estudo comparativo de algoritmos de compressão de imagens para transmissão em redes de ...

199 Pages·2006·3.73 MB·Portuguese

by  Sherdson Charles

UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CENTRO DE TECNOLOGIA E GEOCIÊNCIAS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA

ESTUDO COMPARATIVO DE ALGORITMOS DE
COMPRESSÃO DE IMAGENS PARA TRANSMISSÃO
EM REDES DE COMPUTADORES

por

Charlana Majory de Sá Rodrigues

Dissertação submetida ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da
Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para a obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Elétrica.

ORIENTADOR: RAFAEL DUEIRE LINS, doutor

Recife, Dezembro de 2005.

© Charlana Majory de Sá Rodrigues, 2005
Rodrigues, Charlana Majory de Sá
Estudo comparativo de algoritmos de compressão de
imagens para transmissão em redes de computadores /
Charlana Majory de Sá Rodrigues. – Recife : O Autor,
2005.
xii, 186 folhas : il., fig., tab., gráf.

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de
Pernambuco. CTG. Engenharia Elétrica, 2005.

Inclui bibliografia e anexos.

1. Engenharia elétrica – Comunicações. 2.
Processamento de imagens – Algoritmos de compressão
– Transmissão em redes de computadores. 3. Imagens
intermediárias – transmissão progressiva. I. Título.

621.397 CDU (2.ed.) UFPE
621.39 CDD (22.ed.) BC2006-089
ii
FOLHA DE APROVAÇÃO
iii
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer primeiramente a Deus, pois sem Ele a minha existência não
seria possível. “Ó Senhor, tu és nosso Pai; nós somos o barro, e tu o nosso oleiro; e todos
nós obra das tuas mãos” Isaías 64:8.
Quero agradecer a todos aqueles que me auxiliaram na elaboração deste trabalho
especialmente ao meu orientador Prof. Rafael Dueire Lins pelo voto de confiança, pela
paciência, pela constante dedicação e incentivo nestes 2 anos de estudo.
Ao meu amigo Flávio Pereira Pedroza a inestimável cooperação no decorrer deste
trabalho. À funcionária do departamento de pós graduação em engenharia elétrica Andréa
Tenório por toda prestatividade e atenção demonstrados no decorrer deste estudo.
Ao Prof. Valdemar Cardoso da Rocha Júnior, por ter me apoiado na fase inicial
deste trabalho e por ser um exemplo acadêmico a ser seguido nesta Universidade.
A Paulo Vinicius Zanchet Maciel pelo apoio e compreensão demonstrados
principalmente nesta fase final de escrita da dissertação.
Manifesto, ainda, o meu reconhecimento ao meu amigo Paulo Fontes Sampaio cujo
exemplo e sabedoria me impulsionaram a seguir adiante.
Agradeço ao meu ex-chefe Gerson Luis Flenik pela compreensão em todos os
momentos que tive que me ausentar do trabalho para conciliar a vida acadêmica com a
profissional.
Mais que tudo, agradeço aos meus pais, Celícia Gomes de Sá Rodrigues e João
Granja Rodrigues, e aos meus irmãos Sherdson Charles de Sá Rodrigues e Cheila Patrícia de
Sá Rodrigues por toda a base familiar presentes em toda a minha formação pessoal e
profissional.
Às amigas Roberta Fragoso, Raissa Saldanha, Ana Paula Bitencourt, Manoela
Malta, Cristina Reina, Sandra Festa, Cynara Rios, Ana Karla Gomes, Luciana Asfora, Carol
Haluli, Paula Velozo, Mayura Faria, Íris Ramos e Milena Andrade pela amizade sempre
presente.
Por fim, agradeço a todos os meus amigos que apesar de não estarem escritos
explicitamente aqui não são menos importantes. Quero que saibam que de forma direta ou
indireta todos vocês colaboraram para a elaboração desta dissertação.
iv
Resumo da Dissertação apresentada à UFPE como parte dos requisitos necessários
para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Elétrica.

ESTUDO COMPARATIVO DE ALGORITMOS DE
COMPRESSÃO DE IMAGENS PARA TRANSMISSÃO EM
REDES DE COMPUTADORES

Charlana Majory de Sá Rodrigues

Dezembro/2005

Orientador: Rafael Dueire Lins, Doutor.
Área de Concentração: Processamento de imagens.
Palavras-chave: Algoritmos de compressão, formato de arquivos, transmissão progressiva,
JPEG2000, PNG e JPEG.
Número de Páginas: 186.

RESUMO: Recentemente, foram desenvolvidos algoritmos iterativos de compressão
destinados à transmissão de imagens estáticas via rede tais como: JPEG progressivo,
JPEG2000 progressivo, PNG entrelaçado e GIF entrelaçado. Esses algoritmos decompõem a
imagem e a transmitem de forma não seqüencial. O propósito desta dissertação consiste em
efetuar um estudo comparativo desses algoritmos. A metodologia adotada consiste em fazer
uma análise das imagens parciais obtidas para cada formato. Em cada etapa, faz-se uma
inspeção visual da imagem e mede-se o PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) em relação à
imagem final, um fator objetivo de qualidade de imagens. Parâmetros como tamanho do
arquivo parcial, natureza da imagem e inspeção visual também são alvo de estudo. Através de
uma análise detalhada das imagens parciais obtidas somos capazes de definir então qual
algoritmo é mais apropriado em cada etapa da transmissão de acordo com a natureza da
imagem analisada.
v
Abstract of Dissertation presented to UFPE as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.

COMPARATIVE STUDY OF ALGORITHMS OF IMAGE
COMPRESSION FOR TRANSMISSION IN COMPUTER
NETWORKS

Charlana Majory de Sá Rodrigues

December/2005

Supervisor: Rafael Dueire Lins, Doctor.
Area of Concentration: Image processing.
Keywords: Compression algorithms, file formats, progressive transmission, JPEG2000, PNG
and JPEG.
Number of Pages: 186.

ABSTRACT: Progressive or iterative algorithms were recently developed for the efficient
transmission of static images through computer networks. These algorithms decompose an
image and transmit it in a non-sequential way. The purpose of this dissertation is to make a
comparative analysis of progressive algorithms such as: progressive JPEG, progressive
JPEG2000, interlaced PNG and interlaced GIF. The methodology adopted consists on
comparing the partial images extracted from each format. Both a visual inspection and PSNR
(Peak Signal-to-Noise Ratio) are used to assess the quality of the progressively formed image
in relation to the original image. Parameters such as the size of the generated partial file,
nature of the image, image resolution, etc are also taken into account.
vi
SUMÁRIO
1. CAPÍTULO - INTRODUÇÃO......................................................................................1
1.1. FUNDAMENTOS DA IMAGEM DIGITAL...................................................................................................2
1.1.1. Representação.......................................................................................................................4
1.1.2. Cor.........................................................................................................................................4
1.2. FORMATOS DE ARQUIVOS.....................................................................................................................8
1.3. OBJETIVOS......................................................................................................................................10
1.4. METODOLOGIA..............................................................................................................................11
1.5. ESTRUTURA........................................................................................................................................12
2. CAPÍTULO - FORMATOS GRÁFICOS DE ARQUIVOS.....................................13
2.1. GIF (GRAPHIC INTERCHANGE FORMAT)............................................................................................13
2.1.1. O Formato GIF....................................................................................................................13
2.1.2. Canal de Dados...................................................................................................................14
2.1.3. Algoritmo LZW (Lempel-Ziv-Welch)...................................................................................14
2.1.4. Aplicações do Formato GIF................................................................................................16
2.2. JPEG (JOINT PHOTOGRAPHIC EXPERTS GROUP)................................................................................17
2.2.1. Compressão de imagem com perdas....................................................................................18
2.2.2. Codificador JPEG “baseline”.............................................................................................19
2.3. JPEG2000..........................................................................................................................................22
2.3.1. Pré-processamento Tilling...................................................................................................23
2.3.2. DWT.....................................................................................................................................24
2.3.3. Quantificação e codificação................................................................................................29
2.4. PNG (PORTABLE NETWORK GRAPHICS)............................................................................................36
2.4.1. Organização de um arquivo PNG.......................................................................................37
2.4.2. Apresentação Progressiva...................................................................................................40
2.4.3. Verificação da Integridade dos Dados................................................................................40
2.4.4. Algoritmo de Compressão e Descompressão......................................................................40
vii
3. CAPÍTULO - FORMATOS GRÁFICOS PARA TRANSMISSÃO VIA REDES.41
3.1. JPEG PROGRESSIVO...........................................................................................................................41
3.2. GIF ENTRELAÇADO..............................................................................................................................44
3.3. PNG ENTRELAÇADO............................................................................................................................45
3.4. JPEG2000 PROGRESSIVO...................................................................................................................47
4. CAPÍTULO - PARÂMETROS E AMBIENTE UTILIZADO NAS MEDIÇÕES.51
4.1. PARÂMETROS.....................................................................................................................................51
4.2. AMBIENTE UTILIZADO........................................................................................................................53
4.2.1. Apresentação das Imagens..................................................................................................53
4.2.2. Classificação das Imagens..................................................................................................54
4.2.3. Interface desenvolvida.........................................................................................................54
4.2.4. Execução dos programas.....................................................................................................55
5. CAPÍTULO - RESULTADOS OBTIDOS E COMPARAÇÕES ENTRE OS
ALGORITMOS......................................................................................................................59
5.1. VARIAÇÃO COM A RESOLUÇÃO.........................................................................................................59
5.2. VARIAÇÃO COM A QUANTIDADE DE BYTES TRANSMITIDOS............................................................61
5.2.1. Imagem: pessoas..................................................................................................................61
5.2.2. Imagem: sintética.................................................................................................................64
5.2.3. Imagem: objetos..................................................................................................................65
5.2.4. Imagem: documentos...........................................................................................................66
5.2.5. Imagem: paisagem...............................................................................................................67
5.3. VARIAÇÃO COM O PSNR................................................................................................................68
5.4. COMPARAÇÃO DO TAMANHO DE ARQUIVO FINAL (JPEG X JPEG PROGRESSIVO)...............................69
6. CAPÍTULO - RESUMO GRÁFICO DAS IMAGENS OBTIDAS..........................72
6.1. JPEG..................................................................................................................................................72
6.2. PNG...................................................................................................................................................77
6.3. JPEG2000..........................................................................................................................................80
7. CAPÍTULO - CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS..............................85
8. REFERÊNCIAS ...........................................................................................................89
viii
9. ANEXOS.......................................................................................................................93
9.1. ANEXO A - SOURCE PSNR_ALL.....................................................................................................93
9.2. ANEXO B - SOURCE PSNR_JP2.......................................................................................................95
9.3. ANEXO C - SOURCE PSNR_PNG...................................................................................................105
9.4. ANEXO D - SOURCE PSNR_JPG....................................................................................................113
9.5. ANEXO E - DADOS JPEG................................................................................................................116
9.6. ANEXO F - DADOS JPEG2000........................................................................................................148
9.7. ANEXO G - DADOS PNG................................................................................................................167
ix
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 CONVENÇÃO ADOTADA NO ALGORITMO LZW.......................................................................................15
TABELA 2 ASSINATURA DO FORMATO PNG..........................................................................................................37
TABELA 3 ESTRUTURA EM BLOCOS PARA ARQUIVO PNG.......................................................................................37
TABELA 4 CAMPOS DE UM BLOCO IHDR................................................................................................................38
TABELA 5 ESTRUTURA FORMATO ZLIB...................................................................................................................40
TABELA 6 JPEG SEQÜENCIAL ( SCANS X COMPONENTES)......................................................................................42
TABELA 7 EXEMPLO DO ENTRELAÇAMENTO GIF...................................................................................................44
TABELA 8 BIBLIOTECAS UTILIZADAS EM LINGUAGEM C........................................................................................54
TABELA 9 CLASSIFICAÇÃO DAS IMAGENS..............................................................................................................54
TABELA 10 EXEMPLO DO ARQUIVO DE SAÍDA PARA JPEG (OUT.TXT) ...................................................................57
TABELA 11 EXEMPLO DO ARQUIVO DE SAÍDA PARA PNG (OUT.TXT).....................................................................57
TABELA 12 EXEMPLO DO ARQUIVO DE SAÍDA PARA JPEG2000 (OUT.TXT)............................................................58
TABELA 13 COMPARAÇÃO DO TAMANHO DAS IMAGENS INTERMEDIÁRIAS PARA 100 DPI E 200DPI........................60
TABELA 14 COMPARAÇÃO DO TAMANHO DAS IMAGENS INTERMEDIÁRIAS PARA 150 DPI E 300DPI.......................60
TABELA 15 COMPARAÇÃO DO TAMANHO DAS IMAGENS INTERMEDIÁRIAS PARA 200 DPI E 400DPI.......................61
TABELA 16 COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS PARA IMAGEM F4-400.....................................................................62
TABELA 17 IMAGENS INTERMEDIÁRIAS PNG, JPEG E JPEG2000 PARA A IMAGEM F4-400...................................63
TABELA 18 COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS PARA IMAGEM SINTÉTICA_200........................................................64
TABELA 19 COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS PARA IMAGEM OBJ2-100..................................................................65
TABELA 20 COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS PARA IMAGEM RGCHA200...............................................................66
TABELA 21 COMPARAÇÃO DOS ALGORITMOS PARA IMAGEM PAIS1-100................................................................67
TABELA 22 COMPARAÇÃO DO TAMANHO DOS ARQUIVOS FIXANDO O PSNR..........................................................69
TABELA 23 COMPARAÇÃO DO TAMANHO DO ARQUIVO FINAL JPEG STANDARD X JPEG PROGRESSIVO...............71