formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 formatos y sistemas de compresión de imágenes...

11
1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio ([email protected]) Departamento de Electrónica y Computación Universidad de Santiago de Compostela Índice Codificación Compresión Calidad de compresión Métodos y formatos Imágenes y video Herramientas de compresión Imágenes: Píxeles Discretización El color Codificación: Un método clásico www.soton.ac.uk/~scp93ch/refer/morseform.html 0 ----- 1 .---- 2 ..--- 3 ...-- 4 ....- 5 ..... 6 -.... 7 --... 8 ---.. 9 ----. Parar .-.-.- Coma --..-- N -. O --- P .--. Q --.- R .-. S ... T - U ..- V ...- W .-- X -..- Y -.-- Z --.. A .- B -... C -.-. D -.. E . F ..-. G --. H .... I .. J .--- K -.- L .-.. M -- Codificación: Discretización Blanco y negro 0 1 Codificación: Discretización Blanco y negro Paletas de colores 000 100 001 101 010 110 011 111 A más bits más colores

Upload: others

Post on 22-Mar-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

1

Formatos y sistemas de compresión de imágenes

Curso de Introducción a la Telemedicina

Roberto Rodríguez Osorio ([email protected])Departamento de Electrónica y Computación

Universidad de Santiago de Compostela

Índice

� Codificación� Compresión� Calidad de compresión� Métodos y formatos� Imágenes y video� Herramientas de compresión

Imágenes: Píxeles

� Discretización� El color

Codificación: Un método clásico

www.soton.ac.uk/~scp93ch/refer/morseform.html

0 -----

1 .----

2 ..---

3 ...--

4 ....-

5 .....

6 -....

7 --...

8 ---..

9 ----.

Parar .-.-.-

Coma --..--

N -.

O ---

P .--.

Q --.-

R .-.

S ...

T -

U ..-

V ...-

W .--

X -..-

Y -.--

Z --..

A .-

B -...

C -.-.

D -..

E .

F ..-.

G --.

H ....

I ..

J .---

K -.-

L .-..

M --

Codificación: Discretización

� Blanco y negro 0

1

Codificación: Discretización

� Blanco y negro� Paletas de colores

000 100

001 101

010 110

011 111

A más bits más colores

Page 2: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

2

Codificación: Discretización

� Blanco y negro� Paletas de colores� Color real

Escala de grises255

0

Color RGB

� RED, GREEN, BLUE� Cámaras equipadas con CCD

+ +

Color YCrCb, YUV, HSB

� Basado en el sistema de visión humano� Mayor sensibilidad a la intensidad que al color

� Usado en TV y fotografía y video digital

+ +

¿Para que comprimir?

� Una fotografía digital de 3 MP sin comprimir ocuparía 9 MB�Comprimida en alta calidad ocupa 1MB

� Una película en DVD de 2 horas sin comprimir ocuparía 155 GB�Comprimida en alta calidad ocupa 4 GB

Compresión

� Reducción del tamaño de la codificación� ¿Por qué es posible?

�Codificación más eficiente�Aprovechar las características de la fuente�Detectar la información implícita

Page 3: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

3

Compresión: Ejemplo clásico0 -----

1 .----

2 ..---

3 ...--

4 ....-

5 .....

6 -....

7 --...

8 ---..

9 ----.

Parar .-.-.-

Coma --..--

N -.

O ---

P .--.

Q --.-

R .-.

S ...

T -

U ..-

V ...-

W .--

X -..-

Y -.--

Z --..

A .-

B -...

C -.-.

D -..

E .

F ..-.

G --.

H ....

I ..

J .---

K -.-

L .-..

M --

Enma: . -. -- .-

Lola: .-.. --- .-.. .-

Compresión: Otro ejemplo

� Abra la ventana con un click del ratónsobre el icono. Mire las opciones en elmenú de la aplicación. Ejecute una opción del menú posando el puntero del ratónsobre la misma y haciendo click una vez.

Compresión: El conocimiento

Hol? amig??

Quiz?? creéis q?? es dif??? relle?ar estos hue??s, pero no es fác?? equiv????se.

Codificación entrópica

� Algunos símbolos ó eventos son más probables que otros� Estos símbolos se codifican utilizando códigos según las

siguientes reglas:� Los símbolos más probables tendrán códigos cortos� Los símbolos menos probables tendrán códigos más largos

� En contra de lo que pudiera parecer, ambos efectos no se contrarrestan

� El método clásico es el de Huffman, pero existen muchos otros

!

Ejemplo: Huffman

� A: 01

� B: 11

� C: 001

� D: 100

� E: 101

� F: 0000

� G: 0001

A; 25%

B; 20%C; 15%

D; 12%

E; 10%

F; 10%G; 8%

1.0

.42.58

.25.33 .20.22

.10.15.18

.10

.12

.08

0100

0 1

001000

00010000

10 11

100 101

� A: 000

� B: 001

� C: 010

� D: 011

� E: 100

� F: 101

� G: 110

Ejemplo Huffman:

� ABCDEFGAABBCCAABBAA

� 000001010011100101110000000001001010010000000001001000000

� 01110011001010000000101011111001001010111110101

Page 4: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

4

Formatos de compresión sin pérdidas

� Consiguen la máxima calidad� El nivel de compresión es bajo

� Inferior al 50% (~)

� Sus únicas limitaciones provienen de los datos originales�Resolución, número de colores.

Formatos de compresión sin pérdidas

� BMP�Todo tipo de imágenes, muy extendido�Compresión pobre�No comprime color real

� GIF�No admite color real, sólo paletas�Muy bueno para gráficos sencillos�Pobre con fotografías

Formatos de compresión sin pérdidas

� TIFF�Todo tipo de imágenes�Compresión media

� JPEG sin pérdidas, PNG, otros�Formatos muy poco extendidos�Buena compresión�Sólo PNG es relativamente popular

Formatos de compresión sin pérdidas

� JPEG - 2000�Admite compresión sin pérdidas �Todo tipo de imágenes�Formato emergente poco extendido�Complejo. Software lento�Múltiples opciones disponibles

Ejemplo de compresión sin pérdidas

� BMP 3572K� GIF 3603K� TIFF 2532K� PNG 2455K� J2K 2146K

1641 x 2172 puntos

Compresión con pérdidas

� En ocasiones, no toda la información es relevante

� Prescindir de ella puede permitir una codificación más eficiente en términos de tamaño

� Algunos métodos son particularmente eficientes

Page 5: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

5

Compresión con pérdidas

� Existen distintos métodos� Cuantización� DCT,� Wavelets,� Cuantización vectorial,…

� Calidad ajustable y altísima eficiencia en la compresión

� Metodología habitual:�Transformación matemática (DCT, Wavelet,…)�Cuantización del resultado� Compresión entrópica de los valores cuantizados

Combinación de métodos con y

sin pérdidas

Compresión con pérdidas

- =

(1, 2, 3, 4, 6, 7, 7, 8 ,9, 10)

Y = X

Cuantización

16 niveles

8 niveles

4 niveles

Ejemplos con JPEGSin pérdidas173 KbJPEG. Alta calidad

75 KbJPEG. Calidad media31 KbJPEG. Calidad baja

23 Kb

Pérdida de calidad

� En ocasiones cualquier pérdida de calidad es inadmisible�Compresión sin pérdidas

� Normalmente las pérdidas son aceptables� El problema surge con índices de

compresión exagerados� Imágenes borrosas, mosaicos, ‘artefactos’,…

Evolución de las pérdidas

20

25

30

35

40

45

50

55

0 10000 20000 30000 40000 50000

Tamaño del fichero

Ca

lid

ad

No lo olvidéis al comprimir imágenes

Page 6: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

6

Ejemplos de pérdida de calidadFormatos de compresión con pérdidas

� No codifican toda la información� Se asume que la información descartada

es poco importante� Introducen diferencias con respecto al

original� Suelen basarse en una aproximación

matemática de la imagen

Formatos de compresión con pérdidas

� JPEG�Es el más extendido�Disponible de forma totalmente gratuita�Buena calidad para niveles de compresión

moderados�Mala calidad para niveles de compresión

altos�Defectos: bloques, falsos bordes y objetos

JPEG con alta calidad

� BMP 3572K� GIF 3603K� TIFF 2532K� PNG 2455K� J2K 2146K� JPEG 1989K

1641 x 2172 puntos

Formatos de compresión con pérdidas

� JPEG 2000 (JP2, JP2000, J2K)�Último standard (ISO)�Unifica compresión con y sin pérdidas�Buena calidad para niveles de compresión

altos� Incluye otras funcionalidades (ROI,

escalamiento, …)�Defectos: Imágenes borrosas

JPEG 2000 con alta calidad

� BMP 3572K� GIF 3603K� TIFF 2532K� PNG 2455K� J2K 2146K� JPEG 1989K� J2K 1593K 1641 x 2172 puntos

Page 7: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

7

J2K frente a JPEG

� J2K incluye más funcionalidades� Escalabilidad� Protección contra errores� RoI� Compresión sin pérdidas� Compresión a un tamaño exacto de fichero

� J2K es más lento y complejo de implementar que JPEG� La calidad de la imagen es “similar”

� J2K mejora ligeramente a JPEG� Sólo lo supera claramente a muy bajos niveles de calidad� Depende además de la percepción subjetiva

Las funcionalidades son más importantes

que la simple compresión

Calidad para bajos bitrates

JPEG J2K

Compresión a 0,25 bpp

� Las partes más relevantes de la imagen pueden ser codificadas con mayor nivel de detalle

� Se obtiene la misma calidad con menor tamaño de archivo

Región de interés (RoI) Compresión de Video

� Maneja altísimos volúmenes de datos� Altos niveles de compresión� La codificación es compleja� Puede introducir importantes defectos� Posibles problema de latencia en

�Compresión�Transmisión

� La compresión sin pérdidas apenas existe

Compresión de Video

� Hay 2 métodos básicos�Comprimir imágenes separadas

� M-JPEG, M-JPEG 2000� Sencillo y rápido� Bajo nivel de compresión

�Comprimir relacionando las imágenes� MPEG, H.26x� Complejo y lento� Alto nivel de compresión

Mucho más eficiente que el

anterior

Codificadores de video híbridos

� Cada imagen se parece a la anterior� En ocasiones son casi idénticas� En otras, algunos objetos se han movido� El método es el siguiente:

�Se localizan las partes que se han movido�Se calcula la diferencia con el original �Se comprime la diferencia

� Transformar + cuantizar + compresión entrópica

Page 8: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

8

Compensación de movimiento Codificación de la diferencia

Formatos de compresión

� MPEG: Moving Pictures Experts Group� MPEG-1 (1991)

� MP3� MPEG-2 (1995)

� DVD, TV digital� MPEG-4 (1999, 2003)� MPEG-7� MPEG-21

� ITU-T� Otros

� Microsoft AVI, WMV, VC1� Apple Quicktime

MPEG-4

� Basado en el concepto de Objeto de Video (VO)� Figuras 3D, sprites, animaciones faciales, …

� Mejora la eficiencia de MPEG 1 y 2� Última versión: H.264/AVC MPEG-4 Part 10

Ejemplo de MPEG-7

Porción del Schema:

<complexType name="ParentalGuidanceType"><sequence>

<choice><element name="ParentalRating" type="mpeg7:ControlledTermType"/><element name="MinimumAge" type="nonNegativeInteger" />

</choice><element name="Country" type="mpeg7:ISO3166-1CountryCode"

minOccurs="0" maxOccurs="unbounded"/></sequence>

</complexType>

XML:

<ParentalGuidance><MinimumAge>14</MinimumAge><Country>ES</Country>

</ParentalGuidance>

Interesante para gestionar grandes

bancos de imágenes y videos

Ejemplo de MPEG-21<DIDL>

<Declarations>

<Descriptor> <!--MPEG7 -->

</Declarations>

<Item>

<Choice>

<Selection>

<Descriptor id=“HQ”/>

<Descriptor> <!--MPEG7 -->

</Selection>

<Selection>

<Descriptor id=“LQ”/>

<Descriptor> <!--MPEG7 -->

</Selection>

</Choice>

<Component>

<Condition require=“HQ”/>

<Resource ref=“videHQ.mov”/>

</Component>

<Component>

<Condition require=“LQ”/>

<Resource ref=“videHQ.mov”/>

</Component>

</Item>

</DIDL>

Page 9: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

9

Digital Store

DID

album

DID

compilation

DID

video

Un “maletín multimedia” digitalDID

Declarations

Container

Descriptors

Rights descriptors,

Dublin Core

Descriptor

Item

Choices

(Options)

Item

Item

Item

Defectos en la compresión

� Siempre implica pérdidas� Los errores se pueden acumular� Mala calidad en zonas planas� Saltos en el movimiento� Movimientos descompensados� Zonas borrosas

Defectos por pérdidas Defectos por errores

Propagación de defectos Defectos en zonas ‘planas’

Page 10: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

10

Saltos en el movimiento Movimientos descompensados

Zonas borrosas Técnicas avanzadas

� Video sin pérdidas� Muy minoritario y experimental� Transformar sin pérdidas + compresión entrópica

� Escalabilidad� Parcialmente implementado� Habrá que esperar a que el nuevo estándar SVC se

ponga en marchar

� Región de interés (ROI)

Escalabilidad

� En resolución�Obtener otros tamaños sin re-codificar

� En calidad�Calidad vs tamaño sin re-codificar

� En tiempo�Videos con menos imágenes por segundo

Puede ser muy importante cuando

la tecnología se desarrolle

Escalabilidad

Page 11: Formatos y sistemas de compresión de imágenes...1 Formatos y sistemas de compresión de imágenes Curso de Introducción a la Telemedicina Roberto Rodríguez Osorio (roberto@dec.usc.es)

11

Software de visualización

� BMP�Cualquiera en Windows

� JPEG, GIF�Cualquier visualizador�Cualquier navegador

� TIFF, JPEG2000, PNG�No siempre disponible

www.irfanview.com

Software de visualización

� Video�Windows Media Player�Real Player�Software independiente (VirtualDub, DivX,…)

Software de compresión de imágenes

� Adobe Photoshop� Corel Photo Paint� Irfanview� Paintshop Pro

Software de compresión de video

� Adobe Premier� RealVideo� Windows Movie Maker� Windows Media� VirtualDub