1.2. Моделі стиснення зображень

У Розділі 1.1 ми розглядали окремо методики зменшення обсягу даних, необхідного для представлення зображення. Проте при формуванні реальних систем стиснення зображень вони зазвичай використовуються спільно. У цьому розділі досліджуються глобальні характеристики таких систем, і будується загальна модель для їх розгляду.

Як видно з Рис. 1.5, система стиснення містить два принципово різних структурних блоку: кодер і декодер. Початкове зображення подається на кодер, який перетворить вхідні дані в набір символів. Після передачі по каналу кодовані дані потрапляють на декодер, де створюється відновлене зображення . Взагалі, зображення може бути точною копією зображення , а може такий і не бути.

Рис. 1.5. Загальна модель системи стиснення

У першому випадку ми маємо систему кодування без втрат, а в другому - систему кодування з втратами, і при цьому на відновленому зображенні будуть спостерігатися деякі спотворення.

Як кодер, так і декодер, показані на Рис. 1.5, складаються з двох досить незалежних блоків. Кодер містить кодер джерела, кодування усуває надмірність джерела (вхідного сигналу), і кодер каналу, який збільшує перешкодостійкість сигналу на вихідні кодера каналу. Як легко припустити, декодер містить декодер каналу, за яким слідує декодер джерела. Якщо канал між кодером і декодером є каналом без перешкод (тобто в ньому не виникає помилок), то кодер каналу і декодер каналу можуть був відсутній ¬ вати, і тоді колер і декодер будуть містити, відповідно, тільки кодер джерела і декодер джерела.

1.2.1. Кодер і декодер джерела

Кодер джерела відповідає за скорочення або усунення можливих видів надмірності на вхідному зображенні: кодової, межелемент-ної та візуальної. Конкретні програми та пов'язані з ними критерії вірності примушують вибирати той чи інший спосіб кодування, що є найкращим в даному випадку. Зазвичай, процедура кодування представляється у вигляді послідовності з трьох незалежних операцій (стадій). Як видно на Рис. 1.6 (а), кожна з операцій призначена для скорочення одного з типів надлишковості, розглянутих в Розділі 1.1. На Рис. 1.6 (6) показаний відповідний декодер джерела.

Кодер джерела

а)

Декодер джерела

б)

Рис. 1.6. (а) Модель кодера джерела, (б) Модель декодера джерела.

На першій стадії процесу кодування джерела перетворювач перетворює вхідні дані, тобто зображення, у формат (звичайно не візуальний), призначений для скорочення межелементної надмірності вхідного зображення. Як правило, дана операція оборотна, і, в принципі, може як скорочувати, так і збільшує обсяг даних, необхідний для представлення зображення. Кодування довжин серій (Розділи 1.1.2 та 1.4.3) є прикладом перетворення, яке прямо призводить до скорочення обсягу даних на даній початковій стадії загальної процедури кодування джерела. Представлення зображення за допомогою набору коефіцієнта перетворення (Розділ 1.5.2) є прикладом протилежній ситуації. У цьому випадку перетворювач перетворює зображення в деякий масив коефіцієнтів з визначеними статистичними характеристиками, завдяки чому міжелементна надмірність може бути вилучена на більш пізній стадії процедури кодування.

Друга стадія, або блок квантувач на Рис. 1.6(а), зменшує точність виходу перетворювача у відповідності з деяким попередньо заданим критерієм вірності. На цій стадії скорочується візуальна надмірність вхідного зображення. Як зазначалось у Розділі 1.1.3, ця операція є незворотною, а значить повинна бути пропущена, якщо потрібно стиснення без втрат.

На третій і останній стадії процедури кодування джерела, кодер символів генерує рівномірний або нерівномірний код для представлення виходу квантователя і формує відповідаючий код виходу. Термін кодер символів дозволяє відрізняти цю операцію від процедури кодування джерела в цілому. У більшості випадків для подання перетворених і квантованих значень даних використовується нерівномірний код. Він приписує самі короткі кодові слова найбільш часто зустрічаємим значенням і тим самим скорочує кодову надлишковість. Дана операція, звичайно ж, є зворотньою. Таким чином, можна сказати, що по завершенні стадії кодування символів, вхідне зображення зазнає повну процедуру скорочення кожного з трьох типів надмірності, розглянутих в Розділі 1.1.

Хоча на Рис. 1.6 (а) процес кодування джерела показаний в вигляді трьох послідовних стадій, тим не менш, не в кожній системі стиску потрібне використання їх усіх. Наприклад, нагадаємо, що у випадку стиснення без втрат повинен бути виключений блок квантування. Крім того, деякі методи стиснення будуються так, що в них поєднуються блоки, показані на Рис. 1.6 (а) як самостійні. Наприклад, в системах стиснення з пророкуванням, які будуть розглядатися в розділі 1.5.1, перетворювач і квантувач часто представляються у вигляді єдиного блоку, що виконує обидві операції одночасно.

Схема декодера джерела, представлена ​​на Рис. 1.6 (6), має лише два блоки: блок декодера символів і блок зворотного перетворювача. Ці блоки здійснюють операції, зворотні тим операціям, які виконувалися в кодері джерела блоками кодера символів і перетворювача, причому в зворотному порядку. Оскільки операція квантування незворотна, то блок «зворотного квантователя» на Рис. 1.6 (6) відсутня.