Compression Techniques

1
Compression Techniques

• Images Video

2
Compressing Images

• GIF (Graphic Interchange Format) Codec
• employs LZW method for lossless compression
• TIFF (Tagged Image File Format) Codec
• lossless syntactic method
• JPEG (Joint Photographics Experts Group) Codec
• umbrella term covering several lossy and lossless
  methods
• baseline method is most commonly used one --
  lossy method based on a hybrid method

3
CompressionCoping with Large Files

• Compression is an encoding process that filters
  the original file in several successive stages

4
Other Methods for Reducing Demands

• Frame rate adjustment
• adjusts for with slower CPUs
• helps keep video and audio synchronized
• Lower resolution on individual frames
• sometimes used in conjunction with smaller
  display window

5
Image Format - TIFF

• Tagged image file format
• bit-mapped images
• Publishing purpose
• Incompatible between PC and MAC - jumbled
  picture
• Have built-in compression

6
Image Format - GIF

• Graphics interchanged format
• Suitable for transferring between networks
• indexed color - 256 colours
• GIF stores image using 1 channel (8 bits)
• full-colors (JPEG) 24 bit RGB color images
  using 3 bytes data 8 bit for each channel
• Two types
• transparent GIF (background is rendered invisible
  by an operation called masking)
• interlaced GIF - transmitted in progressive mode
  at first image appears quickly but in a coarse
  or low resolution, in successive steps, its
  pixels are replaced by better resolution until
  the image is displayed at full resolution

7
Image Format - JPEG

• Joint Photographic Expert Groups
• a set of standard for compression image - JPEG
  file
• Popular format using 24-bit, full color images on
  web
• lossy compression technique-- loss can be
  controlled -- not noticeable

8
JPEG Compression

• Adalah piawai yg digunakan utk pemampatan dan
  penyahmampatan imej berwarna dan tanpa warna
  (grayscale)
• Digunakan dlm audio-graphical videoconferencing,
  fax berwarna, imej-imej perubatan dan sebagainya
• Idea asas? utk menukarkan satu blok imej dlm
  domain masa kepada domain frekuensi.

9
Proses Pemampatan JPEG
10
Proses Pemampatan JPEG

• Imej dibahagikan kepada beberapa blok dan setiap
  blok mengandungi kump. 8 X 8 pixels
• Dari domain spatial, blok di transformasikan
  kepada domain frekuensi menggunakan FDCT
  (Forward Discrete Cosine Transform)
• Pemampatan Lossy Pengkuantitian/Quantization ?
  Jadual Pengkuantitian
• Kemudian pekali 2 dimensi DCT dikuantitikan
  menggunakan matriks pengkuantiti, dlm kes ini
  melibatkan matriks 8 X 8

11

• Selepas proess pengkuantiti selesai, nilai asal
  imej tidak boleh dikembalikan, dirujuk sbg proses
  yg lossy
• Pekali DCT yg berfrekuensi tinggi mempunyai nilai
  yg lebih kecil berbanding dgn yg berfrekuensi
  rendah
• Oleh yang demikian, proses mengkuantiti pekali
  frekuensi tinggi adalah lebih coarser/kasar.
• Proses ini menghasilkan beberapa bilangan sifar
  dlm bahagian frekuensi tinggi pekali 2D DCT.
• Kemudian, pekali-pekali 2D DCT yg telah
  dikuantitikanakan ditukar kepada matriks 1
  dimensi menggunakan Imbas Zig-zag.

12

• Imbas Zig-zag menghasilkan bilangan-bilangan
  sifar yg berdekatan
• antara satu sama lain.
• Pemampatan Lossless Pengkodan Huffman ? Jadual
  Huffman
• Matriks 1D ini kemudian akan dikodkan menggunakan
  Jadual Pengkodan Huffman
• Proses Pengkodan Huffman merupakan proses
  pemampatan yg lossless
• Akhirnya Penjana Syntak JPEG akan menjana syntax
  JPEG iaitu
• Aliran Data Yg Telah Dikod yg boleh difahami
  oleh proses
• penyahmampatan JPEG

13
Penyahmampatan JPEG

• Aliran Data Yg Telah Dikod dgn syntax JPEG
  dinyahkodkan menggunakan Penyahkod/Decorder
  Syntak JPEG
• Kemudian proses Penyahkodan Huffman akan
  dilaksanakan menggunakan Jadual Huffman dan
  matriks 1D dijana bg setiap blok.
• Imbasan Zig-zag akan menukarkan matriks 1D
  kepada matriks 2D.

14

• Proses penyahkuantitian akan menggunakan Jadual
  Pengkuantitian utk menjana pekali 2D DCT
• Dengan menggunakan Inverse DCT (IDCT ), pekali 2D
  DCT ditransformasi kembali kPada domain spatial
  (8 X 8 blok pixels), utk membina semula
  blok-blok.

15
DCT

• Imej yg terdiri drp blok-blok ditukar dari domain
  ruang ke domain frekuensi menggunakan DCT.
• Fungsi ini menukar nilai dlm julat 8-bit setiap
  pixel blok data (8 X 8 pixels) kepada nilaian
  pekali 2D perwakilan frekuensi
• Output proses adalah peta frekuensi yg beri
  maklumat tentang maklumat dgn frekuensi tinggi
  atau rendah dlm segmen blok.
• Smooth and continuous tones ditandakan dgn
  frekuensi rendah.
• Perubahan yg tajam dan dgn tiba-tiba / mendadak
  dlm keterikan pixel ditandakan dgn frekuensi
  tinggi

16
Laksanakan FDCT
Perumpukan Nilaian Spatial Perwakilan Keterikan
Warna Dalam Blok
Peta Frekuensi Setelah Fungsi DCT Dilasksanakan
Ke Atas Blok
17
DCT

• Maklumat peta frekuensi diperlukan fasa
  Quantization
• Dalam proses penyahmampatan JPEG, Inverse DCT
  akan menukarkan pekali-pekali yg mewakili imej
  dlm domain frekuensi kembali kepada nilai-nilai
  pixels dalam domain spatial

18
Pengkuantitian

• Berdasarkan kepada matriks pengkuantitian
• Tujuan matriks ini adalah utk kuantitikan
  pekali-pekali hasilan DCT
• Di mana setiap kemasukan pekali-pekali DCT dlm
  peta frekuensi dibahagikan dgn kemasukan nilai
  kuantiti yg sepadan dari matriks kuantum
• Hasil akan dibulatkan kepada nilai integer yg
  paling hampir.

19
Matriks Kuantiti / Kuantum (MK)
Peta Frekuensi
Peta Frekuensi / MK
Matriks Hasil
20
Pengkuantitian (Cth)

• Katakanlah nilai pekali DC adalah 80 dan nilai
  kuantiti matriks yg sepadan dgnnya adalah 16.
  Pembahagian antara 2 nilai akan menghasilkan
  nilai 5.
• Ulangi proses utk kesemua kemasukan pekali dalam
  blok 8 X 8
• Di dapati bahawa bahagian yg berfrekuensi tinggi
  dlm blok akan diwakili dgn unsur/hasilan sifar
  dan sebaliknya, selepas selesai prosen
  pengkuantitian.
• Merupakan proses yg lossy di mana nilai integer
  yg dibulatkan tidak boleh dibina semula menjadi
  yg asal oleh pengkodan

21
Teknik Mengimbas

• Selepas proses pengkuantitian, cuma bahagian yg
  berfrekuensi rendah dlm blok mengandungi pekali
  yg tidak sifar.
• Utk mengurangkan bil. bits yg diperlukan utk
  storan dan komunikasi, pekali-pekali sifar dapat
  diletakkan bersama melalui perwakilan imbas zig
  zag
• Proses imbasan zig zag atas pekali-pekali akan
  menghasilkan satu jujukan nombor seperti
  0,2,1,-1,0,0,1,0,1,1,0,0,

22
Imbas Zig-zag
23
Teknik Mengimbas

• Kemudian pengkodan Run-Length boleh digunakan utk
  mengurangkan bil. bits yg diperlukan utk
  mewakilkan unsur sifar
• Iaitu, selepas proses mengimbas selesai,
  pengkodan jenis Run-Length dan Huffman
  dilaksanakan ke atas bit tersebut (perwakilan 1D
  Matriks) utk memperolehi bilangan bits yg optima

24
Jenis / Mod Pemprosesan JPEG

• Mod Berjujukan
• Mod Progresif
• Mod Hierarki
• Mod Lossless

25
Mod Berjujukan

• Imej dikod dlm tertib imbas raster dr. kiri ke
  kanan dan dr atas ke bawah
• Mudah dan sesuai utk kebanyakan sistem
• Menggunakan satu laluan tunggal melalui data utk
  mengkod imej dan menggunakan 8 bit resolusi bg
  setiap input

26
Mod Progresif

• Imej dikod dlm multi-imbas sama ada dr imej pudar
  (frekuensi rendah) ke imej yg tajam (frekuensi
  tinggi) atau dr bits bererti yg paling penting ke
  bits bererti yg paling rendah
• Imej ditukarkan kPada domain frekuensi
  menggunakan DCT.
• Mod ini berguna bg penghantaran imej melalui
  saluran dgn bandwidth/kelebaran yg terhad di mana
  pengguna boleh dipersembahkan dgn keseluruhan
  gambar secara kasar dahulu sebelum memperolehi
  gambar yg jelas dan terang ? jimat masa drPada
  menanti kejelasan bg gambar yg tidak dikehendaki.
• Proses penyahmampatan pula dibina dr imej pudar
  ke imej yg jelas
• Mod ini meningkatkan keupayaan mod sebelumnya dlm
  memenuhi keperluan aplikasi yg memerlukan
  resolusi yg lebih tinggi

27
Mod Hierarki

• Imej dikod menggunakan imej resolusi yg rendah
  sbg asas utk mengkod imej yg sama dgn resolusi yg
  lebih tinggi
• Mod ini beri lebih kemudahlenturan utk beberapa
  jenis peralatan dgn resolusi yg berbeza

28
Mod Lossless

• Pembinaan semula imej asal secara tepat
• Digunakan bg imej yg memerlukan pemampatan
  lossless sbg cth bg imej perubatan yg kritikal

29
Digital Video The Entire Process Illustrated
30
Compressing Video

• Video compression employs both spatial and
  temporal compression
• spatial techniques compress individual frames
• temporal methods compress data in frames over
  time
• QuickTime and AVI (Audio Video Interleaved) are
  two popular (and incompatible with each other)
  formats

31
Compressing VideoSome Additional Methods

• DVI (Digital Video Interactive)
• Motion-JPEG
• MPEG (Motion Pictures Experts Group)
• The px64 Standard

32
Temporal Compression in Video

• Lossy strategies for eliminating redundancy of
  information between frames employ temporal
  compression -- referred to as interframe
  compression
• Sequence of frames are considered together
• key frames
• difference frames
• Used in QuickTime and DVI

33
Temporal Compression in Video (contd)

• MPEG and related codecs employ a more complex
  frame-referencing method
• intrapictures (I pictures)
• predicted pictures (P pictures)
• bidirectional pictures (B pictures)

34
Compressing Audio

• Widely used method is ADPCM (Adaptive
  Differential Pulse Code Modulation)
• ADPCM
• lossy method
• employs a differencing technique related to those
  used in video compression
• used in DVI

35
Summary

• Compressing data means reducing the effective
  size of a data file for storage or transmission
• Particular paired compression/decompression
  methods are called codecs
• Codecs that cannot reproduce the original file
  exactly are called lossy methods those that
  reproduce the original exactly are called
  lossless methods
• Text and numbers usually require lossless methods
• Images, video, and sound codecs are usually lossy

36
Summary

• Syntactic methods attempt to reduce the
  redundancy of symbolic patterns in a file without
  any regard to the type of information represented
• Semantic methods exploit characteristics inherent
  in the type of information being represented
• The use of codecs is not an exact science -- the
  effectiveness and suitability of any method will
  depend on the exact nature of the original file
  and the intended use for the compressed file