Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время в связи с массовым распространением средств MultiMedia и развитием сети Internet задача повышения эффективности алгоритмов цифровой обработки и сжатия изображений особенно актуальна.
Основным фактором, обуславливающим высокие требования к быстродействию и информационной емкости, а значит и высокую стоимость устройств, используемых для цифровой обработки, передачи и хранения графических данных, является значительный объем обрабатываемой и хранимой в них информации. Уменьшив количество хранимой и передаваемой между устройствами информации, можно существенно снизить требования к ряду параметров этих устройств, что приведет к снижению показателя цена/качество для аппаратуры обработки в целом. В связи с этим необходимо сжимать цифровые данные изображений при помощи эффективных методов и алгоритмов, использующих характерные особенности этих данных.
Специфика полутоновой графической информации допускает внесение в нее искажений, мало заметных для зрения человека, но позволяющих существенно повысить степень сжатия. В настоящее время разработаны и используются эффективные методы и алгоритмы для сжатия полутоновой графической информации, которые различаются по ряду параметров. Вместе с тем, существует ряд описанных в литературе подходов, в частности, к сжатию черно-белой (двухуровневой) графики, потенциально применимых для полутоновых изображений, но не используемых в распространенных методах сжатия. Их реализация и исследование возможностей применения для полутоновой графики также является актуальной задачей, позволяющей расширить количество возможных вариантов методов сжатия и производить их оптимальный выбор в зависимости от специфики той или иной задачи. В частности, для некоторых областей применения (например, это цифровое видео или пе-
-н-
редача изображений по каналам связи с невысокой пропускной способностью) важно обеспечить возможность быстрого воспроизведения (распаковки) изображения при условии сохранения его приемлемого качества и обеспечения достаточного сжатия.
Таким образом, задачи разработки, реализации и исследования новых методов и алгоритмов сжатия и оценки искажений для полутоновой графической информации являются актуальными.
ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является разработка и исследование нового метода для сжатия информации полутоновых изображений, позволяющего производить быстрое восстановление изображения.
В соответствии с целью исследования в диссертационной работе были поставлены и решены следующие ЗАДАЧИ:
-
Исследование существующих методов сжатия данных применительно к задаче сжатия графической информации с возможностью быстрого восстановления.
-
Разработка метода сжатия для монохромных и цветных полутоновых изображений.
-
Разработка алгоритма ускоренного построения словаря в рамках метода сжатия.
-
Программная реализация предложенных алгоритмов сжатия и восстановления для обеспечения возможности проведения вычислительных экспериментов.
-
Разработка количественного критерия для оценки искажений, вносимых разработанным методом сжатия в процессе упаковки информации.
-
Исследование особенностей разработанного метода сжатия и сравнение его эффективности с существующими методами.
ОБЪЕКТОМ ИССЛЕДОВАНИЯ диссертационной работы являются цифровые представления полутоновых изображений, методы для их сжатия, потери, вносимые при сжатии и восстановлении и методы количественной оценки искажений.
-.S~-
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аппарата обратимых унитарных линейных преобразований, теории информации и кодирования, кластерного анализа, теории вычислительных систем, численных методов регрессионного анализа, статистического анализа изображений и метода экспертных оценок, примененного для оценки качества изображений.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНОВОЙ диссертационного исследования явились работы зарубежных и отечественных специалистов в области обработки изображений, теории информации, кластерного анализа, вычислительной техники, телевидения, физиологии и медицины.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие основные результаты диссертационного исследования:
разработанный и реализованный метод итеративной векторной аппроксимации (ИВА) для сжатия с потерями монохромных и цветных полутоновых изображений, обеспечивающий быстрое восстановление;
в рамках разработанного метода сжатия — способ ускоренной группировки доменов на основе анализа коэффициентов дискретного косинусного преобразования;
количественный критерий оценки качества искаженного изображения для класса искажений, вносимых разработанным методом сжатия;
исследование качества работы разработанного метода сжатия для различных классов изображений.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертационной работе предложен и исследован новый метод для сжатия цифровых представлений полутоновых изображений, позволяющий производить быстрое восстановление изображения. При этом также впервые предложен эмпирический критерий для оценки искажений, внесенных в изображение. Критерий построен путем анализа экспертных оценок и основан на учете активности изображения и пороговых значений среднего квадрата ошибки.
Научная новизна результатов, полученных автором, состоит в следующем:
разработанный метод сжатия, хотя и базируется на известной схеме векторной дискретизации, является новым ее применением для сжатия статических полутоновых изображений, при котором не требуется внешний словарь;
предложен новый алгоритм формирования словаря доменов изображения, в отличие от известных позволяющий проводить в десятки раз более быструю группировку доменов по сравнению с существующими подходами, особенно при увеличении размера доменов;
разработанный автором метод сжатия ранее не реализовывался и не исследовался.
Следует также отметить общее малое количество работ, посвященных исследованию алгоритмов векторной дискретизации.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Разработанный метод сжатия может быть применен для сжатия статических полутоновых изображений при поставке их конечному пользователю на носителе или посредством каналов связи. В последнем случае при малой пропускной способности канала связи специфика метода сжатия позволяет реализовать функцию быстрого просмотра всего изображения с постепенным улучшением его качества. Высокая скорость процесса распаковки и его простота также позволяют применять разработанный метод как составную часть методов сжатия цифрового видео.
По сравнению со стандартом сжатия JPEG разработанный метод обладает следующими особенностями: восстановление протекает в 3 раза быстрее, при сохранении хорошего качества изображения коэффициент сжатия в обоих случаях приблизительно одинаков (в 8-15 раз для монохромных и в 15-20 раз для цветных изображений). Недостатком разработанного метода является долгий процесс упаковки в связи с анализом исходного изображения и, как следствие, существенно большим объемом вычислений.
-7~
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Предложенный в рамках данной диссертационной работы метод ИВА реализован в виде пакета программ на языке Паскаль для машин IBM PC AT.
Метод ИВА применен в составе прикладного программного обеспечения фирмы "ИМЕДИС" (аппаратно-программный комплекс "ЭКСПЕРТ-ФОЛЛЬ") для компактного хранения изображений частей тела человека, то есть как метод сжатия неподвижных изображений общего назначения.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертационного исследования опубликованы 3 работы. Делались доклады на международных конференциях "Информационные средства и технологии" в 1996 и 1997 гг.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и четырех приложений. Объем основной работы — 171 страница машинописного текста; работа содержит 36 рисунков и 11 таблиц. ,