فشرده سازی تصوير به روش MPEG

تاریخچه فشرده سازی:

اولین تلاش های علمی که هدفشان کاهش میزان اطلاعات لازم برای رمز نگاری تصاویر ثابت بود در سال 1980 شروع شد . هدف اولیه آنها کاهش قابل ملاحظه اندازه فایل های گرافیکی و عکس ها در ذخیره سازی و انتقال آنها بود . در سال 1990، سازمان جهانی استاندارد ISO ، یک گروه کاربری به نام JPEG تشکیل داد که وظیفه آن ، تشریح دقیق یک استاندارد بین المللی برای تصاویر ثابت با قدرت تفکیک متفاوت در فرمت Y ، Cr، Cbيا RGB بود . استاندارد بین المللی حاصل به نام JPEG معروف شد ، و در سال 1993 تحت مرجع 10918 ISO/IEC منتشر شد که به عنوان ابزاری برای فشرده سازی تصاویر ثابت به کار می رود . در اینجا گام های اصلی این استاندارد بررسی می شود چون روش JPEG تا حدود زیادی الهام بخش روش MPEG بوده است .

MPEG-1 اولین نسخه MPEG است که به عنوان استاندارد رمزنگاری در سال 1992 رایج شد.

دلیل واهمیت فشرده سازی:

در حالت کلی ديجيتال شدن سيگنال های صوت و تصوير باعث می شود پهنای باند مورد نياز جهت انتقال برنامه ها زيادتر از انواع آنالوگ شود . بنابرين بايد روشی برای حل اين مشکل پيدا کرد ، چراکه بدون انجام اين امر، اين تکنولوژی ( ديجيتال سازی سيگنالها ) تقريبا بدون استفاده خواهد ماند . راه حل اين مشکل استفاده از انواع روشهای رمزنگاری با هدف کاهش مقدار اطلاعات ارسالی با حفظ تقريبی کيفيت سيگنال می باشد با توجه به تنوع روشهای انجام اين کار در اولين قدم بايد يکی از روشهای موجود را با توجه به مزايا و معايب و خصوصيات ذاتی آن انتخاب کرد . در مورد سيگنال های صدا وتصوير مورد استفاده در صنعت پخش گسترده راديو و تلويزيونی اين مطالعات از مدتها قبل در دنيا آغاز شده و می توان گفت تحقيقات در دنيا به نتيجه قطعی در مورد کليات اين روش رسيده است و اکثريت قاطع سازندگان تجهيزات و به تبع آن مصرف روی آورده اند . با توجه به اهميت علوم MPEG کنندگان به تکنولوژی رمزنگاری ضروری به نظر MPEG پخش گسترده راديو و تلويزيونی بررسی تکنولوژی می رسد.

( بلوک دیاگرام فشرده سازی)

بررسی دیجیتال سازی:

مزایای موجود در سیگنال دیجیتال باعث می گردد تا در طراحی سیستم های پخش همگانی منابع صوت و تصویر از حالت انالوگ به حالت دیجیتال یا دودویی حرکت شود.

برخی از مزیت هاای این کار عبارت اند از :

1. 1- پایداری و ایمنی بیشتر در برابر نویز و عوامل خطا و رسیدن به پاسخ بهتر و(SNR) بالاتر .
2. 2- قابلیت ذخیره سازی و بافرکردن به صورت بسیار انعطاف پذیر و در حجم بالاتر .
3. 3 – توانایی استفاده از الگوریتم های متنوع در پردازش دقیق سیگنال از جمله فشرده سازی .
4. 4- بالاتر بردن ضریب امنیت و دسترسی به داده ها از طریق رمزنگاری .
5. 5- قابلیت تکثیر متوالی از یک سیگنال دیجیتال بدون هیچ نقصانی در کیفیت سیگنال اصلی.
6. 6-آسانتر شدن استفاده از جلوه های ویژه در سیگنال صدا و تصویر دیجیتال .
7. 7– در سیستم های دیجیتال ایجاد تاخیر (delay) به آسانی قابل انجام است .
8. 8- سیستم های دیجیتال مستقل از استاندارد های متنوع پخش (PAL,NTSC,SECAM..)می باشند.

فشرده سازی:

همانطور که قبلا اشاره شد ديجيتال سازی سيگنال صوت و تصوير باعث افزايش بسيار زياد حجم اطلاعات می شود . بنابراين برای ايجاد امکان پخش تلويزيونی تصاوير و يا برای ايجاد امکان ذخيره سازی و… به فشرده سازی سيگنال ديجيتال شده نياز است. فشرده سازی ، کاهش نرخ بيت ،کاهش ديتا و يا کد کردن منبع همگی اصطلاحاتی هستند که يک مفهوم را دارند . در اصل خود اطلاعات )يا تقريباً همان اطلاعات)با کميت کمتری منتقل می شود . دلايلی که باعث شده فشرده سازی عموميت پيدا کند، اجازه مينياتورسازی را می دهد، که با استفاده از ديتا های ذخيره شده کمتر ، همان زمان پخش ، با سخت افزار کمتر حاصل شود.

انواع اصول فشرده سازی عمومی:

Run Length Coding  RLC-1

وقتی که يک منبع اطلاعات عناصر مربوط به پيامی را توليد می کند که در آن يک جزء به طورمتوالی تکرار می شود فرستادن کد عنصر وتعداد آنها، نسبت به تکرار کد به صرفه,تر است.اين عمل يک ضريب فشردگی متغير ايجاد می کند که هر چه سری جزء تکرار شونده طولانی تر باشدضريب فشرده سازی بزرگتر خواهد بود.

Variable Length Coding  VLC-2

VLC به روش رمزنگاری با طول متغير يا رمزنگاری آنتروپی مي گويند . که در اين روش کاهش نرخ بيت بر اساس اين واقعيت استوار است که احتمال اتفاق يک عنصر توليد شده از منبع، توسط کدی که با n بیت در حالت هم احتمال بودن عناصر بوجود آمده است و 2 به توان nاحتمال ممکن را خواهد داشت، گاهی اوقات مشابه نمی باشد. بنابراين برای کاهش نرخ بيت لازم برای انتقال رشته های توليد شده به وسيله منبع، مناسب است که عناصر با تکرار بيشتر با طول کمتر ازn بيت و عناصر با تکرار کمتر با تعداد بيت بيشتری، رمزنگاری شوند. که نتيجه آن، داشتن متوسط طول کمتر از طول ثابت n بيت می باشد.

Discrete Cosine Transform  DCT-3

( تبديل کسينوسی گسسته)روش فشرده سازی بکار رفته برای تصاوير می باشد . تبديل کسينوسی گسسته حالت ويژه ای از تبديل فوريه اعمال شده بر روی سيگنال های گسسته) نمونه برداری شده)می باشد . در تبديل فوريه يک سيگنال متناوب به سری هايی از توابع سينوسی و کسينوسی تبديل می شود . سپس می توان سيگنال را بوسيله سری های ضرايب هر يک از اين توابع، نمايش داد .

تحت شرايط مشخصی DCTسيگنال را تنها به يک سری از توابع کسينوسی هارمونيک هم فاز با سيگنال ، تبديل می کند که اين عمل بر خلاف فوريه تعداد ضرايب لازم برای توصيف سيگنال را به نصف کاهش می دهد .

در مورد سيگنال تصوير ، سيگنال اصلی سيگنالی است که به صورت دوبعدی نمونه برداری شده است . بدين علت يکDCT دو بعدی در جهت های عمودی و افقی خواهيم داشت که مقادير گسسته روشنايی يا رنگ از يک بلوک n*n را به بلوک ها يا ماتريس های ضرائب n*n تبديل می کند که ضرايب موجود در اين بلوک ها دامنه هر يک از توابع هارمونيک کسينوسی را نشان می دهند .

DCT آنرا به يک ماتريس ضرائب8*8تبديل می کند با ميانگين گيری از ضرايب هريک از 64 مربع و جمع کردن نتايج ،بدست می آيد .

فشرده سازی تصاوير ثابت ( JPEG) :

قابل توجه است که فشرده سازی JPEG بسته به کاربرد و ضريب فشرده سازی مورد نظر می تواند با اتلاف و بی اتلاف باشد .ما فقط روش فشرده سازی با اتلاف را بررسی خواهيم کرد زيرا رمزنگاری تصاوير درونی در MPEG از همان مراحل استفاده می کند. در ضمن اينکه در اين روش بسته به محتويات تصوير ، ضرايب فشرده سازی بيشتر از 10 ، بدون هيچ نقصان قابل توجهی در کيفيت تصوير بدست می آيد .

فشرده سازی با اتلاف در شش مرحله قابل توضيح است:

1. 1-تبديل تصوير به بلوکها : تصوير عموما در فرمت Y Cb Cr به بلوکهای اوليه 8*8 نقطه ای تقسيم می شود.
2. 2- تبديل کسينوسی گسسته
3. 3-آستانه گذاری و کوانتيزاسيون: اين مرحله ويژگی بينايی انسان را در نظر می گيرد . مخصوصااين واقعيت که چشم نمی تواند جزييات ريز يک سطح روشنايی مشخص را تشخيص دهد .
4. 4-مرور زيگزاگ

 اگر به پردازش تصویر علاقند هستید مقاله زیر را از دست ندهید:

پردازش تصویر با میکروکنترلر

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.