Обзор современных форматов изображений, использующихся при обработке и анализе
Основными форматами изображений, использующихся при решении задач обработки и анализа сложно структурированных изображений, являются [32-38]:
- Raster Matrix F ormat (RSW);
- MrSID;
- ECW;
- ERDAS IMAGINE Hierarchical File Format (IMG);
- Geo Tagged Image File Format (GeoTIFF);
- JPEG (JPEG 2000).
Формат RSW
Формат RSW является форматом хранения растровых изображений, обеспечивающий представление панхроматических или мультиспектральных изображений (RGB) с поканальным цветовым разрешением 8 бит на точку.
Данные о цифровых растровых изображениях имеют следующую структуру:
- паспортные данные (размер изображения, число бит на точку, для описания цвета и т.д.);
- описание цветовой палитры;
- растровое изображение.
Структура файла растрового изображения имеет вид, представленный на рисунке 1.2.
36
Рисунок 1.2 - Структура растрового формата RSW
Формат RSW поддерживается свободно распространяемой библиотекой доступа GDAL.
Формат MrSID
Формат графических файлов MrSID (от англ. «Multi-resolution Seamless Image Database» - многомасштабный бесшовный контейнер растровых данных), разработанный и запатентованный компаниейLizardTech и используется для сжатия растровой графики, например, для аэрофотосъемки.
С помощью формата растровые изображения больших объемов, такие как аэрофотосъемка и спутниковые фотографии, могут быть быстро просмотрены по частям без необходимости распаковки целого файла. Современные системы поддерживают данный формат.
Поскольку формат файлов MrSID содержит изображения в разных масштабах и уровнях качества, он может использоваться для передачи данных в сети Интернет. Текущий просматриваемый уровень и часть изображения будут переданы в браузер, упрощая и ускоряя его отображение, навигацию и просмотр растра.
При создании первичного изображения MrSID использует вейвлет-сжатие без потерь. Далее изображение делится на несколько уровней детализации (создаются
уменьшенные версии изображения), подканалов, подблоков и битовых плоскостей. После кодирования уровней к ним могут быть применены методы оптимизации и дополнительные режимы сжатия или фильтрации. Уменьшение объема изображения примерно до 2 раз может быть достигнуто без потерь, но большие степени сжатия будут отбрасывать часть информации, подобно алгоритмам сжатия с потерями в JPEG. В отличие от последнего в данном формате используются алгоритмы, дающие меньшее количество артефактов и сохраняющие четкие границы. Одной из особенностей алгоритмов отображения и упаковки является использование пиксельной сетки, повернутой на 45 градусов, и отображение каждого пикселя при большом увеличении с градиентной заливкой, в отличие от классической сплошной.
Формат MrSID использует выборочное кодирование, а значит в дальнейшем не требуется выполнять декодирование всего файла для отображения какого-то одного уровня детализации или качества изображения.
Чтение файлов формата MrSID поддерживается свободно распространяемой библиотекой доступа GDAL с помощью встраивания библиотеки MrSID DSDK, содержащей компоненты для чтения как оптико-электронных (Raster DSDK), так и лидарных (Lidar DSDK) изображений.
Формат ECW
Формат ECW (от англ. «Enhanced Compression Wavelet») — проприетарный формат файлов растровых изображений, разработанный компаниейEarth ResourceMapping,и в настоящее время принадлежащий компанииLeica Geosystems.Формат оптимизирован для хранения аэрофотоснимков и космических снимков, использует технику вейвлет-сжатия с потерями данных.
Формат ECW позволяет хранить данные о системе координат изображения местности (картографическую проекцию и пр.) непосредственно в самом файле изображения.
Процесс сжатия данных не требует использования большого объёма оперативной памяти для больших изображений. Данный формат файла позволяет
получить степень сжатия от 1:10 до 1:100.
Формат позволяет извлекать участки изображения без необходимости буферизации и распаковки всего изображения.Чтение файлов формата ECW поддерживается свободно распространяемой библиотекой доступа GDAL с помощью встраивания бесплатной версии библиотеки ECW JPEG2000 SDK.
Формат IMG
ERDAS IMAGINE использует IMG-файлы для хранения растровых изображений с внутренней структурой, называемой ERDAS IMAGINE Hierarchical File Format (HFA) (рисунок 1.3). Благодаря тому, что формат является открытым, его структура не фиксирована, и сторонние разработчики могут создавать и добавлять новые типы элементов.
Рисунок 1.3 - Структура IMG файла
Раздел «Информация о файле» хранит основные метаданные:
- имя файла;
- имя слоя;
- количество слоев;
- дата последнего изменения.
Раздел «Информация о датчике» содержит данные об условиях съемки и свойствах использованного ОЭУ:
- дата и время съемки;
- калибровочные параметры датчика;
- ориентация датчика в пространстве;
- исходные размерности данных;
- число спектральных каналов.
Раздел «Информация о слое» хранит данные по каждому слою файла:
- высота и ширина (число строк и столбцов);
- тип слоя (растровый/непрерывный или тематический);
- тип и размер элемента данных (целый или вещественный);
- сжатие;
- размер блока (изображение хранится в виде квадратных фрагментов заданного размера, что обеспечивает быстрое отображение и масштабирование).
Размер «Атрибутивная информация» содержит данные, зависящие от типа слоя.
Для растрового слоя раздел хранит следующие поля:
- гистограмма изображения;
- таблица контраста.
Раздел «Статистика» содержит следующие поля:
- минимальное и максимальное значение элементов данных слоя;
- среднее значение элементов данных слоя;
- «медианное» значение элементов данных слоя;
- мода элементов данных слоя;
- ошибки элементов данных слоя.
Раздел «Информация о карте» содержит следующие поля:
| - | географические координаты верхнего левого угла; проекция пикселя; единица измерения карты (метры, футы и т.д.). |
Раздел «Информация о проекции» содержит следующие поля:
| - | проекция карты; геоид; номер зоны. |
Формат IMG поддерживается свободно распространяемой библиотекой доступа GDAL.
Формат GeoTIFF
Формат хранения растровых изображений GeoTIFF является одним из наиболее универсальных и поддерживается подавляющим большинством современных систем.
GeoTIFF обладает возможностью хранения изображений с большой глубиной цвета и обеспечивает как сжатие растра без потерь, так и с потерями согласно стандарта JPEG.Формат позволяет включать информацию о географической привязке:
| - | вид картографической проекции; систему географических координат; модель геоида; дату. |
Структура формата гибкая и позволяет сохранять изображения в режиме цветов с палитрой, а также в различных цветовых пространствах:
| - | бинарном; полутоновом; с индексированной палитрой; RGB; CMYK; |
- YCbCr;
- CIE Lab.
Поддерживаются режимы 8, 16, 32 и 64 бит на канал при целочисленном, а также 32 и 64 бит на канал при представлении значения пикселя числами с плавающей запятой.
Имеется возможность сохранять изображение в файле формата TIFF со сжатием и без сжатия. Степени сжатия зависят от особенностей самого сохраняемого изображения, а также от используемого алгоритма. Формат TIFF позволяет использовать следующие алгоритмы сжатия:
- PackBits (RLE);
- Lempel-Ziv-Welch (LZW);
- LZ77;
- ZIP;
- JBIG;
- JPEG;
- CCITT Group 3, CCITT Group 4.
Сжатие JPEG является инкапсуляцией формата JPEG в формат TIFF.
Формат TIFF позволяет хранить изображения, сжатые по стандарту JPEG, без потерь данных (JPEG-LS).
Первоначально указанные форматы были разработаны для сетей факсимильной связи. В настоящий момент они также используются в полиграфии, системах цифровой картографии и географических информационных системах.
Формат JPEG ( JPEG 2000)
JPEG 2000 - графический формат, который вместо дискретного косинусного преобразования, применяемого в формате JPEG, использует технологию вейвлет- преобразования, основывающуюся на представлении сигнала в виде суперпозиции базовых функций - волновых пакетов.
В результате такой компрессии изображение получается более гладким и чётким, а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве оказывается меньшим.
JPEG 2000 полностью свободен от главного недостатка своего предшественника: благодаря использованию вейвлетов, изображения, сохранённые в этом формате, при высоких степенях сжатия не содержат артефактов в виде «решётки» из блоков размером 8х8 пикселей. Формат JPEG 2000 так же, как и JPEG, поддерживает так называемое «прогрессивное сжатие», позволяющее по мере загрузки видеть сначала размытое, но затем всё более чёткое изображение.Основные преимущества JPEG 2000 по сравнению с JPEG:
- большая степень сжатия: на уровне сжатия, где артефакты незначительны, JPEG 2000 имеет степень сжатия в среднем на 20 %, больше, чем JPEG. Большая степень сжатия достигается благодаря использованию дискретного вейвлет-преобразования и более сложного энтропийного кодирования;
- масштабируемость фрагментов изображений: JPEG 2000 обеспечивает бесшовное сжатие разных компонентов изображения, с каждым компонентом хранится от 1 до 16 бит. Благодаря разбиению на блоки можно хранить изображения разных разрешений в одном кодовом потоке;
- произвольный доступ к кодовому потоку, также иногда называемый доступом к областям интереса: кодовый поток JPEG 2000 обеспечивает несколько механизмов для поддержки произвольного доступа, также поддерживает несколько степеней разбиения на части (области интереса);
- гибкий формат файла: форматы файлов JP2 и JPX обеспечивают хранение информации о цветовых пространствах, метаданных и информации для согласованного доступа в сетевых приложениях, взаимодействующих с помощью протокола JPEG Part 9 JPIP.
Артефакты, возникающие при сжатии по алгоритму JPEG 2000 с высокой степенью компрессии (потерь), качественно мало отличаются от артефактов, возникающих при сжатии компрессором JPEG - в тех местах, где оригинальное изображение имело плавные цветовые переходы, - они становятся ещё более
плавными (размытыми); в тех же местах, где были резкие переходы яркости или цвета (участки изображения с высокой контрастностью) - возникает характерный артефакт в виде яркого контура, обрамляющего границу перехода, незначительно (на пару пикселов) отступающего от более тёмного участка перехода.
Различия в артефактах - нет сетки в 8 на 8 пикселей; не искажаются цвета мелких деталей, сильно отличающихся по цвету от фона; артефакты, характерные для JPEG 2000, становятся заметными при больших, чем в случае JPEG, степенях сжатия.Сжатие по стандарту JPEG 2000 основано на ставшем уже классическим алгоритме пирамидального вейвлет-преобразования. Обработка вейвлет- коэффициентов осуществляется методом контекстно-зависимого бит- ориентированного арифметического кодирования.
Первоначально изображение подвергается чередующимся последовательностям вертикальных и горизонтальных одномерных вэйвлет-преобразований. Сначала преобразуются все строки, а затем все столбцы. На следующем этапе левая верхняя четверть матрицы, получившейся в результате предыдущего преобразования, опять преобразуется (сначала все строки, затем все столбцы). Количество этапов соответствует количеству уровней вейвлет-декомпозиции.
Важным преимуществом нового стандарта является возможность доступа к отдельным элементам изображения без полного декодирования его представления. Обеспечивается такая возможность, во-первых, разбиением исходного изображения на непересекающиеся области, которые кодируются как отдельные изображения, а во-вторых, представлением кода отдельной области в виде частей, каждая из которых является суммарным кодом коэффициентов, соответствующих некоторой его области. Для того, чтобы декодировать какую-либо область изображения достаточно определить, каким тайлам она принадлежит и какие слои, относящиеся к этим тайлам содержат код блоков коэффициентов, необходимых для восстановления требуемой области.
1.1.5.