Compressão de Imagens. Lilian Nogueira de Faria (Bolsista)...DPI/INPE Leila Maria Garcia Fonseca (Coordenadora)...DPI/INPE

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1 Compressão de Imagens Lilian Nogueira de Faria (Bolsista)...DPI/INPE Leila Maria Garcia Fonseca (Coordenadora)...DPI/INPE

2 Imagens digitais necessitam de grande quantidade de espaço para armazenamento e a gu a de banda ba da pa para a ttransmissão a s ssão de dados. dados largura Codifica dor Codificador Canal Decodificador

3 Compressão de imagens reduz a quantidade de dados necessária para representar uma imagem digital, preservando a informação.

4 Dados Informação Dados: meio de representação da informação. Dados #1 Dados #2 A mesma informação pode ser representada por diferentes quantidades de dados. Institute of Electrical and Electronics Engineers > IEEE > I3E

5 Métodos de compressão de imagens exploram a redundância de dados na imagem. Dados redundantes Informação irrelevante Informação Dados da imagem DADOS = INFORMAÇÃO + DADOS REDUNDANTES

6 Métodos de Compressão Redundante Irrelev. Info sem perda Reduz apenas dados redundantes. Recupera imagem original. Apresenta baixa compressão. com perda Reduz dados redundantes e descarta informação irrelevante. Não recupera imagem original. Permite maior compressão.

7 Espacial (inter-pixel) Temporal (inter-quadros) Espectral (inter-bandas) Redundância Psicovisual Informação irrelevante de Codificação (Redundância de Entropia) Métodos de compressão reduzem um ou mais tipos de redundância.

8 Redundância Espacial Redundância Interpixel Alta correlação espacial Valores dos pixels podem ser previstos pelos pixels vizinhos. Transformada de Imagens Transformada DCT, DWT Run-Length Encoding (RLE) Length Symbol Codificação Preditiva Diferencial Original Diferença

9 Redundância Psicovisual Sistema Visual Humano O sistema visual humano tem menor sensibilidade para altas frequências (irrelevante). x u y v Transformada Domínio espacial Pixels da imagem f(x, y) FFT DCT Haar Hadamard DWT Domínio da frequência Coeficientes da Transformada T(u, v)

10 Redundância de Codificação Códigos de Comprimento Variável Código Aritmético Símbolo Frequência Binário Código de Huffman A 0,5 000 Código de Golomb B 0,2 001 C 0, bits/símbolo D 0, E 0, % 5% (3 bits) 5% (3 bits) Redundância 3 bits/sb 20% (3 bits) de codificação 1,9 bits/símbolo Huffman ,9 bits/sb 20% (3 bits) 50% (3 bits) 5% (4 bits) 5% (4 bits) 20% (3 bits) 20% (2 bits) Volume de Dados 50% (1 bits)

11 Modelo Geral de Sistemas de Compressão de Imagem

12 Métodos de Compressão Domínio espacial Domínio da frequência Métodos Preditivos Métodos baseados em Transformadas DPCM, Lossless JPEG, JPEG-LS,... JPEG, JPEG2000, ICER, JPEG-XR...

13 Modelo de Compressão Preditiva Diferencial Codificador Decodificador cado de Entropia de Entropia + Previsor Sem redundância espacial Sem redundância de codificação Previsor Modelo de Compressão baseada em Transformada IRREVERSÍVEL Transformada Quantizador Codificador Decodificador Transformada de Entropia de Entropia Inversa Sem redundância dâ Sem redundância dâ Sem redundância dâ espacial psicovisual de codificação

14 Modelo de Compressão Preditiva Diferencial + - Erro de Previsão ε = x xˆ Quantização Codificação Predição Imagem original Sem redundância espacial Sem redundância de codificação Imagem diferença (erro de previsão)

15 JPEG-LS Predição Codificação (Golomb) Modelagem de Contexto regular corrida Modo de Corrida C A B X D.

16 Modelo de Compressão baseada em Transformada Transformada IRREVERSÍVEL Quantizador Codificador de Entropia Imagem original x Redundância Redundância Redundância de espacial psicovisual codificação Transformada Discreta de Cosseno (DCT) u v u Imagem codificada y v Domínio espacial Domínio espectral Bloco 8x8 f(x, y) Coeficientes F(u, v)

17 Modelo de Compressão baseada em Transformada Transformada IRREVERSÍVEL Quantizador Codificador de Entropia Imagem original Redundância Redundância Redundância de espacial psicovisual codificação Imagem codificada y x v u 50 v Bloco de Pixels Coeficientes DCT Coeficientes quantizados u

18 C Modelo de Compressão usando Transformada Wavelet

19 Transformada Wavelet 2D Subbandas de Coeficientes

20 Modelo de Compressão usando Transformada Wavelet DWT Quantizador Codificador de Plano de Bits Imagem original Imagem codificada Plano de Bits dos Coeficientes

21 Compressão Progressiva usando Transformada Wavelet Pl Plano d de Bit db 20 db :1 1533: :1 233:1 101: :1 23:1 11: :1 3:1 40 db Qualidade da imagem (PSNR) 60 db

22 DCT DWT DWT DWT Transformada

23 Qualidade da Imagem x Desempenho de Compressão

24 Medidas de Desempenho e Qualidade Razão de Compressão CR = tamanho original tamanho comprimido Erro médio quadrático (MSE) MSE M N 1 2 ( Po [ x, y] Pr [ x, y]) x= 0 y= 0 original recuperado = MN Peak-to-peak signal-to-noise ratio (PSNR) PSNR = log (2 1 MSE B 2 10 ) (db) B: n o de bits 2 B 1: valor máximo do pixel

25 Qualidade x Compressão Qualidade da imagem Redundante Quantidade de dados Info

26 Qualidade x Compressão Qualida ade PSNR (db) Co ompress são fixa Qualidade limitada Comp pressão fixa Qualidade limitada Qualidade limitada CR fixa 1:1 10:1 100:1 Razão de Compressão Compressão

27 Qualidade x Compressão PSNR DPCM 2:1 PSNR JPEG-LS PSNR CCSDS-IDC Compression ratio

28 Qualidade x Compressão Qualid dade JPEG-XR All QP = 0 CCSDS Int Bpp = 4 JPEG-LS Near 0 JPEG-XR All QP = 4 PSNR (db) JPEG-XR Noflexbits DPCM JPEG-XR All QP = 8 JPEG-XR All QP = 10 JPEG-XR All QP = 16 Bpp 1.0 Bpp 0.5 JPEG-XR All QP = 32 JPEG-LS Near 4 JPEG-XR NoHighpass CC CD/CBE ERS-2B Origi nal DPCM JPEG-LS CCSDS-IDC Int JPEG-XR JPEG-XR All Taxa de Compressão Compressão

29 Imagem Original Distorções na Imagem 256 x 256 pixels JPEG-LS Efeito de corrida JPEG Efeito de bloco DPCM Ruído granular

30 Velocidade de Compressão Intel Core i GHz ~ 6000 x 6000 pixels DPCM JPEG-LS CCSDS JPEG-XR All QP= Duração (s)

31 Requisitos do compressor de imagens de sensoriamento remoto embarcado em satélite Processamento rápido. Bom desempenho de compressão. Boa qualidade da imagem recuperada. Baixa complexidade computacional. Fácil implementação em FPGA.

32 Obrigada! Lilian Nogueira de Faria

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