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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
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
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
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
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
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
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
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>
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’
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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
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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