Bilddatenkompression

Transkript

1 Tilo Strutz Bilddatenkompression Grundlagen, Codierung, MPEG, JPEG Mit 134 Abbildungen und 55 Tabellen Herausgegeben von Otto Mildenberger vieweg

2 VII 1 Einführung 1 2 Grundlagen der Datenkompression Informationsgehalt und Entropie Redundanz und Irrelevanz Codierungsredundanz Intersymbolredundanz Irrelevanz Kriterien zur Kompressionsbewertung Kompressionsrate Signalqualität Objektive Bewertung Subjektive Bewertung Rate-Distortion-Funktion Merkmale eines Kompressionsalgorithmus 14 3 Datenreduktion Modifikation der Abtastrate Unterabtastung Aufwärtstastung Quantisierung Skalare Quantisierung Gleichmäßige Quantisierung Sukzessive Approximation Ungleichmäßige Quantisierung Vektorquantisierung 24 4 Entropiecodierung Codierungstheorie Morse-Code Shannon-Fano-Codierung Huffman-Codierung Decodierung von Präfixcodes Arithmetische Codierung Festkomma-Implementierung Encodierung Decodierung 41

3 VIII Beschleunigte Implementierung Encodierung Decodierung Binäre arithmetische Codierung Codierungsadaptation Adaptation von Präfixcodes Adaptation der arithmetischen Codierung Codierung von sehr großen Symbolalphabeten 51 5 Präcodierung Statistische Abhängigkeiten und Verbundentropie Lauflängencodierung Allgemeine Codierung mehrwertiger Signale Signale mit Vorzugsamplitude Verarbeitung binärer Signale Bit-Markierung Viererbaum-Codierung Maximalwert-Codierung Minimalwert-Bäume Prädiktive Codierung Phrasen-Codierung Der LZ77-Algorithmus Der LZ78-Algorithmus Der LZW-Algorithmus 75 6 Transformationen und Filterbänke Transformationen Diskrete Transformationen Orthogonale Transformation Biorthogonale Transformation Diskrete Fourier-Transformation (DFT) Karhunen-Loeve-Transformation (KLT) Diskrete Kosinus-Transformation (DCT) Walsh-Hadamard-Transformation (WHT) Diskrete Wavelet-Transformation (DWT) Fraktale Transformation Metrische Räume - Grundlagen Kontraktive Abbildungen Iterierte Funktionensysteme (IFS) Fraktale Bilddatenkompression 94

4 IX 6.2 Filterbänke Zwei-Kanal-Filterbänke Orthogonale Filterbänke Biorthogonale Filterbänke Oktavfilterbänke Filterbank-Kaskaden Wavelets und Wavelet-Filter Symmetrische Filterbänke Duale Basen Zeit-Skalierung-Ebene D-Filterung Beste Basen Wavelet-Pakete Implementation von Filterbänken Das Lifting-Schema Transformationscoder Wahrnehmung und Farbe Visuelle Wahrnehmung Netzhaut und Sehnerven Die Lichtempfindung Helligkeitsempfindung Das Auflösungsvermögen des Auges Maskierungseffekte Farbsysteme Was ist Farbe? CIE-Normfarbtafel Der RGB-Farbraum Der CYM-Farbraum Der HLS-Farbraum Die Yxx-Farbräume YUV YIQ ; YCbCr Reversible Farbtransformation Farb-Unterabtastung Farbpaletten Verfahren zur Bildsequenzcodierung Struktur eines Video-Codecs Bewegungsschätzung und -kompensation 133

5 X Bewegungsarten und Schätzverfahren Block-Matching Prinzip der Bewegungsschätzung Suchstrategien Subpixelschätzung Bidirektionale Prädiktion Weitere Modifikationsmöglichkeiten des Block-Matchings Codierung der Bewegung Beispiel für die Bewegungskompensation Warping Codierung von Prädiktionsfehlerbildern Der JPEG-Standard Historie DCT-basierte Kompression Datentypen und Ablaufplan Transformation (DCT) Quantisierung Codierung der DC-Koeffizienten Codierung der AC-Koeffizienten Die Arbeitsmethoden Charakteristika der Codierungsprozesse Baseline-Prozess Erweiterter DCT-basierter Prozess Verlustloser Prozess Hierarchischer Prozess Sequentielle Verarbeitung Progressive Verarbeitung Sequentielle verlustlose Verarbeitung Hierarchische Verarbeitung JPEG-Syntax und Organisation der Daten Die Datenstruktur Marker-Segmente Der Frame-Header (SOF) Der Scan-Header (SOS) Spezifibtion der Huffman-Code-Tabellen (DHT) Spezifikation der Quantisierungstabellen (DQT) Restart-Intervalle Kommentare' Kompressionsergebnisse 162

6 XI 10 Standards zur Bildsequenzcodierung Allgemeines MPEG-Systemschicht MPEG-Video Struktur von Video-Elementarströmen Codierung von I-Bildern Codierung von P- und B-Bildern Bewegungskompensation Bitratensteuerung MPEG MPEG Allgemeines Profile Verarbeitung von Halbbildern Sonstige Merkmale Wavelet-basierte Bildcodierung Überblick Encoder Transformation Quantisierung Präcodierung Entropiecodierung Decoder Decodierung des Bitstroms Rekonstruktion der Transformationskoeffizienten Rücktransformation JPEG Das Kompressionsverfahren Transformation Quantisierung Codierung Codierungsreihenfolge 'Die Datenstruktur Marken und Marker-Segmente Begrenzungsmarken Parametrische Marken Funktionale Marken Informative Marken Beispiel 207

7 XII Gültigkeit von Marken und Regeln Fileformat-Syntax (JP2) Kompressionsergebnisse 209 A Testbilder 215 В Quelltexte 217 B.l Arithmetische Codierung 217 B.l.l Verteilungsmodell 217 B.1.2 Arithmetische Codierung - Variante B Header 217 B Encoder 218 B Decoder 218 B.1.3 Arithmetische Codierung - Variante B Header 219 B Encoder 219 B Decoder 220 B.1.4 Arithmetische Codierung mit Modellumschaltung 222 B Encoder 222 B Decoder 222 B.1.5 Input/Output-Routinen 223 B.2 Lauflängencodierung 224 B.2.1 Encoder 224 B.2.2 Decoder 224 B.3 Diskrete Wavelet-Transformation 225 B.3.1 Orthogonale Signalzerlegung 225 B.3.2 Biorthogonale Signalzerlegung 226 B.4 Wavelet-basierte Bildcodierung 227 B.4.1 Encoder 229 B.4.2 Decoder 234 Formelzeichen und Abkürzungen 239 Literatur 243 Sachwortverzeichnis 249