Апаратно-програмний комплекс стиснення проміжних кадрів відеопотоку

Abstract

Кваліфікаційна магістерська робота присвячена розробці апаратно-програмного комплексу для стиснення проміжних кадрів відеопотоку з використанням комбінованого методу, що поєднує попереднє перетворення кадру у колірний простір YCrCb, виділення вузлових точок, стиснення основної області алгоритмом QOI, а також ентропійне стиснення вузлових точок алгоритмом Хаффмана. Актуальність роботи зумовлена потребою у методах зменшення обсягів відеоданих в умовах обмежених обчислювальних ресурсів вбудованих систем, а також необхідністю забезпечення швидкої обробки кадрів у мережевих та веб-середовищах. Об’єкт дослідження – процес стиснення проміжних кадрів відеопотоку. Предмет дослідження – комбінований метод стиснення з розділенням обробки вузлових точок та основної області кадру. У роботі розроблено архітектуру та виконано реалізацію комплексу у трьох варіантах: – на апаратній платформі STM32F746G для випадків автономної роботи вбудованих систем; – на одноплатному комп'ютері Raspberry Pi 4 для обробки потокового відео в реальному часі; – у вигляді вебзастосунку з клієнт-серверною взаємодією для обробки та аналізу кадрів у браузері. Проведено порівняльне тестування, яке підтвердило ефективність комбінованого методу: досягнуто коефіцієнт стиснення до 48 разів та забезпечено роботу в режимі реального часу. Робота пройшла апробацію на низці наукових конференцій, а саме: XXVI Всеукраїнській науково-практичній конференції «Могилянські читання – 2023» (Миколаїв, 2023 р.), XXVII Всеукраїнській науково-практичній конференції «Могилянські читання – 2024» (Миколаїв, 2024 р.), XXVIII Всеукраїнській науково-практичній конференції «Могилянські читання – 2025» (Миколаїв, 2025 р.), XXI Міжнародній науковій конференції «Ольвійський форум – 2023» (Миколаїв, 2023 р.), XXIII Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених, аспірантів і студентів «Стан, досягнення та перспективи інформаційних систем і технологій» (Одеса, 2023 р.). Публікації. За результатами досліджень опубліковано статтю «Метод стиснення зображень з використанням попередньої обробки та алгоритмів Quite OK Image і Хаффмана» у науковому фаховому виданні «Електронне моделювання», випуск №2 (2024 р.), а також статтю «Побудова теплової карти Wi-Fi за допомогою IoT-модуля ESP8266» у науковому фаховому виданні «Комп’ютерно-інтегровані технології: освіта, наука, виробництво», випуск №60 (2025 р.). Структура роботи. Пояснювальна записка магістерської роботи складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку джерел посилання та додатків. У вступі визначається актуальність теми, сформульовано мету та завдання. У першому розділі проводиться аналіз існуючих технологій. У другому розділі розробляється математична модель та алгоритм комбінованого методу. Третій розділ присвячено апаратно-програмній реалізації комплексу. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень ефективності та швидкодії розробленого рішення. The master’s qualification thesis is devoted to the development of a hardware-software complex for compressing intermediate video frames using a combined method that integrates preliminary conversion of frames into the YCrCb color space, extraction of nodal points, compression of the main region using the QOI algorithm, and entropy compression of nodal points using the Huffman algorithm. The relevance of the work is determined by the need for methods that provide efficient video data reduction under limited computational resources of embedded systems, as well as the necessity to ensure rapid frame processing in network and web environments. The object of the study is the process of compressing intermediate frames of a video stream. The subject of the study is a combined compression method with separate processing of nodal points and the main frame region. The architecture was developed and the complex was implemented in three variants: – on the STM32F746G hardware platform for standalone embedded system operation; – on the Raspberry Pi 4 single-board computer for real-time video stream processing; – as a web application with client-server interaction for frame processing and analysis in a browser. Comparative testing confirmed the efficiency of the combined method, achieving a compression ratio of up to 48x and ensuring real-time operation. The work has been presented at the following conferences: XXVI All-Ukrainian Scientific and Practical Conference “Mohyla Readings – 2023” (Mykolaiv, 2023), XXVII All-Ukrainian Scientific and Practical Conference “Mohyla Readings – 2024” (Mykolaiv, 2024), XXVIII All-Ukrainian Scientific and Practical Conference “Mohyla Readings – 2025” (Mykolaiv, 2025), XXI International Scientific Conference “Olvian Forum – 2023” (Mykolaiv, 2023), XXIII All-Ukrainian Scientific and Technical Conference “State, Achievements and Prospects of Information Systems and Technologies” (Odesa, 2023). Publications. Based on the research results, the article “Image Compression Method Using Pre-Processing and Quite OK Image and Huffman Algorithms” was published in the scientific journal Electronic Modeling, Issue No. 2 (2024), and the article “Building a Wi-Fi Heatmap Using the ESP8266 IoT Module” was published in the scientific journal Computer-Integrated Technologies: Education, Science, Production, Issue No. 60 (2025). Structure of the thesis. The explanatory note consists of an introduction, four chapters, conclusions, a list of references, and appendices. The introduction defines the relevance, aim, and tasks. The first chapter analyzes existing technologies. The second chapter describes the development of the mathematical model and the combined compression algorithm. The third chapter is devoted to the hardware-software implementation of the complex. The fourth chapter presents the results of experimental research on the efficiency and performance of the developed solution