Порівняльний аналіз алгоритмів міжкадрової фільтрації відеопослідовностей, спотворених адитивною завадою

Abstract

One of the essential requirements for the operation of technical systems for digital video sequence processing is the reduction of the negative impact of interference that arises in video images during their acquisition or transmission through communication channels. Suppression of interference and improvement of the signal-to-noise ratio is relevant for applications in which, in addition to visual analysis of the obtained observations, corresponding algorithms for automatic data processing may also be employed. Filtering typically serves as a fundamental component of image processing, while the choice of specific algorithms depends on the requirements for their computational complexity and their ability to suppress the corresponding type of interference. This paper presents a comparative analysis of the algorithms applied to solve the problem of interference suppression modeled as additive white Gaussian noise that distorts the sequence of digital images. The specific implementation features of denoising methods based on the inter-frame averaging procedure are provided. Mathematical expressions describing the corresponding image denoising procedures are presented, and the ed approaches are characterized with an indication of their advantages and disadvantages. The research is conducted by simulation in the MATLAB software environment using synthesized data based on homogeneous textured images described by a Gaussian random field model. Quantitative indicators of the filtering results for the synthesized video sequence with predefined parameters are obtained. Graphs of the mean square deviation of the filtering error are presented, enabling assessment of the degree of interference suppression achieved by the applied approaches. To ensure the possibility of visual subjective evaluation of the data obtained through the implemented algorithms, examples of denoised frames of the model video image are provided. The obtained results demonstrate the applicability of the investigated methods to video data filtering tasks aimed at interference suppression and may be used in the development of algorithmic support for software modules for processing video sequences characterized by a high level of inter-frame correlation, as well as in scientific tasks related to the development of video denoising methods.

Однією з вимог до функціонування технічних систем цифрової обробки відеопослідовностей є забезпечення зниження негативного впливу завад, які виникають на відеозображеннях в процесі їх реєстрації або передачі через канали зв’язку. Заглушення завад та поліпшення відношення сигнал/шум є актуальним для застосувань, в яких окрім візуального аналізу отриманих спостережень також можуть використовуватися відповідні алгоритми автоматичної обробки даних. Фільтрація зазвичай виступає як базова складова обробки зображень, а вибір конкретних алгоритмів залежить від вимог до їх обчислювальної складності та можливостей заглушення відповідного виду завади. В статті виконано порівняльний аналіз алгоритмів, які застосовуються для розв’язання задачі пригнічення завади, що описується за допомогою моделі адитивного білого гаусівського шуму та спотворює послідовність цифрових зображень. Зазначено особливості реалізації методів фільтрації, які використовують процедуру міжкадрового усереднення. Подано математичні вирази, які дозволяють описати процес знешумлення зображень, надано характеристику розглянутих підходів, зазначено їхні переваги та недоліки. Дослідження проведено шляхом моделювання в програмному середовищі MATLAB з використанням синтезованих даних, побудованих на основі однорідних текстурних зображень, що описуються моделлю гаусівського випадкового поля. Отримано кількісні показники результатів фільтрації синтезованої відеопослідовності із заданими параметрами.  Наведено графіки середньоквадратичного відхилення помилки фільтрації, що дозволяє оцінити ступінь пригнічення завади у разі застосування відповідного підходу. Для забезпечення можливості візуального суб’єктивного контролю якості даних, отриманих шляхом застосування реалізованих алгоритмів, представлено приклади знешумлених кадрів модельного відеозображення. Отримані результати демонструють придатність досліджуваних методів для їх застосування в задачах фільтрації відеоданих з метою заглушення завади, та можуть бути використані для розроблення алгоритмічного забезпечення програмних модулів обробки відеопослідовностей, що характеризуються високим рівнем кореляції між сусідніми кадрами, а також в наукових задачах, які охоплюють сферу розробки методів знешумлення відеозображень.