10.1. Базовый вейвлет-кодер изображения

Вейвлет-кодер изображения устроен так же, как и любой другой кодер с преобразованием. Назовем такой кодер базовым. Он состоит из трех основных частей: декоррелирующее преобразование, процедура квантования и энтропийное кодирование. В настоящее время во всем мире проводятся исследования по усовершенствованию всех трех компонент базового кодера. В следующих разделах будут рассмотрены современные, более сложные и эффективные кодеры. Так как в их основе лежит базовый кодер, рассмотрим подробнее его составляющие части.

10.1.1. Выбор вейвлетов для сжатия изображения

Выбор оптимального базиса вейвлетов для кодирования изображения является трудной и вряд ли решаемой задачей. Известен ряд критериев построения «хороших» вейвлетов, среди которых наиболее важными являются: гладкость, точность аппроксимации, величина области определения, частотная избирательность фильтра. Тем не менее, наилучшая комбинация этих свойств неизвестна.

Простейшим видом вейвлет-базиса для изображений является разделимый базис, получаемый сжатием и растяжением одномерных вейвлетов. Использование разделимого преобразования сводит проблему поиска эффективного базиса к одномерному случаю, и почти все известные на сегодняшний день кодеры используют его. Однако неразделимые базисы могут быть более эффективными, чем разделимые.

Прототипами базисных функций для разделимого преобразования являются функции На каждом шаге преобразования выполняется два разбиения по частоте, а не одно. Предположим, имеем изображение размером Сначала каждая из строк изображения делится на низкочастотную и высокочастотную половины. Получается два изображения размерами Далее, каждый столбец делится аналогичным образом. В результате получается четыре изображения размерами

низкочастотное по горизонтали и вертикали, высокочастотное по горизонтали и вертикали, низкочастотное по горизонтали и высокочастотное по вертикали и высокочастотное по горизонтали и низкочастотное по вертикали. Первое из вышеназванных изображений делится аналогичным образом на следующем шаге преобразования, как показано на рис. 10.1.

Известно, что для кодирования изображений хорошо подходят сплайновые вейвлеты. Эксперименты, проведенные рядом исследователей, показывают важность гладкости базисных функций для сжатия. Практически столь же большое значение имеет число нулевых моментов вейвлетов, которое тесно связано с гладкостью. Несмотря на это, некоторые исследователи считают, что важность гладкости для приложений цифровой обработки сигналов остается открытым вопросом. Наиболее широко на практике используют базисы, имеющие от одной до двух непрерывных производных. Увеличение гладкости не приводит к увеличению эффективности кодирования.

Рис. 10.1. Два уровня вейвлет-преобразования изображения

Д. Вилласенор систематически протестировал все биортогональные блоки фильтров минимального порядка с длиной фильтров . В дополнение к вышеперечисленным критериям учитывалась также чувствительность аппроксимации с низким разрешением к сдвигам функции . Наилучшим фильтром, найденным в этих экспериментах, оказался сплайновый фильтр

7/9. Этот фильтр наиболее часто используется в вейвлет-кодерах изображений. В частности, в видеокодеках семейства ADV6xx применяются именно эти фильтры.

Необходимо сделать одно замечание относительно этих результатов. Д.Вилласенор сравнивал пиковое отношение сигнал/шум, получаемое при использовании различных фильтров в простой схеме кодирования. Алгоритм размещения бит, применяемый им, хорошо работает с ортогональными базисами. В случае биортогональных фильтров должен применяться другой, более эффективный алгоритм. В силу этой причины некоторые заслуживающие внимания биортогональные фильтры были им обойдены.

Для биортогонального преобразования квадрат ошибки в области преобразования не равен квадрату ошибки в восстановленном изображении. В результате проблема минимизации ошибки становится намного более трудной, чем в ортогональном случае. Можно уменьшить ошибку в области изображения путем применения схемы взвешенного распределения бит, рассматриваемой в пункте 10.1.3. Тогда целый ряд фильтров по своей эффективности становится равным фильтру 7/9. Один из таких базисов - интерполирующий вейвлет Деслаури-Дубук порядка 4, преимуществом которого является то, что коэффициенты фильтра - рациональные числа, кратные степени 2. Оба этих вейвлета имеют 4 нулевых момента и две непрерывные производные.

Семейство многообещающих фильтров было разработано И.Баласингамом и Т.Рамстадом. Процедура разработки заключалась в комбинировании классических методов разработки фильтров с идеями теории вейвлетов. Получившиеся фильтры значительно превосходят популярные фильтры 7/9.

10.1.2. Осуществление преобразования на границах изображения

Для эффективного сжатия необходимо тщательно обрабатывать границы изображения. Методы осуществления вейвлет-преобразования, учитывающие границы, были описаны в главе 3. Альтернативным методом является конструирование граничных фильтров, сохраняющих ортогональность преобразования вблизи границы. Проблеме конструирования граничных фильтров посвящен ряд статей Е.Ковачевич. Как было показано в главе 6, при применении лифтинговой схемы границы учитываются автоматически.

10.1.3. Квантование

В большинстве вейвлет-кодеров применяется скалярное квантование. Существуют две основные стратегии выполнения скалярного квантования. Если заранее известно распределение коэффициентов в каждой полосе, оптимальным будет использование квантователей Ллойда-Макса с ограниченной энтропией для каждой субполосы. В общем случае подобным знанием мы не обладаем, но можем передать параметрическое описание коэффициентов путем посылки декодеру дополнительных бит. Априорно известно, что коэффициенты высокочастотных полос имеют обобщенное гауссовское распределение с нулевым матожиданием.

На практике обычно применяется намного более простой равномерный квантователь с «мертвой» зоной. Как показано на рис. 10.2, интервалы квантования квантования имеют размер А, кроме центрального интервала (возле нуля), чей размер обычно выбирается

Коэффициенту, попавшему в некоторый интервал, ставится в соответствие значение центроида этого интервала. В случае асимптотически высоких скоростей кодирования равномерное квантование является оптимальным. Хотя в практических режимах работы квантователи с «мертвой» зоной субоптимальны, они работают почти так же хорошо, как квантователи Ллойда-Макса, будучи намного проще в исполнении. Кроме того, они робастны к изменениям распределения коэффициентов в субполосе. Дополнительным их преимуществом является то, что они могут быть вложены друг в друга для получения вложенного битового потока.

Рис. 10.2. Равномерный квантователь с «мертвой» зоной

10.1.4. Энтропийное кодирование

Субоптимальное энтропийное кодирование коэффициентов можно осуществить при помощи алгоритма арифметического кодирования. Кодеру требуется оценить распределение квантованных коэффициентов. Эта оценка

получается путем аппроксимации распределения коэффициентов гауссовской или лапласовской плотностью и вычисления параметров распределения. Оценка параметров может также производиться и в процессе работы, «на ходу». Такой подход имеет то преимущество, что кодер учитывает локальные изменения статистики изображения. Известны эффективные адаптивные процедуры оценивания.

Так как изображение не является случайным гауссовским процессом, коэффициенты преобразования, хотя и некоррелированные, обладают определенной структурой. Энтропийный кодер может использовать эту структуру, осуществляя некоторое предсказание. В ряде работ отмечено, что применение предсказания приводит к незначительному повышению эффективности.

На практике зачастую вместо арифметического кодера используют кодер Хаффмана. Причина этого заключается в меньшем требующемся объеме вычислений, а также в том, что алгоритмы арифметического кодирования запатентованы. Так, только фирма IBM обладает более чем 90 патентами различных вариаций этого кодера. В силу этого в видеокодеках ADV6xx применен кодер Хаффмана.

10.1.5. Распределение бит

Итак, последним вопросом, на который необходимо ответить при создании алгоритма сжатия, является следующий: как точно квантовать каждую из субполос? На этот вопрос дает ответ алгоритм распределения бит. Общая идея заключается в определении такого числа бит отводимых для кодирования субполосы, при котором суммарное искажение было бы минимальным с учетом ограничения Если известен точный вид функции проблема решается с использованием условий Куна-Тукера. Одно из решений заключается в аппроксимации функции функцией скорость-искажение для гауссовского источника. Однако при низких скоростях кодирования эта аппроксимация будет неточна. Лучшие результаты могут быть получены путем измерения в диапазоне изменения и решения проблемы ограниченной оптимизации с применением метода целочисленного программирования. Данная задача была решена И.Шохамом и А.Гершо.

В случае применения биортогональных вейвлетов возникает дополнительная трудность, заключающаяся в неравенстве среднеквадратической

ошибки (СКО) области изображения и области трансформанты. П.Мулином был сформулирован алгоритм кратномасштабного ослабления, который дает приближенное решение этой проблемы. Данный алгоритм значительно эффективнее обычной минимизации СКО в области трансформанты. В главе 10 будет описан метод распределения бит, примененный в

Более простым методом является аппроксимация СКО изображения взвешенной суммой СКО субполос. Вес для субполосы находится следующим образом: устанавливаем один коэффициент этой полосы в 1, а остальные - в 0. Затем выполняем обратное преобразование. Вес равен сумме квадратов получившихся значений. Распределение бит производится с целью минимизации взвешенной суммы Процедура взвешивания дает хорошие результаты, когда используются неортогональные вейвлеты, например вейвлеты Деслари-Дубук, ставшие популярными благодаря лифтинговой схеме (глава 6). Для фильтра 7/9 веса близки к 1, поэтому взвешивание в данном случае нецелесообразно.

10.1.6. Меры искажения, взвешенные с учетом восприятия человеком

СКО не всегда хорошо согласуется с визуально наблюдаемой ошибкой. Рассмотрим, например, два изображения, которые полностью одинаковы, кроме небольшой области. Хотя визуально разность между этими изображениями хорошо заметна, СКО будет примерно одинаковой. Учет системы человеческого зрения в схеме сжатия является трудной задачей. Было проведено множество исследований, но в силу трудностей с математическим описанием системы зрения человека подходящей меры найдено не было.

Известно, что в человеческом глазу выполняется операция многомасштабного представления изображений. Г лаз более чувствителен к искажениям в низкочастотной области. Отсюда существует возможность улучшения визуального качества реконструированного изображения путем взвешивания СКО субполос в соответствии с чувствительностью глаза в различных частотных диапазонах. Веса для наиболее часто используемого фильтра 7/9 были вычислены А.Ватсоном.