Способ и устройство распознавания транспортных потоков мультимедийных данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Петрик, Елена Анатольевна

• Петрик, Елена Анатольевна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Петрик, Елена Анатольевна

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ НАУЧНЫХ ПРЕДПОСЫЛОК РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАСПОЗНАВАНИЯ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ДАННЫХ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗВИТИЯ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

1.2. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ СТАНДАРТА ISO/IEC 13818.

1.3. ОБЗОР ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РАСПОЗНАВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ДАННЫХ ISO/ffiC

1.4. ОБЗОР СПОСОБОВ РАСПОЗНАВАНИЯ СЛОЖНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ И ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗУЕМОГО ПОДХОДА.

ВЫВОДЫ.

2. ЭТАЛОННАЯ ПРОДУКЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ МУЛЬТИМЕДИЙНЫХ ДАННЫХ.

2.1. ОСОБЕННОСТИ ЭТАЛОННОГО МЕТАГРАММАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ КОЛЕС 13818-1 SYSTEMS.

2.2. ОСОБЕННОСТИ ФОРМАЛЬНЫХ ГРАММАТИК, ВХОДЯЩИХ В ОБЩЕЕ СТРУКТУРНО-ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТРАНСПОРТНОГО ПОТОКА ISO 13818-1 SYSTEMS.

ВЫВОДЫ.

3. СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ КОЛЕС 13818-1 SYSTEMS.

3.1. комбинированный структурно-лингвистическии способ распознавания тп isortec 13818-1 systems.

3.2. алгоритмы неполного синтаксического анализа транспортных потоков iso/iec 13818-1 systems.

3.3. алгоритм полного синтаксического анализа транспортных потоков iso/iec 13818-1 systems.

3.4. оценки достоверности алгоритмов неполного и полного синтаксического анализа для разработанного способа распознавания транспортных потоков мультимедийных данных. выводы.

4. структурно - функциональная организация устройства распознавания транспортных потоков мультимедийных данных.

4.1. особенности организации средств обработки мультимедийных данных.

4.2. структурно-функциональная организация устройства распознавания транспортных потоков системного уровня iso/iec 13818.

4.3. особенности реализации блоков устройства распознавания тп iso/iec 13818-1 systems.

4.4. экспериментальные исследования средств распознавания тп iso/iec 13818-1 systems. выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Способ и устройство распознавания транспортных потоков мультимедийных данных»

Актуальность темы. В настоящее время при создании устройств вычислительной техники в распределенных системах управления, вычислительных сетях, геоинформационных системах интенсивно внедряются технологии обработки, передачи и хранения мультимедийной информации.

При переходе к аппаратной поддержке мультимедийных технологий произошло существенное усложнение вычислительных процедур синхронной обработки и передачи разнородной сложноструктурированной информации. Для мультимедийных форматов данных характерны: сложные структуры вложенных данных, применение априорно неизвестных структур и параметров формирования и обмена информацией, обеспечение синхронизации разнородных данных (аудио, видео, текста), высокие скорости обработки и передачи, что определяет необходимость создания способов и устройств обработки и распознавания структуры и параметров мультимедийных данных.

Проведенный анализ применимости известных методов и устройств распознавания и обработки мультимедийной и других видов информации показал, что в них в контексте обработки правил формирования и передачи данного подкласса цифровых сигналов задача создания способов и устройств распознавания широко внедряемых на практике стандартов ISO/IEC 13818 решена лишь частично.

Таким образом, существует противоречие между повышением требований по оперативности и достоверности распознавания и обработки мультимедийной информации и недостаточной разработкой способов и технических средств распознавания и обработки этого достаточно нового типа данных, имеющего сложноструктурированную организацию.

В связи с вышеизложенным актуальным является решение задач распознавания потоков мультимедийных данных и создание специализированных устройств распознавания структур данного подкласса цифровых сигналов.

Проведенные исследования показали, что для эффективного решения задач, возникающих при распознавании мультимедийных данных, наиболее целесообразно использовать структурно-лингвистический подход и, в частности, аппарат теории метаграмматик, применение которых позволит удовлетворить большинству основных предъявляемых требований к устройствам распознавания мультимедийных данных. Предварительный анализ моделей и методов синтаксического анализа, разработанных в рамках практических приложений теории метаграмматик, показал, что на данный момент не разработаны эталонные описания и методы синтаксического анализа, учитывающие структурно-лингвистические особенности построения транспортных потоков мультимедийных данных. Тем не менее, возможности аппарата метаграмматик позволяют разработать структурно-лингвистический способ и на его основе устройство распознавания рассматриваемого класса цифровых сигналов, позволяющие производить адаптивную обработку сложноструктурированных вложенных разнородных мультимедийных данных.

Вопросы применимости отдельных подклассов грамматик и метаграмматик для описания сложноструктурированных объектов нашли отражение в работах Атакищева О.И., Городецкого В.И., Фу К., Сизова А.С., Фомина Я.А., Юсупова P.M., Харангозо Р.Н. и других ученых. Вместе с тем задача анализа и обработки транспортных потоков мультимедийных данных в прямой постановке в данных работах не рассматривалась.

Объект исследования. Процессы распознавания сложноструктурированных данных.

Предмет исследования, способ структурно-лингвистического анализа потоков мультимедийных данных и устройство его реализующее.

Целью диссертации является повышение достоверности и оперативности адаптивной обработки транспортных потоков мультимедийных данных на основе разработки структурно-лингвистического способа и устройства распознавания транспортных потоков мультимедийных данных.

Научной задачей работы является разработка способа и алгоритмов распознавания транспортных потоков мультимедийных данных на основе исследования и учета основных структурных особенностей данного подкласса цифровых сигналов, что предполагает решение следующих частных задач:

1. Анализ особенностей и ограничений процессов обработки мультимедийной информации и устройств, их реализующих. Постановка задачи и выбор направлений исследований.

2. Разработка эталонной продукционной модели распознаваемых мультимедийных данных.

3. Разработка способа распознавания транспортных потоков мультимедийных данных на основе комбинации использования методов восходящего и нисходящего синтаксического анализа.

4. Разработка структурно-функциональной организации устройства распознавания потоков мультимедийных данных и анализ характеристик разработанного устройства.

Методы и математический аппарат исследования. При проведении исследований использовались методы теории многоуровневых грамматических структур, формальных грамматик и метаграмматик, распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики, теория проектирования ЭЦВМ.

Границы исследования. Цифровые сигналы мультимедийных данных в условиях априорной неопределенности их параметров и наличия искажений двоичной последовательности.

Научная новизна В ходе исследований и разработок получены следующие теоретические результаты:

1. Разработана эталонная продукционная модель транспортных потоков системного уровня ISO/IEC 13818 на основе регулярных метаграмматик, впервые позволяющая в продукционной форме описывать сложную иерархическую многоуровневую систему вложенных разнородных синхронизированных потоков мультимедийных данных, снижающая размерность конфликтного множества правил.

2. Разработан комбинированный структурно-лингвистический способ распознавания транспортных потоков мультимедийных данных, ориентированный на применение регулярных метаграмматик и совместное использование разработанных процедур восходящего и нисходящего неполного и полного синтаксического анализа. Разработанный способ позволяет проводить распознавание транспортных потоков системного уровня ISO/IEC 13818 с требуемой достоверностью и определение в процессе синтаксического анализа априорно неизвестных параметров и схем формирования полезной нагрузки.

3. На основе способа структурно-лингвистического анализа разработаны алгоритмы неполного синтаксического анализа, позволяющие осуществлять грамматический разбор потоков мультимедийных данных с использованием неполного набора правил подстановки, что обеспечивает повышение оперативности обработки.

4. Разработана структурно-функциональная организация устройства распознавания транспортных потоков мультимедийных данных, особенностью которой является распараллеливание работы блоков полного и неполного синтаксического анализа и дополнительное введение двух блоков памяти, применяемых для буферизации потока входных данных и организации блока продукционной модели.

Практическая ценность и реализация Разработанный способ позволяет проводить высокоскоростной анализ мультимедийных данных с выделением на этапах распознавания априорно неизвестных параметров и схем формирования данного подкласса цифровых сигналов. Предложенный способ может найти широкое применение при построении DVB-систем; серверов интерактивных программ; видеосерверов MPEG-2/DVB; генераторов тестовых транспортных потока ISO/IEC 13818; анализаторов потоков ISO/IEC 13818; серверов VOD (Video on demand); организации передачи IP-данных через DVB-системы. Разработанные алгоритмы неполного синтаксического анализа применяются для высокоскоростной обработки символьной информации.

Результаты диссертационной работы использованы в НИР «Исследование научно-технических путей обеспечения поддержки принятия решений и обмена координатно-привязанной информацией в перспективных территориально распределенных геоинформационных системах», НИР «Исследование и создание многофункциональных адаптивных средств демультиплексирования сигналов цифровых иерархий для информационно-телекоммуникационных систем» и внедрены в ОКБ «Авиаавтоматика», в учебный процесс КурскГТУ, в ФГУП «Курский НИИ» МО РФ.

Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов подтверждается апробацией, а также соответствием результатов экспериментальных исследований основным теоретическим положениям и выводам, полученным в диссертации.

Апробация и публикация. Материалы диссертационной работы обсуждались на научной конференции «Распознавание-2001» (Курский ГТУ, 2001 г.), XXIV научной конференции (в/ч 45807-Р2, 2002 г.), на научной конференции «Распознавание-2003» (Курский ГТУ, 2003 г.), на научной конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2004 г.). По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе: 3 статьи, 4 тезиса докладов на научных конференциях, 2 отчета о НИР.

Личный вклад автора. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем разработано эталонная продукционная модель ISO/IEC 13818 на основе регулярных метаграмматик [9, 10, 67], разработан способ структурно-лингвистического распознавания мультимедийных потоков [59, 60, 63, 11], разработана структурно-функциональная организации устройства распознавания потоков мультимедийных данных [61].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы (83 наименования). Текст диссертации включает 124 страницы, из них 110 страниц основного текста.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Петрик, Елена Анатольевна

основные результаты и выводы.

1. Для решения задачи распознавания транспортных потоков мультимедийных данных необходимо учитывать основную особенность ISO/IEC 13818 - сложную иерархическую многоуровневую схему вложенных синхронизированных разнородных потоков данных, а также необходимо учитывать большое количество априорно неизвестных параметров и схем формирования сигналов ISO/IEC 13818. С использованием регулярных метаграмматик построена эталонная продукционная модель рассматриваемого класса цифровых сигналов с TS и TP правилами согласования грамматик различных уровней метаграмматики (осуществлено предварительное обучение системы распознавания образов), позволяющая учесть все основные требования к распознаваемому классу цифровых сигналов.

2. Разработан комбинированный структурно-лингвистический способ распознавания транспортных потоков системного уровня, ориентированный на применение регулярных метаграмматик и совместное использование разработанных процедур восходящего и нисходящего неполного и полного синтаксического анализа. Разработанный способ позволяет проводить распознавание транспортных потоков системного уровня с использованием неполного набора правил подстановки и определения в процессе синтаксического анализа априорно неизвестных параметров и схем. При этом использование в процессе распознавания ТП неполного множества правил неполный синтаксический анализ) позволяет снизить на 1-2 порядка число анализируемых терминальных символов, что снижает вычислительную сложность решения задачи распознавания потоков мультимедийных данных приблизительно в 2 раза.

3. Для решения задач распознавания транспортных потоков системного уровня ISO/IEC 13818 в условиях разнородной информации в высокоскоростных вычислительных сетях разработаны алгоритмы неполного синтаксического анализа, использующие неполное множество правил для грамматического разбора, на основе регулярных метаграмматик и динамический выбор приоритетного правила. Также разработан алгоритм полного синтаксического анализа транспортных потоков ISO/IEC 13818-1 Systems на основе комбинированного использования методов восходящего и нисходящего анализа, позволяющий осуществлять определение параметров транспортного потока ISO/IEC 13818-1 Systems. Алгоритм заключается в выполнении рекурсивной процедуры нисходящего по TS-правилам (или восходящего по инверсным TS-правилам) согласования грамматического разбора с последовательным предсказанием терминалов в грамматиках всех уровней, кроме самого нижнего, и использованием TP-правил согласования для выбора очередных шагов синтаксического анализа.

4. Разработана структурно-функциональная организация устройства распознавания транспортных потоков ISO/IEC 13818-1 Systems, а также реализованы отдельные блоки устройства. Экспериментальная проверка работоспособности разработанного устройства показала, что оно позволяет на основе предложенного способа и алгоритмов оперативно обрабатывать все классы транспортных потоков мультимедийных данных ISO/IEC 13818 с заданной степенью достоверности. Рассмотрены варианты внедрения предложенного структурно-лингвистического способа распознавания мультимедийных данных и устройства на его основе. Проверка алгоритмов и имитация работы устройства показала, что разработанное устройство распознавания рассматриваемого класса цифровых сигналов позволяет на основе предложенного способа и алгоритмов снизить в 1.7-1.9 раз объем выборки и в целом в 1.5-1.7 раз снизить общее время распознавания заданных классов сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

С единых позиций аппарата теории метаграмматик решена важная научно-техническая задача по созданию способа структурно-лингвистического распознавания транспортных потоков мультимедийных данных и устройства, его реализующего.

Проведенные в работе исследования позволили получить следующие

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Петрик, Елена Анатольевна, 2005 год

1. Андерсон, Т. Введение в многомерный статистический анализ Текст. / Т. Андерсон -М.: Физматгиз., 1963.

2. Ануфриев И. К., Соколов В.М., Быструшкин К.Н. Комбинированные телевизоры CDTV/DyB универсальная платформа для цифрового телевидения и интерактивных служб/ № 12 журнал "ТЕХНИКА КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ", М., Журнал 2000 год

3. Атакищев, О.И. Метаграмматики как средство формального описания протоколов Текст. / О.И. Атакищев, Ю.Д. Козин // Автоматика и вычислительная техника.- 1989.- № 5.- С. 11.

4. Атакищев О.И. Алгоритм распознавания сигналов синхронной цифровой иерархии Текст. / О.И. Атакищев, JI.C. Куликов, Е.Ю. Мусакин // Телекоммуникации.- 2003.- № 2.

5. И. Атакищев, О.И. Особенности структурно-лингвистического описания транспортного пакета ISO/IEC 13818-1 SYSTEMS Текст. / О.И. Атакищев, А.В. Николаев, Е.А. Петрик // Телекоммуникации. 2004. № 8. С. 8-10.

6. Анисимов Б. В., Четвериков В. Н. Основы теории и проектирования ЭЦВМ. -М.: Высш. шк., 1969.-575с.

7. Ахо А. Теория синтаксического анализа, перевода и компиляции Текст. / А. Ахо, Дж. Ульман.-М.: Мир, 1978.- кн. 1, 2.

8. Биза, Г.В. Таценко, В.Г. Шишов, А.К. Цифровое кабельное телевидение.k

9. Телеспутник, №3. СПб., 2005.

10. Бителева А. Динамика развития цифрового эфирного вещания. Телеспутник, №2. СПб., 2005.

11. Богданов В., Кустов Д., Третьяк С. Оборудование фирмы «ИМОС»/ журнал 625 : 2004 : №1

12. Браверман Э.М. Структурные методы обработки эмпирических данных Текст. / Э.М. Браверман, И.Б. Мучник. М.: Наука, 1983.

13. Брайс Р. Руководство по цифровому телевидению. М., ДМК Пресс, 2002.

14. Браунли К.А. Статистическая теория и методология в науке и технике Текст. /К.А. Браунли-М.: Наука, 1977.

15. Вальд А. Последовательный анализ Текст. / А. Вальд. М.: Физматгиз, 1960.

16. Вапник В.Н. Теория распознавания образов Текст. / В.Н. Вапник, А.Я. Червоненкис. -М.: Наука, 1974.- 415 с.

17. Ватолин Д., Ратушняк А., Смиронов М., Юкин В. Методы сжатия данных. ДИАЛОГ-МИФИ. М., 2002

18. Ватолин Д.С. Алгоритмы сжатия изображений. Методическое пособие. М., 1999 г.

19. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. Высшая школа (Москва) 2002, 576 стр.

20. Распознавание образов. Состояние и перспективы Текст. / К. Верхаген, Р. Дейн, Ф. Грун, Й. Йостен, П. Вербек. М.: Радио и связь, 1985.

21. Гладкий А.В. Формальные грамматики и языки Текст. / Гладкий А.В. -М.: Наука, 1973.

22. Гласман К. MPEG это просто! Журнал "625", №3, 2000 г.

23. Горелик A.JT. Методы распознавания Текст. / А.Л. Горелик, В.А. Скрипкин.-М.: Высшая школа, 1984.- 222 с.

24. Городецкий В. И. Прикладная алгебра и дискретная математика. Часть IL-Формальные системы нелогического типа. МО СССР, 1986.

25. Городецкий В. И., Дрожжин В.В., Юсупов P.M. Многоуровневые атрибутные грамматики для моделирования сложных структурно-динамических систем. Изв. АН СССР, Техническая кибернетика, № 1, 1986, с. 165.

26. Дуда Р. Распознавание образов и анализ сцен Текст. / Р. Дуда, П. Харт-М.: Мир, 1976.

27. Дьячкова М. Н., Хоробрых В. Т., Ермилов В. Т. Цифровое ТВ: измерение в спутниковых трактах, оценка качества. 2000 ЦНТИ "Информсвязь"

28. Емри Д. и др. Пат. W099/26409. Фильтрация пакетов. Опубл. 27.05.1999

29. Есауленко А. Строительные блоки для сетевого ТВ. журнал Сети, №15/2004

30. Завалишин Н.В. Лингвистический (структурный) подход к проблеме распознавания образов. Автоматика и телемеханика, № 8, 1969.

31. Зубарев Ю.Б., Кривошеев М.И., Красносельский И.Н. Цифровое телевизионное вещание. Основы, методы, системы 2001 Радио и связь38.39,40.41,42