tuzsutТруды учебных заведений связиProceedings of Telecommunication Universities1813-324X2712-8830СПбГУТ10.31854/1813-324X-2022-8-3-6-12tuzsut-393Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ НАУКИ И ИНФОРМАТИКАCOMPUTER SCIENCE AND INFORMATICSАлгоритм статистического арифметического кодирования, адаптивный к корреляционным свойствам коэффициентов вейвлет-преобразованияStatistical Arithmetic Coding Algorithm Adaptive to Correlation Properties of Wavelet Transform Coefficientshttps://orcid.org/0000-0002-4889-0001ДворниковС. В.DvornikovS.

Сергей Викторович Дворников, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры радиотехнических и оптоэлектронных комплексов; профессор кафедры радиосвязи

Санкт-Петербург, 190000

Санкт-Петербург, 194064

Sergei Dvornikov

St. Petersburg, 190000

St. Petersburg, 194064

practicdsv@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0252-6850УстиновА. А.UstinovA.

Андрей Александрович Устинов, доктор технических наук, профессор, научный сотрудник научно-исследовательского центра

Санкт-Петербург, 194064

Andrei Ustinov

St. Petersburg, 194064

ust_m_a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1460-0635ОковИ. Н.OkovI.

Игорь Николаевич Оков, доктор технических наук, профессор, научный сотрудник научно-исследовательского центра

Санкт-Петербург, 194064

Igor Okov

St. Petersburg, 194064

okow1@mail.ruСанкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения; Военная академия связи им. С.М. БуденногоРоссияSaint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation; Military Academy of CommunicationsRussian FederationВоенная академия связи им. С.М. БуденногоРоссияMilitary Academy of CommunicationsRussian Federation20220510202283612Copyright © Дворников С.В., Устинов А.А., Оков И.Н., 20222022Дворников С.В., Устинов А.А., Оков И.Н.Dvornikov S., Ustinov A., Okov I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tuzs.sut.ru/jour/article/view/393

Обосновано, что для повышения коэффициента сжатия в ходе статистического арифметического кодирования необходимо учитывать условные вероятности при появлении предшествующих символов кода. Решена задача поиска и определения местоположения наиболее значимых символов в ходе кодирования за счет обработки результатов автокорреляционных вычислений. Приведен алгоритм арифметического кодирования и декодирования, учитывающий зависимости между коэффициентами вейвлет-преобразования и результаты моделирования его функционирования.

It is shown that, in order to increase the compression ratio in the course of statistical arithmetic coding, it is necessary to take into account the conditional probabilities of code symbols when the preceding symbols appear. The problem of obtaining the location of the most significant symbols when encoding the current symbol is solved by calculating the autocorrelation function of the encoded symbols. An algorithm for arithmetic coding and decoding is provided, which takes into account the dependencies between the coefficients of the wavelet transform and the results of modeling its operation.

сжатие изображенийарифметический кодекадаптивное арифметическое кодированиекоэффициенты вейвлет-преобразованияimage compressionarithmetic codecadaptive arithmetic codingwavelet transform coefficientsReferencesМахов Д.С., Финько О.А. Способ пространственно-временного кодирования информации в параллельных радиоканалах радиотехнических систем // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2020. № 675. С. 95‒107.Makhov D.S., Finko O.A. The Method of Spatio-Temporal Coding of Information in Parallel Radio Channels of Radio Engineering Systems. Proceedings of the Mozhaisky Military Space Academy. 2020;675:95‒107. (in Russ.)Умбиталиев А.А., Дворников С.В., Оков И.Н., Устинов А.А. Способ сжатия графических файлов методами вейвлет-преобразований // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2015. № 3. С. 100‒106.Umbitaliev A.A., Dvornikov S.V., Okov I.N., Ustinov A.A. Compression Method Graphic Files Using Wavelet Transform. Voprosy radioelectronics. Series: TV Technique. 2015;3:100‒106. (in Russ.)Нуралин Д.Г., Шевелев С.В. Сравнительный анализ современных методов сжатия изображений без потерь // Телекоммуникации и информационные технологии. 2019. Т. 6. № 2. С. 129‒134.Nuralin D.G., Shevelev S.V. Comparative analysis of modern lossless image compression methods. Telecommunications and information technologies. 2019;6(2):129‒134. (in Russ.)Дворников С.В., Устинов А.А., Оков И.Н., Царелунго А.Б., Дворовой М.О., Цветков В.В. Способ сжатия графических файлов // Вопросы радиоэлектроники. Серия: Техника телевидения. 2017. № 4. С. 77‒86.Dvornikov S.V., Ustinov A.A., Okov I.N., Tsarelungo A.B., Dvorovoi M.O., Tsvetkov V.V. Compression of Graphic Files Through the Risez Procedure. Voprosy radioelectronics. Series: TV Technique. 2017;4:77‒86. (in Russ.)Стефанович А.И., Сушко Д.В. Обратимое сжатие данных посредством универсального арифметического кодирования // Информатика и ее применения. 2017. Т. 11. № 1. С. 20‒45. DOI:10.14357/19922264170103Stefanovich A.I., Sushko D.V. Reversible Data Compression By Universal Arithmetic Coding. Informatics and Applications. 2017;11(1):20‒45. (in Russ.) DOI:10.14357/19922264170103Стрельников С.Е., Пономарев О.Г., Бахолдина М.А., Шарабайко М.П. Архитектура аппаратной реализации энтропийного кодера для системы видеокодирования стандарта H.265/HEVC // Известия высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58. № 8-2. С. 301‒303.Strelnikov S.E., Ponomarev O.G., Baholdina M.A., Sharabayko M.P. SBAC Hardware Implementation for H.265/HEVC Video Encoder. Russian Physics Journal. 2015;58(8-2):301‒303. (in Russ.)Оков И.Н., Устинов А.А., Агеева Н.С. Способ совместного арифметического и помехоустойчивого кодирования и декодирования // Труды всеармейской научно-практической конференции «Инновационная деятельность в Вооруженных Силах Российской Федерации» (Санкт-Петербург, Россия, 14–15 октября 2020). СПб: Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Военная академия связи имени маршала советского союза С. М. Буденного» Министерства обороны Российской Федерации, 2020. С. 185‒190.Okov I.N., Ustinov A.A., Ageeva N.S. The method of joint arithmetic and noise-immune coding and decoding. Proceedings of the All-Army Scientific and Practical Conference on Innovative Activity in the Armed Forces of the Russian Federation, 14–15 October 2020, St. Petersburg, Russia. St. Petersburg: Military Signal Academy Publ.; 2020. p.185‒190. (in Russ.)Im S.-K., Chan K.-H. Higher precision range estimation for context-based adaptive binary arithmetic coding // IET Image Processing. 2020. Vol. 14. Iss 1. PP. 125‒131. DOI:10.1049/iet-ipr.2018.6602Im S.-K., Chan K.-H. Higher precision range estimation for context-based adaptive binary arithmetic coding. IET Image Processing. 2020;14(1):125‒131. DOI:10.1049/iet-ipr.2018.6602Karwowski D. Precise Estimation of Probabilities in CABAC Using the Cauchy Optimization Method // IEEE Access. 2020. Vol. 8. PP. 32088‒32099. DOI:10.1109/ACCESS.2020.2973549Karwowski D. Precise Estimation of Probabilities in CABAC Using the Cauchy Optimization Method. IEEE Access. 2020;8:32088‒32099. DOI:10.1109/ACCESS.2020.2973549Suzuki J., Colin F., Ono S. Arithmetic codec from behavioral description based LSI-CAD for fully programmable image coding system // Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP '94, Adelaide, Australia, 19‒22 April 1994). IEEE, 1994. Vol. 2. PP. II/421-II/424. DOI:10.1109/ICASSP.1994.389631Suzuki J., Colin F., Ono S. Arithmetic codec from behavioral description based LSI-CAD for fully programmable image coding system. Proceedings of the International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, ICASSP '94, 19‒22 April 1994, Adelaide, Australia. IEEE; 1994. vol.2. p.II/421-II/424. DOI:10.1109/ICASSP.1994.389631Simonov A., Fokin G., Sevidov V., Sivers M., Dvornikov S. Polarization Direction Finding Method of Interfering Radio Emission Sources // Proceedings of the 19th Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems (NEW2AN 2019), 12th Conference on Internet of Things and Smart Spaces (ruSMART 2019), St. Petersburg, Russia, 26–28 August 2019. Lecture Notes in Computer Science (LNCS). Vol. 11660. Springer: Cham, 2019. DOI:10.1007/978-3-030-30859-9_18Simonov A., Fokin G., Sevidov V., Sivers M., Dvornikov S. Polarization Direction Finding Method of Interfering Radio Emission Sources. Proceedings of the 19th Internet of Things, Smart Spaces, and Next Generation Networks and Systems (NEW2AN 2019), 12th Conference on Internet of Things and Smart Spaces (ruSMART 2019), 26–28 August 2019, St. Petersburg, Russia. Lecture Notes in Computer Science (LNCS, vol.11660). Springer: Cham; 2019. DOI:10.1007/978-3-030-30859-9_18Дворников С.В., Степынин Д.В., Дворников А.С., Букарева А.П. Формирование векторов признаков сигналов из вейвлет-коэффициентов их фреймовых преобразований // Информационные технологии. 2013. № 5. С. 46‒49.Dvornikov S.V., Step’nin D.V., Dvornikov A.S., Bukareva A.P. Formation of Vectors Signs Signals from Wavelet-Coefficients of Their Frame Transforms. Information Technologies. 2013;5:46‒49. (in Russ.)Logunova O., Bagaev I., Arefeva D., Garbar E. Efficient Information Support of the Automatic Process and Production Control System // Proceedings of the 8th International Conference on Analysis of Images, Social Networks and Texts (AIST 2019, Kazan, Russia, 17–19 July 2019). Communications in Computer and Information Science (CCIS). Vol. 1086. Cham: Springer, 2020. PP. 244–255. DOI:10.1007/978-3-030-39575-9_25Logunova O., Bagaev I., Arefeva D., Garbar E. Efficient Information Support of the Automatic Process and Production Control System. Proceedings of the 8th International Conference on Analysis of Images, Social Networks and Texts, AIST 2019, 17–19 July 2019, Kazan, Russia. Communications in Computer and Information Science (CCIS, vol.1086). Cham: Springer; 2020. p.244–255. DOI:10.1007/978-3-030-39575-9_25Kuznetsova A.A. On the proof of the entanglement-assisted coding theorem for a quantum measurement channel // Lobachevskii Journal of Mathematics. 2021. Vol. 42. Iss. 10. PP. 2377‒2385. DOI:10.1134/S1995080221100140Kuznetsova A.A. On the proof of the entanglement-assisted coding theorem for a quantum measurement channel. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2021;42(10):2377‒2385. DOI:10.1134/S1995080221100140Volchikhin V., Ivanov A., Gazin A. Possibility to increase the chi-square test power on small samples by means of transition towards analyzing of it's discrete spectrum // Periodico Tche Quimica. 2019. Vol. 16. Iss. 33. PP. 41‒52.Volchikhin V., Ivanov A., Gazin A. Possibility to increase the chi-square test power on small samples by means of transition towards analyzing of it's discrete spectrum. Periodico Tche Quimica. 2019;16(33):41‒52.Zhang H., Hong X., Zhou S., Wang Q. Infrared Image Segmentation for Photovoltaic Panels Based on Res-UNet // Proceedings of the 2nd Chinese Conference on Pattern Recognition and Computer Vision (PRCV 2019, Xi’an, China, 8–11 November 2019). Lecture Notes in Computer Science (LNCS). Vol. 11857. Springer: Cham, 2019. PP. 611‒622. DOI:10.1007/978-3-030-31654-9_52Zhang H., Hong X., Zhou S., Wang Q. Infrared Image Segmentation for Photovoltaic Panels Based on Res-UNet. Proceedings of the 2nd Chinese Conference on Pattern Recognition and Computer Vision, PRCV 2019, 8–11 November 2019, Xi’an, China. Lecture Notes in Computer Science (LNCS, vol.11857). Springer: Cham; 2019. p.611‒622. DOI:10.1007/978-3-030-31654-9_52Gatt V., Lauri J., Klin M., Liskovets V. From Schur Rings to Constructive and Analytical Enumeration of Circulant Graphs with Prime-Cubed Number of Vertices // Proceedings of the International Workshop on Isomorphisms, Symmetry and Computations in Algebraic Graph Theory (WAGT 2016, Pilsen, Czech Republic, 3–7 October 2016). Springer Proceedings in Mathematics & Statistics. Vol. 305. Springer: Cham, 2020. PP. 37‒65. DOI:10.1007/978-3-030-32808-5_2Gatt V., Lauri J., Klin M., Liskovets V. From Schur Rings to Constructive and Analytical Enumeration of Circulant Graphs with Prime-Cubed Number of Vertices. Proceedings of the International Workshop on Isomorphisms, Symmetry and Computations in Algebraic Graph Theory, WAGT 2016, 3–7 October 2016, Pilsen, Czech Republic. Springer Proceedings in Mathematics & Statistics (vol.305). Springer: Cham; 2020. p.37‒65. DOI:10.1007/978-3-030-32808-5_2Савченко А.В. Метод максимально правдоподобного перебора в задаче классификации кусочно-однородных объектов // Автоматика и телемеханика. 2016. № 3. С. 99‒108.Savchenko A.V. The maximal likelihood enumeration method for the problem of classifying piecewise regular objects. Automation and Remote Control. 2016;77(3):443‒450. DOI:10.1134/S0005117916030061Kato H., Ogawa T., Katayama Y., Ohta H. Enumeration of Chemoorganotrophic Carbonyl Sulfide (COS)-degrading Microorganisms by the Most Probable Number Method // Microbes and Environments. 2020. Vol. 35. Iss. 2. PP. ME19139. DOI:10.1264/jsme2.ME19139Kato H., Ogawa T., Ohta H., Katayama Y. Enumeration of Chemoorganotrophic Carbonyl Sulfide (COS)-degrading Microorganisms by the Most Probable Number Method. Microbes and Environments. 2020;35(2):ME19139. DOI:10.1264/jsme2.ME19139De Panafieu É., Dovgal S. Symbolic method and directed graph enumeration // Acta Mathematica Universitatis Comenianae. 2019. Vol. 88. Iss. 3. PP. 989‒996. DOI:10.48550/arXiv.1903.09454De Panafieu É., Dovgal S. Symbolic method and directed graph enumeration. Acta Mathematica Universitatis Comenianae. 2019;88(3):989‒996. DOI:10.48550/arXiv.1903.09454Симонов А.Н., Волков Р.В., Дворников С.В. Основы построения и функционирования угломерных систем координатометрии источников радиоизлучений. СПб.: ВАС, 2017. 248 с.Simonov A.N., Volkov R.V., Dvornikov S.V. Fundamentals of Construction and Operation of Goniometric Systems for Coordinate Measurement of Radio Emission Sources. St. Petersburg: Military Signal Academy Publ.; 2017. 248 p. (in Russ.)Батенков К.А. Точные и граничные оценки вероятностей связности сетей связи на основе метода полного перебора типовых состояний // Труды СПИИРАН. 2019. Т. 18. № 5. С. 1093‒1118. DOI:10.15622/sp.2019.18.5.1093-1118Batenkov K.A. Accurate and boundary estimate of communication network connectivity probability based on model state complete enumeration method. SPIIRAS Proceedings. 2019;18(5):1093‒1118. (in Russ.) DOI:10.15622/sp.2019.18.5.1093-1118Kong W.-L., Miki T., Lin Y.-Y., Makino W., Urabe J., Gu S.-H., Machida R.J. Nuclear and mitochondrial ribosomal ratio as an index of animal growth rate // Limnology and Oceanography: Methods. 2019. Vol. 17. Iss 11. PP. 575‒584. DOI:10.1002/lom3.10334Kong W.-L., Miki T., Lin Y.-Y., Makino W., Urabe J., Gu S.-H., Machida R.J. Nuclear and mitochondrial ribosomal ratio as an index of animal growth rate. Limnology and Oceanography: Methods. 2019;17(11):575‒584. DOI:10.1002/lom3.10334Farahi A., Mulroy S.L., Evrard A.E., Smith G.P., Finoguenov A., Bourdin H., et al. Detection of anti-correlation of hot and cold baryons in galaxy clusters // Nature Communications. 2019. Vol. 10. 2504. DOI:10.1038/s41467-019-10471-yFarahi A., Mulroy S.L., Evrard A.E., Smith G.P., Finoguenov A., Bourdin H., et al. Detection of anti-correlation of hot and cold baryons in galaxy clusters. Nature Communications. 2019;10(1):2504. DOI:10.1038/s41467-019-10471-yHe D., Cai Q. Correlation and the black hole information loss problem // Chinese Science Bulletin (Chinese Version). 2018. Vol. 63. Iss. 30. PP. 3089‒3095.He D., Cai Q. Correlation and the black hole information loss problem. Chinese Science Bulletin (Chinese Version). 2018; 63(30):3089‒3095.Дворников С.В., Яхеев А.Ф. Метод измерения параметров кратковременных сигналов на основе распределения Алексеева // Информация и космос. 2011. № 1. С. 66‒74.Dvornikov S., Yaheev A. Method of fast signal parameters measurement on the basis of distribution suggested by Alekseev. Informatsiya i kosmos. 2011;1:66‒74 (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.