Introdução ao DPCM para compressão de imagens da câmera PAN do CBERS-3&4

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1 Introdução ao DPCM para compressão de imagens da câmera PAN do CBERS-3&4 Desenvolvido por CAST, CRESDA Lilian Nogueira de Faria (Bolsista)...DPI/INPE Leila Maria Garcia Fonseca...DPI/INPE

2 Introdução ao DPCM DPCM do CBERS-03/04 (PAN) Análise objetiva de qualidade Análise visual de qualidade

3 CBERS-3&4

4 Especificações técnicas CBERS-03/04 Imagem da camera Pan CBERS-03/04 deve ser comprimida.

5 Requisitos do compressor: Processamento rápido; Bom desempenho de compressão; Boa qualidade da imagem recuperada; Baixa complexidade computacional; Fácil implementação em FPGA.

6 Modelos de Sistemas de Compressão de Imagem

7 Métodos de Compressão Sem perda Permite recuperar a imagem original Com perda Permite maior compressão

8 Métodos de Compressão Domínio espacial Métodos Preditivos Domínio da frequência Métodos baseados em Transformadas

9 DPCM

10 DPCM Modulação por Codificação de Pulso Diferencial Sinal Diferença Símbolo Anterior - Erro de Previsão Sinal DPCM

11 Compressor preditivo sem perda Original Data x[n] Prediction error e[n] - Z -1 x[n-1] x[n-1] Z -1 Decoded data x[n] Original data DPCM code e[n] = x[n] x[n-1] Decoded data

12 Compressor preditivo sem perda Original Data x[n] Prediction error e[n] - Z -1 x[n-1] x[n-1] Z -1 Decoded data x[n] Original data DPCM code e[n] = x[n] x[n-1] Decoded data x[n] = x[n-1] e[n]

13 Compressor preditivo sem perda Sinal Erro de Previsão Erro quantizado Amostra Anterior - Quantização Original [0, 255] (8 bits) Diferença [-255, 255] (> 8 bits) Sem compressão

14 Quantização do erro de predição Quantized error Prediction Error Prediction error Quantized error [ 18, 23] 21 [ 12, 17] 15 [ 6, 11] 9 [ 0, 5] 3 [ -6, -1] -3 [ -12, -7] -9 [ -18, -13] -15 [ -24, -19]

15 DPCM Original data x[n] e[n] Q Quantized prediction error e Q [n] Decoded data x D [n] x D [n-1] Z -1 x D [n-1] Z -1 x D [n] Original data DPCM code Decoded data Q(-20) Q(1) Q(3) Q(-10) e Q [n] = Q( x[n] x D [n-1]) e[n]

16 DPCM Original data x[n] e[n] Q Quantized prediction error e Q [n] Decoded data x D [n] x D [n-1] Z -1 x D [n-1] Z -1 x D [n] Original data DPCM code Decoded data Decodificação dentro da codificação x D [n] = x D [n-1] e Q [n]

17 DPCM Original data x[n] e[n] Q Quantized prediction error e Q [n] Decoded data x D [n] x D [n-1] Z -1 x D [n-1] Z -1 x D [n] Original data DPCM code Decoded data Q(-20) Q(1) Q(3) Q(-10) x D [n]-x[n] = e Q [n] - e[n] Erro de reconstrução = Erro de quantização

18 Quantização do erro de predição Quantized error Prediction Error Quantização deve ser projetada para minimizar o erro de reconstrução.

19 DPCM Sub-System of PANMUX_IRMSS Onboard CBERS 3 & 4 Satellites Source: Introduction to DPCM Encoding Algorithm in Data Transmission: Sub-system of PANMUX_IRMSS Onboard CBERS 3&4 Satellites, CAST, CRESDA, August 3, 2010.

20 Quantização do erro de predição Quantized error Prediction Error (1111) 62 (0111) Prediction error Quantized error Code [ 53, 255] [ 36, 52] [ 26, 35] [ 19, 25] [ 13, 18] [ 8, 12] [ 4, 7] [ 0, 3] [ -3, -1] [ -7, -4] [ -12, -8] [ -18, -13] [ -25, -19] [ -35, -26] [ -52, -36] [-255, -53] bits

21 Codificador DPCM - Erro de Previsão Codificador Imagem original 8 bits Imagem codificada 4 bits Predição Quantização Taxa de Compressão 2:1

22 Codificador DPCM Entrada (8 bits) - Erro de Previsão Codificador Saída (4 bits) Saída Predição Quantização Erro Tabela de codificação do erro quantizado

23 Codificador DPCM Codificador Predição Quantização

24 Codificador DPCM Codificador 1000 Predição 97-1 Quantização ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

25 Codificador DPCM Codificador 1001 Predição 88-5 Quantização ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

26 Codificador DPCM Codificador 0000 Predição 85 1 Quantização ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

27 Codificador DPCM Codificador Predição Quantização Fim da Codificação

28 Decodificador Decodificador DPCM Predição

29 Decodificador DPCM Decodificador Predição ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

30 Decodificador DPCM Decodificador Predição ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

31 Decodificador DPCM Decodificador 1 85 Predição ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

32 Decodificador DPCM Decodificador Predição ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11

33 Sistema de Compressão DPCM Codificador Decodificador Predição Predição Quantização Baixa complexidade Compressão com Perda Taxa de Compressão 2:1

34 Análise Objetiva de Qualidade PSNR

35 Razão de Compressão tamanho_ original Razão de Compressão= tamanho_ comprimido Erro médio quadrático (MSE) MSE 1 MN M 1N 1 = x= 0 ( a[ x, y] b[ x, y]) y= 0 Imagem Imagem Original Recuperada Peak signal-to-noise ratio (PSNR) 2 PSNR = 10log 10 (2 1) MSE B 2 B: n o de bits (db)

36 Imagens simuladas SPOT Quickbird RapidEye São Paulo, SP S. J. Campos, SP Niteroi, RJ

37 Análise Objetiva de Qualidade PSNR(dB) x Compression Ratio PSNR (db) Qualidade JPEG-LS JPEG-XR DPCM CCSDS-IDC DPCM (CAST) DPCM (Table 2) L0) JPEG-LS, Near 0 Near 1 Near 2 CCSDS, Int, 4 bpp 2 bpp 1 bpp JPEGXR, ALL, Quant 0 Quant 8 Quant 12 Quant SPOT, Quickbird e Rapideye Razão de Compressão Compressão

38 Análise Objetiva de Qualidade MSSIM x Compression Ratio MSSIM Qualidade 1,00 0,99 0,98 0,97 0,96 0,95 0,94 DPCM JPEG-XR All JPEG-LS CCSDS-IDC DPCM (CAST) DPCM (Table2) L0) JPEG-LS, Near 0 Near 1 Near 2 CCSDS, Int, 4 bpp 2 bpp 1 bpp JPEGXR, ALL, Quant 0 Quant 8 Quant 12 Quant 16 SPOT, Quickbird e Rapideye 0, Razão de Compressão Compressão

39 Análise Visual de Qualidade

40 Dois tipos de degradação podem ser gerados como resultado da quantização DPCM. Ruído granular Ruído aleatório em áreas planas Slope overload Slope overload Suavização das bordas de alto contraste Ruído granular

41 Análise Visual de Qualidade Quickbird S. J. Campos, SP Imagem original DPCM 2:1 (CAST) Artefatos de linha em áreas planas 15

42 Análise Visual de Qualidade HRC/CBERS-2B Brasília, DF Imagem original DPCM 2:1 (CAST) Ruído granular em áreas planas

43 Análise Visual de Qualidade HRC/CBERS-2B Brasília, DF Imagem original Imagem decodificada Ruído granular em áreas planas

44 Tempo de Processamento DPCM JPEG-LS CCSDS-IDC JPEG-XR Tempo Médio (s)

45 Principais referências China Academy of Space Technology, Introduction to DCPM encoding algorithm in data transmission sub-system of PANMUX IRMSS onboard CBERS 3&4 satellites, [S.l.]: CAST, (Wx CBERS03/04DPS.SM01), Lilian N. Faria, Leila M. G. Fonseca, and Max H. M. Costa, Performance Evaluation of Data Compression Systems Applied to Satellite Imagery, Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 2012, Article ID , 15 pages, doi: /2012/

46 Obrigada! Lilian Nogueira de Faria

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