Растровые файлы и их структура.

Основными компонентами растр файла является заголовок и растровые данные.

Заголовок

Растр данные

Концовка

Дополнительная информация, которая не помещается в заголовок, добавляют в конец.

 

Заголовок

Палитра

Растр данные

Концовка

С применением палитры

Если файл. формат позволяет хран. нескольких изображений, то после заголовка разм-ся каталог изобр-я или индексов. В нем содер-ся инф-я о смещ-им неч-ых позиций всех изоб-й в файле. Если формат позв. изобр-ю иметь свою собственную палитру, то она сохр-ся непосред-но перед данными того изображения с которыми связан. Палитра - м.б. после заголовка, в таком случае на месте растроых данных будет сохр запись. Концовка дополняет заголовок и располагается в конце файла. Дополняют в тех случаях, когда файловый формат модифицируется, концовка никогда не имеет постоянного смещения от конца файла. Смещение концовки задается относительно конца файла, имеет постоянную длину и указывается в заголовке, иначе концовка должна ID.

 

 

RLE схема битового, байтового и пиксельного уровней.

Различие между этими способами кодирования заключается в формировании пакетов, соответствующих группам символов.

Большинство форматов графических файлов в зависимости от уровня обрабатываемых данных выделяют 3 класса RLE схем.

RLE-схемы битового уровня

Кодируют в группы биты строк развертки, игнорируя при этом границы байтов и слов. Используются только для обработки монохромных, т.е. однобитовых изображений, содержащих достаточное количество битовых групп.

RLE схемы битового уровня кодируют в группу от 1 до 128 битов, создавая из них однобайтовые пакеты. 7 младших битов этого байта – это счетчик группы, старший бит содержит значение группы.

7 – ой бит – (0/1), значение группы

6-0 – ой биты – счетчик группы (0-127)

Зн-е	Счетчик

 

RLE-схемы байтового уровня

Кодируют в группы одинаковые байтовые значения, игнорируя отдельные биты и слова.

Используются для изображений, в которых каждый пиксель содержит 8 бит информации.

RLE кодирует группы байтов в 2-х байтовые пакеты

1-ый байт – счетчик группы(0-255)

2-ой байт – значение группы (0-255)

 

0-255

0-255

 

 

Существует схема 2-х байтового кодирования, позволяющая хранить в потоке закодированных данных – литералы – незакодированные группы байтов.

В такой схеме 7 младших битов 1-го байта пакета содержат счетчик группы, а старший бит 1-го байта – тип группы:

1 – закодированная группа

0 – литеральная группа, т. е следующие байты должны читаться напрямую из закодированных данных изображения в количестве, указанном счетчиком группы +1.

 

1-ый байт 1-127 – счетчик

2-ой байт 0-255 – значение группы

RLE-схемы пиксельного уровня

Применяется, когда для хранения одного пиксельного значения используется два или более смежных байтов изображения.

На пиксельном уровне биты игнорируются, а байты принимаются во внимание только для идентификации цветового канала. Размер закодированного пакета зависит от размера пиксельных значений, подлежащих кодированию.

1-ый байт – счетчик (0-255)

2-ой байт – пиксель 1-го канала (0-255)

3-ий байт – пиксель 2-го канала (0-255)

4-ый байт – пиксель 3-го канала (0-255)

Сведения о количестве битов или байтов в пикселе записаны в заголовке файла изображения, там же сведения о схеме кодирования.

В RLE схемах пиксельного уровня счетчик содержит сведения о количестве пикселей, а не о количестве байтов.

 

Варианты группового кодирования.

Обычно данные изобр. кодируются последовательно начиная с 1-го левого угла последовательно к линиям разрыва до правого нижнего угла (т.е. кодирование осуществляется по оси X).

Есть альтернативная кодирование, когда оно осуществляется по оси Y.

Так же существует кодирование методом RLE, по фрагментам.

Есть так же кодирование «зигзагом».

 

Есть один вариант группового кодирования, это RLE с потерями(редкое использование). При таком кодир. используется выпадение 1 или 2 младших битов.

RLE кодирование должно всегда останавливаться в каждой строке развертки, т.о. предотвращается проблема «перекрестного кодирования».

«перекрестное кодирование»-это слияние строк развертки, происходящая из-за того, что в процессе кодир. различия между ними теряется.

Этапы сжатия JPEG

JPEG основан на схеме кодирования, базирующейся на дискретных косинус преобразованиях (ДКП). Эти преобразования всегда выполн с потерями, но обеспечив высокую степень сжатия при минимальных потерях данных. JPEG эффективнее всего применять к многоцветным изображениям, в которых различие между соседними пикселями незначительное.

1). ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ОПТИМАЛЬНОЕ ЦВЕТОВОЕ ПРОСТР-ВО: JPEG преобразовывает каждый компонент цветовой модели отдельно и обеспечивает полную независимость преобразования от модели цветового пространства. Причем преобразуются они в модель YUV или YCbCr, где Y – компонент яркости, а U(Cb) и V(Cr) – компоненты цветности.

Из RGB в YUV:

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U = -0.169R – 0.331G + 0.5B + 128

V = 0.5R – 0.419G – 0.081B + 128

(в лекции не было, на всякий случай):

Обратное преобразование:

YUV – RGB:

R = Y + 1.402(Cr - 128)

G = Y – 0.34414(Cb - 128) – 0.71414(Cr - 128)

B = Y + 1.772(Cb - 128)

2). СУБДИСКРЕТИЗАЦИЯ КОМП-ОВ ЦВЕТА субдискретизация осуществляется за счет уменьшения количества пикселей для каналов цветности. Для этого каждый пиксель яркости представляется в исходном виде, а для каждого пикселя цветности выбирается область 2:2 пикселя яркости. Для сохранения информации о четырех пикселях потратятся всего 6 пикселей значений вместо 12ти. 1)4 пикселя для яркости 2)по одному для каждого из 2х каналов цветности. Уменьшение объема изображения на 50 на качестве большинства изображений почти не сказывается. Стандарт JPEG предполагает несколько различных вариантов определения коэффициентов дискретизации. Канал яркости всегда остается с коэффициентом 1:1, для обоих каналов цветности производится субдискретизация 2:1 в горизонтальном направлении и 1:1 или 2:1 в вертикальном. Пиксель цветности после субдискрет-ии охватывает ту же область, что и блок 2:1 или 2:2 пикселей яркости. Эти процессы соответственно наз для 2*1- 2h1v -дискретизацией (4:2:2) или для 2*2- 2h2v – дискретизацией (4:2:0).

3). Дискретные косинус- преобразования (ДКП):

Данные делятся на блоки размером 8*8 пикселей. Каждый цветовой компонент образуется независимо. ДКП применяются к каждому 8*8 пикселей и преобразуют каждое простое изображение в спектральное. После того, как получено спектральное представление можно воздействовать на него, балансируя между качеством изображения и размером сжатия. После этапа ДКП информация изображения разделена высокочастотную и низкочастотную. Теперь высокочастотную можно отбросить без потери низкочастотной инф-ии, т.к. именно высокочастот инф-ия практически не восприним человеч глазом. На этапе ДКП не происходит потерь, за исключением ошибок округления. Потери начнутся на следующим этапе.

4). КВАНТОВАНИЕ кажд блока коэф-ов ДКП: прежде, чем отбросить определенный объем информации, компрессор делит каждое выходное значение ДКП на коэффициент квантования, округляя полученный результат до целого. Каждый из 64х позиций ДКП имеет свой коэффициент квантования. Коэффициент квантования – величина, обратная Q-фактору. Чем больше коэффициент квантования, тем больше данных теряется, т. к. реальные значения ДКП представляются менее точными. На этом этапе большинство JPEG компрессоров управляется установкой качества(Q- фактора). Компрессор имеет встроенную таблицу, насчитывающую на среднее качество и наращивание или уменьшение значения каждого элемента обратно пропорционально заданному Q-фактору.

5). КОДИРОВАНИЕ РЕЗУЛЬТИР-Х КОЭФФ-ОВ с применением алг Хаффмана: т.к. результирующие коэффициенты содержат значительный объем избыточных данных, сжатие по алгоритму Хаффмана позволяет без потерь удалить избыточность информации, уменьшив объем данных.

MPEG сжатие

Стандарт MPEG (Moving Picture Expert Group) начал разрабатываться в 1988г. Комитеты ISO MPEG и JPEG начинали свою работу как одна группа, ориентированная на две различные цели. Затем JPEG сконцентрировала свои усилия на сжатии неподвижных изображений, a MPEG — на кодировании и синхронизации аудио- и видеосигналов в едином потоке данных. Эти стандарты различны и предназначены для разных целей, хотя MPEG и использует метод покадрового сжатия данных, подобный тому, который применяет JPEG. Первоочередным направлением в построении алгоритмов всех стандартов MPEG является отыскание и устранение информации, избыточной с точки зрении субъективного восприятия человеком.

В MPEG применяется метод асимметричного сжатия, при котором процесс сжатия более сложен, чем распаковка. Формат особенно удобен при использовании приложениями, которые записывают данные лишь однажды, а читают их по многу раз.

В MPEG при обработке видеоданных применяются два типа сжатия: внутрикадровое и межкадровое кодирование.