ПРИНЦИПЫ СЖАТИЯ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ

1. ФГБОУ ВПО «ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ПРИНЦИПЫ СЖАТИЯ ВИДЕОИНФОРМАЦИИ Лекции

2. - это двумерное изображение F(x,y), характеризующееся бесконечной точностью представления по пространственным параметрам x и y и бесконечной точностью представления значений интенсивности в каждой пространственной точке (x,y) - это двумерное изображение I(r,c), представленное в виде двумерного массива дискретных значений интенсивности, каждое из которых представлено с ограниченной точностью

3. Цифровое изображение Цветные изображения описываются тремя значениями для каждого пикселя, а монохромные – одним Сетка квадратов, каждый из которых содержит один цвет Каждый квадрат называется пикселем (элем. изображения)

4. - это монохромное (черно-белое) цифровое изображение, у которого каждому пикселю соответствует одно значение интенсивности - это двумерное изображение, у которого каждой пространственной точке или пикселю соответствует вектор значений - это цифровое изображение, пиксели которого имеют значения 0 или 1

5. Цветовые системы. RGB Любой цвет считается состоящим из трех основных компонентов: красного (Red) зеленого (Green) синего (Blue) Синий [0, 0, 1] Голубой [0, 1,1] Белый [1, 1, 1] Пурпурный [1, 0, 1] Метод получения нового оттенка суммированием яркостей составляющих компонентов называют аддитивным методом. Зеленый [0, 1, 0] Черный [0, 0, 0] Например, спектральные функции: черного цвета: fblack = 0, (R,G,B) = (0,0,0); фиолетового цвета: fviolet = fred + fblue, (R,G,B) = (1,0,1); белогоцвета: fwhite = fred + fgreen + fblue, (R,G,B) = (1,1,1). Красный [1, 0, 0] Желтый [1, 1, 0] Серый Цветовой куб в нормированных координатах RGB

6. ПРИМЕР ИЗОБРАЖЕНИЯ, ПРЕДСТАВЛЕННОГО В ЦВЕТОВОЙ СИСТЕМЕ RGB

7. Цветовые системы. YCBCR Буква Y в таких цветовых пространствах обозначает компоненту светимость, которая вычисляется как взвешенное усреднение компонент R, G и B по следующей формуле: где k обозначает соответствующий весовой множитель Остальные цветовые компоненты определяются в виде разностей между светимостью Y и компонентами R, G и B: При этом получаются четыре компоненты нового пространства вместо трех RGB. Однако число Cb+Cr+Cg является постоянным, поэтому только две из трех хроматических компонент необходимо хранить, а третью вычислять на основе них. Чаще всего в качестве две искомых цветовых компонент используют Cb и Cr. Преимущество пространства YCbCr по сравнению с RGB заключается в том, что Cb и Cr можно представлять с меньшим разрешением, чем Y, т.к. глаз человека менее чувствителен к цвету предметов, чем к их яркости. Это позволяет сократить объем информации, требуемый для представления хроматических компонент, без заметного ухудшения качества передачи цветовых оттенков изображения. 

8. ПРИМЕР ИЗОБРАЖЕНИЯ, ПРЕДСТАВЛЕННОГО В ЦВЕТОВОЙ СИСТЕМЕ YCBCR

11. требования к алгоритмам сжатия • высокая степень компрессии • высокое качество изображений • высокая скорость компрессии и декомпрессии • симметричность по времени • небольшая стоимость аппаратной реализации • эффективность программной реализации

12. Оценка качества изображения Субъективная оценка качества Субъективная оценка качества изображения формируется на основе экспертных оценок. Она зависит от различных внешних факторов, например, условий окружающей среды, освещения, настроения специ-алиста, который производит оценку, качества монитора, характера рассмат-риваемых изображений и др. Каждая процедура начинается с отбора участ- ников, которые не дол-жны быть экспертами, и проверки их зрения. В контролируемых условиях участники просматривают до 30 мин тестовых сцен и для каждой сцены выставляют оценку каче-ства изображения. 

13. Оценка качества изображения Объективные критерии качества • Среднеквадратичная ошибка • N-число пикселей в изображении, • - значения пикселей исходного и восстановленного изображений соответственно. • Пиковое отношение сигнал/шум • Критерий максимального правдоподобия

14. Алгоритм RLE (Run Length Encoding) Это один из самых старых и самых простых алгоритмов архивации графики. Изображение в нем вытягивается в цепочку байт по строкам растра. Само сжатие в RLE происходит за счет того, что в исходном изображении встречаются цепочки одинаковых байт. Замена их на пары <счетчик повторений, значение> уменьшает избыточность данных. Пример работы алгоритма: Если в изображении встречается цепочка 7,7,7,0,0,0,0,5,5, то она заменяется на пары (3,7), (4,0), (2,5). Алгоритм рассчитан на деловую графику - изображения с большими областями повторяющегося цвета. Применяется как дополнение к другим методам. Различные модификации алгоритма реализованы в графических форматах: BMP, PCX, TIFF, GIF, JPEG.

15. Характеристики алгоритма RLE • средний коэффициент сжатия 2-3; • максимальный коэффициент сжатия – 32-64; • возможно увеличение файла; • высокая скорость компрессии и декомпрессии; • симметричность алгоритма примерно единица; • не требует дополнительной памяти при архивации и разархивации

16. Алгоритм LZW (lempel-ziw-welch) Процесс сжатия осуществляется за счет одинаковых цепочек байт. Алгоритм выглядит следующим образом: последовательно считываются символы входного потока и проверяется наличие в созданной таблице строк такой строки. Если строка есть, то считывается следующий символ, а если строки нет, то в поток заносится код для предыдущей найденной строки, строка заносится в таблицу и поиск начинается снова. Сначала создается таблица, состоящая из одного элемента. Кроме того, таблица включает код очистки и код конца информации. Под коды для строк остаются значения от 258 до 511. Добавляемые строки записываются в таблицу последовательно, при этом индекс строки в таблице становится ее кодом.

17. Пример. Пусть исходное изображение {7,7,5,5,0,0,0,0,0,0,5,5,0} содержит 8 бит/отсчет. Первоначальная таблица кода LZW(для 8-ми разрядных изображений) Конечная таблица. Коэффициент сжатия:

18. Характеристики алгоритма LZW • Алгоритм LZW ориентирован на 8-битные изображения. Сжимает за счет одинаковых подцепочек в потоке. • Характеристики алгоритма: • минимальный коэффициент сжатия – 5/7; • средний коэффициент сжатия – 4; • максимальный коэффициент сжатия – 1000; • симметричность: 1,2 - 3; • для определения одного элемента изображений требуется некоторое количество сравнений. Требуется память для хранения таблицы кодов. • варианты LZW используются в архиваторах GIF, TIFF, WinRAR.

19. АЛГОРИТМ ХАФФМАНА Использует только частоту появления одинаковых байт в изображении. Сопоставляет символам входного потока, которые встречаются большее число раз, цепочку бит меньшей длины. И, напротив, встречающимся редко —цепочку большей длины. Для сбора статистики требует двух проходов по изображению. Применяется для кодирования: N – уровней квантования; Векторов движения; Коэффициентов преобразования в стандарте JPEG, MPEG. Для сжатия бинарных изображений (при сжатии факсимильных изображений)

20. АЛГОРИТМ ХАФФМАНА

21. Построение кода ХАФФМАНА

22. Характеристики алгоритма хаффмана • минимальный коэффициент сжатия – 1/5; • средний коэффициент сжатия – 2; • максимальный коэффициент сжатия – 213; • симметричность: близка к единице; • используются в формате JPEG; • ориентирован на двуцветные черно-белые изображения, с большими областями повторяющегося цвета; • алгоритм прост в реализации, быстр и может быть легко реализован аппаратно; • требуется память для хранения статистических словарей.

23. АРИФМЕТИЧЕСКИЙ КОД

24. Характеристики Арифметического кодирования • средний коэффициент сжатия 5-6; • требует больших вычислительных ресурсов; • используются в формате JPEG2000.

25. JPEG - стандарт сжатия неподвижных (статических) изображений • Joint Photographic Experts Group(объединенная группа экспертов по фотографии) • Проект JPEG был инициирован совместно комитетом CCITT (International Telegraph and Telephone Consultative Committee - международный консультативный комитет по телеграфной и телефонной связи) и ISO (the International Standard Organization – международная организация по стандартизации) • Проект JPEG начался в конце 80-х с целью создания стандарта общего назначения для сжатия почти всех неподвижных изображений с непрерывными тонами • Опубликованный стандарт: "Digital Compression and Coding of Continuous-tone Still Images – Requirements and Guidelines“,ISO/IEC 10918-1:1993(E)

26. Задачи JPEG как стандарта • Быть современным алгоритмом в смысле степени сжатия и качества сжатого изображения • Пользователь имеет возможность принимать решение о компромиссе между качеством изображения и степенью сжатия • Быть применимым для любого рода источников цифровых изображений с непрерывными тонами, то есть изображений с плавным изменением тона (без ограничений на контент, сложность, цветовой диапазон, статистику и т.п.) • Иметь подходящую вычислительную сложность для реализации в широком спектре вычислительных аппаратных средств

27. Алгоритм JPEG

28. Конвейер операций, используемый в алгоритме JPEG процедура «зигзаг»-сканирования

29. Характеристики алгоритма JPEG • коэффициенты компрессии: 2-200, средний 20-25; • класс изображений: полноцветные 24-битные изображения или изображения в градациях серого без резких переходов цветов; • симметричен; • искажения: “ореол” вокруг резких горизонтальных и вертикальных границ в изображении (эффект Гиббса); эффект блочности • требует относительно больших вычислительных затрат.

30. Пример сжатого JPEG изображения.Артефакты блочности Исходное изображение Сжатое изображение

31. Вейвлет-преобразование

32. Вейвлет-преобразование Двумерное вейвлет-преобразование является разделимым преобразованием и сводится к двум независимо выполняемым одномерным преобразованиям. Одномерное вейвлет-преобразование ‑ это совокупность процессов высокочастотной (ВЧ) и низкочастотной (НЧ) фильтрации и децимации. Преобразуемый сигнал подвергается фильтрации с помощью фильтров нижних и верхних частот, которые делят диапазон частот исходного сигнала на две субполосы. ВЧ и НЧ поддиапазоны (субполосы) сигнала, полученные при фильтрации, имеют в два раза более узкую полосу, чем исходный сигнал. Поэтому выборку можно осуществлять с частотой, равной половине частоты дискретизации сигнала, что позволяет отбросить каждый второй отсчет в направлении фильтрации (по строкам или столбцам), то есть выполнить децимацию. Последующие процессы фильтрации производятся над НЧ и ВЧ коэффициентами преобразования. Этот процесс продолжается, пока сигнал не будет полностью разделен или остановлен на заданной стадии разложения.

33. Схема вейвлет - преобразования

34. Алгоритм JPEG 2000 АлгоритмJPEG-2000 разработан той же группой экспертов в области фотографии, что и JPEG. Основные отличия алгоритма в JPEG 2000 от алгоритма в JPEG заключаются в следующем: Лучшее качество изображения при сильной степени сжатия. Или, что то же самое, большая степень сжатия при том же качестве для высоких степеней сжатия. Поддержка кодирования отдельных областей с лучшим качеством. Известно, что отдельные области изображения критичны для восприятия человеком (например, глаза на фотографии), в то время как качеством других можно пожертвовать (например, задний план). При "ручной" оптимизации увеличение степени сжатия проводится до тех пор, пока не будет потеряно качество в какой-то важной части изображения. Сейчас появляется возможность задать качество в критичных областях, сжав остальные области сильнее, т.е. мы получаем еще большую окончательную степень сжатия при субъективно равном качестве изображения. Основной алгоритм сжатия заменен на вейвлет-преобразование. Помимо указанного повышения степени сжатия это позволило избавиться от 8-пиксельной блочности, возникающей при повышении степени сжатия.

35. Алгоритм JPEG 2000 Для повышения степени сжатия в алгоритме используется арифметическое сжатие. Изначально в стандарте JPEG также было заложено арифметическое сжатие, однако позднее оно было заменено менее эффективным сжатием по Хаффману, поскольку арифметическое сжатие было защищено патентами. Сейчас срок действия основного патента истек, и появилась возможность улучшить алгоритм. Поддержка сжатия без потерь. Помимо привычного сжатия с потерями новый JPEG теперь будет поддерживать и сжатие без потерь. Таким образом, становится возможным использование JPEG для сжатия медицинских изображений, в полиграфии, при сохранении текста под распознавание OCR системами и т.д. Поддержка сжатия однобитных (2-цветных) изображений. Для сохранения однобитных изображений (рисунки тушью, отсканированный текст и т.п.) ранее повсеместно рекомендовался формат GIF, поскольку сжатие с использованием ДКП весьма неэффективно к изображениям с резкими переходами цветов. Сейчас можно рекомендовать JPEG 2000 как универсальный алгоритм.

36. Конвейер операций, используемый в алгоритме JPEG 2000 • Характеристики алгоритма JPEG 2000: • степень сжатия: 2-200; • класс изображений: полноцветные 24-битные изображения; изображения в градациях серого без резких переходов цветов; однобитные изображения; • симметричность: 1-1,5; • искажения: при большом сжатии –артефакты в виде окантовок и посторонних узоров; • требует больших вычислительных затрат.

37. примеры сжатых изображений JPEG/JPEG2000 (сжатие в 130 раз) JPEG: сохранено больше деталей JPEG 2000: отсутствие блочных артефактов

38. ОСОБЕННОСТИ АЛГОРИТМОВ СЖАТИЯ СТАТИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

39. Технологии сжатия видео Технологии видеосжатия уменьшают количество излишних видеоданных, и благодаря этому цифровой видеофайл может быть более эффективно передан через сеть и сохранён на компьютерных дисках. Использование эффективных технологий сжатия позволяет достичь значительного уменьшения размера файла с маленьким или неважным влиянием на качество изображения. Хотя, если размер файла будет слишком сильно уменьшен засчёт увеличения уровня сжатия, качество видеоизображения может пострадать. Существуют различные стандарты сжатия видео. Стандартизация важна для совместимости. Применительно к видеосжатию совместимость может применяться для разных целей и может быть необходима для некоторых приложений, например, для просмотра записей через много лет после записи. Наиболее известные стандарты сжатия видео на сегодняшний день – это Motion JPEG, MPEG-4, H.261, H.263, H.264

40. Видеокодеки Процесс сжатия включает в себя применение к исходным видеоданным алгоритма для создания сжатого видеофайла, который можно передавать и хранить. Для воспроизведения сжатого файла используется обратный алгоритм, который воссоздаёт изначальный видеопоток. Пара алгоритмов, которые работают вместе, называется  видеокодеком (кодирование/декодирование). Видеокодеки различных стандартов обычно не совместимы друг в другом; это означает, что видеоинформация, сжатая с помощью одного стандартного кодека не может быть извлечена с помощью другого стандартного кодека. Например, декодер MPEG-4 не сможет извлечь информацию, сжатую с помощью кодера H.264. Это естественно, что один алгоритм не может декодировать сжатые другим алгоритмом данные; но некоторые программные и аппаратные продукты поддерживают различные алгоритмы.

41. Стандарт Motion JPEG (MJPEG) В этом стандарте используется внутрикадровая технология кодирования. Объём данных уменьшается в кадре с помощью простого удаления излишней информации, которая незаметна для человеческого глаза.  Motion JPEG кодирует и сжимает изображения как очередь из отдельных JPEG-изображений. Эти три изображения с помощью Motion JPEG формата будут сжаты и отосланы как отдельные, независимые друг от друга, кадры .

42. стандарты H.261, H.263, H.264, MPEG-4 В этих стандартах используется межкадровое предсказание для серий кадров для уменьшения объёма данных. Оно включает в себя технику дифференцированного кодирования, когда кадр сравнивается с опорным кадром и кодируются только изменившиеся пиксели. В этом случае количество меняющихся пикселей определяет качество сжатия. При визуализации таким образом сжатого видеосигнала, изображения показываются как в оригинальном видеопотоке. При использовании дифференциального кодирования только первый кадр (I-кадр) сохраняется полностью. Два последующих изображения (P-кадры) позволяют создать так называемый дом — статичные элементы. С помощью векторов движения кодируются только двигающиеся части (например, бегущий человек), что уменьшает количество информации, которую необходимо передавать и хранить.

43. Телевидение высокой четкости (HDTV) Современное цифровое телевещание стало доступным именно благодаря видеокомпрессии. Телевизионные станции могут транслировать не только видео высокой четкости (HDTV), но и несколько телеканалов в одном физическом телеканале (6 МГц). Хотя большинство видеоконтента сегодня транслируется с использованием стандарта сжатия видео MPEG-2, тем не менее новые и более эффективные стандарты сжатия видео уже используются в телевещании — например, H.264.