40. Сжатие графических изображений. Стандарты gpeg и mpeg.

Как правило, все методы сжатия графических изображений разделяют на две категории: архивацию и компрессию. Под архивацией понимают сжатие информации с возможностью ее дальнейшего восстановления. Компрессия же означает потерю некоторого количества информации об изображении, что естественно приводит к ухудшению качества, но уменьшает объем сохраненных данных. Архивировать можно как растровую, так и векторную графику. Принцип архивации состоит в том, что программа анализирует наличие в сжимаемых данных одинаковых последовательностей и исключает их, записывая вместо повторяющегося фрагмента ссылку на предыдущий и аналогичный ему для того, чтобы была возможность восстановления. Хорошим примером графического объекта с большим количеством одинаковых последовательностей может стать фотография или рисунок с голубым небом в изображении или со сплошной однотонной заливкой. При таком подходе можно восстанавливать нужную информацию без потерь. Компрессия же не гарантирует полного восстановления исходных данных, поэтому ее основная задача - не "убить" что-нибудь очень ценное в погоне за уменьшением объема. Обычно информация, подвергнутая компрессии, занимает значительно меньше объема, чем сохраненная методами архивации. Именно это обстоятельство и оставляет этому методу место под солнцем. Регулирование степени сжатия дает право на выбор: размер выходного файла или сохранение его качества.

 GPEG Данный стандарт определяет последовательность и параметры операций при кодировании и декодировании неподвижных изображений.

JPEG отосится к методам сжатия изображений с потерями и используется в основном при записи неподвижных изображений в различные ЗУ. Для большинства реальных полутоновых и цветных изображений этот метод позволяет уменьшить объем информации в 5...10 раз без заметного ухудшения визуально воспринимаемого качества. JPEG не предназначен для сжатия рисунков, чертежей и изображений, имеющих два уровня яркости.

Последовательность операций при кодировании, поясняемая структурной схемой на рис. 4.3, включает:

• разбиение изображения на блоки 8x8 пикселов;

• выполнение быстрого двумерного ДКП (БДКП) в каждом блоке;

• квантование полученных коэффициентов ДКП с использованием таблицы коэффициентов квантования (таблица Q);

Рис. 4.3. Структурная схема кодирования по стандарту JPEG

Рис. 4.4. Структурная схема декодирования по стандарту JPEG

• энтропийное кодирование квантованных коэффициентов ДКП каждого блока изображения с формированием и использованием таблицы кодирования (таблицы кодов).

В результате кодирования исходное изображение преобразуется в сжатые видеоданные, записываемые в файл.

Последовательность операций при декодировании, поясняемая структурной схемой на рис. 4.4, включает:

• декодирование энтропийного кода;

• деквантование коэффициентов ДКП для каждого блока 8x8 пикселов;

• обратное БДКП для каждого блока;

• объединение блоков в декодированное изображение.

При декодировании энтропийного кода и при деквантовании используются соответствующие таблицы, которые считываются из файла со сжатыми видеоданными.

Далее подробно рассмотрены операции, выполняемые при кодировании, и соответствующие им обратные операции, выполняемые при декодировании.

 Позволяет сжимать изображения в 200 раз без заметной для невооруженного глаза потери качества. Основным отличием JPEG2000 от предыдущей версии этого формата является использова- ние алгоритма волнового преобразования (изображение описывается с помощью математических выражений как непрерывный поток) вместо преобразования Фурье, что и предотвращает появление характерных блоков. Умеет также без ущерба модифицировать (масштабировать, редактировать) рисунок, сохраненный в этом формате. Алгоритм волнового преобразования позволяет просматривать и распечатывать одно и то же изображение при различных (заданных пользователем) значениях разрешения и с требуемой степенью детализации. Благодаря этой особенности JPEG2000 быстро найдет свое место в Сети, поскольку обеспечит возможность загружать картинки с разными значениями разрешения в зависимости от пропускной способности конкретного канала связи. Да и тот факт, что пользователи интернета смогут получать изображения высокого качества, немаловажен. Еще одно значимое преимущество JPEG2000 - возможность управлять 256-цветовыми каналами, а в результате получать качественные цветные изображения. Специалисты обещают, что в общем случае новый формат будет как минимум на 30% эффективнее, чем JPEG. И еще один плюс - новый стандарт является открытым. Главным недостатком компрессии с частичной потерей качества является то, что эти потери, выражающиеся в искажении цветового тона или появлении характерной кубической структуры в контрастных участках изображения (всплытие так называемых артефактов), возникают каждый раз при сохранении изображения и "накладываются" друг на друга при многократном сохранении файла в этом формате. Поэтому специалисты рекомендуют использовать форматы с частичной потерей качества только для хранения окончательных результатов работы, а не для промежуточных рабочих файлов. Кроме того, вспомогательным средством уменьшения объема файлов в JPEG 2000 можно считать изменение цветовой модели графического файла, изменение разрешения растрового файла и ресемплирование (изменение глубины цвета пикселей).

Первоначально стандарт MPEG был разработан для компактной записи динамических изображений на оптические диски (так называемые CD-ROM); тогда он имел название MPEG-1. Дальнейшие версии этого стандарта появились при введении цифрового телевидения, что оказалось особенно важно при организации спутниковой трансляции телепередач, а также в связи с широким распространением передачи видеофильмов и организацией телеконференций во всемирной информационной сети INTERNET.

Стандарт определяет разрешение изображения количеством пикселов (стандарт PAL) или (стандарт NTSC, европейский) с частотой смены кадров 25 кадров в секунду.

MPEG-компрессия использует следующие идеи:

– устранение временной избыточности видеоизображений, вытекающей из сравнительно небольших изменений в последующем кадре относительно предыдущего;

– устранение пространственной избыточности за счёт удаления ненужных деталей, не воспринимаемых человеком (та же идея использована и в стандарте JPEG, но здесь она ещё более эффективна, поскольку в меняющемся с большой частотой изображении детали его ещё менее значимы);

– использование более низкого цветового разрешения: установлено, что глаз менее чувствителен к пространственным изменениям оттенков цвета по сравнению с изменениями яркости.

Изображение в MPEG-последовательности подразделяется на следующие типы:

– I – играющие роль опорных при восстановлении остальных изображений по их разностям;

– P – содержащие разность текущего изображения с предыдущим с учётом смещений отдельных фрагментов;

– В – содержащие разность текущего изображения с предыдущим и последующим (трёхточечное оценивание).

Изображения объединяются в группы, представляющие собой минимальный повторяемый набор последовательных изображений, которые могут быть декодированы независимо от других., причём интенсивность повторения каждого типа изображения разная. Типичной является группа вида

I0, B1, B2, P3, B4, B5, P6, B7, B8, P9, B10, B11, I12, B13, B14, P15, B16, ...

Видно, что наиболее часто повторяются изображения типа В (вторые разности), затем типа Р, и в последнюю очередь – типа I. Обычно изображения типа I повторяется каждые 0,5 секунды; остальные типы кадров строятся также на основе предыдущих того же вида: так, Р6 получается на базе Р3, Р9 на базе Р6 и т.д. В то же время кадры типа В предсказываются как полусуммы изображений предыдущих типов (В1 и В2 – на базе I0 и Р3, В4 и В5 – из Р3 и Р6, В7 и В8 – из Р6 и Р9 и т.д.). В силу взаимозависимости изображений в процессе кодирования меняется порядок их следования; для вышеупомянутой последовательности он будет следующим:

I0, P3, B1, B2, P6, B4, B5, P9, B7, B8, I12, B10, B11, P15, B13, B14, ...

Понятно, что точность кодирования должна быть максимальной для I, ниже – для Р и ещё ниже – для В. Установлено, что для типичных сцен хорошие результаты достигаются при отведении числа разрядов для I в 3 раза больше, чем для Р, и для Р – в 2 -5 раз больше, чем для В. Эти значения уменьшаются при воспроизведении динамичных сцен (иначе появляется эффект «дрожания» изображений).

Отдельные изображения состоят из макроблоков. Макроблок соответствует участку изображения размером пикселов. Общее число макроблоков в изображении – 396. Каждый макроблок состоит из шести блоков, четыре из которых несут информацию о яркости, а по одному определяют цветовые эквиваленты. Каждый блок представлен матрицей пикселов.

Упрощенно процесс MPEG-кодирования сводится к следующему. На этапе предварительной обработки видеосигнал оцифровывается и форматируется по размеру с цифровой выборкой 2:1 (на каждые 2 отсчёта по яркости приходится по одному отсчёту цветности). После этого кодер делает выбор структуры группы (она может меняться в зависимости от содержания изображения и разрешённой скорости передачи информации), задаёт типы всех изображений и при необходимости меняет их последовательность. После этого для I-изображений он осуществляет ДКП (как в стандарте JPEG), а перед преобразованием изображений Р и В предварительно оценивает их разрядность. Полученные коэффициенты так же взвешиваются и округляются, как в JPEG, после чего кодируются по модифицированному алгоритму Хафмана.

Процедура сжатия адаптивная, т. е. кодер в течение времени может менять параметры алгоритма. Для организации слежения за качеством изображения он должен хранить предыдущие кадры, поэтому предусмотрен буфер ёмкостью в 40 кбайт. Такая сложная структура кодирования объясняет то, что MPEG-кодеры существуют только в студийном варианте, тогда как декодеры возможны в доступном исполнении.

Алгоритм MPEG осуществляют очень высокую степень сжатия: при хорошем разрешении коэффициент сжатия составляет 80 – 100, что на порядок выше, чем для JPEG.

В завершение данного раздела отметим, что сжатие информации – очень быстро развивающаяся отрасль знаний, опирающаяся на последние достижения в области математики (теория чисел, теория групп, прикладная топология, распознавание образов, теория оптимизации и т.д.) и находящая очень быстрое применение.