Compresia imaginii

Metodele de compresie a imaginii sunt concepute pentru a stoca sau transmite conținutul informațional al unei imagini date într-o formă comprimată cu un conținut cât mai redus de date, în același timp fiind cât mai aproape de imaginea originală după comprimare. Procedurile de compresie codec denumit, bazat pe numele original englezesc, care este un codec derivat din abrevierea coder-decoder. Putem vorbi despre compresia imaginii și compresia video în primul rând în cazul imaginilor digitalizate sau create digital și a conținutului video. Comprimarea imaginilor se bazează pe faptul că majoritatea imaginilor conțin un număr mare de elemente repetate. Prin recunoașterea și utilizarea acestor repetări, pixelii cu același conținut informațional pot fi omiși, reducând astfel dimensiunea imaginii. Cel mai important parametru de compresie este raportul de compresie, care exprimă măsura în care dimensiunea fișierului comprimat a scăzut în comparație cu starea inițială.

Compresie fără pierderi a imaginii

Aplicând numai compresie scăzută, sau se obține un raport de compresie scăzut. Avantajul este că, după decompresie, revenim exact la aceeași imagine ca originalul, nu se produce nicio pierdere de informații. Cele mai cunoscute formate de imagine fără pierderi includ GIF și PNG.

Compresie pierdută a imaginii

Aplicand grad ridicat de compresie disponibil, dar duce și la o deteriorare a calității. După decomprimarea imaginilor create cu această metodă, informațiile se pierd, astfel încât imaginea originală nu mai poate fi restaurată. Se pierd doar informații mai puțin relevante în ceea ce privește recunoașterea imaginii decomprimate. Scopul de bază este în primul rând de a minimiza dimensiunea și calitatea imaginii în timpul comprimării, iar aceasta din urmă nu trebuie observată cât mai mult posibil.

Există multe tipuri diferite de metode de compresie a imaginii, codecuri, inclusiv multe metode standardizate. Desigur, variantele de tip ale compresiilor cu pierderi pot fi găsite în număr mult mai mare decât cele ale proceselor fără pierderi. Care dintre ele ar trebui folosită într-o anumită aplicație poate fi determinată de nevoile care apar. Metodele de comprimare pot fi împărțite în două grupe majore: imaginea statică și compresia video. În timp ce metodele de compresie a imaginilor statice se concentrează doar pe o anumită imagine la un moment dat, metodele de compresie a imaginilor video se bazează pe caracteristicile imaginilor succesive, adică fluxul video.

Compresia imaginii și culorile

Colorarea unei imagini în sistemul de culori RGB (Sursa: www.equasys.de)

Colorarea unei imagini în sistemul de culori YUV (Sursa: www.equasys.de)

Dezvoltarea compresiei imaginii

Dezvoltarea metodelor de compresie s-a bazat tehnic pe caracteristicile care decurg din proprietățile viziunii umane, pe de o parte, și din proprietățile imaginii în mișcare naturale, pe de altă parte. Acestea sunt următoarele:

Caracteristicile rezultate din proprietățile viziunii umane:

Ochiul uman este mult mai sensibil la schimbările de luminozitate decât la modificările de culoare, în funcție de compoziția culorii imaginii văzute.
O rezoluție bună este necesară doar pentru imaginile cu mișcare fixă și lentă, în timp ce rezoluția mai mică este suficientă pentru imaginile cu mișcare rapidă.
Calitatea mai slabă a imaginii este mai puțin enervantă numai pentru imaginile fixe și cu mișcare lentă, în timp ce este mai puțin o problemă pentru schimbarea rapidă sau bruscă a imaginilor.

Caracteristicile rezultate din proprietățile unei imagini în mișcare naturale:

Imaginea în mișcare constă din cadre statice consecutive, în care există o asemănare și o redundanță atât între cadrele individuale, cât și între părțile de imagine ale cadrelor individuale. Dacă stocăm doar detaliile variabile ale imaginii, cantitatea de date necesară va fi de ordinele de mărime mai mici.

Caracteristici care determină raportul de compresie:

cantitatea și calitatea informațiilor care pot fi omise;
tipul și eficiența procesului de compactare;
statisticile imaginii de comprimat, adică cât din detaliile similare ale imaginii sunt în ea.

Procedura de compresie este după cum urmează. Valoarea luminozității fiecărui pixel este stocată separat, dar cea a culorilor este stocată numai pentru anumiți pixeli. Toate acestea sunt notate printr-o pereche cu raport triplu (x: x: x). În fiecare caz, prima valoare arată cât de lat un bloc (înălțimea sa este întotdeauna de 2 pixeli) afișează informațiile despre culoare. A doua valoare arată cantitatea de informații despre culoare stocate în primul rând și a treia valoare arată cantitatea de informații despre culoare stocate în al doilea rând. Știm despre unele valori generale: al treilea număr fie ia o valoare de 0 (în acest caz, nu există informații de culoare separate în linia corespunzătoare), fie este același cu valoarea celui de-al doilea număr.

Imaginea de mai jos prezintă câteva exemple despre valorile pe care le pot lua semnalele de luminozitate și diferență de culoare în fiecare bloc.

Imaginile conțin informații despre culoare în blocuri 4 × 2. În prima figură, este stocată o singură culoare în fiecare rând, iar în a treia figură sunt stocate doar două culori. Într-un bloc 4: 4: 4, fiecare pixel are informații despre culoare. În a doua figură, informațiile de două culori sunt stocate în primul rând și 0 în al doilea rând. În astfel de cazuri, dacă ultimul rând este setat la 0, acesta folosește întotdeauna informațiile despre culoare din rândul anterior.

Apropo de blocuri, merită menționate câteva cuvinte. În fiecare caz, fiecare codec de compresie începe compresia împărțind imaginea în sine în blocuri, adică zone mai mici. Dimensiunea lor este de obicei dependentă de codec, dar, în general, se poate spune că cu cât dimensiunea fiecărui bloc este mai mică, cu atât rămân mai multe informații utile, dar și mai mult spațiu necesar pentru stocare.

Odată determinate dimensiunile blocurilor, distribuția conținutului informațional urmează, cu alte cuvinte, măsura în care informațiile relevante sunt distribuite în fiecare zonă. Acest lucru se realizează cel mai adesea prin transformarea discretă a cosinusului, care este o matrice care arată spectrul de frecvență al fiecărei zone și frecvența fiecărui pixel. Cu cât frecvența zonei în care este situat pixelul este mai mică, cu atât conținutul de informații este mai relevant. După transformare, un așa-numit o operație de cuantificare este realizată de programe de compresie, care este de fapt o operație de divizare. În acest proces, aceste diviziuni sunt făcute pe toate blocurile, rezultând o mulțime de „numere”. De acum înainte, numai aceste numere ar trebui să fie stocate în cel mai mic spațiu posibil.

(Intrarea a fost făcută pe baza articolului www.geeks.hu „Cum funcționează codarea H.264”.)

Metode de compresie a imaginilor statice

Cele mai cunoscute și mai frecvente dintre metodele de compresie a imaginilor statice sunt JPEG și JPEG2000.

Compresie JPEG

JPEG a fost creat de un grup numit Joint Photographers Experts Group, care a fost format în 1986, iar procesul de compresie provine și din abrevierea acestui nume. JPEG este una dintre metodele de compresie cu pierderi și aceasta este considerată a fi procedura de bază pentru alte procese de compresie. Cu toate acestea, chiar și cu o compresie de 10-100x, imaginea nu numai că va fi recunoscută, ci și plăcută. În timpul comprimării, imaginea este împărțită în părți de 8 × 8 pixeli, unde cei 64 de pixeli sunt transformați împreună ca o imagine (și nu pixeli). cu transformată de cosinus discret (DTC). În cazul JPEG, vorbim întotdeauna despre comprimarea imaginilor statice. Extensii: jpeg, jpg, uneori jpe.

Compresie JPEG 2000

Standardul JPEG 2000 este, de asemenea, numit după Joint Photographers Experts Group, iar apariția sa, așa cum sugerează și numele său, a avut loc în 2000 (mai exact, a fost standardizat în ianuarie 2001). JPEG 2000 este potrivit pentru comprimarea atât a fotografiilor, cât și a filmelor. A durat mai mult de 10 ani pentru ca standardul să fie utilizat în general, în principal datorită faptului că noul standard nu este compatibil cu JPEG. Cu toate acestea, popularitatea sa actuală se datorează faptului că alte metode de compresie a imaginii nu au reușit cu adevărat să transmită imagini ale camerelor multi-megapixeli cu rezoluție foarte mare, cu rate mai mari de reîmprospătare a imaginii. Deși o îmbunătățire a JPEG, compresia folosește o transformată de undă în loc de o transformare discretă a cosinusului, care depășește JPEG atât în calitatea imaginii, cât și în eficiența compresiei.

În plus, software-ul a fost îmbunătățit cu o serie de caracteristici care depășesc cu mult JPEG:

Potrivit pentru așa-numitele extrem de mari. pentru a comprima imagini multi-megapixeli.
Este capabil atât de compresie cu pierderi, cât și de compresie fără pierderi.
Se poate crea o dimensiune de compresie de până la trei ori mai mică decât JPEG, deci este necesară o lățime de bandă mult mai mică pentru aplicarea sa.
Imaginile comprimate cu JPEG 2000 nu experimentează verificarea nici măcar la o calitate scăzută, cum ar fi pentru JPEG. Pierderea datelor este mai puțin vizibilă.
Marele avantaj este că poate modifica rezoluția fără a recodifica imaginea. Când este afișată pe Internet, imaginea este încărcată mai întâi la rezoluție mică și apoi convertită treptat la o rezoluție mai bună. Aceasta înseamnă că se ajustează la rezoluția monitorului în timpul încărcării, astfel încât arată întotdeauna imaginea numai la rezoluția afișajului. Cerințele de lățime de bandă sunt, de asemenea, reduse de această caracteristică.

JPEG 2000 poate avea mai multe extensii: J2K, JP2, J2C, JPC, JPX, JPF.

Metode de compresie a filmului

Scopul principal al comprimării imaginilor în mișcare a fost inițial să facă stocarea materialelor video mari pe de o parte și pe CD-uri și DVD-uri pe de altă parte. Toate acestea sunt rezolvate în așa fel încât nici materialul să nu aibă loc pierderi vizibile sau audibile de informații. Dimensiunea materialului video în comparație cu imaginile individuale este atât de mare încât practic nu are rost să-l înregistrați sau să-l stocați fără compresie. În plus, diferența de calitate între videoclipurile necomprimate și cele comprimate nu justifică să nu le comprimăm în niciun fel.

Cele mai cunoscute metode de compresie a filmelor sunt MJPEG și MPEG, familia de standarde (inclusiv MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4 și H.264). Aceste tipuri sunt utilizate în sistemele de monitorizare a securității. Majoritatea metodelor se bazează practic pe faptul că imaginea în mișcare constă dintr-o serie de imagini statice, în care imaginile direct consecutive sunt în cele mai multe cazuri foarte similare. De exemplu, există o diferență între imaginile unei camere video numai atunci când există mișcare în zona monitorizată. Prin urmare, dacă sunt înregistrate doar modificările, dimensiunea cantității de video care trebuie stocată poate fi redusă semnificativ.

Motion JPEG (MJPEG)

MJPEG toate cadrele separat Comprimă în format JPEG, apoi le concatenează într-un flux video. Raportul de compresie variază de la cadru la cadru, deci nu este ușor să estimați dimensiunea videoclipurilor create cu această metodă de compresie. La un raport de compresie de 5: 1, obținem în continuare o imagine de foarte înaltă calitate, dar la un raport de compresie de 10: 1, degradarea imaginii este deja vizibilă. Avantajul său este că cerințele sale hardware sunt scăzute, deci poate fi utilizat cu computere și înregistratoare digitale cu parametri tehnici mai slabi.

În 1988, Organizația Internațională pentru Standardizare, ISO a format un grup de lucru numit Moving Picture Experts Group, din care derivă acronimul MPEG Nume. Grupul a fost însărcinat să creeze standardul pentru formatul video digital, care era deja în evoluție rapidă la acea vreme. Esența familiei de standarde MPEG este că metoda nu comprimă fiecare cadru separat în fluxul video, ci le împarte în grupuri de 1-15 imagini. Primul cadru din fiecare grup este un cadru de referință comprimat JPEG de înaltă calitate care conține toate informațiile despre imagine. Sunt stocate și comprimate doar detaliile imaginilor ulterioare care au o discrepanță. Deoarece diferența dintre imaginile consecutive este de obicei nesemnificativă, schimbarea poate fi, în majoritatea cazurilor, mai bine comprimată decât în cazul unui flux video creat cu codificare MJPEG.

Tipuri de standard MPEG (și H.26x)

MPEG-1

A fost publicat în 1993. Funcționează cu o rezoluție de 352 × 288 (calitate video VHS), iar cu o rată de cadre de 25 de cadre/sec, rata de transfer a imaginii este de 1,5 Mbit/s. Formatul MPEG-1 poate fi utilizat numai pentru a codifica filme progresive, iar rata de biți a compresiei este constantă. De fapt putem vorbi despre standardul videoclipurilor digitale de calitate VHS. A permis un film de 74 de minute să se încadreze pe un CD video. Dezavantajul formatului de compresie - în ochii de azi, pe lângă rezoluția redusă - este acela că în scenele video în care nu numai oamenii și obiectele, ci și fundalul s-au mișcat rapid, a rezultat o calitate slabă a imaginii.
Bazat pe MPEG-1 Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor (UIT), un standard pentru standardizarea internațională în telecomunicații și telecomunicații, a fost standardul dezvoltat pentru aplicațiile de videofon și videoconferință, care A fost publicat ca H.261. Bazându-se și dezvoltând în continuare acest lucru, au fost create standarde MPEG suplimentare. Grupul de lucru MPEG și ITU și-au dezvoltat ulterior standardele pentru tehnologia video digitală, fie independent, fie în colaborare. Toate standardele H.26x sunt, de asemenea, standarde ITU.

MPEG-2

Are un conținut identic cu standardul H.262 dezvoltat de ITU-T. Codecul este mult mai complicat decât cu MPEG-1. Acest standard a fost dezvoltat în 1994 pentru aplicații de difuzare digitală prin satelit, cablu și terestre (DVB) și DVD. Se poate comprima la o rezoluție mai mare decât predecesorul său și cu o rată de biți variabilă. Standardul permite variația ratei de transfer a datelor și, în același timp, compresia pe o gamă largă de la 1,5 Mbit/sec până la 40 Mbit/sec. La cea mai bună rezoluție a semnalului TV analogic (PAL) (dimensiunea imaginii 720 × 576), la o rată de cadre de 25 de cadre/sec, rata de transfer tipică a datelor este de 4-10 Mbit/sec. Vor trece încet două decenii de la lansarea acestui standard pe piață, dar este încă utilizat în playere DVD tradiționale. MPEG-2 este, de asemenea, capabil să satisfacă cerințele tehnologiei de televiziune de înaltă definiție, HDTV (rezoluție 1920 × 1080), chiar dacă nu era încă așteptat când a fost lansat.

Deși acest format de compresie, dezvoltat în 1995-96, nu este conceput pentru supravegherea video, merită menționat în câteva cuvinte. A fost inițial dezvoltat de ITU pentru conferințe video, dar este utilizat pe scară largă de către a fost utilizat în telefoanele mobile. Esența tehnologiei este că aceasta se comprimă la un debit constant și extrem de scăzut. Din păcate, dacă există obiecte care se mișcă mai repede în videoclip, calitatea imaginii este, de asemenea, slabă.

MPEG-3

Acest standard ar fi fost conceput practic pentru a fi utilizat în aplicații HDTV, dar dezvoltarea a arătat că standardul MPEG-2 poate satisface și așteptările televiziunii de înaltă definiție, astfel încât lansarea MPEG-3 a devenit în cele din urmă învechită.

Grupul MPEG-4

MPEG-4 este de fapt nu un standard independent, dar unul un grup de aproape 30 de părți. Dezvoltarea lor a început în 1998. Cele mai cunoscute dintre acestea și cele mai utilizate în supravegherea video sunt cele două sub-standarde MPEG-4 Part 2, cunoscute și sub numele de MPEG-4 ASP și MPEG-4 Part 10, cunoscute și sub numele de H.264.

MPEG-4 Partea 2

Standard introdus în 1999. Când utilizați un sistem de cameră Compresie MPEG-4vorbim despre, atunci este înseamnă de fapt format MPEG-4 Partea 2. Rata cadrelor nu mai este limitată la 25/30 cadre/sec. Scopul principal al dezvoltării sale a fost codificarea conținutului video cu rată de biți redusă, de obicei de la 5 kBit/sec la 4 Mbit/sec. Poate codifica și comprima atât imaginea, cât și sunetul. Necesită mult mai multe resurse decât predecesorul său, formatul MPEG-2. În plus față de utilizarea sa în programe de televiziune, videofoane, fluxuri media web, acesta a fost de câțiva ani procesul tipic de compresie pentru înregistratoarele digitale și camerele IP.

H.264 sau MPEG-4 Partea 10 sau MPEG-4 AVC

Cele mai importante trei profiluri standard H.264 sunt de bază, principal și profil înalt. Producătorii de aparate de înregistrare digitale și camere IP utilizează în principal profilul principal în dispozitivele lor. Profilul înalt este utilizat mai rar, dar acesta este cel care obține o calitate a compresiei mult mai bună decât profilul principal. Deoarece procesorul și alte circuite de procesare a semnalului video utilizate în acest caz se încadrează și într-o categorie de calitate superioară, nivelul de preț al acestor dispozitive este, de asemenea, mai ridicat.

MJPEG sau H.264?

Pe baza a ceea ce a fost descris până acum, am presupune că compresia H.264 oferă rezultate mai bune din toate punctele de vedere decât MJPEG mult mai vechi. Deși rezultatele mult mai eficiente sunt obținute de obicei cu standardul de compresie H.264, în unele cazuri MJPEG se dovedește a fi o alegere mai bună.

Acesta este cazul videoclipurilor cu multă mișcare sau condiții de iluminare schimbătoare, deoarece fiecare cadru este diferit. Imaginile anterioare nu pot fi luate ca referință, doar diferențele nu pot fi transmise, astfel încât H.264 își pierde avantajul rezultat. Deoarece MJPEG procesează videoclipurile separat pe cadru, MJPEG este mult mai economic atunci când camera este montată pe un vehicul în mișcare, un stâlp expus vânturilor puternice sau o zonă în care mișcarea constantă și schimbările dense ale condițiilor de lumină sunt comune și se dovedește a fi o metoda de compresie mai eficientă.