bekrenev_diploma
TRANSCRIPT
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