CC BY
18
Розроблеш два однобайтовi палiтровi графiчнi формати даних, що використову-ють для кожного зображення свою адап-тивну палтру. Це забезпечуе стиснення зображення в 3рази й бшьше iз збереженням високог якостi вiзуального сприйняття
Ключовi слова: графiчний формат, адап-тивне квантування, стиснення
Разработаны два однобайтовых пали-тровых графических формата данных, которые используют для каждого изображения свою адаптивную палитру. Это обеспечивает сжатие изображений в 3 раза и более с сохранением высокого качества визуального восприятия
Ключевые слова: графический формат, адаптивное квантование, сжатие
Two bitmap image formats that use independent adaptive palette for every single image are developed. They provide image compression in more than 3 times and save the high image quality
Key words: image format, adaptive palette, compression
УДК 681.3:519.68
ОДНОБАИТОВ1 ПАЛ1ТРОВ1 ГРАФ1ЧН1 ФОРМАТИ ДЛЯ ЗБЕР1ГАННЯ ЦИФРОВИХ КОЛЬОРОВИХ ЗОБРАЖЕННЬ
В. I. За г ре б н ю к
Кандидат техычних наук, доцент, завщуючий
кафедрою* Контактний тел. : 8 (048) 723-12-84 E-mail: vampiter@rambler.ru
В. Ю. Кумиш
Старший викладач* *Кафедра шформатизаци та управлшня Одеська нацюнальна академiя зв'язку iM. О.С. Попова вул. Ковальська, 1, м. Одеса, УкраТна, 65020 Контактний тел. : 8 (048) 720-77-06 E-mail: kumish@mail.ru
1. Вступ
2. Аналiз шнуючих палггрових графiчних формаив
При збер^ант цифровi зображення - це файли графiчних формапв, в яких застосовують певш мето-ди кодування кольорiв та стиснення для зменшення обсягу файлу. У задачах цифрово! обробки зображень, особливо у процедурах сегментацп кольорових зображень актуальною е проблема попереднього суттевого зниження надлишковост кольорiв з метою зменшення обчислювально! складносп алгоритмiв сегментацп. Як правило сегментащю кольорових зображень прово-дять у просторi RGB, а сегментоваш зображення зберь гають у формам ВМР для подальшого використання у системах аналiзу та розпiзнавання зображень, таких як системи медично! дiагностики, системи вiзуального контролю якостi у промисловосп, тощо.
У цих системах необхвдно накопичувати та зберiгати значш обсяги вiдеоданих, що потребуе значних ресурав пам'ятi. Тому задача розробки графiчних форматiв, якi з урахуванням зниження кольорово! надлишковостi зображення забезпечують зменшення обсягiв файлiв статичних зображень без стиснення, е актуальною.
Розглянемо графiчний формат BMP (вiд слова «Bitmap» - «бггова карта») [1]. Цифрове кольорове зображення в даному формат збер^аеться у виглядi матри-цi з кiлькiстю рядюв, що дорiвнюе висотi зображення. Зображення в матрицю зчитуеться рядками. Елемент рядку матриц - це значення кольору ввдповщного пiкселу. Iнформацiя про колiр пiкселу наводиться у просторi кольорiв RGB, тобто колiр складаеться з компоненпв: R - складова червоного, G - зеленого та B - синього кольору.
На кожний тксел выводиться вщ 1 до 32 бiт, що дозволяе вщтворювати вiд двох (монохромне зображення) до 4 294 967 296 кольорiв, вщповщно.
Повнокольоровi зображення зберiгаються в без-палировому форматi ВМР i для збер^ання атрибуту кольору потребують мiнiмум 3 байти: по байту на кож-ний компонент кольору.
При такому пiдходi необхщно мтмум 3 байти на пiксел, навиь у випадку коли палiтру кольорiв на зображеннi можна закодувати використовуючи лише
максимум один байт, що приблизно у три рази збшь-шуе обсяг файлу ВМР.
Палiтровi рiзновиди формату BMP використову-ють вiд 1 до 8 би на тксел та вiдтворюють зображення в кольорах системно! палiтри. Для стиснення в них застосовуеться алгоритм RLE.
Збертння цифрових повно кольорових зображень в палггровому формат BMP виконуеться шляхом пе-ретворення повнокольорових зображень з глибиною кольору 24 бгти на тксел у кольоровi зображення з глибиною 8 бiт на тксел. Аналiз стандартно! бази [2] з 200 тестових зображень показав, що в формат ВМР таке перетворення неможливе без втрат та спотворень, внаслщок невщповвдност кольорiв зображення ко-льорам системно'! палири (рис. 1. в), г)).
З точки зору зменшення кольорово! надлишковостi бiльш ефективним е використання растрового апа-ратно незалежного графiчного формату GIF (Graphics Interchange Format) [3], в якому для зменшення над-лишковост кольорiв зображень використовуються та-блицi посилань на кольори певно! палiтри. В даному формат виконуеться кодування кольорiв зображення з використанням вщ 2 до 256 кольорiв однiеi з визначе-но! множини палiтр. Стиснення досягаеться з одного боку унаслщок однобайтного кодування характеристик кольору шдексами кольорiв палiтри, а з iншого - за рахунок використання алгоритму стиснення без втрат LZW (Lempel-Ziv-Welch).
Палира зображення мктиться в файлi формату GIF в блощ «Глобальна таблиця кольор1в». Якщо в файлi зберiгаеться б^ьш нiж одне зображення, то в блощ «Локальна таблиця кольорiв» збертються па-лiтри кожного з них. Кожен елемент таблищ кольорiв складаеться з трьох байт, значення яких описують ввдповвдно вiдносну iнтенсивнiсть червоного, зеленого i синього кольорiв.
Саме зображення збер^аеться в блоцi «Растровi данi» у виглядi серii iндексiв кольорiв пiкселiв, згiдно палiтри, якi утворюють зображення.
Слвд зазначити, що розмiр палири в форматi GIF обмежений значеннями 2n < 256, де n - цiлi числа, n < 8 , а для формування палгтри використовуеться рiзнi таблищ з 256 кольорiв. Тому використання формату GIF дощльно при збер^анш зображень з малою юльюстю кольорiв, чiткими контурами мiж кольорами або при передаванш зображення у телекомушкацшних мережах з низькими швидкостями передачi.
При перетвореннi у формат GIF повнокольорових зображеннь виникають втрати кольорiв та спотво-рення, таю як градiентнi контури, iз-за невщповщно-стi кольорiв зображення кольорам таблищ кольорiв (рис. 2 а), б)).
а)
б)
а)
б)
Рис. 2. Перетворення повнокольорових зображень в формат GIF:
а) зображення 144067 в формат GIF; б) зображення 145014 в формат GIF
в)
г)
Рис. 1. Перетворення у формат ВМР повнокольорових зображеннь з глибиною кольору 24 б^и на тксел у кольоровi зображення з глибиною 8 б^ на тксел:
а) зображення 144067 з глибиною 24 б^и на тксел;
б) зображення 145014 з глибиною 24 б™ на тксел;
в) зображення 144067 з глибиною 8 б^ на тксел; г) зображення 145014 з глибиною 8 б^ на тксел
3. Однобайтовий паитровий графiчний формат з постшною довжиною коду
Причиною спотворення повно кольорових зображень при 1х збертнш у згаданих вище форматах е не-ввдповвдшсть кольорiв зображення кольорам палир, що використовуються у цих форматах. Цього можна запобти, якщо використовувати для збер^ання кожного окремого зображення свою адаптивну палггру кольорiв, отриману з використанням алгоритм адаптивного квантування кольорiв.
В [4] розроблений метод квантування кольорових зображень, який дозволяе адаптивно зменшити юльюсть кольорiв повнокольорового зображення ввд 51 до 911 разiв в залежност вщ його характеру та сформувати для кожного зображення свою незалежну адаптивну палиру. При цьому яюсть квантованого зображення у б^ьшост випадюв висока, а в окремих випадках - добра. Шсля квантування юльюсть кольо-рiв у середньому зменшуеться в 314 разiв.
В данш робот пропонуеться усунути зазначеш в роздiлi 2 недолiки графiчних форматiв BMP й GIF, а також розробити такий графiчний формат [5], в якому використовуеться попередне зменшення над-лишковосп кольорiв, що забезпечуе можлившть ви-користовувати для кодування кольору 8 би на тксел та вiдповiдну кожному зображенню таблицю кольорiв (адаптивну палiтру).
Аналiз стандартно! бази з 200 тестових зображень [2] показав, що юльюсть кольорiв в зображеннях зi зменшеною надлишковiстю не перевищуе 256. Тому для формування шдексу адаптивно! палири, тобто для кодування характеристик кольору одного ткселу зображення, в просторi кольорiв RGB, потрiбно вже не 3 байти, а 1 байт (табл. 1).
Таблиця 1
1м'я файлу Клькють кольорiв
8143 84
26031 110
28075 98
35091 76
87065 67
113044 86
117054 106
140055 49
140075 65
164074 69
При переглядi зображення виконуеться обернене перетворення: однобайтш коди замшюються на вщпо-вiднi чотирибайтовi значення кольору в палирь
При зберiганнi цифрових кольорових зображень в запропонованому формат з розширенням .bmp ïx перегляд може здшснюватися iснуючим програмним забезпеченням, тобто немае необхщност розроблюва-ти окремий декодер (рис. 3).
а)
б)
Рис. 3. Збер^ання повнокольорових зображень в
розробленому формал: а) зображення 144067 в розробленому формал; б) зображення 145014 в розробленому формат
4. Однобайтовий палггровий графiчний формат 3i змiнною довжиною коду
Було розроблене програмне забезпечення [5] для збертння зображень в запропонованому растровому апаратнонезалежному палировому графiчному формат даних. В цьому форматi зображення мштить в заголовку адаптивну палиру у виглядi чотирибай-тових значень RGB кольорiв, четвертий байт вико-ристовуеться для зберiгання альфа-канала (прозо-ростi). Основна частина файлу зображення мштить iнформацiю про кольори пiкселiв зображення, зако-дованi вiдповiдними номерами кольорiв адаптивно! палiтри.
Виконання перетворення трибайтового зображен-ня в однобайтове зменшуе обсяг зображення в 2,96 рази (табл. 2).
Таблиця 2
1м'я файлу Розмiр зображення в формат BMP (24 б™ на тксел), б^ Розмiр зображення в розробленому формат (8 б^ на тксел), бгт Стутнь стиснення
8143 463 578 156 442 2,96
26031 463 738 156 922 2,96
28075 463 578 156 442 2,96
35091 463 578 156 442 2,96
87065 463 578 156 442 2,96
113044 463 578 156 442 2,96
117054 463 578 156 442 2,96
140055 463 578 156 442 2,96
140075 463 578 156 442 2,96
164074 463 578 156 442 2,96
У переважнш бшьшосп випадюв зображення iз зменшеною надлишковiстю мктять менше нiж 256 кольорiв. В такому випадку немае необхвдност для кодування шдексу кольору з адаптивно! палири вико-ристовувати 8 бгг (табл. 3).
Застосування коду зi змiнною довжиною для таких зображень дозволить ще зменшити обсяг файлу та бшьш ефективно використовувати ресурси запам'ято-вуючих пристро!в при збер^ант файлу.
Таблиця 3
1м'я файлу Клькють кольорiв Довжина коду
8143 84 7
28075 98 7
35091 76 7
87065 67 7
92059 42 6
117054 106 7
138032 59 6
130034 40 6
140055 49 6
164074 69 7
Тому був розроблений ще один растровий апа-ратнонезалежний палировий графiчний формат для зберiгання цифрових кольорових зображень, в якому використовуеться схема кодування зображення з довжиною коду кольору менше 8 би [6]. Юльюсть би для формування шдексу кольору з палири n визначаеться ввдповвдно до юлькост кольорiв в адаптивнiй палир
k: n = log2 k, де n, k - цШ числа, n<8, k<256. Взагалi до-вжина коду максимально може складати 7 бгг.
Використання коду 3i змшною довжиною зменшуе обсяг зображення в 3 рази й б^ьше (табл. 4).
Таблиця 4
5 Висновки
По робот можна зробити наступш висновки:
- збертння цифрових кольорових зображеннь в однобайтовому палировому графiчному формат з постшною довжиною коду забезпечуе скорочення об'ему зображення в 2,96 рази за рахунок кодування кольору пiкселiв однобайтовими шдексами даного кольору в адаптивнш палирг,
- збертння цифрових кольорових зображеннь в однобайтовому палировому графiчному формат зi змiнною довжиною коду забезпечуе стиснення зображення в 3 рази й б^ьше за рахунок його кодування зi змшною довжиною коду;
- обидва розроблеш графiчнi формати забезпечу-ють збереження достатньо! якостi вiзуального сприй-няття за рахунок адаптивного зменшення юлькост кольорiв повнокольорового зображення;
- при використанш однобайтового палiтрового гра-фiчного формату з постшною довжиною коду вщсутня необхщшсть змiнювати декодер.
1м'я файлу Розмiр зображення в формат BMP (24 6î™ на тксель), бгт Розмiр зображення в розробленому формат (менше 8 б^ на тксел), б^ Стутнь стиснення
8143 463 578 135 436 3,42
28075 463 578 115 980 4,00
35091 463 578 135 355 3,42
87065 463 578 135 448 3,42
92059 463 738 115 965 4,00
117054 463 578 135 457 3,42
138032 463 738 116 016 4,00
130034 463 578 115 959 4,00
140055 463 578 115 986 4,00
164074 463 578 135 346 3,43
Також було розроблене програмне забезпечення [6] кодеру й декодеру для запропонованого графiчного формату даних. Даний формат мае наступну структуру (рис. 5).
4 байти 4 байти 4 байти
4 байти 4 байти 4 байти 2 байти 4 байти 4 байти 4 байти
N*3 байт
Рис. 5. Однобайтовий пал^ровий графiчний формат даних 3i змшною довжиною коду
В цьому формат незалежно вщ характеристик ко-льору зображення забезпечуеться зменшення обсягу зображення в 3 рази й б^ьше без використання алго-ритмiв стиснення без втрат.
Лиература
1. Bitmap storage. [Електронний ресурс]. - Режим досту-
пу: http://msdn.microsoft.com/en-us/Hbrary/dd183391(-VS.85).aspx
2. Berkeley Segmentation Dataset [Электронный ресурс].
- Режим доступу: http://www.eecs.berkeley.edu/Resear-ch/Projects/CS/vision/grouping/segbench
3. The GIF89a Specification. [Електронний ресурс]. - Режим
доступу: http://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif89a.txt
4. В.И. Загребнюк, А.М. Яворский Адаптивное цветовое квантование зображений// К: Электроника и связь, 2008.- №5 - С. 30
5. Заявка на корисну модель «Паштровий споаб збертання
цифрових кольорових зображеннь ¡з постшною довжиною коду» №u 2009 05 198 вщ 25.05.2009 р. автор1в Во-роб1енко П.П., Загребнюка В.1., Кумиша В.Ю.
6. Заявка на корисну модель «Пал^ровий споаб збершання
цифрових кольорових зображеннь ¡з змшною довжиною коду» №u 2009 06 160 вщ 15.06.2009 р. автор1в Вороб1енко П.П., Загребнюка В.1., Кумиша В.Ю, Пщнебесного 1.А.
Заголовок файлу
_агнатура ("VBMP")_
Об'ем файлу, байти Зсув зображення вiд початку файлу, байти 1нформацшний заголовок Довжина заголовку, байти Ширина зображення, пiкселi Висота зображення, пiкселi Глибина кольору, бiги на тксель Тип компресй (0 - нестиснене зображення)
Об'ем зображення, байти Юльюсть кольорiв, що використовуеться Таблиця кольорiв (паштра) N елеменгiв по 3 байти Даш зображення
