СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЦИФРОВОГО ФАЙЛА, В ЧАСТНОСТИ, ТИПА ИЗОБРАЖЕНИЯ, ВИДЕО И/ИЛИ АУДИО Российский патент 2014 года по МПК H04N19/102 H03M7/30 

Настоящее изобретение относится к способу обработки цифрового файла, в частности, типа изображения, видео и/или аудио.

Изобретение, в частности, но не исключительно, используется для обработки файла, первоначально находящегося в исходном формате и содержащего по меньшей мере два поднабора значений.

Более конкретно, изобретение предлагает операцию обработки, включающую в себя фазу сжатия, при которой может быть получен сжатый файл, значения которого уменьшили амплитуду относительно амплитуды значений, из исходного файла, и затем фазу восстановления, при которой из сжатого файла может быть получен файл, имеющий значения, амплитуды которых подобны амплитудам исходного файла.

В целом, в настоящее время известно, что существует по меньшей мере три способа сжатия посредством подвыборки файлов изображения или видео, т.е. индексация цвета, подвыборка YC_bC_r (также называемая YUV для видео) и уменьшение критериев яркости.

Способ индексации цвета состоит из уменьшения до единственной составляющей, кодированной восемью битами, трех цветовых составляющих RGB изображения. С помощью данного способа индексации можно получить значительную степень сжатия, так как система только кодирует треть исходной информации. Данный способ индексации подразделяется на две альтернативы:

способ статической индексации, также называемый индексацией индуцированной палитрой, состоящий из присвоения каждому пикселю одной из 256 комбинаций, доступных для системы, и

способ динамической индексации, также называемый индексацией, встроенной палитрой, который требует хранения восьми битов трех байтов, который представляет каждую комбинацию разных цветов.

Подвыборка YC_bC_r (или YUV) для уменьшения цветности включает в себя три различных сигнала, т.е.:

так называемый сигнал яркости Y, составленный из первичных RGB-сигналов, взвешенных в соответствии с кривой чувствительности глаза:

Y=0,299R+0,587G+0,114B

посредством двух дополнительных, так называемых сигналов цветности может быть получена информация C_b и C_r:

C_b=-0,169R-0,331G+0,500B+128

C_r=0,500R-0,419G-0,080+128

Посредством данного способа яркость Y может передаваться с широкой полосой частот, что существенно урезает полосу пропускания, присвоенную для информации о цветности, переносимой посредством C_b и C_r (подавление цветовой информации, касающейся мелких деталей, которые не воспринимаются пользователями).

Способ уменьшения критериев яркости состоит из уменьшения уровней яркости значений в соответствии с определенным масштабом и восстановления уменьшенных значений по их исходным критериям яркости с постоянным коэффициентом ошибок, выбранным прямо из фазы сжатия. Посредством данной разработки можно скорректировать некоторые ошибки, генерируемые ее способом сжатия. Данный способ, в частности, имеет следующие преимущества:

а) Он, например, уменьшает диапазон ошибок между восстановленными значениями и исходными значениями до отклонения, содержащегося между «-2» и «+2».

b) Он, например, уменьшает амплитуду значений, передаваемых на кодер, и, поэтому, позволяет кодировать 18 битами значения, которые нормально должны кодироваться 24 битами в подвыборке YC_bC_r.

с) Он уменьшает количество значений, подлежащих кодированию, из-за уменьшения количества значений и их амплитуды. Он дополнительно позволяет уменьшить количество цветов.

d) Он позволяет обрабатывать все типы неподвижных и анимированных изображений, в частности изображений с единственной составляющей или с несколькими составляющими.

е) Он представляет собой автономный способ или модуль сжатия, который может быть интегрирован в существующую цепь сжатия.

f) С его помощью файлы, уже сжатые в виде файлов JPEG или MPEG, могут быть «повторно сжаты» путем его выполнения.

g) Он использует ограниченное количество операций для сжатия, аналогично для разуплотнения.

Тем не менее, отсюда следует, что вышеупомянутые способы сжатия имеют некоторое количество недостатков.

Так, в частности, общеизвестны ограничения подвыборки посредством статической или динамической индексации:

Статическая индексация является источником значительных ошибок. Кроме того, данный способ сжатия аналогичен сжатию черно-белого изображения, для которого трудно сильно уменьшить единственную составляющую из-за угрозы невозможности ее восстановления.

Динамическая индексация оказывается неэффективной, когда она имеет дело с изображением, заданным большим количеством цветовых комбинаций, таким как фотография, например: индексация сотен тысяч цветов также требует хранения ссылок сотен тысяч байтов, умноженных на количество цветовых составляющих изображения.

Подвыборка YC_bC_r лишь несовершенно удовлетворяет проблеме сжатия изображений по четырем причинам:

а) Ее разработка ограничивает ее обработкой RGB-изображений. Действительно, данный способ не разработан для обработки файлов, состоящих из 1, 2-4 цветовых составляющих, подобных черно-белым изображениям, двухцветным изображениям и файлам CMYK.

b) Она не является автономным процессом сжатия. Действительно, она не генерирует достаточное преобразование файла в порядке, который может быть автономным процессом сжатия. Используемая отдельно, подвыборка YC_bC_r генерирует только низкие коэффициенты сжатия. Вот почему известные стандарты добавили другие алгоритмические этапы к нему.

с) Подвыборка YC_bC_r концептуально представляет собой вектор распространения ошибки. Действительно, с помощью данного способа нельзя установить однозначное соотношение между исходными значениями и восстановленными значениями. Отклонения между этими значениями, как правило, располагаются между «-1» и «+1». Эти отклонения даже являются обнаруживаемыми невооруженным глазом, когда система сжатия использует подвыборку YC_bC_r «4.2.2». Во время разуплотнения данный способ использует способ интерполяции, состоящий из добавления между двумя последовательными значениями сжатого файла дополнительного значения, равного среднему значению обоих сжатых значений, при этом данное дополнительное значение, как предполагается, заменяет значение, которое было уничтожено во время процесса сжатия.

Данное решение вызывает отклонения, которые располагаются между «-128» и «+128», т.е. могут достигать «255».

d) Подвыборка YC_bC_r приводит к несбалансированному ухудшению цветности. Действительно, посредством сбора, с одной стороны, всех деталей изображения на единственной составляющей, составляющей Y, которая является менее сильно сжимаемой из-за угрозы быстрого достижения необратимого ухудшения изображения, и посредством группирования, с другой стороны, цветовой информации на составляющих «C_b» и «C_r» (понимаемых как синтез исходных цветов изображения), которые квантуются более сильно, подвыборка ведет к восстановлению более видимых дефектов из-за дифференцированной обработки информации.

И наоборот, статистически и концептуально видно, что уменьшение субпикселей цветового пикселя на идентичный коэффициент является более эффективным с точки зрения затрат: риск появления разности яркости между субпикселями фактически существенно меньше, чем в случае дифференцированного квантования субпикселей.

На данный момент, это главная критика, которая может быть адресована сжатию посредством подвыборки. Действительно, из-за инерционности сетчатки глаза именно разность яркости, особенно между субпикселями, делает дефекты более видимыми. Поэтому, предпочтительно, чтобы яркость субпикселей изменялась в соответствии с таким же коэффициентом и в том же направлении для всех субпикселей (при условии, что она не очень далеко от исходной яркости).

е) Способ сжатия посредством уменьшения критерия яркости, как таковой, имеет следующие недостатки:

Он недостаточно уменьшает отклонения, которые отстоят от значений файла, для которого яркость была уменьшена. По этому поводу следует напомнить, что уменьшение количества шагов между этими значениями является определяющим элементом для получения эффективности в сжатии. На данный момент, конкретно, именно данное свойство отсутствует в способе уменьшения критерия яркости, несмотря на все те свойства, которые в нем, кроме того, накоплены.

Он не предназначен для сжатия без какого-либо ощутимого ухудшения изображений с максимум 256 цветами.

Из-за его определения данный способ не применим для сжатия аудиофайлов.

Что касается аудиофайлов, метод подвыборки основывается на простой математической формуле, которая состоит в уменьшении количества исходных выборок в секунду в соответствии со способом «N» усредненных значений. Например, для подвыборки файла 44,100 кГц в файл 22,050 кГц данный способ выполняет усреднение два на два значений выборок. Сохраняется только среднее, представляющее одну выборку из двух. Объем байтов исходного файла, таким образом, уменьшается наполовину, хотя всегда кодируется 16 битами на каждый канал.

Задачей изобретения, более конкретно, является удовлетворение новым требованиям, налагаемым сжатием новыми способами для представления изображений, видео и для создания звуков, которые требуют более высокого качества и меньшего сжатия.

Для решения этой задачи предложен способ сжатия цифрового файла, содержащий:

фазу для размещения в строку на каждый цветовой слой и/или на каждый аудиоканал цифровых данных любого файла аудио, изображения и видео и фазу сжатия, при которой значения упомянутого файла последовательно сжимаются посредством алгоритма, в котором каждое сжатое значение ряда N (т.е. VCN) получается посредством вычитания из значения VN этого же ряда N исходного файла предварительно определенного количества последовательных сжатых значений (VCN-1,VCN-2, …), вычисленных предварительно, и

фазу восстановления, в которой каждое из значений сжатого файла приводится обратно к значению, близкому к соответствующему значению исходного файла посредством алгоритма, в котором каждое восстановленное значение ряда N (т.е. VDN) получается добавлением к значению VCN этого же ряда сжатого файла предварительно определенного количества последовательных восстановленных значений (VCN-1,VCN-2, …).

Таким образом, алгоритм сжатия может иметь вид соотношения:

в котором:

VC_N представляет собой значение ряда N сжатого файла

VC_N-1 представляет собой предварительно вычисленное значение ряда N-1 сжатого файла

VC_N-2 представляет собой предварительно вычисленное значение ряда N-2 сжатого файла

V_N представляет собой значение ряда N исходного файла

k и h представляют собой коэффициенты сжатия, изменяющиеся в соответствии с искомым уровнем сжатия, например:

Уровень 1 $$k=\frac{1}{3}$$ h=1 Уровень 2 $$k=\frac{1}{5}$$ h=3 Уровень 3 $$k=\frac{1}{7}$$ h=10

Алгоритм восстановления может иметь вид соотношения:

в котором:

VD_N представляет собой восстановленное значение ряда N

VC_N-1 представляет собой сжатое значение ряда N-1

VC_N-2 представляет собой сжатое значение ряда N-2

С помощью данного решения, поэтому, можно получить уменьшение амплитуды значений файла и воссоздать восстанавливаемый файл посредством использования определенного количества последовательных значений сжатого файла.

Особенно выгодно, что описанный ранее способ применяется в случае файлов, таких как, например, файлы изображения, видео и/или аудио, включающие в себя по меньшей мере два набора последовательных значений. В данном случае, операция обработки сжатия может содержать:

предварительную фазу для выбора из обоих наборов одного, для которого среднее отклонение, разделяющее цифровые значения данного набора, больше среднего отклонения, которое разделяет значения другого набора,

фазу для сжатия выбранного набора посредством использования алгоритма сжатия предварительно описанного типа, например, типа

фазу для сжатия второго набора посредством алгоритма сжатия, включающего в себя вычисление каждого значения формулы:

в которой:

V'_N представляет собой значение ряда N второго файла

VC_N-1 представляет собой сжатое значение ряда N-1 первого файла

VC_N-2 представляет собой сжатое значение ряда N-2 первого файла.

В данном случае, восстановление значений первого файла может осуществляться в соответствии с алгоритмом восстановления:

в котором VD_N представляет собой восстановленное значение ряда N первого файла.

Восстановление значений второго файла тогда может осуществляться по алгоритму:

в котором VD'_N представляет собой восстановленное значение ряда N второго файла.

Существенное преимущество способа, описанного ранее, заключается в том факте, что можно найти решение проблем, налагаемых применением мультимедийных цифровых данных с многочисленной поддержкой, и тем фактом, что он приспособлен к характеристикам цифровых файлов:

монофоническое 8- и 16-битовое аудио

16-битовое и более многоканальное аудио

изображения с 1, 2, 3 и 4 цветовыми составляющими

видео с 1, 2, 3 цветовыми составляющими

фиксированные или анимированные 2D и 3D изображения

Кроме того, можно в значительной степени решить проблемы, налагаемые оптимизацией существующих процессов сжатия, в том, что:

он представляет собой автономный процесс сжатия, повышающий коэффициенты сжатия систем последовательного кодирования типа LZW или систем статистического кодирования типа «Хаффмана»,

он может быть вставлен в существующие цепи сжатия в качестве модуля сжатия, который может использоваться в качестве:

- дополнительного этапа

- и альтернативы некоторым существующим этапам, таким как преобразование YC_bC_r

- и альтернативы некоторым фазам некоторых существующих этапов, таких как преобразование C_bC_r

- способа оптимизации, интегрированного в формулу преобразования в преобразовании YC_bC_r или типа таблицы квантификации.

В случае, когда желательно получить большую степень сжатия (с незначительной разностью между восстановленными значениями и исходными значениями файла аудио, изображения или видео), операция обработки согласно изобретению может содержать:

фазу сжатия, использующую алгоритм вида:

в котором i - коэффициент, зависящий от искомых уровней сжатия, причем i>1, и

фазу восстановления, использующую алгоритм вида:

Поэтому, обнаружено, что способ согласно изобретению обеспечивает:

средство для аксиоматических правил сжатия посредством уменьшения амплитуды значений, отклонений между значениями и количества значений тем самым ограничивая разные приращения,

установление постоянного диапазона сжатых значений в зависимости от выбранного уровня сжатия и, следовательно,

строгое ограничение диапазона ошибок между восстановленными значениями и значениями, которые должны быть восстановлены, т.е.:

или исходные значения, когда способ используется в качестве автономного процесса сжатия,

или значения, которые один из этапов сжатия существующих систем устанавливает без какого-либо вмешательства способа согласно изобретению.

Посредством этих особенностей с помощью способа согласно изобретению, в частности, возможно:

уменьшить, насколько это возможно, общее количество значений, передаваемых на последовательный или статистический кодер, так что объем байтов сжатых файлов является настолько малым, насколько это возможно, в то же время восстанавливая файл, подобный исходному или подобный тому, который должен быть без вмешательства способа согласно изобретению в соответствии с уровнем потерь, строго заданным заранее и классифицируемым в соответствии с

сущностью цифрового файла

не относящегося ко времени (изображение)

зависимому от времени (аудио и видео)

назначения файла, охватывающего диапазон

от цифрового кинотеатра до мониторинга видео

от публикуемых изображений до изображений миниатюр мобильного телефона.

Вариант осуществления способа согласно изобретению описывается ниже в данном документе в качестве неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 изображает файл, содержащий три блока 8×8 значений изображения для красного, зеленого и синего цветов (RB, GB, BB) соответственно;

фиг.2 изображает организацию значений блоков на фиг.1 по трем соответствующим строкам (красный, зеленый, синий) (RL, GL, BL);

фиг.3-7 представляют собой диаграммы, представляющие амплитуды значений исходного изображения (фиг.3), после сжатия YC_bC_r (фиг.4), после сжатия по способу согласно изобретению (фиг.5), после восстановления YC_bC_r (фиг.6) и после восстановления (фиг.7) по способу согласно изобретению.

Сначала следует напомнить, что обработка цифрового изображения обычно включает в себя разбиение трех составляющих изображения, например, RGB или YUV, на блоки пикселей 8×8.

Фиг.1 изображает пример гомологических блоков, красного RB, зеленого GB, синего BB, каждый из которых имеет 64 значения, присвоенных пикселям.

Чтобы способствовать пониманию, три последовательных гомологических значения отмечены рамкой, т.е. значения 129, 138, 138 для красного блока RB, значения 80, 87, 90 для зеленого блока GB и значения 57, 61, 63 для синего блока BB.

Обработка этих блоков RB, GB, BB в пределах объема способа согласно изобретению сначала содержит предварительную фазу, состоящую из последовательной организации значений этих блоков RB, GB, BB на трех соответствующих строках, на каждой из которых значения занимают положения 1-64, и следуют друг за другом в соответствии с порядком, который определяется режимом считывания используемого блока. В данном примере, режим считывания чередующегося типа, причем последовательное считывание двух соседних строк осуществляется в противоположных направлениях относительно друг друга, как показано на фиг.1.

На фиг.2, которая изображает три строки RL, GL, BL, полученные из блоков RB, GB, BB, три отмеченные значения занимают ряды 40, 41, 42 соответственно.

Диаграммы, проиллюстрированные на фиг.3-7, были выложены для предоставления возможности выполнения сравнения амплитуд значений (по ординатам), в зависимости от их ряда (по абсциссам), причем ряды значений, соответствующие строке RL, находятся в диапазоне 1-64, ряды значений, соответствующие строке GL, находятся в диапазоне 65-128, и ряды значений, соответствующие строке BL, находятся в диапазоне 129-192 (фиг.2).

График на фиг.3, который изображает амплитуду значений исходного RGB-изображения, изображает изменение значений между 3 и 188 с пиками для значений ряда 3, 67 и 131.

На графике фиг.4, который изображает амплитуду, полученную после преобразования типа YC_bC_r значений исходного изображения, изменения, подобные изменениям значений красного цвета графика на фиг.3, снова обнаружены, но с существенным затуханием для значений Y (которые занимают ряды 1-64). С другой стороны, значения C_b, C_r, которые занимают ряды 65-128 и 129-192, образуют два последовательных плато, расположенные соответственно вокруг 110 для C_b и вокруг 150 для C_r. Видно, что значения этих трех составляющих распределены между значениями 3 и 178.

График, проиллюстрированный на фиг.5, изображает, что сжатые значения, полученные способом согласно изобретению, остаются на не очень высоком уровне (между -8 и 59) относительно соответствующих значений исходного изображения (RGB-блоки) (фиг.3) и тех, которые были получены преобразованием YC_bC_r (фиг.4).

Это свойство особенно видно на пиках значений, присутствующих на диаграммах фиг.3 и 4, RGB и YC_bC_r.

Таким образом, заметно, что пики, образованные со значениями из ряда 3 на фиг.3 и 4, поднимаются соответственно до 188 и 178, тогда как для этого же ряда соответствующее значение, полученное способом согласно изобретению, представляет собой порядка 53 (посредством использования формулы 1 сжатия с $$k=\frac{1}{3}$$ и h=1 (фиг.5)).

С другой стороны, в конце обработки (после воссоздания) восстановленные значения снова обнаруживаются (фиг.7) очень близко к тем значениям исходного изображения (фиг.3) и к тем, которые получены после восстановления значений преобразования YC_bC_r (фиг.6).

Поэтому, оказывается, что, не вызывая заметного ухудшения восстановленного изображения относительно исходного изображения, со способом согласно изобретению можно значительно уменьшить объем байтов сжатого файла. Кроме того, может быть получена относительно высокая скорость обработки с простотой алгоритмического процесса сжатия и восстановления.

Изобретение относится к области техники обработки и сжатия цифрового файла, в частности, типа изображения, видео и/или аудио. Техническим результатом является обеспечение высокого качества и меньшего сжатия цифрового файла. Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ обработки цифрового файла типа изображений, видео и/или аудио, который содержит фазу для размещения в строку на каждый цветовой слой и/или на каждый аудиоканал цифровых данных любого файла аудио, изображения и видео, фазу сжатия, использующую алгоритм, в котором каждое сжатое значение VC_n положения N получается посредством вычитания из значения V_n этого же положения N исходного файла предварительно определенного количества последовательных сжатых значений (VC_n-1, VC_n-2, …), вычисленных предварительно, и фазу восстановления, использующую алгоритм, в котором каждое восстановленное значение VD_n положения N получается посредством добавления к значению VC_n этого же положения сжатого файла предварительно определенного количества последовательных сжатых значений (VC_n-1 VC_n-2, …). 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ обработки цифрового файла, в частности, типа изображения, видео и/или аудио,
отличающийся тем, что содержит:
фазу для размещения в строку на каждый цветовой слой и/или на каждый аудиоканал цифровых данных любого файла аудио, изображения и видео, фазу сжатия, при которой значения упомянутого файла последовательно сжимают посредством алгоритма, в котором каждое сжатое значение (VC_N) ряда N получают посредством вычитания из значения V_N этого же ряда N исходного файла предварительно определенного количества последовательных сжатых значений (VC_N-1, …, VC_N-m)/вычисленных предварительно, в следующем виде:

и
фазу восстановления, при которой каждое из сжатых значений сжатого файла приводят обратно к восстановленному значению, близкому к соответствующему значению исходного файла, посредством алгоритма, в котором каждое восстановленное значение (VD_N) ряда N получают добавлением к сжатому значению (VC_N) этого же ряда сжатого файла предварительно определенного количества последовательных сжатых значений (VC_N-1, VC_N-2, …), в следующем виде:

при этом
VC_N представляет собой значение ряда N сжатого файла,
VC_N-1 представляет собой предварительно вычисленное значение ряда N-1 сжатого файла,
VC_N-2 представляет собой предварительно вычисленное значение ряда N-2 сжатого файла,
V_N представляет собой значение ряда N исходного файла,
VD_N представляет собой восстановленное значение ряда N,
k и h представляют собой коэффициенты сжатия, изменяющиеся в
соответствии с искомым уровнем сжатия, и
m представляют собой предварительно определенное количество
последовательных сжатых значений.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что алгоритм сжатия имеет вид соотношения:

в котором:
VC_N представляет собой значение ряда N сжатого файла, VC_N-1 представляет собой предварительно вычисленное значение ряда N-1 сжатого файла,
VC_N-2 представляет собой предварительно вычисленное значение ряда N-2 сжатого файла,
V_N представляет собой значение ряда N исходного файла,
k и h представляют собой коэффициенты сжатия, изменяющиеся в соответствии с искомым уровнем сжатия.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что:
для уровня 1 $$k=\frac{1}{3}h=1$$
для уровня 2 $$k=\frac{1}{5}h=3$$
для уровня 3 $$k=\frac{1}{7}h=10.$$

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что алгоритм восстановления имеет вид соотношения:

в котором:
VD_N представляет собой восстановленное значение ряда N,
VC_N-1 представляет собой сжатое значение ряда N-1,
VC_N-2 представляет собой сжатое значение ряда N-2.

5. Способ обработки цифрового файла, в частности, типа изображения, видео и/или аудио по п.1, в котором упомянутый файл включает в себя по меньшей мере два набора значений,
причем способ, отличающийся тем, что содержит:
для каждого набора значений фазу для размещения в строку на каждый цветовой слой и/или на каждый аудиоканал цифровых данных любого файла аудио, изображения и видео, затем
предварительную фазу для выбора из обоих наборов одного, для которого среднее отклонение, разделяющее цифровые значения данного набора, больше среднего отклонения, которое разделяет значения другого набора, и
фазу для сжатия выбранного набора посредством использования алгоритма сжатия следующего типа:

фазу для сжатия второго набора посредством алгоритма сжатия, который включает в себя вычисление каждого значения формулы:

в которой:
V'_N представляет собой значение ряда N второго файла,
VC_N-1 представляет собой сжатое значение ряда N-1 первого файла,
VC_N-2 представляет собой сжатое значение ряда N-2 первого файла.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что восстановление значений вышеупомянутого первого набора осуществляют в соответствии с алгоритмом восстановления:

в котором VD_N представляет собой восстановленное значение ряда N первого набора,
и тем, что восстановление значений второго файла осуществляют в соответствии с алгоритмом:

в котором VD'_N представляет собой восстановленное значение ряда N второго набора.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержит: фазу сжатия, использующую алгоритм вида:

в котором i - коэффициент, зависящий от искомого уровня сжатия, причем i>l,
и
фазу восстановления, использующую алгоритм вида: