Komprese obrazu - Image compression

Komprese obrazu je typ komprese dat aplikován na digitální obrázky, snížit jejich náklady na úložný prostor nebo přenos. Algoritmy může využít Vizuální vnímání a statistický vlastnosti obrazových dat poskytují lepší výsledky ve srovnání s obecnými komprese dat metody, které se používají pro jiná digitální data.[1]

Srovnání JPEG obrázky uložené v Adobe Photoshopu na různých úrovních kvality s nebo bez "uložení na web"

Ztrátová a bezztrátová komprese obrazu

Může být komprese obrazu ztrátový nebo bezztrátový. Bezztrátová komprese je preferována pro archivní účely a často pro lékařské zobrazování, technické výkresy, Clip Art nebo komiksy. Ztrátové metody komprese, zejména při nízkých hodnotách přenosové rychlosti, představit kompresní artefakty. Ztrátové metody jsou vhodné zejména pro přirozené obrázky, jako jsou fotografie v aplikacích, kde je přijatelná malá (někdy nepostřehnutelná) ztráta věrnosti, aby se dosáhlo podstatného snížení bitové rychlosti. Ztrátovou kompresi, která vytváří zanedbatelné rozdíly, lze nazvat vizuálně bezztrátovou.

Metody pro ztrátová komprese:

Metody pro bezztrátová komprese:

Další vlastnosti

Nejlepší kvalita obrazu při dané kompresní rychlosti (nebo přenosová rychlost ) je hlavním cílem komprese obrazu, existují však další důležité vlastnosti schémat komprese obrazu:

Škálovatelnost obecně se odkazuje na snížení kvality dosažené manipulací s bitstreamem nebo souborem (bez dekomprese a re-komprese). Jiné názvy pro škálovatelnost jsou progresivní kódování nebo vložené bitové proudy. Navzdory své opačné povaze lze škálovatelnost nalézt také v bezztrátových kodekech, obvykle ve formě hrubých až jemných pixelových skenů. Škálovatelnost je obzvláště užitečná pro prohlížení náhledů obrázků při jejich stahování (např. Ve webovém prohlížeči) nebo pro poskytování přístupu v proměnlivé kvalitě např. K databázím. Existuje několik typů škálovatelnosti:

  • Kvalita progresivní nebo vrstva progresivní: Bitový tok postupně vylepšuje rekonstruovaný obraz.
  • Rozlišení progresivní: Nejprve zakódujte nižší rozlišení obrazu; poté zakódujte rozdíl do vyšších rozlišení.[3][4]
  • Komponenta progresivní: První kódování verze šedé stupnice; poté přidejte plnou barvu.

Kódování oblasti zájmu. Některé části obrazu jsou kódovány ve vyšší kvalitě než jiné. To může být kombinováno se škálovatelností (zakódujte tyto části nejprve, ostatní později).

Meta informace. Komprimovaná data mohou obsahovat informace o obrázku, které lze použít ke kategorizaci, vyhledávání nebo procházení obrázků. Tyto informace mohou zahrnovat statistiku barev a textur, malé náhled obrázky a informace o autorovi nebo autorských právech.

Procesní výkon. Kompresní algoritmy vyžadují různá množství Procesní výkon kódovat a dekódovat. Některé algoritmy s vysokou kompresí vyžadují vysoký výpočetní výkon.

Kvalita metody komprese se často měří pomocí špičkový poměr signálu k šumu. Měří množství šumu zavedeného ztrátovou kompresí obrazu, avšak subjektivní úsudek diváka je také považován za důležité opatření, možná za nejdůležitější opatření.

Dějiny

Entropické kódování začala ve 40. letech 20. století zavedením Shannon – Fano kódování,[5] základ pro Huffmanovo kódování který byl vyvinut v roce 1950.[6] Transformujte kódování sahá až do konce šedesátých let, kdy byl zaveden rychlá Fourierova transformace (FFT) kódování v roce 1968 a Hadamardova transformace v roce 1969.[7]

Důležitý vývoj obrazu komprese dat byl diskrétní kosinová transformace (DCT), a ztrátová komprese techniku ​​poprvé navrhl Nasir Ahmed v roce 1972.[8] Základem byla komprese DCT JPEG, který byl zaveden Společná skupina fotografických odborníků (JPEG) v roce 1992.[9] JPEG komprimuje obrázky do mnohem menších velikostí souborů a stal se nejpoužívanějším formát obrazového souboru.[10] Jeho vysoce účinný algoritmus komprese DCT byl do značné míry zodpovědný za široké šíření digitální obrázky a digitální fotografie,[11] s několika miliardami obrázků JPEG vyrobených každý den od roku 2015.[12]

Lempel – Ziv – Welch (LZW) je a bezztrátová komprese algoritmus vyvinutý společností Abraham Lempel, Jacob Ziv a Terry Welch v roce 1984. Používá se v GIF formátu, který byl zaveden v roce 1987.[13] DEFLATE, bezeztrátový kompresní algoritmus vyvinutý společností Phil Katz a specifikováno v roce 1996, se používá v Přenosná síťová grafika (PNG).[14]

Wavelet kódování, použití vlnkové transformace v kompresi obrazu začala po vývoji kódování DCT.[15] Zavedení DCT vedlo k vývoji kódování waveletů, což je varianta kódování DCT, která namísto blokového algoritmu DCT používá vlnky.[15] The JPEG 2000 standard byl vyvinut v letech 1997 až 2000 výborem JPEG, kterému předsedal Touradj Ebrahimi (později prezident JPEG).[16] Na rozdíl od algoritmu DCT používaného v původním formátu JPEG místo toho používá JPEG 2000 diskrétní vlnková transformace (DWT) algoritmy. Využívá CDF Waveletová transformace 9/7 (vyvinuta Ingrid Daubechies v roce 1992) pro svůj algoritmus ztrátové komprese,[17] a LeGall-Tabatabai (LGT) 5/3 vlnková transformace[18][19] (vyvinutý Didier Le Gall a Ali J. Tabatabai v roce 1988)[20] pro jeho bezztrátový kompresní algoritmus.[17] JPEG 2000 technologie, která zahrnuje Motion JPEG 2000 přípona, byla vybrána jako standard kódování videa pro digitální kino v roce 2004.[21]

Poznámky a odkazy

  1. ^ "Image Data Compression".
  2. ^ Nasir Ahmed, T. Natarajan a K. R. Rao, "Diskrétní kosinová transformace," IEEE Trans. Počítače, 90–93, leden 1974.
  3. ^ Burt, P .; Adelson, E. (1. dubna 1983). „Laplaciánská pyramida jako kompaktní obrazový kód“. Transakce IEEE na komunikaci. 31 (4): 532–540. CiteSeerX  10.1.1.54.299. doi:10.1109 / TCOM.1983.1095851.
  4. ^ Shao, Dan; Kropatsch, Walter G. (3. – 5. Února 2010). Špaček, Libor; Franc, Vojtěch (eds.). „Nepravidelná pyramidová grafová pyramida“ (PDF). Zimní seminář počítačového vidění 2010. Nové Hrady, Česká republika: Česká společnost pro rozpoznávání vzorů.
  5. ^ Claude Elwood Shannon (1948). Alcatel-Lucent (ed.). „Matematická teorie komunikace“ (PDF). Technický deník Bell System. 27 (3–4): 379–423, 623–656. doi:10.1002 / j.1538-7305.1948.tb01338.x. hdl:11858 / 00-001M-0000-002C-4314-2. Citováno 2019-04-21.
  6. ^ David Albert Huffman (Září 1952), „Metoda pro konstrukci kódů minimální redundance“ (PDF), Sborník IRE, 40 (9), s. 1098–1101, doi:10.1109 / JRPROC.1952.273898
  7. ^ William K. Pratt, Julius Kane, Harry C. Andrews: "Hadamard transformuje kódování obrazu ", Proceedings of the IEEE 57.1 (1969): Seiten 58–68
  8. ^ Ahmed, Nasire (Leden 1991). „Jak jsem přišel s diskrétní kosinovou transformací“. Zpracování digitálních signálů. 1 (1): 4–5. doi:10.1016 / 1051-2004 (91) 90086-Z.
  9. ^ „T.81 - DIGITÁLNÍ STLAČENÍ A KÓDOVÁNÍ STÁLÝCH OBRAZŮ S NEPŘETRŽITÝMI TÓNY - POŽADAVKY A POKYNY“ (PDF). CCITT. Září 1992. Citováno 12. července 2019.
  10. ^ „Vysvětlení formátu obrázku JPEG“. BT.com. BT Group. 31. května 2018. Citováno 5. srpna 2019.
  11. ^ „Co je JPEG? Neviditelný objekt, který vidíte každý den“. Atlantik. 24. září 2013. Citováno 13. září 2019.
  12. ^ Baraniuk, Chris (15. října 2015). „Ochrana proti kopírování může přijít na soubory JPEG“. BBC novinky. BBC. Citováno 13. září 2019.
  13. ^ „Kontroverze GIF: Perspektiva vývojáře softwaru“. Citováno 26. května 2015.
  14. ^ L. Peter Deutsch (Květen 1996). DEFLATE Specifikace formátu komprimovaných dat verze 1.3. IETF. p. 1. sek. Abstraktní. doi:10.17487 / RFC1951. RFC 1951. Citováno 2014-04-23.
  15. ^ A b Hoffman, Roy (2012). Komprese dat v digitálních systémech. Springer Science & Business Media. p. 124. ISBN  9781461560319. V zásadě je kódování waveletů variantou transformačního kódování založeného na DCT, které omezuje nebo eliminuje některá jeho omezení. (...) Další výhodou je, že namísto práce s bloky 8 × 8 pixelů, stejně jako JPEG a další techniky založené na blocích DCT, může kódování waveletů současně komprimovat celý obraz.
  16. ^ Taubman, David; Marcellin, Michael (2012). JPEG2000 Základy komprese obrazu, standardy a praxe: Základy komprese obrazu, standardy a praxe. Springer Science & Business Media. ISBN  9781461507994.
  17. ^ A b Unser, M .; Blu, T. (2003). "Matematické vlastnosti vlnkových filtrů JPEG2000" (PDF). Transakce IEEE na zpracování obrazu. 12 (9): 1080–1090. Bibcode:2003ITIP ... 12.1080U. doi:10.1109 / TIP.2003.812329. PMID  18237979. S2CID  2765169.
  18. ^ Sullivan, Gary (8. – 12. Prosince 2003). „Obecné charakteristiky a konstrukční úvahy pro kódování dočasného subpásmového videa“. ITU-T. Skupina odborníků na kódování videa. Citováno 13. září 2019.
  19. ^ Bovik, Alan C. (2009). Základní průvodce zpracováním videa. Akademický tisk. p. 355. ISBN  9780080922508.
  20. ^ Gall, Didier Le; Tabatabai, Ali J. (1988). "Subpásmové kódování digitálních obrazů pomocí symetrických filtrů s krátkými jádry a technik aritmetického kódování". ICASSP-88., Mezinárodní konference o akustice, řeči a zpracování signálu: 761–764 vol.2. doi:10.1109 / ICASSP.1988.196696. S2CID  109186495.
  21. ^ Swartz, Charles S. (2005). Pochopení digitálního kina: Profesionální příručka. Taylor & Francis. p. 147. ISBN  9780240806174.

externí odkazy