Методы сжатия данных: Cжатие изображений. Часть 1

Методы сжатия данных: Сжатие изображений

Общие положения алгоритмов сжатия изображений

Введение

В течение последних 10 лет в рамках компьютерной графики бурно развивается совершенно новая область — алгоритмы архивации изображений. Появление этой области обусловлено тем, что изображения — это своеобразный тип данных, характеризуемый тремя особенностями:

Изображения (как и видео) занимают намного больше места в памяти, чем текст. Так, скромная, не очень качественная иллюстрация на обложке книги размером 500x800 точек, занимает 1.2 Мб — столько же, сколько художественная книга из 400 страниц (60 знаков в строке, 42 строки на странице). В качестве примера можно рассмотреть также, сколько тысяч страниц текста мы сможем поместить на CD-ROM, и как мало там поместится качественных несжатых фотографий. Эта особенность изображений определяет актуальность алгоритмов архивации графики.
Второй особенностью изображений является то, что человеческое зрение при анализе изображения оперирует контурами, общим переходом цветов и сравнительно нечувствительно к малым изменениям в изображении. Таким образом, мы можем создать эффективные алгоритмы архивации изображений, в которых декомпрессированное изображение не будет совпадать с оригиналом, однако человек этого не заметит. Данная особенность человеческого зрения позволила создать специальные алгоритмы сжатия, ориентированные только на изображения. Эти алгоритмы обладают очень высокими характеристиками.
Мы можем легко заметить, что изображение, в отличие, например, от текста, обладает избыточностью в 2-х измерениях. Т.е. как правило, соседние точки, как по горизонтали, так и по вертикали, в изображении близки по цвету. Кроме того, мы можем использовать подобие между цветовыми плоскостями R, G и B в наших алгоритмах, что дает возможность создать еще более эффективные алгоритмы. Таким образом, при создании алгоритма компрессии графики мы используем особенности структуры изображения.

Всего на данный момент известно минимум три семейства алгоритмов, которые разработаны исключительно для сжатия изображений, и применяемые в них методы практически невозможно применить к архивации еще каких-либо видов данных.

Для того, чтобы говорить об алгоритмах сжатия изображений, мы должны определиться с несколькими важными вопросами:

Какие критерии мы можем предложить для сравнения различных алгоритмов?
Какие классы изображений существуют?
Какие классы приложений, использующие алгоритмы компрессии графики, существуют, и какие требования они предъявляют к алгоритмам?

Рассмотрим эти вопросы подробнее.

Классы изображений

Статические растровые изображения представляют собой двумерный массив чисел. Элементы этого массива называют пикселами (от английского pixel — picture element). Все изображения можно подразделить на две группы — с палитрой и без нее. У изображений с палитрой в пикселе хранится число — индекс в некотором одномерном векторе цветов, называемом палитрой. Чаще всего встречаются палитры из 16 и 256 цветов.

Изображения без палитры бывают в какой-либо системе цветопредставления и в градациях серого (grayscale). Для последних значение каждого пиксела интерпретируется как яркость соответствующей точки. Встречаются изображения с 2, 16 и 256 уровнями серого. Одна из интересных практических задач заключается в приведении цветного или черно-белого изображения к двум градациям яркости, например, для печати на лазерном принтере. При использовании некой системы цветопредставления каждый пиксел представляет собой запись (структуру), полями которой являются компоненты цвета. Самой распространенной является система RGB, в которой цвет представлен значениями интенсивности красной (R), зеленой (G) и синей (B) компонент. Существуют и другие системы цветопредставления, такие, как CMYK, CIE XYZccir60-1 и т.п. Ниже мы увидим, как используются цветовые модели при сжатии изображений с потерями.

Для того, чтобы корректнее оценивать степень сжатия, нужно ввести понятие класса изображений. Под классом будет пониматься некая совокупность изображений, применение к которым алгоритма архивации дает качественно одинаковые результаты. Например, для одного класса алгоритм дает очень высокую степень сжатия, для другого — почти не сжимает, для третьего — увеличивает файл в размере. (Известно, что многие алгоритмы в худшем случае увеличивают файл.)

Рассмотрим следующие примеры неформального определения классов изображений:

Класс 1. Изображения с небольшим количеством цветов (4-16) и большими областями, заполненными одним цветом. Плавные переходы цветов отсутствуют. Примеры: деловая графика — гистограммы, диаграммы, графики и т.п.
Класс 2. Изображения, с плавными переходами цветов, построенные на компьютере. Примеры: графика презентаций, эскизные модели в САПР, изображения, построенные по методу Гуро.
Класс 3. Фотореалистичные изображения. Пример: отсканированные фотографии.
Класс 4. Фотореалистичные изображения с наложением деловой графики. Пример: реклама.

Развивая данную классификацию, в качестве отдельных классов могут быть предложены некачественно отсканированные в 256 градаций серого цвета страницы книг или растровые изображения топографических карт. (Заметим, что этот класс не тождественен классу 4). Формально являясь 8- или 24-битными, они несут даже не растровую, а чисто векторную информацию. Отдельные классы могут образовывать и совсем специфичные изображения: рентгеновские снимки или фотографии в профиль и фас из электронного досье.

Достаточно сложной и интересной задачей является поиск наилучшего алгоритма для конкретного класса изображений.

Итог: Нет смысла говорить о том, что какой-то алгоритм сжатия лучше другого, если мы не обозначили классы изображений, на которых сравниваются наши алгоритмы.

Классы приложений

Примеры приложений, использующих алгоритмы компрессии графики

Рассмотрим следующую простую классификацию приложений, использующих алгоритмы компрессии:

Класс 1. Характеризуются высокими требованиями ко времени архивации и разархивации. Нередко требуется просмотр уменьшенной копии изображения и поиск в базе данных изображений. Примеры: Издательские системы в широком смысле этого слова. Причем как готовящие качественные публикации (журналы) с заведомо высоким качеством изображений и использованием алгоритмов архивации без потерь, так и готовящие газеты, и информационные узлы в WWW, где есть возможность оперировать изображениями меньшего качества и использовать алгоритмы сжатия с потерями. В подобных системах приходится иметь дело с полноцветными изображениями самого разного размера (от 640х480 — формат цифрового фотоаппарата, до 3000х2000) и с большими двуцветными изображениями. Поскольку иллюстрации занимают львиную долю от общего объема материала в документе, проблема хранения стоит очень остро. Проблемы также создает большая разнородность иллюстраций (приходится использовать универсальные алгоритмы). Единственное, что можно сказать заранее, это то, что будут преобладать фотореалистичные изображения и деловая графика.
Класс 2. Характеризуется высокими требованиями к степени архивации и времени разархивации. Время архивации роли не играет. Иногда подобные приложения также требуют от алгоритма компрессии легкости масштабирования изображения под конкретное разрешение монитора у пользователя. Пример: Справочники и энциклопедии на CD-ROM. С появлением большого количества компьютеров, оснащенных этим приводом (в США — у 50% машин), достаточно быстро сформировался рынок программ, выпускаемых на лазерных дисках. Несмотря на то, что емкость одного диска довольно велика (примерно 650 Мб), ее, как правило, не хватает. При создании энциклопедий и игр большую часть диска занимают статические изображения и видео. Таким образом, для этого класса приложений актуальность приобретают существенно асимметричные по времени алгоритмы (симметричность по времени — отношение времени компрессии ко времени декомпрессии).
Класс 3. Характеризуется очень высокими требованиями к степени архивации. Приложение клиента получает от сервера информацию по сети. Пример: Новая быстро развивающаяся система “Всемирная информационная паутина” — WWW. В этой гипертекстовой системе достаточно активно используются иллюстрации. При оформлении информационных или рекламных страниц хочется сделать их более яркими и красочными, что естественно сказывается на размере изображений. Больше всего при этом страдают пользователи, подключенные к сети с помощью медленных каналов связи. Если страница WWW перенасыщена графикой, то ожидание ее полного появления на экране может затянуться. Поскольку при этом нагрузка на процессор мала, то здесь могут найти применение эффективно сжимающие сложные алгоритмы со сравнительно большим временем разархивации. Кроме того, мы можем видоизменить алгоритм и формат данных так, чтобы просматривать огрубленное изображение файла до его полного получения.

Можно привести множество более узких классов приложений. Так, свое применение машинная графика находит и в различных информационных системах. Например, уже становится привычным исследовать ультразвуковые и рентгеновские снимки не на бумаге, а на экране монитора. Постепенно в электронный вид переводят и истории болезней. Понятно, что хранить эти материалы логичнее в единой картотеке. При этом без использования специальных алгоритмов большую часть архивов займут фотографии. Поэтому при создании эффективных алгоритмов решения этой задачи нужно учесть специфику рентгеновских снимков — преобладание размытых участков.

В геоинформационных системах — при хранении аэрофотоснимков местности — специфическими проблемами являются большой размер изображения и необходимость выборки лишь части изображения по требованию. Кроме того, может потребоваться масштабирование. Это неизбежно накладывает свои ограничения на алгоритм компрессии.

В электронных картотеках и досье различных служб для изображений характерно подобие между фотографиями в профиль, и подобие между фотографиями в фас, которое также необходимо учитывать при создании алгоритма архивации. Подобие между фотографиями наблюдается и в любых других специализированных справочниках. В качестве примера можно привести энциклопедии птиц или цветов.

Итог: Нет смысла говорить о том, что какой-то конкретный алгоритм компрессии лучше другого, если мы не обозначили класс приложений, для которого мы эти алгоритмы собираемся сравнивать.

Требования приложений к алгоритмам компрессии

В предыдущем разделе мы определили, какие приложения являются потребителями алгоритмов архивации изображений. Однако заметим, что приложение определяет характер использования изображений (либо большое количество изображений хранится и используется, либо изображения скачиваются по сети, либо изображения велики по размерам, и нам необходима возможность получения лишь части...). Характер использования изображений задает степень важности следующих ниже противоречивых требований к алгоритму:

Высокая степень компрессии. Заметим, что далеко не для всех приложений актуальна высокая степень компрессии. Кроме того, некоторые алгоритмы дают лучшее соотношение качества к размеру файла при высоких степенях компрессии, однако проигрывают другим алгоритмам при низких степенях.
Высокое качество изображений. Выполнение этого требования напрямую противоречит выполнению предыдущего...
Высокая скорость компрессии. Это требование для некоторых алгоритмов с потерей информации является взаимоисключающим с первыми двумя. Интуитивно понятно, что чем больше времени мы будем анализировать изображение, пытаясь получить наивысшую степень компрессии, тем лучше будет результат. И, соответственно, чем меньше мы времени потратим на компрессию (анализ), тем ниже будет качество изображения и больше его размер.
Высокая скорость декомпрессии. Достаточно универсальное требование, актуальное для многих приложений. Однако можно привести примеры приложений, где время декомпрессии далеко не критично.
Масштабирование изображений. Данное требование подразумевает легкость изменения размеров изображения до размеров окна активного приложения. Дело в том, что одни алгоритмы позволяют легко масштабировать изображение прямо во время декомпрессии, в то время как другие не только не позволяют легко масштабировать, но и увеличивают вероятность появления неприятных артефактов после применения стандартных алгоритмов масштабирования к декомпрессированному изображению. Например, можно привести пример “плохого” изображения для алгоритма JPEG — это изображение с достаточно мелким регулярным рисунком (пиджак в мелкую клетку). Характер вносимых алгоритмом JPEG искажений таков, что уменьшение или увеличение изображения может дать неприятные эффекты.
Возможность показать огрубленное изображение (низкого разрешения), использовав только начало файла. Данная возможность актуальна для различного рода сетевых приложений, где перекачивание изображений может занять достаточно большое время, и желательно, получив начало файла, корректно показать preview. Заметим, что примитивная реализация указанного требования путем записывания в начало изображения его уменьшенной копии заметно ухудшит степень компрессии.
Устойчивость к ошибкам. Данное требование означает локальность нарушений в изображении при порче или потере фрагмента передаваемого файла. Данная возможность используется при широковещании (broadcasting — передача по многим адресам) изображений по сети, то есть в тех случаях, когда невозможно использовать протокол передачи, повторно запрашивающий данные у сервера при ошибках. Например, если передается видеоряд, то было бы неправильно использовать алгоритм, у которого сбой приводил бы к прекращению правильного показа всех последующих кадров. Данное требование противоречит высокой степени архивации, поскольку интуитивно понятно, что мы должны вводить в поток избыточную информацию. Однако для разных алгоритмов объем этой избыточной информации может существенно отличаться.
Учет специфики изображения. Более высокая степень архивации для класса изображений, которые статистически чаще будут применяться в нашем приложении. В предыдущих разделах это требование уже обсуждалось.
Редактируемость. Под редактируемостью понимается минимальная степень ухудшения качества изображения при его повторном сохранении после редактирования. Многие алгоритмы с потерей информации могут существенно испортить изображение за несколько итераций редактирования.
Небольшая стоимость аппаратной реализации. Эффективность программной реализации. Данные требования к алгоритму реально предъявляют не только производители игровых приставок, но и производители многих информационных систем. Так, декомпрессор фрактального алгоритма очень эффективно и коротко реализуется с использованием технологии MMX и распараллеливания вычислений, а сжатие по стандарту CCITT Group 3 легко реализуется аппаратно.

Очевидно, что для конкретной задачи нам будут очень важны одни требования и менее важны (и даже абсолютно безразличны) другие.

Итог: На практике для каждой задачи мы можем сформулировать набор приоритетов из требований, изложенных выше, который и определит наиболее подходящий в наших условиях алгоритм (либо набор алгоритмов) для ее решения.

Критерии сравнения алгоритмов

Заметим, что характеристики алгоритма относительно некоторых требований приложений, сформулированные выше, зависят от конкретных условий, в которые будет поставлен алгоритм. Так, степень компрессии зависит от того, на каком классе изображений алгоритм тестируется. Аналогично, скорость компрессии нередко зависит от того, на какой платформе реализован алгоритм. Преимущество одному алгоритму перед другим может дать, например, возможность использования в вычислениях алгоритма технологий нижнего уровня, типа MMX, а это возможно далеко не для всех алгоритмов. Так, JPEG существенно выигрывает от применения технологии MMX, а LZW нет. Кроме того, нам придется учитывать, что некоторые алгоритмы распараллеливаются легко, а некоторые нет.

Таким образом, невозможно составить универсальное сравнительное описание известных алгоритмов. Это можно сделать только для типовых классов приложений при условии использования типовых алгоритмов на типовых платформах. Однако такие данные необычайно быстро устаревают.

Так, например, еще три года назад, в 1994, интерес к показу огрубленного изображения, используя только начало файла (требование 6), был чисто абстрактным. Реально эта возможность практически нигде не требовалась и класс приложений, использующих данную технологию, был крайне невелик. С взрывным распространением Internet, который характеризуется передачей изображений по сравнительно медленным каналам связи, использование Interlaced GIF (алгоритм LZW) и Progressive JPEG (вариант алгоритма JPEG), реализующих эту возможность, резко возросло. То, что новый алгоритм (например, wavelet) поддерживает такую возможность, существеннейший плюс для него сегодня.

В то же время мы можем рассмотреть такое редкое на сегодня требование, как устойчивость к ошибкам. Можно предположить, что в скором времени (через 5-10 лет) с распространением широковещания в сети Internet для его обеспечения будут использоваться именно алгоритмы, устойчивые к ошибкам, даже не рассматриваемые в сегодняшних статьях и обзорах.

Со всеми сделанными выше оговорками, выделим несколько наиболее важных для нас критериев сравнения алгоритмов компрессии, которые и будем использовать в дальнейшем. Как легко заметить, мы будем обсуждать меньше критериев, чем было сформулировано выше. Это позволит избежать лишних деталей при кратком изложении данного курса.

Худший, средний и лучший коэффициенты сжатия. То есть доля, на которую возрастет изображение, если исходные данные будут наихудшими; некий среднестатистический коэффициент для того класса изображений, на который ориентирован алгоритм; и, наконец, лучший коэффициент. Последний необходим лишь теоретически, поскольку показывает степень сжатия наилучшего (как правило, абсолютно черного) изображения, иногда фиксированного размера.
Класс изображений, на который ориентирован алгоритм. Иногда указано также, почему на других классах изображений получаются худшие результаты.
Симметричность. Отношение характеристики алгоритма кодирования к аналогичной характеристике при декодировании. Характеризует ресурсоемкость процессов кодирования и декодирования. Для нас наиболее важной является симметричность по времени: отношение времени кодирования ко времени декодирования. Иногда нам потребуется симметричность по памяти.
Есть ли потери качества? И если есть, то за счет чего изменяется коэффициент архивации? Дело в том, что у большинства алгоритмов сжатия с потерей информации существует возможность изменения коэффициента сжатия.
Характерные особенности алгоритма и изображений, к которым его применяют. Здесь могут указываться наиболее важные для алгоритма свойства, которые могут стать определяющими при его выборе.

Используя данные критерии, приступим к рассмотрению алгоритмов архивации изображений.

Прежде, чем непосредственно начать разговор об алгоритмах, хотелось бы сделать оговорку. Один и тот же алгоритм часто можно реализовать разными способами. Многие известные алгоритмы, такие как RLE, LZW или JPEG, имеют десятки различающихся реализаций. Кроме того, у алгоритмов бывает несколько явных параметров, варьируя которые, можно изменять характеристики процессов архивации и разархивации. (См. примеры в разделе о форматах). При конкретной реализации эти параметры фиксируются, исходя из наиболее вероятных характеристик входных изображений, требований на экономию памяти, требований на время архивации и т.д. Поэтому у алгоритмов одного семейства лучший и худший коэффициенты могут отличаться, но качественно картина не изменится.

Вопросы для самоконтроля

Какие параметры надо определить, прежде чем сравнивать два алгоритма компрессии?
Почему некорректно сравнивать временные параметры реализаций алгоритмов компрессии, оптимально реализованных на разных компьютерах? Приведите примеры ситуаций, когда архитектура компьютера дает преимущества тому или иному алгоритму.
Предложите пример своего класса изображений.
Какими свойствами изображений мы можем пользоваться, создавая алгоритм компрессии? Приведите примеры.
Что такое редактируемость?
Назовите основные требования приложений к алгоритмам компрессии.
Что такое симметричность?
Предложите пример своего класса приложений.
Приведите примеры аппаратной реализации алгоритма сжатия изображений (повседневные и достаточно новые).
Почему высокая скорость компрессии, высокое качество изображений и высокая степень компрессии взаимно противоречивы? Покажите противоречивость каждой пары условий.

Вы можете не портить глаза (и сделать приятное авторам), если купите бумажный вариант книги! Заказать его можно, например, в магазине Озон.

Книга в формате PDF (Acrobat Reader):

Внимание! Выложенный на странице HTML вариант раздела 2 не полностью соответствует тексту книги. По возможности пользуйтесь PDF вариантом.

Обнаруженные ошибки

Раздел 1. МЕТОДЫ СЖАТИЯ БЕЗ ПОТЕРЬ