bekrenev_diploma

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭТАПА КОДИРОВАНИЯ СТАНДАРТА JPEG

НА ОСНОВЕ НЕЭТАЛОННОГО КРИТЕРИЯ КАЧЕСТВА

Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Докладчик: Бекренев В.А.

Научный руководитель: Хрящев В.В.

Цель работы

оптимизация этапа кодирования стандарта сжатия неподвижных изображений - JPEG на основе неэталонной оценки качества

2

Задачи на дипломную работу- анализ литературы по вопросам сжатия и

восстановления цифровых изображений; анализ литературы, посвященной вопросам оценки качества восстановленных изображений;

- разработка и анализ алгоритма неэталонной оценки качества JPEG изображений;

-  оптимизация этапа кодирования стандарта JPEG на основе предложенного алгоритма неэталонной оценки качества JPEG изображения.

3

Основные этапы JPEG кодирования

Разбиение на блоки 8х8 пикселей

Дискретное косинусное преобразование

КвантованиеЭнтропийное кодирование

Зигзагобразное сканирование

Многие положения стандарта носят рекомендательный характер, что позволяет исследователям проводить оптимизацию стандарта с целью повышения скорости кодирования, степени сжатия или лучшего качества восстановленного изображения

В данной работе оптимизация проводилась на этапе квантования и заключалась выборе матрицы квантования

4

Структура алгоритма неэталонной оценки качества (JQ)

5

Оценка качества JQ

(JPEG Quality)

В ы ч и сл ен и е ф у н к ц и йd (m , n ) = x (m , n + ) - x (m , n )d (m , n ) = x (m + ,n ) - x (m , n )

11

hv

С р ед н я я р азн и ц а м еж д у п и кс ел я м и

н а гр ан и ц ах бл о ко в 8 х 8 п и кс ел ей :

зн ач ен и я и B B h

О тк л о н ен и е р а зн о сти н а гр ан и ц е бл о ко в

от ее ср ед н его зн ач ен и я п о вс ем у и зо б р аж ен и ю :

зн ач ен и я и А Аh v

С р ед н ее ч и сл о п ер еход о в

ч ер е з н ол ь : зн ач ен и я и Z Z h v

П ол у ч ен н ы е вел и ч и н ы у ср ед н я ю т сязн ач ен и я , и

: А B Z

В ы ч и сл ен и е о ц ен к и д л я и зо б р аж ен и я0 6 4.0

,0 1 6.0

,0 2 4.0

,9.2 6 1

,9.2 4 5

3

2

1

JQ = + B A Z

x(m , n )

Зависимость оценки JQ от степени сжатия

Изображение «Бабуин» («Baboon»)

Изображение «Лена» («Lena»)

6

Зависимость оценки качества JQ от степени сжатия К для трех тестовых

изображений

Изображение «Перцы» («Peppers»)

0 10 20 30 40 50-2

0

2

4

6

8

10

12

K

JQ

БабуинЛенаПерцы

Сравнение JQ и ПОСШ

«Лена», ПОСШ = 27,32 dB, К = 46,38, JQ = – 0,145;

«Перцы», ПОСШ = 27,32 dB, К = 46,55, JQ = 0,118,

7

Коэффициенты корреляции

Изображение «Бабуин»

Изображение «Лена»

Изображение «Перцы»

JQ ↔ CO* JQ ↔ ПОСШ

Бабуин 0,9997 0,6255

Лена 0,9965 0,8105

Перцы 0,9898 0,7667

* CO – субъективная (визуальная) оценка.

8

Первый способ оптимизации И сход н о еи зо б р аж ен и е

JP E G код ер

В ы б о р м ат р и ц ы к ван то ван и я

О п р ед ел ен и е и ан а л и з

о ц ен к и JQ

С ж ато еи зо б р аж ен и е

О тк л о н ен и ео ц ен к и п р ев ы си л о

п о р о г

JQ

Д а

Н ет

Параметры: - число итераций 5Условия завершения алгоритма:- отклонение полученной оценки от первоначальной превысило порог

- число итераций превысило 5

9

Сравнение алгоритмов кодирования JPEG

Зависимость оценки JQ восстановленного изображения от степени сжатия К для обычной и оптимизированной схемы JPEG кодирования

(усреднена по пяти изображениям)

0 10 20 30 40 50 60-2

0

2

4

6

8

10

K

JQ

обычная схема JPEG кодирования

оптимизированная схема JPEG кодирования

10

Сравнение алгоритмов кодирования JPEG

Зависимость СКО восстановленного изображения от степени сжатия К для обычной и оптимизированной схемы JPEG кодирования (усреднена по пяти значениям)

0 10 20 30 40 50 600

10

20

30

40

50

60

70

80

90

K

СКО

обычная схема JPEG кодирования

оптимизированная схема JPEG кодирования

11

Сравнение алгоритмов кодирования JPEG

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

10

20

30

40

50

60

K

СКО

оптимизация не проводилась

оптимизация на основе СКОоптимизация на основе оценки JQ (способ 1)

Зависимость СКО восстановленного изображения от степени сжатия К для обычной и оптимизированных схем JPEG кодирования

12

Второй способ оптимизации Исходноеизображение

JPEG кодер

Выбор матрицы квантования

Определение и анализоценки в окрестности

кодируемого блокаJQ

Сжатоеизображение

Отклонениеоценки превысило

порог

JQ

Да

Нет

Параметры: - число итераций 3- размер анализируемой окрестности 24х24 пикселя Условия завершения алгоритма:- отклонение полученной оценки от первоначальной превысило порог- число итераций превысило 3

13

Сравнение алгоритмов кодирования JPEG

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

10

20

30

40

50

60

K

СКО

оптимизация не проводилась

оптимизация на основе оценки JQ (способ 2)оптимизация на основе оценки JQ (способ 1)

Зависимость СКО восстановленного изображения от степени сжатия К для обычной и оптимизированных схем JPEG кодирования

14

Визуальное улучшение после оптимизации

Неоптимизированный алгоритм JPEG кодирования

K = 45,70

Оптимизированный вторым способом алгоритм JPEG кодирования

K = 45,67

15

Заключение

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

Разработанный критерий JQ может использоваться для неэталонной оценки качества JPEG изображений.

Рекомендательный характер спецификации стандарта JPEG позволяет проводить оптимизацию этапа кодирования изображений.

Результаты моделирования показывают, что использование критерия JQ для оптимизации этапа кодирования предпочтительнее чем эталонного критерия СКО восстановленного изображения.

16

Заключение

Применение первого способа оптимизации позволяет достичь лучшего качества восстановленного изображения по сравнению с неоптимизированной схемой JPEG кодирования. Улучшение составило 0,7–1 в значениях JQ и 8–10 в значениях СКО.

Поскольку второй способ оптимизации учитывает участки различной детальности на изображении, качество его работы выше не только по сравнению с неоптимизированной, но и с первой оптимизированной схемой JPEG кодирования. Применение второго способа оптимизации позволило улучшить качество изображений на 1–1,5 в значениях JQ и на 10–15 в значениях СКО.

17