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Compression Techniques for Deep Ocean Imaging,
with Special Reference to Wavelets and JPEG 2000
Preparata come Master of Science
Thesis e consegnata il 15-05.2002
Svolta presso il Dipartimento di
Ingegneria dell' Universita' di Aberdeen, Scotland, UK, e Sviluppata presso
il Centro per l' Elaborazione delle Immagini in Ambito Industriale ed Ambientale.
Autore: E. Ballini - Supervisori:
Dr. Alastair R. Allen e Prof. Imants G. Priede.
La Tesi e' stata scritta in
Inglese e per il momento non e' prevista una Traduzione italiana.
Dalla Tesi verranno estratti
due Paper in Inglese ed alcuni Reports in Italiano Illustrati in questa
Pagina 
Diversi tipi di Progetti sviluppati
in tutto il mondo riguardanti le Profondità Marine necessitano l'uso
di tecniche di codifica d’immagini all'avanguardia per registrare ed
analizzare la vita che appartiene
quegli ambienti.
Questa tesi considera i molteplici
aspetti e le caratteristiche di alcune classi di immagini appartenenti
al fondale marino, analizzandole da un punto di vista
"oggetto-background"; per questo
motivo molte tecniche di codifica di immagini e video vengono analizzate,
soprattutto tecniche basate sulle Wavelets e sullo Standard
JPEG 2000.
Matrici di coefficienti Wavelet,
tratte da diverse immagini riguardanti le profondità marine sono,
nella prima parte della tesi, analizzate in modo da sottolineare l’enorme
quantità d’informazioni contenuta in un piccolo numero di coefficienti
di wavelet, significativo per una ricostruzione fedele dell'immagine; da
un punto di vista della compressione delle immagini questa concentrazione
d’informazioni di qualità visiva ottenuta dai coefficienti Wavelet,
è molto importante per migliorare il trade-off tra la distorsione,
la qualità delle immagini ed il rapporto di compressione.
Cominciando da quest’assunzione,
differenti algoritmi di codifica d’immagini basati su tecniche Wavelet,
come l’EZW, lo SPIHT e l’ECTCQ sono stati studiati per sfruttare il
rapporto tra i coefficienti delle
diverse sottobande aventi la stessa posizione spaziale, e la relazione
fra coefficienti vicini.
Queste tecniche basate sulle Wavelets
generarono uno standard di codifica delle immagini nuovo e ad alto livello,
lo Standard JPEG 2000, il quale da' un reale miglioramento
nelle performance sulle qualità
delle immagini, soprattutto comparandolo ad altri standard come JPEG e
MPEG-4 VTC, sia da un punto di vista obiettivo che da uno
soggettivo.
Le molteplici caratteristiche e
funzionalità attuali e future dello Standard JPEG 2000, come la
codifica per Regioni d’Interesse, il bitstream progressivo ed accesso casuale
accoppiato con i risultati comparativi
ottenuti da prove sviluppate su immagini di profondità marine, in
linea con i risultati ottenuti con le immagini di prova dello Standard
JPEG 2000, ci mostrano quanto questo
standard potrebbe essere utile per l’immagazzinamento, l’archiviazione
e la trasmissione d’immagini compresse all'interno della ricerca
sui fondali marini.
In accordo con i regolamenti vigenti
riguardanti la sottomissione di una tesi io dichiaro:
· che questa tesi è
stata composta da me stesso.
· che questa tesi non è
stata accettata in alcuna domanda precedente per una laurea.
· che il lavoro svolto è
stato fatto da me stesso.
· che tutte le citazioni
sono state differenziate da virgolette e che le fonti di queste citazioni
sono state riportate.
Vi sono molte persone che debbo
ringraziare per i molteplici modi in cui mi hanno aiutato durante questo
lavoro. In primo luogo il Dr. Alastair R. Allen e il Prof. Imants G. Priede
per la loro supervisione, le loro idee ed il loro incoraggiamento, il Dr.
Peter Gray, il mio mentore, per il suo supporto, il Sig. Jim Adamson, il
Sig. Mike Goh ed il Sig. Stewart Fraser per l'aiuto tecnico, la Sig.ra
Julie Bray per la correzione di parte della tesi e tutti gli amici dell'Università
di Aberdeen.
Ma in special modo debbo ringraziare
i miei genitori per avermi dato quest’opportunità.
Questa tesi, divisa in 7 capitoli
e 4 appendici è costituita di quattro parti diverse ma interconnesse:
un'introduzione al progetto, le risorse utilizzate ed i diversi standard
attualmente usati nella codifica di immagini e video (capitoli 1, 2, 3
ed appendice B); una spiegazione delle tecniche wavelet, algoritmi di codifica
wavelet e lo standard JPEG 2000 (capitolo 3 ed appendici B, C e D); le
prove sperimentali compiute con le tecniche wavelet e con lo standard JPEG
2000 (capitoli 4, 5 e 6); le conclusioni ed i miglioramenti futuri (capitolo
7).
Il capitolo
1 offre vari tipi di informazioni di fondo riguardo il Progetto
AutoMERS, i centri di ricerca CEII ed Oceanlab, e le immagini usate al
loro interno, evidenziando le loro strutture di tipo "oggetto-sfondo";
questi esempi di immagini verranno definite ulteriormente nel capitolo
3 e saranno usate per test sperimentali illustrati nei capitoli 4, 5 e
6.
Nel capitolo
2 discutiamo i tre modi diversi di trattare un set di file immagini
(flussi di bit, insiemi o gruppi di immagini fisse e sequenze video) e
diamo una breve introduzione ai principi wavelet, agli standard di codifica
immagini (come JPEG, JPEG 2000, MPEG-4 VTC DjVu) ed agli standard di codifica
video (per esempio H.261, MPEG-1, MPEG-2 MPEG-4 ed MPEG-7).
Il capitolo
3 illustra le diverse applicazioni software ed i programmi usati
nei nostri esperimenti, le differenti immagini appartenenti alle profondità
marine usate nelle nostre prove ed i principali parametri utilizzati per
comparare queste immagini e per estrarre alcune caratteristiche interessanti.
Il capitolo
4, nel quale noi sviluppiamo dei test su coefficienti wavelet,
è diviso in due parti: la prima parte esplora la distribuzione delle
ampiezze dei coefficiente wavelet all'interno delle matrici risultanti
dalla Trasformata DWT, il secondo concentra l'attenzione sull'ampiezza
relativa di questi coefficienti.
All'interno delle due sezioni del
capitolo
5, noi esploriamo i risultati ottenuti dalle nostre prove sulla
qualità dell’immagine usando il parametro PSNR; nella prima sezione
l'importanza delle informazioni contenute nelle diverse sottobande e la
relativa importanza della perdita di queste informazioni vengono evidenziate,
mentre nella seconda sezione viene utilizzato un valore di soglia per i
coefficienti wavelet come un semplice modo di esplorare le possibilità
di compressione.
Una comparazione sperimentale tra
lo standard JPEG 2000 e gli altri standard ed algoritmi di codifica delle
immagini, come JPEG, SPIHT, MPEG-4 e JPEG-LS viene presentata nel capitolo
6, insieme ad altre tecniche di compressione tramite sottocampionamento
e codifica ROI; queste comparazioni sono compiute con codifiche di tipo
con-perdita e senza-perdita, esaminando immagini test del progetto AutoMERS,
da un punto di vista oggetto-background, come gli esperimenti sulla codifica
di tipo ROI ci mostrano.
Il capitolo
7 illustra le molteplici conclusioni ottenute dallo sviluppo di
progetti, prove ed esperimenti collegati alla nostra tesi ed alcune idee
per miglioramenti futuri.
L'appendice
A contiene le copie stampate a colori di diverse immagini mostrate
in scala di grigio all'interno della tesi;
Le appendici
B, C e D
descrivono tecniche ed algoritmi usati nel corpo della tesi includendo
informazioni generali sulle wavelets, differenti algoritmi di codifica
di immagini basati su wavelet ed una breve spiegazione dello Standard JPEG
2000.
TITLE - ABSTRACT  
DECLARATION |
ACKNOWLEDGEMENTS
SUMMARY |
| CONTENTS
CHAPTER 1
INTRODUCTION 1.1. CEII 1.2. OCEANLAB AND AUTOMERS 1.3. IMAGES 1.4. OBJECT |
CHAPTER 2
STANDARDS 2.1. STREAM OF BITS 2.2. STILL IMAGES [Waveform Subband Coding, JPEG Still Image Standard, Wavelet, JPEG 2000, MPEG-4 VTC, DjVu, JPEG-LS, PNG, JBIG and JBIG2, Second Generation Standards] 2.3. VIDEO STANDARDS [H.261, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, MPEG-7] |
| CHAPTER 3
INTRODUCTION TO THE EXPERIMENTAL TESTS 3.1. INTRODUCTION 3.2. SOFTWARE 3.3. IMAGES 3.4. PARAMETERS
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CHAPTER 4
TEST ON WAVELET COEFFICIENTS 4.1. DISTRIBUTION OF WCF AMPLITUDES [Explanation Histograms, Results, Third Level Detail, Second Level Detail, First Level Detail, Zero Level Detail, Compression Point of View, Five Initial Images and Mean] 4.2. ANALYSIS OF WCF AMPLITUDE STATISTICS [Description of Analysis, First, Second and Third Level Detail, Zero Level Detail, Five Initial Images and Mean, Y, Cb and Cr Components] |
| CHAPTER 5
TESTS ON QUALITY WITH PSNR 5.1. INFORMATION IN SUBBANDS [Explanation of the Tests, Results, PSNR and Gap, Five Initial Image, Y, Cb and Cr Components] 5.2. WAVELET COEFFICIENTS THRESHOLDING [Explanation of the Meaning of the Tests, Compression Point of View, Consideration of WCF, Results, Five Initial Images, Y, Cb and Cr Components] 5.3 CONCLUSIONS |
CHAPTER 6
EXPERIMENTAL COMPARISON 6.1. INTRODUCTION 6.2. DOWNSAMPLING COMPRESSION [Downsampling and Interpolation, 4:2:2 and 4:1:1 Downsampling] 6.3. STANDARDS AND RESULTS [JPEG, SPIHT, JPEG 2000, Lossless Compression, Lossy Compression] 6.4. REGION OF INTEREST CODING [Introduction, Test Images and ROI Mask Utilised, Arbitrary shaped ROI coding, Rectangular and circular shaped ROI coding] |
| CHAPTER 7
CONCLUSIONS 7.1. INTRODUCTION 7.2. CONCLUSIONS ABOUT WAVELET COEFFICIENTS AND IMAGE QUALITY 7.3. WAVELET TECHNIQUES AND JPEG 2000 7.4. FUTURE DEVELOPMENTS BIBLIOGRAPHY
ABBREVIATIONS |
APPENDIX
APPENDIX A
COLOR PRINT IMAGES APPENDIX B
INTRODUCTION WAVELET TESTS B.1. INTRODUCTION [Wavelab, Images Used] B.2. WAVELET COEFFICIENTS B.3. QUADRATURE MIRROR FILTERS [QMF Explanation, Orthogonal, Daubechies, Coiflet, Symlet, Biorthogonal, Comparison among Wavelets] |
| APPENDIX C
WAVELET-BASED IMAGE CODING ALGORITHMS C.1. INTRODUCTION [Selection of Coders, Different Features, Standard Images] C.2. EMBEDDED ZERO-TREE WAVELET CODING [Introduction, Features, Zero-tree of Wavelet Coefficients, Definitions and Symbols, Successive approximations, Results] C.3. SET PARTITIONING IN HIERARCHICAL TREES [Introduction, Progressive Transmission Scheme, Sorting Algorithm, Set Partitioning Rule, Lists of Sets and Pixels, Results] C.4. ENTROPY-CONSTRAINED TRELLIS-CODED QUANTIZATION [Introduction, Trellis-Coded Quantization, Different Approaches, ECTCQ Algorithm, Results] C.5. SCENE ADAPTIVE AND SIGNAL ADAPTIVE QUANTIZATION [Introduction, Multiscale Representation and Human Visual System, Spatial Constraints, Enhancement Algorithm, Adaptive Quantization Algorithm, Results] C.6. SPACE-FREQUENCY QUANTIZATION [Introduction, Energy Point of View, Quantization Scheme, Residue Tree and Zero-tree Data Structure, SFQ Algorithm, Results] C.7. RATE-DISTORTION OPTIMISED BACKWARD ADAPTIVE CLASSIFICATION [Introduction, Energy Compaction, Approaches to the Space-Frequency Coding Problem, Estimation Quantization Algorithm, Results] C.8. CONTEXT-BASED ENTROPY CODING [Introduction, Adaptive Quantization Approaches, Context-Based Adaptive Arithmetic Coder, Results] C.9. COMPARISON OF CODING RESULTS [Introduction, Results on “Lena” image, Results on “Barbara” image, Results on “Goldhill” image] |
APPENDIX D
JPEG 2000 STANDARD D.1. INTRODUCTION D.2. JPEG 2000 STANDARD PARTS D.3. FEATURES AND OBJECTIVES D.4. HISTORY D.5. PART I CODEC STRUCTURE [Pre-processing and Post-processing, Reference Grid and Tiling, Intercomponent Transform, Intracomponent Transform, Quantization and Dequantization, Tier-1 Coding, Bit-Plane Coding, Tier-2 Coding, Code-stream and File Format] D.6. REGION OF INTEREST [Introduction, General ROI Scaling Method, JPEG 2000 Scaling Steps, MAXSHIFT Scaling Method, ROI Mask Generation, Features of the Different Scaling Methods] D.7. PERFORMANCE [Introduction, Comparison Methodology, Lossless Compression, Lossy Compression, ROI Coding, Functionality] D.8. FUTURE IMPROVEMENT AND CONCLUSION
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