Compressione delle immagini. Metodi e Formati

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1 Compressione delle immagini Metodi e Formati

2 Dati bitmap Insieme di valori numerici che specificano i colori dei singoli pixel

3 Esempi di ridondanza dei dati

4 Ridondanza della codifica (esempio: 4 livelli di grigio) L avg = 0.25(2) (1) (3) (3) = 1.81 bit M N L avg = 256 x 256 x 1.81 = C = 256! 256!8 256! 256!1.81 = " 4.42 R =1! 1 C =1! = 0.774

5 Ridondanza spaziale e temporale

6 Informazione irrilevante

7 Valutazioni soggettive

8 Esempio Eccellente Passabile / Marginale Inferiore / Inutilizzabile

9 Diagrammi a blocchi della compressione

10 Meccanismi di compressione dati simmetrici/asimmetrici lossless/lossy adattativi/non-adattativi

11 Forme comuni di compressione dei dati bitmap RLE (Run Lenght Encoding) LZW (Lempel-Ziv-Welch) CCITT (variante del metodo di Huffman) Uso di trasformata DCT (Discrete Cosine Transform, usato nel JPEG)

12 RLE

13 Metodo Run Length Encoding Si adatta a qualsiasi tipo di dato in genere non raggiunge rapporti di compressione molto buoni ma è veloce da eseguire

14 Metodo RLE La dimensione di una sequenza di elementi (caratteri o codifiche di pixel) uguali viene detta run Un run viene codificato con due byte, il primo rappresenta il numero di caratteri e il secondo il carattere La sequenza AAAAAAAAAAAAAAA (15 volte la lettera A) viene codificata come 15A La codifica (numero di caratteri uguali seguito dal carattere) viene chiamata packet RLE Si genera un packet ad ogni cambiamento di carattere La sequenza AAAAAAbbbXXXXXt viene codificata come 6A3b5X1t

15 Applicazione di RLE (BMP) Tipico di immagini binarie, con lunghi run Varianti del metodo prendono in considerazioni pixel adiacenti su linee diverse

16 LZW

17 Compressione dati: metodo Lempel-Ziv-Welch metodo molto diffuso (compress, zoo, pkzip, gzip, ecc.) lavora su tutti i tipi di dati veloce in compressione e decompressione metodo a sostituzione o a dizionario

18 Metodo LZW Immagine come sequenza di dati Si identificano pattern (sottostringhe o sottosequenze) e ricercati nel dizionario Se non presenti, si costruisce un codice per il pattern e si aggiunge al dizionario Se presente, il codice viene scritto nell output del file compresso

19 Esempio di compressione LZW input: Prima fase: identificazione dei pattern (si cerca il pattern più lungo non ancora in dizionario) Seconda fase: codifica della stringa a b c d e f g h h a b c d e f g h

20 Esempio di codifica LZW

21 Esempio di codifica LZW

22 Formati di file

23 GIF (Graphics Interchange Format) Tipo: Bitmap Colori: da 1 a 8 bit (da 2 a 256 colori) Compressione: LZW Piattaforme: Macintosh, Windows, Unix Formato di uso generale: ben definito, ben documentato, molto diffuso, supportato da numerose applicazioni Sviluppato dalla Compuserve Inc. ne ha definito le specifiche nel 1987 ha aggiunto nel 1989 nuove funzionalità esistono due versioni del formato (GIF87a e GIF89a)

24 GIF Interlacciate Interlacciamento = suddivisione del fotogramma in linee numerate che vengono poi lette in un ordine stabilito, diverso da quello sequenziale Bozza dell immagine, che si affina sempre più

25 GIF animate È possibile costruire delle animazioni componendo una sequenza di immagini codificate come GIF Esistono diversi programmi che permettono di costruire queste animazioni Livelli di Photoshop o GIMP

26 TIFF (Tag Image File Format) Tipo: Bitmap Colori: da 1 a 24-bit Compressione: RLE, LZW, nessuna Piattaforma: Macintosh, Windows, Unix Formato bitmap molto versatile Possibilità di memorizzare più immagini nello stesso file

27 PNG (Portable Network Graphics) Formato standard potente e versatile Motivazione: royalty su LZW, uso di LZ77 completa portabilità su tutti i sistemi compressione molto efficiente trasparenza tramite alpha-channel metodo di interlacciamento molto efficace codici di autocontrollo per la verifica dei dati trasmessi

28 Metodo di Differencing Si usa per rendere i dati meglio comprimibili pixel adiacenti di immagini con variazioni continue di colore variano per molto poco invece del valore di un pixel, si memorizza solo la differenza con valore adiacente si riduce sensibilmente la quantità di info (senza perdita)

29 Metodo di Huffman Info di natura statistica (frequenza con cui si presentano determinate sequenze) Codificare sequenze più frequenti con parole corte meno frequenti con parole lunghe

30 Esempio: Huffman Input Sottostringa Frequenza Codifica % % % % % % 0000 Output compresso:

31 Compressione e formati

32 Formati e file grafici Come si registrano i dati? Quale formato utilizzare? GIF, JPEG, ecc. Ciascun formato si preoccupa di definire quali sono le informazioni necessarie in che modo vengono memorizzate

33 Il formato raw elenco dei valori numerici di ciascun pixel file che permette di ricostruire l immagine Sembra un modo semplice ed universale per descrivere un immagine

34 Problemi con il raw format Chi legge il file non conosce le dimensioni in pixel dell immagine quanti bit per pixel cosa rappresenta il valore numerico (intensità luminosa, valore di colore, ecc.) quando inizia o termina un pixel? quando inizia o termina una linea?

35 File grafici: esigenza di un formato Immagine Bitmap Immagine Quantizzata 15 x Rendering (20 x 9) Rendering (15 x 12)

36 File grafici con formato esplicito Esistono più di 200 formati di file grafici Parametri profondità di pixel palette (esistenza e tipo) compressione dati (esistenza e tipo) formati utilizzabili su una o più piattaforme formati per applicazioni specifiche

37 File bitmap I formati bitmap variano molto nei dettagli ma condividono la stessa struttura generale Un file bitmap è organizzato componenti base componenti specifiche

38 Componenti di base l intestazione (header) i dati bitmap la coda (footer) (non sempre presente) HEADER DATI BITMAP HEADER DATI BITMAP FOOTER

39 Componenti specifiche la palette dei colori la tabella delle scan-line la tabella di correzione dei colori l indice delle bitmap (immagini multiple)

40 File bitmap HEADER DATI BITMAP PALETTE HEADER PALETTE TABELLA SCAN-LINE TABELLA CORREZIONE COLORI DATI BITMAP FOOTER HEADER PALETTE INDICE BITMAP DATI BITMAP 1 DATI BITMAP 2... DATI BITMAP N FOOTER

41 Header (Intestazione) Informazioni sui dati bitmap all inizio del file Campi fissi comuni: identificatore del formato linee per immagine, pixel per linea bit per pixel, canali di colore tipo di compressione origine X e Y dell immagine spazio utilizzato

42 Organizzazione dei dati bitmap Dati bitmap parte più consistente di un file con formato bitmap Esistono due metodi per organizzare i dati dei pixel di un immagine: organizzazione di tipo scan line organizzazione di tipo planare

43 Organizzazione scan-line Immagine formata da una o più scan line scan line = dati che rappresentano i pixel dimensione dei pixel x pixel per scan line -> punto di inizio di ogni scan line

44 Pixel organizzati in una scan line Pixel 0 Pixel 1 Pixel 2 Pixel 3 Scan line 0 Scan line 1 Scan line

45 Organizzazione di tipo planare Dati dell immagine in due o più piani Immagine a più colori: tre blocchi di dati bitmap (un blocco per ogni colore primario) Blocco costituito da righe, come scan line Blocchi contigui o sparsi nel file

46 Dati di pixel organizzati in piani Piano blu Piano verde Piano rosso

47 Formati di file grafici Adobe Photoshop CGM EPS GIF JPEG JFIF Macintosh Pict Microsoft RIFF (.AVI,.WAV) MPEG PDF PNG QuickTime TGA TIFF

48 Adobe Photoshop Formato utilizzato dal programma Photoshop Tipo bitmap Più modelli di colore (RGB, CMY, ecc.) Compressione: Nessuna, RLE Sistemi: Macintosh, Windows Utilizzo: Applicazione Adobe Photoshop

49 CGM (Computer Graphics Metafile) Standard ISO per codifica di grafica vettoriale e raster, e testo TIPO METAFILE Supportato da diversi programmi, ma adottato solo in parte (standard complesso) Compressione: RLE, CCITT (Huffman) Attributi e primitive grafiche per supportare esigenze in svariati campi (art, illustrazioni tecniche, cartografia, editoria e altro) Descrizioni in formati ASCII e codifiche

50 EPS (Encapsulated Postscript) Tipo: Page Description Language (PDL) Colori: monocromatico Piattaforme: quasi tutte Sottoinsieme del Postscript Utilizzati per la porzione grafica di un documento.

51 Postscript Linguaggio creato dalla Adobe per descrivere layout (formattazione) di testo, grafica vettoriale, e immagini bitmap su video o su carta Dispositivi di output con interprete Postscript (stampanti, macchine per composizione, ecc.)

52 Macintosh Pict Tipo: Metafile Colori: fino a 24-bit Compressione: PackBit, JPEG Piattaforma: Macintosh Utilizzo: programmi di disegno

53 PDF Tipo: Metafile Piattaforme: quasi tutte Il formato PDF (Portable Document Format) è un formato creato dalla Adobe. Può essere considerato una sorta di evoluzione del formato Postrscript. È più efficiente nella memorizzazione

54 TGA Formato diffuso (spesso chiamato Targa) Utilizzato originalmente su stazioni grafiche dedicate alla gestione di immagini digitalizzate direttamente da segnali video Colori: 8-bit, 16-bit, 24-bit, 32-bit livelli di grigio e colori Compressione: RLE, nessuna

55 Microsoft RIFF (.AVI,.WAV) Tipo: Multimedia Colori: 24-bit Compressione: RLE, audio, video Piattaforma: Windows Utilizzo: RIFF formato comune nativo di Microsoft Windows Serve per memorizzare informazioni audio, video e grafiche in applicazioni multimediali

56 Quick Time Tipo: dati audio/video Compressione: RLE, JPEG, altri Piattaforma: Macintosh, Windows Applicazioni; QuickTime Utilizzo: memorizzazione e scambio di informazioni in ambiente Macintosh e Windows

57 Compressione basata su trasformata

58 Block coding con trasformata

59 Scelta trasformata Fourier Walsh-Hadamard DCT

60 Funzioni base Fourier 8 orizzontali 0 orizzontali 4 orizzontali 32 orizzontali 0 verticali 32 verticali 16 verticali 2 verticali

61 Funzioni base DCT (n=4)

62 Periodicità implicita DFT DCT

63 Blocking artefact

64 Dimensione sotto-immagini

65 Allocazione dei bit

66 Codifica zonale/soglia

67 JPEG

68 JPEG (Joint Photographic Expert Group) Uno standard JFIF = JPEG File Interchange Format Più formati grafici utilizzano la tecnica JPEG JFIF TIFF, versione 6

69 Compressione JPEG Si applica sia a immagini a colori a 24 bit che a immagini a livelli di grigio Particolarmente indicato per immagini di tipo fotografico Non adatto a variazioni brusche di intensità e colore delle immagini artificiali (contorni netti)

70 Vantaggi JPEG elevati fattori di compressione senza perdita di qualità diversi livelli di qualità

71 JPEG Rapporto di compressione C dipende dal contenuto dei dati (tipicamente da 20:1 a 25:1) Controllo qualità variabile mediante parametro Q JPEG non ideale con immagini con grandi zone dello stesso colore

72 Passi compressione JPEG Trasforma l immagine in uno spazio di colori ottimale Downsampling sulle componenti di crominanza Applica la DCT (Discrete Cosine Transform) ai blocchi di pixel per rimuovere i dati ridondanti Quantizza ogni blocco di coefficienti DCT usando una funziona ottimizzata per l occhio umano Codifica i coefficienti risultanti con uno dei metodi di Huffman

73 1. Trasformare lo spazio dei colori Si parte da qualsiasi modello di colore (RGB, CMY, ecc.). Si arriva al modello luminanza/crominanza (YC b C r ) Occhio più sensibile alla luminanza (Y) rispetto alla crominanza (C b C r )

74 2. Downsampling sulle componenti di crominanza Più pixel per il canale Y, meno pixel per C b e C r Esempio: immagine di 1000x1000 pixel 1000x1000 pixel per (Y) solo 500x500 pixel per C b e C r Totale: 6 valori, 4 di luminanza e 1 per ogni canale di crominanza (invece di 12) C r Y Y Y Y C b

75 3-4-5 DCT, quantizzazione e codifica Immagine è divisa in blocchi di 8x8 pixel Ad ogni blocco si applica la DCT: si rappresentano le variazioni di colore nei blocchi Si rimuovono le variazioni piccole (alte frequenze)

76 Esempio: immagine 8x8

77 Traslazione di livello -2 k-1, k numero di bit -128

78 Trasformata DCT, n=8

79 Tabella di normalizzazione

80 Diverse normalizzazioni

81 Coefficienti scalati e troncati

82 Sequenza a zig-zag

83

84 Originale (TIFF o GIF) JPEG buona qualità JPEG bassa qualità