Спосіб стиснення зображень з урахуванням методу нерівноважного позиційного кодування бітових площин

Реферат: Спосіб стиснення зображень з урахуванням методу нерівноважного позиційного кодування бітових площин містить етапи переходу до представлення зображення моделлю колірність/світимість, дискретно-косинусного перетворення та квантування. Введено етап формування матриці знаків та стиснення методом нерівноважного позиційного кодування бітових площин з попереднім розрахунком довжин двійкових серій. UA 75931 U (12) UA 75931 U UA 75931 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до галузі телекомунікаційних технологій і може бути використана для підвищення ступеня стиснення інформаційного потоку даних без внесення спотворень у відновлювану інформаційну структуру при вирішенні задач кодування джерела в системах обробки інформації. Відомий спосіб стиснення зображень без втрат |1], згідно з яким кодування значень пікселей зображення здійснюється відповідно до такого алгоритму: визначаються значення декількох сусідів поточного піксел; дані значення розглядаються як контекст цього піксел; контекст використовується для прогнозування піксел і для вибору розподілу вірогідності; вибраний розподіл застосовується для кодування помилки прогнозу за допомогою спеціального коду Голомба. Однак суттєвим недоліком цього способу є досить низький ступінь стиснення. Усереднене значення коефіцієнта стиснення, що досягається при компресії 24-бітних зображень, сягає 2. Відомий також спосіб стиснення зображень, вибраний як прототип, що є близьким за технічним рішенням до запропонованого [2]. Відповідно до відомого способу процес стиснення зображень відбувається у декілька етапів: 1) Виконується попередня обробка зображення, що приводить його до зручного для подальшого кодування вигляду. На даному етапі зображення з формату представлення моделлю RGB переводиться у формат колірність/світимість (YUV). Зображення розбивається на крупні піксели. Укрупнення пікселей проводиться у співвідношенні 2:1 по горизонталі і вертикалі або в пропорціях 2:1 по горизонталі і 1:1 по вертикалі. Піксели компонентів YUV збираються в блоки 8 × 8, що називаються одиницями даних. Якщо число рядків або стовпців зображення не кратне 8, то нижній рядок і правий стовпець повторюються необхідну кількість разів. 2) Застосовується дискретне косинус-перетворення (ДКП) до кожної одиниці даних, внаслідок чого формуються блоки 8×8 частот одиниць даних. Вони містять середнє значення в одиницях даних і поправки для високих частот. 3) Застосовується квантування - етап, на якому відбувається основна втрата інформації за рахунок округлення несуттєвих, високочастотних коефіцієнтів ДКП. 4) Всі 64 квантованих частотних коефіцієнта кожної одиниці даних, зчитані у порядку, що визначається зиґзаґ-скануванням, кодуються за допомогою комбінації методу RLE та методу Хаффмена. Декодер JPEG здійснює зворотні дії. Описаний спосіб має наступні суттєві недоліки: при підвищенні ступеня стиснення з'являються суттєві спотворення (втрати) у відновленій інформаційній структурі, проявляється ефект Гіббса-ореоли по межах різких переходів кольорів; водночас в режимі без втрати якості зображення ступінь стиснення є досить обмеженим і сягає 1,4; використання методу Хаффмена для кодування трансформованих інформаційних одиниць приводить до підвищення складності апаратно-програмної реалізації у зв'язку з необхідністю синхронізації нерівномірних кодових комбінацій на межах оброблюваних фрагментів. В основу корисної моделі поставлені такі задачі: 1) Сформувати спосіб стиснення зображень, який базувався би на методі кодування, що не вносить спотворення у відновлену структуру трансформант зображення. 2) Забезпечити досягнення більшого у порівнянні з існуючими методами без втрат ступеня стиснення. 3) Побудувати технологію кодування, яка вимагатиме меншої кількості операцій у порівнянні з методом Хаффмена. Поставлені задачі вирішуються наступним чином: 1) На етапі попередньої обробки не використовують процедуру укрупнення пікселів, яка є першопричиною появи артефактів у відновлюваному зображенні. 2) Комбінація кодування методом RLE та методом Хаффмена замінена на стиснення методом нерівноважного позиційного кодування (НРПК). На данному етапі проводять перехід від десяткових значень пікселей до побітового представлення структури зображення. Стиснення трансформант досягається за рахунок структурно-комбинаторної надмірності, обумовленої: наявністю в бітовому представленні трансформант двійкових серій; нерівномірним динамічним діапазоном довжин ДС. Використання попередніх процедур трансформації - ДКП та квантування - забезпечує досягнення найбільш сприятливих умов для подальшого стиснення даних за рахунок обнуління більшості значень у сегментах 8×8 трансформованого зображення. Це в комбінації із застосуванням на подальшому етапі кодування методу ДСК та стисненням значень кодів 1 UA 75931 U 5 10 15 20 номерів методом RLE дозволяє досягти значень коефіцієнту стиснення в межах від 11,8 до 7 разів для =60дБ і від 10 до 30 разів для =30 дБ, де  - пікове значення відношення сигнал/шум. Кодування методом НРПК не вносить додаткових спотворень до відновлюваного зображення, оскільки декодер НРПК абсолютно однозначно відновлює вихідні двійкові послідовності, що з урахуванням відмови від процедури укрупнення пікселей дозволяє уникнути втрат у відновленому зображенні. Визначено, що метод декодування НРПК забезпечує скорочення кількості операцій у порівнянні з методом Хаффмена у середньому на 70 %. На кресленні на ведена схема способу стиснення зображень. Описання етапів схеми: 1. Кольорове зображення перетворюють з формату представлення моделлю RGB у формат представлення моделлю YUV. Якщо число рядків або стовпців вихідного зображення не кратне 8, то верхній рядок і правий крайній стовпець, повторюють потрібну кількість разів. Піксели кожної компоненти формують в блоки 8×8, що називаються сегментами зображення. 2. До кожного сегмента зображення застосовують ДКП. В результаті трансформації матриці зображення на базі ДКП, отримують блоки 8×8 частот одиниць даних. Дану процедуру проводять за для збільшення кількості нульових значень в трансформованій матриці. Оскільки піксели корельовано по двом напрямкам, при стисненні використовують двовимірне ДКП, що задають формулою: Gf  25 30 1 2n СiC j 7 7   pxy cos( x 0 y 0 (2y  1) j (2x  1)i ) cos( ), 16 16  1 де Cf   2 , f  0;   1 f  0.  , Тут рху - числові значення пікселей зображення, що містяться в сегментах розмірністю n×n (в даному випадку n=8). Значення і та у змінюються в межах від 0 до n-1. Практично значення перетвореного вмісту сегментів 8×8 пікселей обчислюють як добуток T матриць СРС , де Р - початковий сегмент пікселей 8×8, а матриця С визначається формулами:  1 ,i  0;   8 Cij    1 cos( (2 j  1)i ),i  0. 2 16  T С - транспонована матриця С. 3. Кожен з 64 елементів частот одиниць даних ділять на число - коефіцієнт квантування і округляють до цілої частини. На даному етапі відбувається необоротна втрата інформації. 4. Оскільки після етапу квантування трансформовані сегменти містять від'ємні значення, доцільно сформувати матриці знаків за правилом: 0,  c k.  0; Sk,   1,  c k.  0. Тут Sk, - (k; ) -й матриці знаків, що надає інформацію про знак компоненти ck. . 35 40 45 k  1, q ;   1, q , де q ; qc - кількість рядків та стовбців растру зображення відповідно. 5. На цьому етапі з'ясовують структуру представлення початкових даних. Початкове зображення розбивають на одиниці даних у вигляді сегментів розмірністю 8×8. Кожне з числових значень представляють у вигляді 8-бітового двійкового числа (тобто кожним сегментом є паралелепіпед, довжина якого становить 8 біт, а ширина і висота дорівнюють розмірності сегмента 8×8). Однойменні біти двійкового представлення сегмента утворюють бітову площину. Кожен сегмент складається з восьми бітових площин. Значення осередків у бітових площинах зчитують методом зиґзаґ-сканування. Проводять розрахунок довжин двійкових серій для кожної бітової площини. За таким самим принципом проводять розрахунок довжин двійкових серій для сегментів 8×8 матриці знаків. 6. На цьому етапі застосовують базовий метод стиснення даних - НРПК Завданням даного етапу є формування кодів методом НРПК на базі значень довжин двійкових серій бітових 2 UA 75931 U 5 площин. Також за таким самим принципом розраховують коди НРПК для матриці знаків згідно з отриманими для неї значень довжин двійкових серій. Сформований спосіб стиснення зображень забезпечує виграш по ступеню стиснення в середньому 25 % для режиму обробки без втрати якості (=60дБ) та 15 % для режиму обробки з втратою якості (=30 дБ). Джерела інформації: 1. Д. Селомон Стиснення даних, зображень і звуку. - М.:Техносфера, 2006.-386 с. 2. Ватолин В.И., Ратушняк А., Смирное М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.: ДИАЛОГ - МИФИ, 2002.-384 с. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб стиснення зображень з урахуванням методу нерівноважного позиційного кодування бітових площин, що містить етапи переходу до представлення зображення моделлю колірність/світимість, дискретно-косинусного перетворення та квантування, який відрізняється тим, що введено етап формування матриці знаків та стиснення методом нерівноважного позиційного кодування бітових площин з попереднім розрахунком довжин двійкових серій. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3