار منبع مقدار كمي افزونگي دارد اما بدون اضافه شدن افزونگي كنترل شده فوق اين خروجي نسبت به نويز انتقال بسيار حساس خواهد بود.
يكي از مفيدترين روش هاي رمزگذاري كانال بوسيله همينگ (۱۹۵۰)طراحي شد اين روش بر اساس افزودن بيت هاي كافي به داده هايي كه رمز مي شوند مي باشد طوري كه اطمينان مي دهد به ميزان حداقل لازم بين كلمات رمز معتبر تفاوت (فاصله)وجود داردبراي مثال همينگ نشان داد كه اگر ۳بيت افزونگي به يك كلمه ۴بيتي اضافه شود طوري كه فاصله بين هردو كلمه رمز معتبر ۳باشد تمام خطاهاي يك بيتي رامي توان كشف و تصحيح كرد(با افزودن بيت هاي افزونگي بيشتر مي توان خطاهاي چند بيتي را كشف و يا تصحيح كرد.)

فشرده سازي بدون خطا
دركاربردهاي متعددي فشرده سازي بدون خطا تنهاوسيله مناسب براي كاهش داده ها است يكي از اين كاربردها بايگاني اسناد پزشكي يا تجاري مي باشدكه درآنها معمولا“به دلايل قانوني فشرده سازي با اتلاف ممنوع است كاربر ديگر پردازش تصاوير دريافتي ازLANDSATاست كه دراين مورد نوع استفاده وهزينه جمع آوري داده ها هر اتلافي را نامطلوب مي سازد.كاربر ديگر پرتونگاري رقمي است كه اتلاف اطلاعات مي تواند دقت تشخيص را به مخاطره اندازد.دراين موارد و موارد ديگر كاربرد مورد نظر و طبيعت تصاوير مورد بررسي نياز به فشرده سازي بدون خطا را مطرح مي سازند.
دراين بخش برروي روش هاي اصلي فشرده سازي بدون خطا كه اكنون استفاده مي شوند.متمركز مي شويم اين روش معمولا“نسبت هاي فشرده سازي بين ۲تا ۱۰را فراهم مي آورندگذشته از اين كاربرد يكساني درتصاوير دودويي و خاكستري دارند.همان طور كه نشان داده شد روش هاي

فشرده سازي بدون خطا معمولا“تركيبي از دوعمل نسبتا“مستقل هستند:۱-طرح يك نمايش ديگر از تصويري كه افزونگي هاي پيكسلي آن بايد كاهش يابند۲-رمزنگاري اين نمايش طوري كه افزونگي هاي رمزنگاري حذف شوند اين مراحل متناظر با مراحل نگاشت ورمزنگاري نماد در مدل رمزگذاري منبع هستند.

رمزنگاري طول متغيرش دهيم معمولا“در رمزنگاري دودويي طبيعي سطوح خاكستري تصوير افزونگي رمزنگاري وجود دارد مي توان با رمزنگاري سطوح خاكستري طوري كه معادله حداقل شود افزونگي هاي رمزنگاري راحذف نمود انجام اين كار نيازمند استفاده از يك رمزطول متغير كه كوتاه ترين كلمات رمزممكن رابه متحمل ترين سطوح خاكستري نسبت دهد مي باشد دراينجا چند روش بهينه و نزديك بهينه براي ايجاد چنين رمزي را بررسي مي كنيم روابط اين روش هابه زبان نظريه اطلاعات نوشته مي شوند.نمادهاي منبع در عمل ممكن است خود سطوح خاكستري تصوير يا خروجي يك نگاشت سطح خاكستري (مثلا“تفاضل پيكسل ها ؛طول دنباله هاي ثابت و غيره)

رمزنگاري هافمن
متداول ترين روش براي حذف افزونگي رمزنگاري هافمن است(Huffman[1951])هنگام رمزنگاري تك به تك نمادهاي يك منبع اطلاعات رمزنگاري هافمن كوچكترين تعداد ممكن نماد رمز برنماد منبع را نتيجه مي دهد ازنظر قضيه رمزنگاري بدون نويز رمز حاصل براي يك مقدار ثابت nبااين قيد كه نمادهاي منبع تك به تك رمز شوند بهينه است.

رمزگذاري حسابي
برخلاف رمزهاي طول متغيرمشروح درفوق رمزنگاري حسابي رمزهاي غيربلوكي توليد مي كند.در رمزنگاري حسابي كه مي توان سرمنشاءآن را تاكارEliasردگيري كرد(Abram son[1963]را ببيند)تناظر يك به يك بين نمادهاي منبع و كلمات رمز وجود ندارد .درعوض به يك دنباله كامل از نمادهاي منبع (ياپيام)تنها يك كلمه رمز حسابي منتسب مي شود.خودكلمه رمز بازه اي از اعداد حقيقي بين ۱,۰را تعريف مي كند.وقتي تعداد نمادها در پيام افزايش مي يابد بازه مورد استفاده براي نمايش آن كوچكتر مي شود وتعداد واحدهاي اطلاعات (مثلا”بيت هاي)مورد نياز براي نمايش بازه بيشتر مي شود.
هرنماد پيام اندازه بازه را طبق احتمال وقوعش كاهش مي دهد.چون اين روش برخلاف روش هافمن نياز ندارد كه هرنماد منبع به يك تعداد صحيح ازنمادهاي رمز ترجمه شود(يعني اين كه نمادها تك تك رمزشوند)لذا به كران تعيين شده بوسيله قضيه رمزنگاري بدون نويزدست مي يابد(البته فقط درجنبه نظري)فرآيند پايه رمزنگاري حسابي رانشان مي دهد دراينجا دنباله يا پيام۵ نمادي a a a a a ازيك منبع چهارنمادي رمزمي شود.درشروع فرآيندرمزنگاري فرض مي شودكه پيام تمام بازه (۰,۱)را اشغال نمايد.همان طور كه جدول يك نشان مي دهد درابتدا اين بازه براساس احتمالات نمادهاي منبع به چهارناحيه تقسيم مي شودمثلا“نمادaبه زيربازه (۰,۰٫۲)مربوط مي باشد.چونaاولين نماد پيام است كه رمز مي شود؛بازه پيام در ابتدا به زيربازه (۰,۰٫۲) كوچك مي شود.بنابراين زيربازه (۰,۰٫۲)به اندازه ارتقاع كامل نمودار ؛انبساط مي يابد ونقاط پاياني ارتفاع نمودار با مقادير پاياني اين زيربازه برچسب زده مي شوند.آنگاه اين زيربازه طبق احتمالات نمادهاي منبع اوليه تقسيم مي شود و فرآيند با نماد پيام بعدي ادامه مي يابد.در اين روش نماد a زيربازه را به (۰٫۰۴,۰٫۰۸)كوچك مي كند a آن را به بازه (۰٫۰۵۶,۰٫۰۷۲)كوچكتر مي كند و همين طور تا آخر.نماد پيام آخري كه بايد به عنوان شاخص ويژه پايان پيام ذخيره شود محدوده را به بازه

(۰٫۰۶۷۵۲,۰٫۰۶۸۸)كوچك مي كند.البته از هرعدد درون اين زيربازه مثلا“۰٫۰۶۸ مي توان براي نمايش پيام استفاده كرد.
در پيام رمز حسابي شده شكل ۴سه رقم دهدهي براي نمايش پيام پنج نمادي استفاده مي شود كه معادل ۳/۵ يا ۰٫۶رقم دهدهي بر نماد منبع است و به خوبي با آنتروپي منبع كه طبق معادله ي(۶ .۳-۳)برابر ۰٫۵۸رقم دهدي يا واحد دهگاني برنماد مي باشد قابل مقايسه است .وقتي طول رشته اي كه بايد رمزشود افزايش مي يابد.رمزحسابي حاصل به كران تعيين شده بوسيله قضيه رمزنگاري بدون نويز نزديك مي شود.درعمل دوعامل باعث مي شوند كه كارآيي رمزنگاري نتواند به آن كران برسد۱-افزودن شاخص پايان پيام كه براي جداسازي يك پيام از ديگري لازم است۲-استفاده از محاسبات با دقت محدود.در پياده سازيهاي عملي رمزنگاري حسابي با كاربرد روشهاي مقياس كردن وگرد كردن(Langdon Rissanen[1981])عامل دوم اجرا مي شود.عمل مقياس كردن قبل از تقسيم هر زيربازه طبق احتمالات نماد آن را به زيربازه (۰,۱)تراز مي كند عمل گرد كردن تضمين كردنهاي مربوط به محاسبات با دقت محدود مانع نمايش دقيق زيربازه هاي رمزنگاري نمي شود

رمز نگاري بيت-صفحه اي
پس از بررسي روشهاي اصلي حذف افزونگي رمزنگاري اكنون يكي از چند روش فشرد

ه سازي بدون خطا را كه افزونگي هاي بين پيكسلي تصوير را نيز حذف مي كندبررسي مي نماييم اين روش كه رمزنگاري بيت-صفحه اي خوانده مي شود.براساس تجزيه يك تصوير چند سطحي (تكرنگ يارنگي )به مجموعه اي از تصاوير دودويي و سپس فشرده سازي هريك ازتصاوير ده را شرح مي دهيم و مروري نيز بر تعدادي از روشهاي فشرده سازي متداول خواهيم داشت.

رمزنگاري ناحيه ثابت
يك روش ساده اما مؤثربراي فشرده سازي تصوير دودويي يا بيت-صفحه استفاده ار كلمات رمزمخصوص براي شناساندن نواحي بزرگ يك ها يا صفرهاي پيوسته مي باشد.درچنين روشي كه رمزنگاري ناحيه ثابت خوانده مي شودتصويربه بلوك هايي با ابعادn×m پيكسل تقسيم مي شودكه اين بلوك ها به عنوان تمام سفيد ؛تمام سياه يا مختلط گروه بندي مي شوند.آنگاه به متحمل ترين يا مكررترين گروه كلمه رمز يك بيتي ۰ وبه دوگروه ديگر رمزهاي دوبيتي۱۱,۱۰منتسب مي شود.با اين روش تصوير فشرده مي شود؛زيرا mn بيت كه معمولا“براي نمايش يك ناحيه ثابت استفاده مي گردند؛با يك كلمه رمزدوبيتي يا يك بيتي جايگزين مي شوند.البته رمزمنتسب شده به گروه باشدت مختلط به عنوان يك پيشونداستفاده مي شود؛كه به دنبال آن الگوي m بيتي بلوك قرار مي گيرد.
هنگام فشرده سازي اسناد متني غالبا“سفيد يك روش ساده تر اين است كه نواحي تمام سفيد را با ۰ و تمام بلوك هاي ديگر(ازجمله بلوكهاي تمام سياه)را با۱ كه به دنبال آن الگوي بيتي بلوك قرار مي گيرد رمز كنيم .اين روش پرش از بلوك سفيد (WBS)خوانده مي شود.چون تعداد كمي نواحي تمام سياه مورد انتظارهستند؛اين نواحي نيز درگروه نواحي باشدت مختلط قرار مي گيرند؛درنتيجه اين كار ؛استفاده ازكلمه رمزيك بيتي براي نواحي سفيد بسيار متحمل ممكن مي شود.يك بهبود دراين روال(با بلوك هاي n ×۱)رمزگذاري خطوط تمام سفيد با ۰ ورمزگذاري ساير خطوط با ۱ كه به دنبال آن دنباله رمز WBSمعمولي آن خط قرار دارد مي باشد.بهبود ديگر به كارگيري يك روش تكراري است كه تصوير دودويي يابيت-صفحه را به زير بلوك هاي متواليا“كوچكتر و كوچكترتجزيه كند.در بلوك هاي دوبعدي ؛هر بلوك تمام سفيد با۰ رمز مي شود و سايربلوك ها به زير بلوك هايي تقسيم مي شوندكه پيشوند۱ به آنهامنتسب گرديده و به روش مشابهي رمز مي شوند.يعني اگريك زيربلوك تمام سفيد باشد؛پيشوند ۱ به رمزآن داده مي شودكه دلالت براين دارد كه اين زيربلوك حاصل اولين تقسيم بلوك مي باشد و به دنبال آن ۰ قرار مي گيردكه نشانه تمام سفيد بودن آن مي باشد اگر زير بلوك تمام سفيد نباشد؛فرآيند تجزيه آنقدر تكرارمي شود تابه زيربلوك هايي با ابعاد نسبتا“كوچك (ازپيش گزيده)برسيم ودر اين مرحله هر زيربلوك اگر تمام سفيد باشدبا ۰ وگرنه ۱همراه با الگوي بيتي بلوك رمز مي شود.

استانداردهاي فشرده سازي تصوير
بسياري از روش هاي فشرده سازي بدون خطا و با اتلاف كه تاكنون توصيف شدند نقش مهمي در توسعه و پذيرش استانداردهاي اصلي فعلي براي فشرده سازي تصوير بازي كرده اند دراين بخش اين استانداردهارا كه در بيشتر موارد باهمكاري مشترك سازمان استاندارد جهاني(ISO)و كميته مشورتي تلفن و تلگراف جهاني(CCITT)وضع شده اند بررسي مي كنيم .اين استانداردها به فشرده سازي تصوير پيوسته (تك رنگي ورنگي)همچنين تصاوير تك قاب يادنباله قاب(متحرك)مي پردازند.

فشرده سازي يك بعدي
در روش فشرده سازي يك بعدي گروه۳ CCITT هرخط تصوير به صورت دنباله اي از كلمات

رمزبا طول متغير كه اين كلمات رمز بيانگر طول دنباله هاي سفيد و سياه در پيمايش چپ وراست آن خط هستند رمزمي شود.خود كلمات رمز؛دونوع هستند.اگرطول دنباله كمتر از۶۳باشد بايك رمزپايان دهنده از رمزهافمن تغيير يافته جدول ۲رمز مي شود.اگر طول دنباله بزرگتر از۶۳باشد؛بزرگترين رمزتركيبي ممكن (كه ازطول دنباله تجاوز نمي كند)ازجدول۳همراه با يك رمزپايان دهنده كه بيا

نگر تفاضل بين رمزتركيبي و طول دنباله واقعي است استفاده مي شود.دراين استانداردلازم است كه هرخط با يك كلمه رمزRLسفيد كه ممكن است ۰۰۱۱۰۱۰۱ يعني رمزدنباله سفيد به طول صفرباشد شروع شود.نهايتا“يك كلمه رمزپايان خط) EOL)000000000001 براي پايان دادن هرخط ونيز اعلام اولين خط هر تصوير جديد استفاده مي شود.انتهاي يك دنباله از تصاوير باشش EOL متوالي نشان داده مي شود.

فشرده سازي دوبعدي
روش فشرده سازي دوبعدي اتخاذ شده براي هردو استاندارد گروه۳و۴CCITTيك روش خط به خط است كه درآن محل هرگذر از دنباله سياه به سفيد يا برعكس برحسب موقعيت عنصر مرجع aكه روي خط درحال رمزنگاري قراردارد رمز مي شود خط قبلا“رمز شده خط مرجع خوانده مي شود خط مرجع براي اولين خط هر تصوير جديد يك خط سفيد فرضي است.

فشرده سازي تصاوير تكرنگ و رنگي دنباله اي
تنها استاندارد رسمي براي فشرده سازي و افشرده سازي تصاوير دنباله اي استاندارد H.261(كه باعنوان۶۴×Pنيز اشاره مي شود) دواستاندارد ديگر كه MPEGIوMPEG IIخوانده مي شوند بوسيله گروه متخصصان تصوير متحرك CCITTوISOدرحال تهيه هستند.
استاتدارد H.261براي كاربردهاي گردهمايي راه دور تصويري مي باشد كه دراين كاربردها بايد تصوير كاملا“متحرك روي خطوط TIبا تاخيرهاي انتقال كمتر از ۱۵۰ميلي ثانيه ارسال شود( تاخيرهايي كه متجاوزاز۱۵۰ميلي ثانيه باشنداحساس مشاهده مستقيم را براي بينندگان فراهم نمي آورند)برعكس استاندارد MPEGIپيشنهاد شده يك استاندارد فشرده سازي ويديو با كيفيت تفريحي براي ذخيره سازي و بازيابي تصاوير فشرده روي رسانه هاي رقمي نظير CD-ROMاي امروزي درحدودنرج خطوط انتقال TIهستنداستاندارد MPEGIنرخهاي بيت و كيفيت رمزگذاري بالاتر رانيز پوشش مي دهد درهرحال اين استاندارد روال رمزنگاري خاصي رامشخص نمي كند بلكه فقط يك رشته بيت رمز شده استاندارد و رمزبردار متناظر آن راتعريف مي كند استاندارد MPEG II ازن

 

رخهاي انتقال ويديويي بين ۵تا۱۰مگابيت بر ثانيه كه براي پخش تلويزيون كابلي و پخش وسيع ماهواره اي باند باريك مناسب هستند پشتيباني مي كند.
هردواستاندارد MPEGو H.261روش فشرده سازي مبتني بر DCTتوصيف شده دربخش قبلي را توسعه مي دهند تا بدين وسيله كاهش افزونگي هاي بين قابي را نيز شامل شود.اين استانداردها ابتدا يك قاب شروع يا مرجع را با استفاده از يك روش شبه JPEGكه مبتني بر DCTباشد فشرده مي سازند سپس قاب فشرده شده را وافشرده مي كنند تا قاب اوليه بازسازي شود حركت اشيا بين قاب بازسازي شده و قاب بعدي را تخمين زده و براساس مقدار حركت تصميم مي گيرند كه آيا قاب بعدي رامستقلا“يا بااستفاده از قاب قبلا“رمز شده فشرده نمايند.مرحله تخمين حركت توعا“شامل لغزاندن هر زير تصوير بازسازي شده حول زير تصويرهاي مجاورش در قاب بعدي و محاسبه يك معيار همبستگي (نظيرجمع مربعات تفاضلهاي پيكسل به پيكسل)مي باشد درواقع اغلب اين فرآيند با استفاده از نموهاي جزءپيكسلي (نظير لغزاندن زير تصوير به اندازه ۱/۴پيكسل درهربار)انجام مي شود كه اين عمل درو نيابي مقاديرنقاط بين پيكسل هاقبل ار محاسبه معيار همبستگي را الزامي مي كندازنظرمحاسباتي ممكن است اين فرآيند پرهزينه باشد.چون استاندا

رد MPEGبراي كاربردهايي است كه درآنها ممكن است تغييرات سريع بسياري در صحنه رخ دهد.دراين استانداردلازم است هر پانزده قاب يكي بدون رجوع به قاب قبلش يك رمزي شبه JPEGشود.اين ويژگي براي ويرايش ويديو نيز مفيد است.تفاوت اصلي بين MPEGو H.261در روش تخمين حركت مي باشد.دراستاندارد H.261 بايد هرقاب باقاب قبلش مقايسه شود اما استاندارد MPEG پيشنهاد شده تعداد قابهاي قبلي را كه مي توان درفرآيند تخمين حركت ازآنها استفاده نمود تعريف نمي كنند./