NIEOPTYMALNA TECHNIKA DEKORELACJI W CYFROWYM PRZETWARZANIU OBRAZU

Podobne dokumenty
Transformaty. Kodowanie transformujace

Według raportu ISO z 1988 roku algorytm JPEG składa się z następujących kroków: 0.5, = V i, j. /Q i, j

Przetwarzanie i transmisja danych multimedialnych. Wykład 8 Transformaty i kodowanie cz. 2. Przemysław Sękalski.

Kodowanie transformacyjne. Plan 1. Zasada 2. Rodzaje transformacji 3. Standard JPEG

Cyfrowe przetwarzanie i kompresja danych

9. Dyskretna transformata Fouriera algorytm FFT

Przetwarzanie i transmisja danych multimedialnych. Wykład 7 Transformaty i kodowanie. Przemysław Sękalski.

Adaptacyjne Przetwarzanie Sygnałów. Filtracja adaptacyjna w dziedzinie częstotliwości

Przedmowa Wykaz oznaczeń Wykaz skrótów 1. Sygnały i ich parametry Pojęcia podstawowe Klasyfikacja sygnałów

FFT i dyskretny splot. Aplikacje w DSP

Teoria sygnałów Signal Theory. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Politechnika Świętokrzyska. Laboratorium. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Ćwiczenie 6. Transformata cosinusowa. Krótkookresowa transformata Fouriera.

Technika audio część 2

Kodowanie transformujace. Kompresja danych. Tomasz Jurdziński. Wykład 11: Transformaty i JPEG

Kompresja dźwięku w standardzie MPEG-1

Wybrane metody kompresji obrazów

Szybka transformacja Fouriera (FFT Fast Fourier Transform)

Założenia i obszar zastosowań. JPEG - algorytm kodowania obrazu. Geneza algorytmu KOMPRESJA OBRAZÓW STATYCZNYCH - ALGORYTM JPEG

dr inż. Piotr Odya Wprowadzenie

Przekształcenie Fouriera obrazów FFT

Transformata Fouriera i analiza spektralna

PL B1. Sposób i układ pomiaru całkowitego współczynnika odkształcenia THD sygnałów elektrycznych w systemach zasilających

Cyfrowe przetwarzanie i kompresja danych. dr inż.. Wojciech Zając

Wstęp do metod numerycznych Dyskretna transformacja Fouriera. P. F. Góra

Przedmowa 11 Ważniejsze oznaczenia 14 Spis skrótów i akronimów 15 Wstęp 21 W.1. Obraz naturalny i cyfrowe przetwarzanie obrazów 21 W.2.

Joint Photographic Experts Group

Klasyfikacja metod kompresji

2. STRUKTURA RADIOFONICZNYCH SYGNAŁÓW CYFROWYCH

Klasyfikacja metod kompresji

Transformata Fouriera

Kodowanie i kompresja Streszczenie Studia Wieczorowe Wykład 10, 2007

Cyfrowe Przetwarzanie Obrazów i Sygnałów

Adam Korzeniewski - p. 732 dr inż. Grzegorz Szwoch - p. 732 dr inż.

Informatyka I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny) kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES)

Symulacja sygnału czujnika z wyjściem częstotliwościowym w stanach dynamicznych

WYDZIAŁ PODSTAWOWYCH PROBLEMÓW TECHNIKI KARTA PRZEDMIOTU

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

KOMPRESJA OBRAZÓW STATYCZNYCH - ALGORYTM JPEG

Kwantyzacja wektorowa. Kodowanie różnicowe.

Zastowowanie transformacji Fouriera w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów

XI Konferencja Sieci i Systemy Informatyczne Łódź, październik 2003 APLIKACJA DO TESTOWANIA ALGORYTMÓW PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW

PREZENTACJA MODULACJI AM W PROGRAMIE MATHCAD

CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

Fundamentals of Data Compression

10. Redukcja wymiaru - metoda PCA

PL B BUP 16/04. Kleczkowski Piotr,Kraków,PL WUP 04/09

Filtracja obrazu operacje kontekstowe

Zastosowanie kompresji w kryptografii Piotr Piotrowski

8. Analiza widmowa metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT)

BIBLIOTEKA PROGRAMU R - BIOPS. Narzędzia Informatyczne w Badaniach Naukowych Katarzyna Bernat

Analiza szeregów czasowych: 1. Dyskretna transformata Fouriera i zagadnienia pokrewne

Kompresja obrazów w statycznych - algorytm JPEG

Splot i korelacja są podstawowymi pojęciami przetwarzania sygnałów.

Teoria przetwarzania A/C i C/A.

Kompresja Danych. Streszczenie Studia Dzienne Wykład 13, f(t) = c n e inω0t, T f(t)e inω 0t dt.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

przedmiot kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES) obieralny (obowiązkowy / nieobowiązkowy) polski semestr VI

Podstawowe funkcje przetwornika C/A

TRANSFORMATA FALKOWA 2D. Oprogramowanie Systemów Obrazowania 2016/2017

4 Zasoby językowe Korpusy obcojęzyczne Korpusy języka polskiego Słowniki Sposoby gromadzenia danych...

Krótki przegląd pierwszych standardów kompresji obrazów

Przetwarzanie i transmisja danych multimedialnych. Wykład 6 Metody predykcyjne. Przemysław Sękalski.

ANALIZA SEMANTYCZNA OBRAZU I DŹWIĘKU

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Macierze. Rozdział Działania na macierzach

Kodowanie i kompresja Streszczenie Studia Licencjackie Wykład 11,

ANALIZA WPŁYWU WYBRANYCH PARAMETRÓW SYGNAŁU WYMUSZAJĄCEGO NA CZAS ODPOWIEDZI OBIEKTU

Kompresja sekwencji obrazów - algorytm MPEG-2

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Zastosowanie falek w przetwarzaniu obrazów

Parametryzacja obrazu na potrzeby algorytmów decyzyjnych

Sieci neuronowe - projekt

Aproksymacja funkcji a regresja symboliczna

Transformacja Fouriera i biblioteka CUFFT 3.0

Kodowanie podpasmowe. Plan 1. Zasada 2. Filtry cyfrowe 3. Podstawowy algorytm 4. Zastosowania

Analiza szeregów czasowych: 1. Dyskretna transformata Fouriera i zagadnienia pokrewne

Rozdział 5. Macierze. a 11 a a 1m a 21 a a 2m... a n1 a n2... a nm

(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

Filtracja obrazu operacje kontekstowe

SYNTEZA AUTOMATÓW SKOŃCZONYCH Z WYKORZYSTANIEM METOD KODOWANIA WIELOKROTNEGO

Adaptive wavelet synthesis for improving digital image processing

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 2 AiR III

KARTA MODUŁU / KARTA PRZEDMIOTU

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Kompresja sekwencji obrazów

Przedstawiamy Państwu tekst będący

IMPLEMENTATION OF THE SPECTRUM ANALYZER ON MICROCONTROLLER WITH ARM7 CORE IMPLEMENTACJA ANALIZATORA WIDMA NA MIKROKONTROLERZE Z RDZENIEM ARM7

Sztuczna Inteligencja Tematy projektów Sieci Neuronowe

Laboratorium Przetwarzania Sygnałów

Transformata Fouriera. Sylwia Kołoda Magdalena Pacek Krzysztof Kolago

Cyfrowe Przetwarzanie Obrazów i Sygnałów

Cyfrowe przetwarzanie obrazów i sygnałów Wykład 7 AiR III

Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Wykład 10. Transformata cosinusowa. Falki. Transformata falkowa. dr inż. Robert Kazała

PROCESORY SYGNAŁOWE - LABORATORIUM. Ćwiczenie nr 04

Met Me ody numer yczne Wykład ykład Dr inż. Mic hał ha Łanc Łan zon Instyt Ins ut Elektr Elektr echn iki echn i Elektrot Elektr echn olo echn

0 + 0 = 0, = 1, = 1, = 0.

Omówienie różnych metod rozpoznawania mowy

Transkrypt:

II Konferencja Naukowa KNWS'05 "Informatyka- sztuka czy rzemios o" 15-18 czerwca 2005, Z otniki Luba skie NIEOPTYMALNA TECHNIKA DEKORELACJI W CYFROWYM PRZETWARZANIU OBRAZU Wojciech Zając Instytut Informatyki i Elektroniki, Uniwersytet Zielonogórski 65-246 Zielona Góra, ul Podgórna 50 e-mail: WZajac@iieuzzgorapl STRESZCZENIE Dekorelacja danych jest jednym z krytycznych etapów przetwarzania danych cyfrowych W ród wielu technik mo na wyró ni optymalne, wnosz ce najmniejsze mo liwe bł dy przetwarzania, oraz nieoptymalne, które z kolei charakteryzuje korzystny stosunek kosztu numerycznego do poziomu wprowadzanych bł dów Artykuł ma na celu przybli enie zasad realizacji operacji nieoptymalnej dekorelacji, ukazano na przykładzie jej zalety, wady oraz perspektywy rozwoju 1 WPROWADZENIE W technikach cyfrowego przetwarzania danych wizyjnych jednym z istotniejszych jest zagadnienie dekorelacji danych Techniki dekorelacji wymagają znacznych nakładów numerycznych, mogą też wnosić istotne zakłócenia do sygnału Dyskretna Transformata Kosinusowa DCT jako narzędzie dekorelacji należy do rodziny transformat nieoptymalnych z punktu widzenia minimalizacji błędu średniokwadratowego Ich stosowanie uzasadnione jest korzystnym stosunkiem kosztu numerycznego względem poziomu wprowadzanych błędów, przy stosowaniu do założonej klasy sygnałów 2 TRANSFORMATY DEKORELUJ CE Kodowanie z wykorzystaniem transformaty [1, 2] jest alternatywą do kodowania z przewidywaniem [6] Stanowi ono szczególny przypadek kwantyzacji blokowej, operującej na ach o rozmiarze N próbek W technice kodowania z przewidywaniem kolejne dane wejściowe poddawane są dekorelacji za pomocą nieliniowego filtru rekurencyjnego Technika kodowania za pomocą transformaty jednowymiarowej kwantyzuje i dekoreluje wszystkie próbki a danych jednocześnie (rys 1) Transformacja dwuwymiarowa składa się z dwóch operacji transformacji jednowymiarowej, przeprowadzonych w kierunkach prostopadłych 141

NADAJNIK ODBIORNIK u(1) u(2) u(n) transformata liniowa A v(1) v(2) v(n) N kwantyzatorów v (1) v (2) v (N) transformata liniowa B u (1) u (2) u (N) danych wej ciowych u wyj ciowy transformaty v wyj ciowy kwantyzatora v danych wyj ciowych u Rys 1 Schemat jednowymiarowego kodowania za pomoc transformaty W cyfrowym przetwarzaniu obrazu używany jest cały szereg transformat: Karhunen a- Loeve go (ang KLT - Karhunen-Loeve Transform), dyskretna transformata kosinusowa (ang DCT - Discrete Cosine Transform), transformata Walsh a - Hadamard a (ang WHT - Walsh- Hadamard Transform), transformata Haar a (ang HT - Haar Transform), dyskretna transformata Fourier a (ang DFT - Discrete Fourier Transform), dyskretna transformata sinusowa (ang DST - Discrete Sine Transform) Optymalna transformatą dekorelującą, która minimalizuje zakłócenia średniokwadratowe w sygnale odtworzonym jest transformata KLT [3] W praktyce zamiast niej stosuje się nieoptymalne, lecz szybkie transformaty unitarne Wykazano [4], że dla losowych sekwencji danych istnieje wiele transformat jednostkowych o zdolnościach upakowywania energii zbliżonych do transformaty KLT, np transformata kosinusowa, Fouriera i sinusowa Ich sprawność jest równa sprawności transformaty KLT przy rozmiarze bloku N dążącym do nieskończoności Dla stacjonarnego procesu Markowa pierwszego rzędu macierz transformaty DCT, o elementach DCTi,j zdefiniowanych jak w równaniu (1), osiąga sprawność (wydajność dekorelacji w stosunku do kosztu numerycznego) zbliżoną do sprawności transformaty KLT, nawet gdy rozmiar bloku N jest niewielki [4] DCT i, j = 1 N 2 cos N ( 2 j 1)( i 1) π 2N dla dla i = 1, 1 j N 1 < i N, 1 j N (1) Jak wspomniano, największą sprawność ma transformata KLT, jednak jej koszt numeryczny 3 3 jest największy ( 2N operacji mnożenia i 2N operacji dodawania) [5] Dodatkowymi jej mankamentami są: fakt, że nie istnieje szybki algorytm KLT oraz fakt, że do operacji potrzebna jest znajomość modelu kowariancji sygnału źródłowego, co stanowi złożone zadanie numeryczne 142

Transformata kosinusowa należy do grupy transformat deterministycznych (opiera się na założeniach co do kowariancji sygnału) i w tej grupie jest najbardziej wydajną [4] Jej koszt numeryczny to 2N 2 log 2 N operacji mnożenia i 2N 2 log 2 N operacji dodawania Dla sygnałów o dużej korelacji danych sprawność DCT jest zbliżona do sprawności KLT Z tego powodu transformata DCT jest powszechnie stosowana jako metoda dekorelacji danych w standardowych systemach przetwarzania obrazu stałego i ruchomego (JPEG, MPEG1, MPEG2, H261, H263) 3 OBLICZENIA Z WYKORZYSTANIEM TRANSFORMATY DCT Przetwarzanie za pomocą transformat wykorzystuje fakt, że dowolny sygnał s może być przedstawiony za pomocą liniowej kombinacji pewnych funkcji elementarnych, zwanych funkcjami bazowymi f i - równanie (2) [3] s = C i f i gdzie C i jest stałą (2) i Dokonanie operacji transformacji danych wymaga podzielenia ich na macierze o rozmiarze zgodnym z wielkością macierzy bazowej transformaty, przy czym jej wielkość równa np 8 8 implikuje podział danych na y 1 8 punktów (w przypadku transformacji jednowymiarowej) lub 8 8 (w przypadku transformacji dwuwymiarowej) Przeprowadzenie transformaty DCT na macierzy danych oznacza dokonanie splotu bloków macierzy z funkcjami podstawowymi transformaty Innymi słowy, ważony jest udział składowych sygnału, analizowanych przez zespół filtrów czułych na częstotliwość odpowiadającą częstotliwości danej funkcji składowej Ponieważ analiza częstotliwościowa, realizowana przez transformatę operuje na ze danych wejściowych, dając danych wyjściowych, w celu dokonania dwuwymiarowego splotu macierzy m m operację realizuje się dwukrotnie, w kierunku pionowym i poziomym Dla wygody obliczeń, zmianę kierunku transformacji osiąga się najczęściej na drodze transpozycji macierzy bazowej DCT Większość współczesnych standardów, wykorzystujących transformatę kosinusową jako stopień dekorelacji danych (JPEG, MPEG1, MPEG2, H261, H263), stosuje transformatę o rozmiarze macierzy bazowej równym 8 8 punktów Powodem jest relatywnie duża wydajność dekorelacji połączona z akceptowalnym kosztem numerycznym operacji Prawdopodobnie w przyszłości wzrost dostępności procesorów o dużej mocy obliczeniowej przyczyni się do wprowadzenia nowych standardów i zastosowania większych rozmiarów bloku, np 16 16 punktów Obraz, który ma zostać poddany dekorelacji przez transformatę, dzielony jest na kwadratowe bloki o rozmiarze 8 8 punktów Bloki te są przetwarzane odrębnie Dwuwymiarowa transformacja pojedynczego bloku X polega na dokonaniu operacji opisanej równaniem (3), gdzie DCT jest macierzą bazową transformaty (5), a jej elementy DCT i,j opisane są równaniem (1) Odwrotną operację transformacji przedstawia równanie (4) 143

Y = DCT X DCT T (3) T X ' = DCT Y DCT (4) gdzie: X - macierz danych sygnału wej ciowego (sygnał przestrzenny), Y DCT DCT T - macierz danych sygnału po transformacie (sygnał cz stotliwo ciowy), - macierz bazowa transformaty, - transponowana macierz bazowa transformaty, X - macierz odtworzonych danych wyj ciowych (sygnał przestrzenny) Macierz bazowa transformaty kosinusowej DCT, wyznaczona z (1) przy N=8 jest równa DCT 8 8 = 0,4517 0,1913 0,4157 0,1913 0,4157 0,4157 0,4157 0,4157 0,4157 0,1913 0,4157 0,2775 0,1913 (5) Po operacji dwuwymiarowej transformacji obrazu otrzymuje się zbiór współczynników DCT, równoliczny ze zbiorem punktów obrazu Ponieważ obrazy naturalne tj otrzymane przez sfotografowanie rzeczywistych obiektów charakteryzuje względnie niewielka dynamika jasności, analiza częstotliwościowa przez transformatę daje znaczące współczynniki w zakresie niskich częstotliwości, zaś pozostałe są zbliżone lub równe zeru Odpowiada to grupowaniu niezerowych współczynników w porządku malejącym w lewym górnym rogu macierzy Przykładowo fragmentowi obrazu z rys 2 odpowiada macierz Y zakodowanego bloku 8 8, przedstawiona równaniem (6) 144

Rys 2 Przykładowy fragment obrazu, b d cy ródłem danych X do macierzy Y z równania (6) 36 12 9 2 0 0 0 0 9 11 3 1 0 0 0 0 3 2 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 Y 8 8= 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (6) 4 ARTEFAKTY TRANSFORMATY DCT Zniekształcenia, do jakich prowadzi zgrubne próbkowanie sprawiają, że na etapie odtwarzania sygnału do postaci analogowej wprowadzane są zakłócenia harmoniczne wyższej częstotliwości, czasem o dość istotnym znaczeniu W sygnałach wizyjnych przyjmują one postać artefaktów w postaci zakłócenia treści bloków sąsiednich względem silnie kontrastowych elementów obrazu - ostrych krawędzi i drobnych detali o większej dynamice Zakłócenia te mają formę tzw wzorców błędów transformaty, charakterystycznych dla równań funkcji bazowych transformaty Rys 3 przedstawia fragment obrazu testowego CAMERAMAN, z widocznymi artefaktami pochodzącymi od próbkowania z małą rozdzielczością częstotliwościową 145

Rys 3 Fragment obrazu testowego CAMERAMAN; widoczne artefakty pochodzące od harmonicznych, powstałe na skutek niedokładnej analizy częstotliwościowej 5 PODSUMOWANIE Kodowanie z wykorzystaniem transformat nie znajduje alternatywy Prowadzi się badania nad wykorzystaniem innych technik transformacji, na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie transformacji DWT (ang Discrete Wavelet Transform, Dyskretna Transformata Falkowa) Daje ona obiecujące efekty (min zwiększenie odporności sygnału na zakłócenia transmisyjne), jednak posiada też wady główna to znaczny koszt numeryczny Istniejące standardy wciąż znajdują na tyle szerokie zastosowanie, że efektywne i powszechne wykorzystanie DWT należy jeszcze do przyszłości LITERATURA [1] N Ahmed: Discrete Cosine Transform IEEE Transactions on Computers, 1974 [2] R Clarke: Transform Image Coding Academic Press, London 1985 [3] A K Jain, et al: Image data compression In: M P Ekstrom (ed) Digital Image Processing Techniques Academic Press, London 1981 [4] A K Jain: A Sinusoidal Family of Unitary Transforms In IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence no 1, 1979 [5] W D Ray, R M Driver: Further Decomposition of the Karhunen-Loeve Series Representation of a Stationary Random Process IEEE Transactions on Information Theory, vol 16, no 11, 1970 [6] W Zając: Cyfrowe przetwarzane i transmisji obrazów z wysokim współczynnikiem kompresji, Zeszyty Naukowe WST w Legnicy, Legnica 1999 146