Tema 3

Compresión de Datos Multimedia

Introducción

• La compresión es una manipulación o transformación de la información de entrada, que se realiza antes de transmitirla.

• El objetivo es enviar la información con la menor cantidad de datos

• PRINCIPIOS DE LA COMPRESIÓN– Los algoritmos de compresión se pueden clasificar en:

• sin perdida de información: no pierde nada de información al descomprimir.

• con perdida de información: en el proceso de descompresión se pierde cierta información que no se considera fundamental.

Introducción (II)• Tipos de codificación:

– Codificación en función la entropía: utiliza algoritmos sin perdida de información e independientes del tipo de datos.

• Codificación de longitud, representa del dato y las veces que aparece de manera consecutiva.

• Codificación estadística, la codificación de un dato depende de la probabilidad de aparición de cada elemento. Ej. Codificación de Huffman.

000000011111111110000011 0,7 1,10 0,5 1,2

010, 10, 00, 11, 0110, 0111Propiedad Prefijo

M 0,25 10F 0,25 11Y 0,125 010N 0,125 0110 0,125 0001 0,125 001

Nº medio de bits por código 2,5Entropía de la fuente 2,5

Introducción (II)– Codificación en función de la fuente (basada en el tipo de

información). Podemos distinguir dos tipos:• Codificación diferencial, se almacena la diferencia de los

valores.– 12 bits codificar amplitud de la señal o 3 bits para codificar

diferencias– Puede ser tanto sin pérdida como con pérdida, dependiendo del

número de bits utilizado para codificar• Codificación por transformación, se produce una

trasformación de la información antes de comprimirla.– Por ejemplo, la transformación de la matriz bi-dimensional de

píxel a una matriz equivalente en el espacio de frecuencia DCT. » Frecuencia espacial» Componentes en frecuencia horizontal y vertical

Compresión de Texto

• Los algoritmos más utilizados para la compresión de textos son los basados en la codificación estadística.

• Tipos– Codifican cada carácter– Codifican cadenas de caracteres de longitud variable– Codificación estática– Codificación dinámica o adaptativa

• Codificación de Huffman, estática y dinámica• Codificación aritmética• Codificación basada en diccionarios:

• Codificación de Lempel-Ziv (LZ)• Codificación de Lempel-Ziv-Welsh ( LZW), diccionario dinámico

y se transfiere con el texto.

Símbolo P

A 0,15

B 0,30

C 0,20

D 0,05

E 0,15

F 0,05

G 0,10

Compresión de Imágenes

• En la compresión de imágenes generadas por ordenador se utiliza un algoritmo sin perdida de información.

• La compresión de imágenes digitalizadas se basa principalmente en dos técnicas: – la combinación de compresión por longitud y estadística

(facsímil)– la combinación de codificación por transformación,

diferencial y de longitud• GIF ( graphics interchange format )

– Utiliza el algoritmo de compresión LZW.– Comprime imágenes de color de hasta 24 bits de

profundidad de pixel.– Consigue una compresión 3:1– También se puede enviar la imagen entrelazada, en relación

de 1/8, 1/4 o 1/2.

TIFF• TIFF ( tagged image file format )• Utiliza una resolución de 48 bits ( 16 bits por cada color primario RGB)• La denominación en inglés Tagged Image File Format (formato de

archivo de imágenes con etiquetas) se debe a que los ficheros TIFFcontienen, además de los datos de la imagen propiamente dicha, "etiquetas" en las que se archiva información sobre las características de la imagen, que sirve para su tratamiento posterior.

– Binarias (blanco y negro), adecuadas para textos, por ejemplo. – Niveles de gris, adecuadas para imágenes de tonos continuos como fotos en

blanco y negro. – Paleta de colores, adecuadas para almacenar diseños gráficos con un número

limitado de colores. – Color real, adecuadas para almacenar imágenes de tono continuo, como fotos

en color. • Sin compresión • Huffman modificado, el mismo que las imágenes de fax (UIT grupo III y

IV anteriormente CCITT). • LZW.

JPEG

• JPEG (Joint Photographic Experts Group) es un algoritmo diseñado para comprimir imágenes con 24 bits de profundidad o en escala de grises.

• Definido en el Estándar IS 10918 • JPEG es también el formato de fichero que utiliza este

algoritmo para comprimir imágenes. JPEG sólo trata imágenes fijas, pero existe un estándar relacionado llamado MJPEG para vídeos.

• JPEG es un algoritmo de compresión con pérdida. • El grado de compresión es ajustable, dando lugar a

diferentes calidades. • Esta pérdida de calidad se acumula. • El algoritmo de compresión consta de 5 etapas

Codificación JPEG

• Preparación de la imagen/bloque – Primero se converte la imagen desde su modelo de color RGB al

modelo YUV.– Se divide la imagen en una matriz de bloques de 8x8 en

codificación DCT (Transformación discreta de coseno)

Codificación JPEG• Transformación DCT, genera los coeficientes

DC y AC.

Coeficiente DC

Codificación JPEG• Cuantificación: Mediante una tabla de cuantificación, reduce las matrices de DC y

AC según la calidad necesaria– Cuantificación Uniforme– Cuantificación No-Uniforme

• http://www.cs.sfu.ca/CourseCentral/365/li/material/cgi-bin/whichjpeg.cgi

Matriz de CuantificaciónMatriz Cuantificada

Codificación JPEG• Codificación de la entropía, se divide en:

– Vectorización: transforma la matriz en vector– Codificación diferencial de los coeficientes DC (SSS, value)– Codificación de longitud de los elementos AC (skip, value)– Codificación de Huffman mediante una tabla de códigos

−26, −3, 0, −3, −3, −6, 2, −4, 1 −4, 1, 1, 5, 1, 2, −1, 1, −1, 2, 0, 0, 0, 0, 0, −1, −1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0

Codificación JPEG• Construcción del frame:

– da como resultado la cadena bits que representa la codificación JPEG. Indica el inicio y el final de la imagen.

– http://www.dsdesign.com/articles/violin.htm

JPEG (II)El estándar JPEG 2000 actualiza el estándar JPEG a fin de incorporar trenes de ondas, que básicamente eliminan la ‘cuadriculación’ a niveles de compresión más altos y en su lugar sustituyen este efecto con una sensación global de imagen borrosa que es menos molesta para el ojo

Imagen original Imagen JPEG Imagen JPEG 2000

Compresión de Audio• DPCM ( Diferencial Pulse Code Modulation )

– Se basa en que en la mayoría de las señales de audio el rango de diferencias entre muestras es menor que el rango de amplitudes total

– Reduce en un bit el muestreo, el ancho de banda requerido es de 56 ksps

• ADPCM ( Adaptative DPCM)– Mejora del DPCM, adaptando dinámicamente los coeficientes de

predicción– Estándar G.722, llega hasta 16 ksps de muestreo, con 5 bits.

Compresión de Audio

• LPC ( linear predictive coding )– Se basa en el muestreo de la onda de voz en tiempo

variable. Estas muestras son cuantificadas por un PCM o por un DPCM.

• Pitch (tono)• Period (Periodo)• Loudness (volumen, intensidad)• Modelo vocal

– Sordo (f, s) o sonoro (m, v, l)– Estándar LCP-10, 2.4 o 1.2 kbps , calidad pobre, uso militar.

• Código animado LPC– Constituye el conjunto de estándares CELP ( code-excited

linear prediction )• G.728, velocidad 16kbps, utilizado para telefonía• G.729, 8 kbps, telefonía móvil• G.729(A), 8 kbps, voz y datos• G.723.1, 5.3/6.3 kbps, vídeo y telefonía por Internet

Compresión de Audio

• Codificación de audio MPEG– Utiliza 12 conjuntos de 32 muestras PCM que es traducida

por la transformada discreta de Fourier (DFT)– Recomendación ISO 11172-3. Hay tres niveles:

• Mp1, 32 a 448 ksps, calidad casete audio digital, Alta fidelidad• Mp2, 32 a 192 ksps, cercano a calidad CD• Mp3, 64 ksps, calidad CD

• Codificación de audio Dolby– Existen tres estándares:

• Dolby AC-1 ( acoustic coder ): velocidad de compresión 512 kbps, alta fidelidad, transmisión de radio y televisión por satélite

• Dolby AC-2: velocidad de compresión 256 kbps, alta fidelidad, utilizado en tarjetas de PC

• Dolby AC-3: velocidad 192 kbps, cercano a la calidad de CD, utilizado en la difusión de video digital.

Compresión de Video

• La digitalización de video se basa en el muestreo de la luminancia ( Y ) y las cromináncias ( U y V ).

• Principios de compresión de vídeo– Se puede hacer un muestreo de la imágenes y almacenarlas

en frames independientes, movingJPEG (MJPEG). Se obtiene un muestreo entre 10:1 y 20:1.

– Esto produce muchos frames similares por lo que se define la estimación del movimiento y la compensación del movimiento.

– Podemos distinguir varios tipos de frames:• Independiente o I-frame• Predictivo, de dos tipos:

– Predictivo o P-frame– Bidireccional o B-frame, también se le conoce como de

interpolación

– El número de frames entre sucesivos I-frames se conoce como grupo de imágenes ( GOP ), normalmente va desde 3 a 12

– Se pueden unir un P-frame y un B-frame que estén contiguos, formando el PB-frame

– En las aplicaciones de video bajo demanda existe un tipo de frame llamado D-frame que sirve de marca para el acceso directo

Compresión de Vídeo

• H.261– Estándar de compresión de vídeo para los servicios de

video-teléfono y video-conferencia en la RDSI– Cada frame se divide en 16x16 macro-bloques, con una

resolución horizontal de 352 que produce 22 macro-bloques. – Se utiliza los formatos CIF con 15 fps y QCIF con 7.5 fps.– Se utilizan 3 P-frames por cada I-frame.– Velocidad de transmisión es de 64 kbps.

• H.263– Estándar de compresión de vídeo para la aplicaciones de

vídeo sobre redes móviles y la red telefónica conmutada.– Utiliza los formatos QCIF en 15 fps y s-QCIF en 7.5 fps.– Para obtener este gran nivel de compresión se utilizan los

tipos de imágenes I-frames, P-frames y B-frames.– Utiliza un sistema de corrección de errores.– Velocidades menor que 64 kbps

Compresión de Vídeo

• MPEG (Motion Picture Expert Group) Dependiendo de la resolución se definen tres estándares:– MPEG-1: (Recomendación 11172) utiliza el formato de

digitalización SIF con una resolución de 352x288 pixels. Produce una calidad similar a la VHS. VideoCD

– MPEG-2: ( Recomendación 13818 ) (DVD). define cuatro niveles de resolución:

• Baja, compatible con MPEG-1, formato de digitalización SIF, calidad VHS

• Principal, basada en el formato 4:2:0, con una resolución de 720x576 pixels. Audio con calidad de CD.

• Alta 1444, formato de digitalización 4:2:0 con una resolución de 1440x1152 pixels. Utilizada en HDTV.

• Alta, formato de digitalización 4:2:0 con una resolución de 1920x1152 pixels. Utilizada en HDTV de pantalla panorámica.

– MPEG-4: se utiliza en aplicaciones multimedia sobre Internet. Similar a H.263. Se basa en la composición de escenas VOP ( video objects planes ).

Mecanismo de Codificación y Decodificación MPG4