Κωδικοποίηση εικόνων κατά JPEG

Transcript

1 Κωδικοποίηση εικόνων κατά JPEG Εισαγωγή Προετοιµασία της εικόνας ρυθµός Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός Εκτεταµένος απωλεστικός ρυθµός Μη απωλεστικός ρυθµός Ιεραρχικός ρυθµός Τεχνολογία Πολυµέσων 09-1

2 Εισαγωγή Πεδίο εφαρµογής Ακίνητες εικόνες συνεχούς χρώµατος / διαβαθµίσεων γκρίζου Απαιτήσεις κωδικοποίησης Ανεξάρτητη από µέγεθος και λόγο διαστάσεων Αναπαράσταση χρωµάτων ανεξάρτητη από υλοποίηση Τυχαίο περιεχόµενο και στατιστικά χαρακτηριστικά Υλοποίηση µόνο µε λογισµικό Βελτιωµένη ποιότητα µε εξειδικευµένο υλικό Ακολουθιακή και προοδευτική κωδικοποίηση Παράµετροι επιλεγόµενες από το χρήστη Μορφότυπα εικόνας Μη συντετµηµένο: περιλαµβάνει πίνακες κωδικοποίησης Συντετµηµένο: παραλείπει πίνακες κωδικοποίησης Τεχνολογία Πολυµέσων 09-2

3 Εισαγωγή Προετοιμασία εικόνας Επεξεργασία εικόνας Κβαντοποίηση Κωδικοποίηση εντροπίας Εικονοστοιχεία Πρόβλεψη Μήκους σειρών Huffman Μονάδες δεδομένων, MCU FDCT Αριθμητική Ρυθµοί συµπίεσης Ακολουθιακός απωλεστικός: ακολουθιακή DCT Εκτεταµένος απωλεστικός: προοδευτική DCT Μη απωλεστικός: χαµηλή συµπίεση Ιεραρχικός: πολλαπλές αναλύσεις Τεχνολογία Πολυµέσων 09-3

4 Προετοιµασία της εικόνας Μοντέλο εικόνας 1 έως 255 συνιστώσες ή επίπεδα Κάθε συνιστώσα C i µπορεί να έχει διαφορετικό X i και Y i Χρώµατα RGB: µία συνιστώσα ανά χρώµα Όλα τα X i και Y i είναι ίσα Σήµατα YUV: µία συνιστώσα ανά σήµα Συνιστώσα Y: υψηλή ανάλυση Συνιστώσες U και V: χαµηλή ανάλυση ιαβαθµίσεις γκρίζου: µία συνιστώσα Σταθερό πλήθος bits ανά pixel σε κάθε συνιστώσα (Χ,Υ) εικόνας = (max(x i ), max(y i )) Σχετικές αναλογίες δειγµατοληψίας (H i,v i ): 1 έως 4 Τεχνολογία Πολυµέσων 09-4

5 Προετοιµασία της εικόνας δείγματα κορυφή Cn Υι γραμμμή C2 αριστερά X ι δεξιά C1 Παράδειγµα: X=512 και Υ=512 Επίπεδο 0: H 0 =4, V 0 =1 Επίπεδο 1: H 1 =2, V 1 =2 Επίπεδο 2: H 2 =1, V 2 =1 Max(H i )=4: 512/4=128, Max(V i )=2: 512/2=256 Επίπεδο 0: X 0 =4x128=512, Y 0 =1x256 Επίπεδο 1: X 1 =2x128=256, Y 1 =2x256=512 Επίπεδο 2: X 2 =1x128=128, Y 2 =1x256=256 Τεχνολογία Πολυµέσων 09-5 βάση

6 Προετοιµασία της εικόνας κορυφή αριστερά δεξιά βάση Μονάδες δεδοµένων: στοιχεία κωδικοποίησης Μη απωλεστικοί ρυθµοί: ένα εικονοστοιχείο Απωλεστικοί ρυθµοί: 8x8 εικονοστοιχεία Μη διεµπλεκόµενη ταξινόµηση δεδοµένων ιεµπλεκόµενη ταξινόµηση δεδοµένων Οµαδοποίηση µονάδων δεδοµένων ανά περιοχή Ελάχιστες µονάδες κωδικοποίησης (MCU) Τεχνολογία Πολυµέσων 09-6

7 Προετοιµασία της εικόνας Cs1:H1=2,V 1=2 Cs2:H2=2,V 2=1 Cs3:H3=1,V 3=2 Cs4:H4=1,V 4= Συνιστώσες µε σταθερή ανάλυση Μία µονάδα δεδοµένων από κάθε συνιστώσα Συνιστώσες µε µεταβλητή ανάλυση Ίσο πλήθος περιοχών ανά συνιστώσα Μεταβλητό πλήθος µονάδων δεδοµένων ανά περιοχή Μία περιοχή ανά συνιστώσα σε κάθε MCU Μέχρι τέσσερις συνιστώσες Μέχρι 10 µονάδες ανά MCU Τεχνολογία Πολυµέσων 09-7

8 Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός Περιοχές 8X8 FDCT Κβαντοποίηση Κωδικοποίηση εντροπίας Συμπιεσμένη εικόνα Ασυμπίεστη εικόνα Πίνακες Πίνακες Είσοδος: µονάδες δεδοµένων 8x8 εικονοστοιχείων Ευθύς µετασχηµατισµός DCT (FDCT) [0,255] -> [-128,127] µε αφαίρεση Αρχικά: S xy µε x,y= [0,7] (64 τιµές) Τελικά: S uv µε u,v= [0,7] (64 τιµές) S uv = 1 4 c u c 7 7 v x= 0 y= (2x + 1) uπ (2 y + 1) vπ Sxy cos cos Τεχνολογία Πολυµέσων 09-8

9 Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός Πλάτος Συντελεστής DCT DCT X Y Fx Fy Tα συνηµίτονα δεν εξαρτώνται από τα S xy Υπολογίζονται προκαταβολικά για κάθε εικόνα Συντελεστής S 00 : συντελεστής DC Μέση τιµή της µονάδας δεδοµένων Υπόλοιποι συντελεστές: συντελεστές AC Συγκέντρωση υψηλών τιµών κοντά στο DC Τεχνολογία Πολυµέσων 09-9

10 Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός Αντίστροφος µετασχηµατισµός DCT (IDCT) Υπολογισµός S xy από S uv = 1 4 Τα συνηµίτονα δεν εξαρτώνται ανεξάρτητα από τα S uv Πεπερασµένη ακρίβεια µετασχηµατισµών Απωλεστική κωδικοποίηση, αλλά σε µικρό βαθµό Κάθε υλοποίηση µπορεί να δίνει διαφορετικά αποτελέσµατα Φυσικές εικόνες S xy 7 7 u= 0 v= (2x + 1) uπ (2y + 1) vπ cucvsuv cos cos Μεγάλες περιοχές µε παρόµοια χρώµατα Πολλοί συντελεστές AC µε σχεδόν µηδενικές τιµές ιαφοροποίηση σε σχέση µε συνθετικά γραφικά εν υπάρχουν απότοµες αλλαγές χρωµάτων Τεχνολογία Πολυµέσων 09-10

11 Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός Κβαντοποίηση συντελεστών 8x8=64 συντελεστές κβαντοποίησης Q uv Ακέραιες τιµές 8bits ιαίρεση συντελεστή DCT µε αντίστοιχο Q uv Στρογγύλευση στον πλησιέστερο ακέραιο Πολλαπλασιασµός µε το ίδιο Q uv για αποσυµπίεση Κατασκευή πίνακα Q: συµπίεση / ποιότητα Η κβαντοποίηση είναι το κύριο απωλεστικό βήµα Όσο µεγαλώνει το Q uv µειώνεται η ακρίβεια Το πρότυπο JPEG δεν καθορίζει τιµές Φυσικές εικόνες: έµφαση στο συντελεστή DC Χαµηλοί συντελεστές κβαντοποίησης κοντά στο DC Υψηλοί συντελεστές κβαντοποίησης µακριά από το DC Τεχνολογία Πολυµέσων 09-11

12 Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός DC i-1 DC i AC01 AC07 Περιοχή i-1 Περιοχή i Διαφορά = DCi - DCi-1 Συντελεστές DC ιαφορική κωδικοποίηση ανάµεσα σε µονάδες Μικρές διαφορές στο βασικό χρώµα Συντελεστές AC ιαδοχικά φθίνουσες τιµές Πολλές µηδενικές τιµές στο τέλος DC AC70 AC77 Τεχνολογία Πολυµέσων 09-12

13 Ακολουθιακός απωλεστικός ρυθµός Κωδικοποίηση εντροπίας συντελεστών Κωδικοποίηση Huffman για τις συνήθεις τιµές Προκαθορισµένοι πίνακες ή πίνακες ανά εφαρµογή Συντελεστές DC: 1-11 bits Κωδικοποίηση ζευγών (πλήθος bit, συντελεστής) Το πλήθος bit κωδικοποιείται µε κώδικα Huffman Ο συντελεστής κωδικοποιείται µε συµπλήρωµα ως προς 1 Συντελεστές AC: 1-10 bits Κωδικοποίηση τριάδων (πλήθος 0, πλήθος bit, συντελεστής) Τεχνική RLE για τους µηδενικούς συντελεστές Το πλήθος 0 / πλήθος bit κωδικοποιείται µε κώδικα Huffman Ο συντελεστής κωδικοποιείται µε συµπλήρωµα ως προς 1 Τεχνολογία Πολυµέσων 09-13

14 Εκτεταµένος απωλεστικός ρυθµός Επέκταση του ακολουθιακού απωλεστικού ρυθµού Επιτρέπει περισσότερα bit ανά εικονοστοιχείο Προοδευτική (στρωµατοποιηµένη) κωδικοποίηση Φασµατική επιλογή Αρχικά συντελεστές χαµηλών συχνοτήτων Υψηλές συχνότητες σε επόµενα περάσµατα ιαδοχική προσέγγιση Όλοι οι συντελεστές σε κάθε πέρασµα Αρχικά µόνο τα πιο σηµαντικά bits Αριθµητική κωδικοποίηση 5-10% καλύτερη συµπίεση από την Huffman Τεχνολογία Πολυµέσων 09-14

15 Μη απωλεστικός ρυθµός Ασυμπίεστη εικόνα Πρόβλεψη Κωδικοποίηση εντροπίας Συμπιεσμένη εικόνα Μεµονωµένα εικονοστοιχεία Πρόβλεψη αντί µετασχηµατισµού Α: εικονοστοιχείο στα αριστερά του Χ B: εικονοστοιχείο πάνω από το X C: εικονοστοιχείο άνω και αριστερά του X Κωδικοποίηση εικονοστοιχείου X 8 τύποι πρόβλεψης X=A, X=B+(A-C)/2, ιαφορά από πρόβλεψη Κωδικοποίηση εντροπίας Huffman ή αριθµητική Πίνακες Τεχνολογία Πολυµέσων 09-15

16 Ιεραρχικός ρυθµός Πολλαπλές αναλύσεις εικόνας ιαδοχική (απο)κωδικοποίηση Απωλεστικά ή µη απωλεστικά ιαδικασία κωδικοποίησης Μείωση ανάλυσης κατά 2 n Κωδικοποίηση εικόνας Μείωση ανάλυσης κατά 2 n-1 Κωδικοποίηση διαφοράς Απαιτεί περισσότερο χώρο ιατίθενται όλες οι αναλύσεις 160x x x480 Προοδευτική κωδικοποίηση: µεταβλητή λεπτοµέρεια Ιεραρχική κωδικοποίηση: µεταβλητή ανάλυση Τεχνολογία Πολυµέσων 09-16