Processamento de Imagem Prof. MSc. André Yoshimi Kusumoto andrekusumoto.unip@gmail.com
Definição Compressão de Imagem Formas de diminuir a área de armazenamento dos dados, reduzindo a quantidade de bits para representar os dados (imagem, texto, ou arquivo qualquer). Arte e a ciência de reduzir o volume de dados necessários para representar uma imagem É uma das tecnologias mais úteis na área de processamento digital de imagens 2
Exemplo Compressão de Imagem Prof. André Y. Kusumoto andrekusumoto.unip@gmail.com Vídeo de 2 horas com resolução 720x480x24bits (Standard Definition) Sequência de quadros de vídeo a 30 fps (frames per second) 30 frame s 720 480 A = πr 3 2 bytes pixel frame pixel = 31.104.000 bytes/s Duas horas de filme 31.104.000 bytes s 60 2 s h 2h 2,24 x 1011 bytes Ou 224 GB de dados (27 DVDs de 8,5 GB) 3
Exemplo Compressão de Imagem 224 GB de dados (27 DVDs de 8,5 GB) Prof. André Y. Kusumoto andrekusumoto.unip@gmail.com Para caber em um único DVD um quadro deve ser comprimido por um fator de 26,3 Em alta definição (High Definition-HD), a conversão deve ser ainda A = πr 2 maior. Ex. 1920x1080x24bits/quadro Importante para Transmissão de dados (Internet) Armazenamento 4
Fundamentos Compressão de Imagem O termo compressão de dados refere-se ao processo de reduzir o volume de dados necessários para representar dada uma quantidade de informações Dados são diferentes de informações. Dados são os meios pelos quais as informações são transmitidas Várias quantidades de dados podem ser utilizadas para representar a mesma quantidade de informações. Representações que contém informações irrelevantes ou repetidas possuem dados redundantes 5
Redundância de Imagem Tipos de redundância em imagens (1/2) Prof. André Y. Kusumoto andrekusumoto.unip@gmail.com De codificação de tons ou cor - quando os níveis de cinza ou as cores de uma imagem são codificados com mais símbolos que o necessário. Uma imagem com oito cores, mas que foi representada utilizando um byte para cada RGB ou usando uma tabela de 256 cores. Inter-pixel (espacial) - resultantes das relações geométricas ou estruturais entre os objetos na imagem. Se os objetos em uma imagem puderem ser representadas apenas pela descrição do seu contorno 6
Redundância de Imagem Tipos de redundância em imagens (2/2) Prof. André Y. Kusumoto andrekusumoto.unip@gmail.com Espectral - ocorre em imagens com mais de uma faixa espectral, quando os valores espectrais, para a mesma posição na matriz de pixels de cada banda, são correlacionados. Utilizar apenas um canal seria suficiente Psicovisuais ou baseadas na percepção - relacionadas ao fato do sistema visual humano não responder com a mesma sensibilidade a todas as informações visuais. Informações psicovisualmente redundantes O ser humano não consegue detectar pequenos ruídos no meio das imagens ou variação de tons muito baixos. 7
Medidas de Desempenho Pode-se avaliar a medida de desempenho segundo a taxa de compressão: razão entre o tamanho do dado ou imagem original e o tamanho do dado após a compressão Técnicas sem perda: quanto maior a taxa de compressão melhor é a técnica de compressão. Técnicas com perda: deve-se considerar também a qualidade do sinal ou dado reconstruído. 8
Métodos de Compressão de Imagem Compressão sem perda ou codificação de redundância Compressão com perda 9
ou codificação de redundância Compressão sem perda Explora a redundância entre pixels na codificação Nenhum dado é perdido no processo de compressão Também denominado compressão com preservação da informação, pois permite a reconstrução exata da imagem. RLE (Run Length Encoding), LZ (Lempel Ziv), LZW (Lempel Ziv Wech) ou algoritmo de Huffman Usadas nos formatos: PCX, PNG, GIF e TIFF 10
Compressão com perda Algum dado é perdido no processo de compressão da imagem Mais eficiente devido à sua razão de compressão ser maior A escolha da compressão com ou sem perda depende da aplicação Fatores: taxa de compressão e perdas Algumas aplicações, as perdas são imperceptíveis pela visão humana ou a sua percepção é aceitável Em outras aplicações, a perda da informação provoca distorções não aceitáveis. Ex. imagens médicas 11
Exemplos Compressão com perda DCT (Discrete Cosine Transform) usada no padrão JPEG (Joint Photographic Experts Group) ou MPEG (Moving Pictures Experts Group) Todas produzem degradação como borramento (blurring) ou pixelation Usado com frequência na Internet Streaming multimídia - áudio e/ou vídeo Transmissão de voz 12
Compressão com perda Métodos e algoritmos de compressão eficientes devem levar em conta as características da visão humana. Obtém-se um arquivo comprimido de menor dimensão, mantendo, no entanto, a qualidade aceitável em relação ao original, conforme o objetivo que se pretende. De novo, depende da aplicação na qual serão utilizadas as imagens 13
Compressão de Imagem Classificação quanto ao tempo de compressão e descompressão. Compressão Simétrica Onde o tempo de compressão é igual ao de descompressão Geralmente, por se utilizar métodos e algoritmos semelhantes nos processos Transmissão e apresentação simultânea das imagens Compressão Assimétrica Na maioria das vezes, o tempo de compressão é bem maior que o tempo de descompressão Ocasionado, pela diferença dos algoritmos utilizados, geralmente, os de compressão mais complexos que os de descompressão Uma compressão e diversas descompressões. Ex. MP3 14
Padrões de Compressão de Imagem GIF (Graphics Interchange Format) em desuso PNG (Portable Network Graphics) JPEG (Joint Photographics Experts Group) MPEG (Moving Picture Experts Group) 15
Padrões de Compressão de Imagem GIF (Graphics Interchange Format) Objetivo inicial: transmitir imagens pelas linhas telefônicas via modem usa o algoritmo LZW Pode armazenar mais de uma imagem no arquivo (animações). Imagens limitadas a escala de cinza ou a cores de 8-bits (paleta de 256 cores) 16
Padrões de Compressão de Imagem PNG (Portable Network Graphics) Foi desenvolvido em 1996 para substituir o formato GIF em ambiente Web Vantagens: tamanho do arquivo. Menores que os GIF de 5-25% Desvantagens: Nem todos os browsers suportam completamente o formato PNG Permite comprimir as imagens sem perda de qualidade com muitas cores. 17
Padrões de Compressão de Imagem JPEG (Joint Photographic Experts Group) Criada pelo Joint Photographic Experts Group (work group) International Standardization Organization (ISSO) Compressão com perdas Permite o uso de 16 milhões de cores (24 bits) Tira vantagem das limitações do sistema de visão humana por forma a atingir elevadas taxas de compressão O tamanho dos seus arquivos de imagens costuma ser bem pequeno. Um nível baixo de compressão implica maior qualidade de imagem, mas também um tamanho maior do arquivo. 18
Padrões de Compressão de Imagem MPEG (Moving Picture Experts Group) MPEG-1 é o padrão original do MPEG e é capaz de codificar áudio e vídeo a uma taxa de 1,15 MB/s. MPEG-2 é um padrão de compactação de maior qualidade. Pode ser utilizado em transmissões a taxas de 4 a 9 MB/s. Uma versão modificada do MPEG-2 é usada pelo padrão HDTV e também nos DVDs MPEG-4 e derivados (DiVX, XViD, etc.) são os mais usados atualmente Podem oferecer qualidade semelhante à MPEG-2 sem ocupar tanto espaço 19
Referências Referências GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Processamento digital de imagens. 3. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2010. CONCI, A.; AZEVEDO, E.; LETA, F. R. Computação Gráfica. Rio de Janeiro, Editora Campus, 2008. v. 2. 432 p. KUSUMOTO, A. Y. Identificação de alvos em ensaios de separação de carga utilizando visão computacional. 2015. 107f. Dissertação (Mestrado em Ciências e Tecnologias Espaciais) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. Slides do Prof. Dr. Guillermo Cámara Chávez. Disponível em: http://www.decom.ufop.br/guillermo/ 20