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  • 图像压缩】QOI图像格式详解
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    2021-12-22 20:14:01

    最近听说一种图像格式比较流行,想起我曾经是做图像压缩的emmmm,就来研究一下。
    QOI(Quite OK Image Format),很好的图像格式(git链接),能快速地无损压缩图像。原理也非常简单,没有各种变换,直接空域处理,而无损压缩,自然也不能量化,好家伙,比JPEG不知简单到哪里去了。说明文档呢,只有一页,代码300余行,确实是图像压缩界的一股清流。

    一、编码格式解析

    首先,文件头的定义如下:

    struct qoi_header_t {
    	char     magic[4];   // magic bytes "qoif"
    	uint32_t width;      // image width in pixels (BE)
    	uint32_t height;     // image height in pixels (BE)
    	uint8_t  channels;   // 3 = RGB, 4 = RGBA
    	uint8_t  colorspace; // 0 = sRGB with linear alpha, 1 = all channels linear
    };
    

    文件头就是告诉电脑这是个什么文件,怎么解析。QOI的文件头14byte,4byte名字,4byte宽和高,2byte通道和颜色空间信息。这里面真正和编解码有关的只有宽和高(时间2021.12.22,后续可能有逻辑改动,下同)channels和colorspace虽然encode时写进去了,但decode时没用上。

    定义完文件头,下面就是正式编码了。整体而言,QOI是按行从上往下,每行从左往右进行编码,不分通道,每个像素RGB(或RGBA)一起编码。对于每一个像素,按照不同的像素值,有四种编码策略:
    1.前一像素的重复
    2.一个出现过的像素的index
    3.和前一个像素的残差
    4.直接编码RGB(或RGBA)
    注意这四种策略是有序的,优先尝试第一种,如果不行再尝试第二种,以此类推。显然最差的是第四种,相当于没有压缩,所以前面三种策略设计得要巧妙,尽量避免第四种情况。

    【1】前一像素的重复
    前面出现过的元素,自然就不用再编码了,这种情况一般出现在背景上,当前像素和前一像素的像素值完全相同(第一个像素的“前一像素”定义为R=B=G=0,A=255)。这时候就只需要编码标记位和对应的重复次数就行了。不过有一个限制,最多重复62次(后面解释原因)。如果一个像素3byte,重复n次,此时压缩率3n/1最大。

    【2】一个出现过的像素的index
    编码过程中,始终维护一个64个元素大小的数组,表示出现过的像素的哈希值,哈希的公式是:

    index = (r * 3 + g * 5 + b * 7 + a * 11) % 64
    

    每有一个像素的RGB值,就用这公式算一下,把它存到数组的index位置。如果这地方已经有值了,再看两个像素相不相同(可能出现RGB不一样但index相同的情况),如果相同,编码标记位和index。如果不相同,就覆盖,用后面3、4策略。此时压缩率3/1。

    【3】和前一个像素的残差
    残差就更好理解了,图像压缩领域的经典方法。QOI里的残差分为大小两种,给了不同的标记位。如果当前像素和前一像素的RGB差值均为-2到1(为啥不是-1到2?虽说差不多),就用小残差。小残差只有1byte,所以去掉标记位2bit后,RGB三个通道的残差各剩2bit,所以只能存4个值,而且最小值-2记为b00,最大值1记为b11。如果残差大一些,G的残差为-32到31,R和B的残差与G残差的差为-8到7,那么可以用大残差存储,只有2byte。如果残差更大,那不好意思,存不下了,只能用策略4。当然,两种残差都是在A不变的前提下,如果A不一样,只能用策略4。此时小残差压缩率3/1,大残差压缩率3/2。

    【4】直接编码RGB(或RGBA)
    以上策略都不行,干脆不压缩了,该是多少就是多少了。此时除了编码原有的RGB3byte,还需多编码1byte标记位,压缩率3/4(反向压缩)。

    标记位说明
    上面说了那么多标记位,到底是个啥?其实就是编解码器共同约定好的一套符号,有点像什么数据交换协议,都按照这个标准进行。QOI定义的标记位如下:

    #define QOI_OP_INDEX  0x00 /* 00xxxxxx */
    #define QOI_OP_DIFF   0x40 /* 01xxxxxx */
    #define QOI_OP_LUMA   0x80 /* 10xxxxxx */
    #define QOI_OP_RUN    0xc0 /* 11xxxxxx */
    #define QOI_OP_RGB    0xfe /* 11111110 */
    #define QOI_OP_RGBA   0xff /* 11111111 */
    

    编码器是把一个个像素转成二进制码存起来,解码器是读这些0101的数据,恢复图像。所以按照约定,解码器先解出4byte,如果是“qoif”,不就说明这是QOI的码流嘛,再往后解码宽高啥的。除了文件头的14byte,后面也一样。先解出1byte标记位,如果前2bit是00,就说明是index类(对应上面策略2),后面的6bit就是index喽;要是01呢,说明是小残差,等等。但注意如果是10,说明是大残差,需要再读取1byte才能解码出当前像素的RGB值。所以如果前面是11,最后2bit就不能是10或11了,否则解码的时候不知道是这个像素重复多次呢(策略1)还是直接解码出RGB呢(策略4)。这也就解释了为什么重复最多62次,因为63和64已经被其他标记位占据了,这里只能空出来。
    最后,QOI的结束码是0x01,不也和index类重复了吗。其实这里没关系了,因为只要宽×高的所有像素没有被填满,所有的0x01都被当成index类且index=1。所有像素解码完后,0x01当成啥都无所谓了,因为也没有位置放新的像素了。

    二、性能和压缩率分析

    性能首先不谈了,无空间转换无量化无熵编码,快得飞起。压缩率按作者做的实验确实比PNG高一些,但不知道压缩细节纹理比较丰富的图像如何。根据上面的分析,如果RGB都不压缩情况会非常糟糕,但平均而言还是可以得到一个不错的压缩率。
     
     
     
    以上是本人对QOI的一些初步分析,如有错误请指出,如果codec有变化本文也会更新。

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    1.图像压缩简介 将数据压缩的技术应用在图像上,以减少图像数据中的冗余信息,以便于图像的传输和存储。压缩的通则即是利用资料的一致性,越一致的资料,越能够进行压缩图像的代表统计特性常用的有傅里叶转换域、...

    1.图像压缩简介

    将数据压缩的技术应用在图像上,以减少图像数据中的冗余信息,以便于图像的传输和存储。压缩的通则即是利用资料的一致性,越一致的资料,越能够进行压缩。图像的代表统计特性常用的有傅里叶转换域、直方图、特征指等。此外也可利用资料的规则性和可预测性来对其作压缩。

    在这里插入图片描述
    常用的图像数据冗余主要有,编码冗余、空间和时间冗余、无关信息。常用的图像压缩技可分为有损压缩和无损压缩有损压缩会丢弃原数据中的信息,压缩率较高,但无法重建原始的图像,如:DFT(离散傅里叶变换)、DCT(离散余弦变换)、KLT(搭配量化(quantization)与截断(truncation))、4:2:2或4:2:0、多项式曲线的近似(polynomial approximation),常用于细节信息不重要的自然图像等。无损压缩的压缩率较低,但可以重建原来的图像,如:二元编码(binary coding)、霍夫曼编码(Huffman coding)、算术编码(arithmetic coding)、格伦布编码 (Golomb coding),常用于医学图像等。

    在数字图像中,图像格式是组织和存储图像数据的标准方法,其定义了图像数据的排列方式和所用的压缩方法。图像格式的国际标准是由国际标准化组织(ISO)、国际电工委员会(IEC)和国际电信联盟(ITU-T)批准的。

    2.常用图像视频压缩标准

    2.0 图像格式

    在这里插入图片描述

    2.1常用图像压缩标准

    • 国际支持
    名称组织描述
    二值静止图像
    CCITT Group3ITU-T通过电话线传输二进制文档的传真方法,支持一维二维行程编码及哈夫曼编码
    CCITT Group4ITU-TCCITT Group3的精简版,只支持二维行程编码
    JBIG/JBIG1ISO/TEC/ITU-T联合二值图像专家组标准,适用于二值图像的渐进无损压缩。
    JBIG2ISO/TEC/ITU-TJBIG1的后续版本,适用于桌面、互联网和传真应用中的二值图像,所用的压缩方法是基于内容的,对文本和半色调区域使用基于字典的方法,对其他图像内容使用哈夫曼编码或算术编码,该方法可以是无损的或有损的。
    连续色调静止图像
    JPEGISO/TEC/ITU-T针对图像质量的联合图片专家组标准。该标准的有损基线编码系统对图像块变换编码、哈夫曼编码和行程编码使用量化离散余弦变换,是在互联网上常用的图像压缩方法之一
    JPEG-LSISO/TEC/ITU-T基于自适应预测,上下文建模、和Golomb码的一种无损或接近无损的压缩标准
    JPEG-2000ISO/TEC/ITU-TJPEG的后续版本,使用算术编码和量化离散小波变换。压缩可以是有损的或无损的
    • 其他
    名称组织描述
    BMPMicrosoftWindows位图。主要用于为压缩图像的一种文件格式
    GIFCompuServe图形交换格式,对1-8位图像使用LZW编码
    PDFAdobe SystemsPortable Document Format,可移植文档格式,以与设备和分辨率无关的方式来表示二维图像,可左右JPEG等图像格式的容器来使用,某些PDF版本已成为ISO标准
    PNGW3CPortable Network Graphics,一种支持无损压缩的位图图形格式。一种说法是PNG is Not GIF,GIF当时受专利保护,PNG为替代GIF
    TIFFAldus标记图像文件格式。一种灵活的文件格式,支持各种图像压缩标准,包括JPEG、JPEG-LS,JPEG-2000,JPIG2等
    WebPGoogleWebP通过WebP VP8,使用空间预测和LZW反向引用的一个变体和哈夫曼编码来实现

    2.2常用视频压缩标准

    • 国际支持
    名称组织描述
    DVIEC数字视频(Digital Video),是由索尼、松下、JVC等多家厂商联合提出的一种家用数字视频格式,如电子新闻采集和摄像机。为简单编辑目的而单独压缩各帧
    H.261ITU-T是1990年ITU-T制定的一个视频编码标准,属于视频编解码器,适用于ISDN综合业务数字网络线路的一种双向视频会议标准。设计的目的是能够在带宽为64kbps的倍数的综合业务数字网(ISDN for Integrated Services Digital Network)上传输质量可接受的视频信号
    H.262ITU-TH.262是由ITU-T的VCEG组织和ISO/IEC的MPEG组织联合制定的,所以制定完成后分别成为了两个组织的标准,正式名称是"ITU-T建议H.262"和"ISO/IEC 13818-2"。这两个标准在所有的文字叙述上都是相同的(也许除了封面和标价之外)。大家所熟知的DVD就是采用了该技术。H.262在技术内容上和ISO/IEC的MPEG-2视频标准(正式名称是ISO/IEC 13818-2)一致。
    H.263ITU-T由ITU-T用于视频会议的低码率影像编码标准。是适用于普通电话解调器的增强型H.261。它的第一版于1995年完成,在所有码率下都优于之前的H.261。之后还有在1998年增加了新的功能的第二版H.263+,或者叫H.263v2,以及在2000年完成的第三版H.263++,即H.263v3。
    H.264ITU-T又称为MPEG-4第10部分,高级视频编码,是一种面向块,基于运动补偿的视频编码标准。第一版标准的最终草案于2003年5月完成。H.264由于算法优化,可以低于1Mbps的速度实现标清(分辨率在1280P*720以下)数字图像传送;
    H.265/MPEG-H/HEVCITU-T/ISO/IEC高效视频编码,H。264的扩展,通常用于4K视频应用中。H.265则可以实现利用1~2Mbps的传输速度传送720P(分辨率1280*720)普通高清音视频传送。推出时间2013年2月。
    MPEG-1ISO/IEC一种运动图像专家组标准,用于CD-ROM应用,是MPEG组织制定的第一个视频和音频有损压缩标准,也是最早推出及应用在市场上的MPEG技术,其原来主要目标是在CD光盘上记录影像,后来被广泛应用在VCD光盘。视频压缩算法于1990年定义完成。1992年底,MPEG-1正式被批准成为国际标准。
    MPEG-2ISO/IEC是“运动图像和相关音频信息的通用编码”的标准。适用于传输速率高达15Mb/s的DVD应用。虽然MPEG-2的效率不如H.264/AVC和H.265/HEVC等新标准,但与现有硬件和软件的向后兼容性意味着它仍在广泛使用,例如在无线数字电视广播和DVD-Video中。在1996年7月最终批准。
    MPEG-4ISO/IEC由国际标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)下属的“动态影像专家组”(Moving Picture Experts Group,即MPEG)制定,第一版在1998年10月通过,第二版在1999年12月通过。MPEG-4格式的主要用途在于网络上流、光盘、语音发送(视频电话),以及电视广播。
    MPEG-4AVCISO/IEC与H.264相同
    • 其他
    名称组织描述
    AVSMII中国开发的音视频标准,为中国第二代信源编码标准。第三代AVS标准的制定工作已经完成。为了推动AVS标准的开发和推广,华为、TCL、创维等公司成立了中关村视听产业技术创新联盟(简称:AVS产业联盟),致力于AVS标准的开发和推广。
    HDV公司联盟高清视频、高清电视的DV扩展
    M-JPEG多家公司Motion JPEG,Motion Joint Photographic Experts Group,其中每一帧图像都分别使用JPEG编码。M-JPEG常用在数字相机和摄像头之类的图像采集设备上,非线性剪辑系统也常用这种格式。QuickTime播放器和包括Mozilla Firefox,Google Chrome,Safari在内许多网页浏览器原生支持M-JPEG
    Quick-TimeApple Computer由苹果公司开发的支持DV等其他音视频格式的媒体容器
    VC-1
    WMV9
    SMPTE
    Microsoft
    互联网上最通用的视频格式。适用于高清和蓝光高清DVD
    WebP
    VP8
    GoogleWebP最初在2010年9月发布,其支持库于2018年4月发布1.0版本。截至2021年5月,已有94%的浏览器支持此格式,Google于2010年9月30日首次公布WebP格式,它派生自影像编码格式VP8[12],被认为是WebM多媒体格式的姊妹项目,是Google在购买On2

    参考:

    1.维基百科

    2.数字图像处理(第四版)

    展开全文
  • 用C++实现的压缩、解压缩算法,只有几个cpp、h文件,非常小巧,方便学习算法用。
  • 采用STM32处理器实现OV7670图像传输图像采集,并通过无线传输。图像压缩格式为JPEG
  • 图像压缩 动态规划C语言实现

    千次阅读 2022-04-23 18:21:14
      图像的变位压缩存储格式将所给的像素点序列{p1,p2,…,pn},0≤pi≤255分割成m个连续段S1,S2,…,Sm。第i个像素段Si中(1≤i≤m),有l[i]个像素,且该段中每个像素都只用b[i]位表示。    由于,b[i]<=8,需要用3...

    问题描述

      图像的变位压缩存储格式将所给的像素点序列{p1,p2,…,pn},0≤pi≤255分割成m个连续段S1,S2,…,Sm。第i个像素段Si中(1≤i≤m),有l[i]个像素,且该段中每个像素都只用b[i]位表示。
       由于,b[i]<=8,需要用3位表示b[i];如果限制1<=l[i]<=256,则需要用8位表示l[i]。因此,第i个像素段所需的存储空间为l[i]*b[i]+11位。11是header,用来标记每段的特征的。

       按此格式存储像素序列{p1,p2,…,pn},需要 ∑ i = 1 m i = l [ i ] ∗ b [ i ] + 11 m \sum_{i=1}^mi=l[i]*b[i]+11m i=1mi=l[i]b[i]+11m 位。
       压缩则是就是把序列{p1,p1,……pn}进行设断点,将其分割成一段一段的。分段的过程就是要找出断点,让一段里面的像素的最大灰度值比较小,那么这一段像素(本来需要8位)就可以用较少的位(比如7位)来表示,从而减少存储空间。
    在这里插入图片描述
       这里我们对上图分组:
       第一组4个数,最大是7所以用3位表示;
       第二组2个数,最大是245所以用8位表示;
       第三组6个数,最大是28所以用5位表示;
       这个时候,我们最后得到了最后的位数结果为:4*3+2*8+6*5+11*3=91。

    思路

       第一想法:暴力枚举。细想发现实现比较困难,因为每段长度不定。
       这次的目的是寻找最小值,仔细想来还得是动态规划,从最优子结构推至全局最优解。那么还是原来的问题,最优子结构应该长什么样?
      假设第i个数长度是k,maxlen(i,j)用于寻找[i,j]中的最大长度,最优子结构应该为:
    d p [ i ] = m a x ( d p [ i − 1 ] + k + h e a d e r , d p [ i − t ] + t ∗ m a x l e n ( i − t , i ) ) dp[i] = max(dp[i-1]+k+header, dp[i-t]+t*maxlen(i-t, i)) dp[i]=max(dp[i1]+k+header,dp[it]+tmaxlen(it,i))
       因此只需递归至dp[n]即可。

    代码

    #include<bits/stdc++.h>
    using namespace std;
    #define MAX 256
    int main(){
    	int n;
    	scanf("%d", &n);
    	int a[n],dp[n+1];
    	for(int i=0;i<n;i++){
    		scanf("%d",&a[i]);
    		char result[10]; 
    		itoa(a[i],result,2);	// 进制转换
    		a[i] = strlen (result);
    	}
    	dp[0]=0;
    	for(int i=0;i<n;i++){
    		int maxlen = a[i];	// 假设这个最长 
    		dp[i+1] = dp[i]+a[i];	// 假设是要直接接上去的 
    		for(int len_picture=1; len_picture<=MAX && len_picture<=i+1; len_picture++){
    			maxlen = max(maxlen, a[i-len_picture+1]);
    			dp[i+1]=min(dp[i+1], dp[i+1-len_picture]+len_picture*maxlen);
    		}
    		dp[i+1]+=11;
    //		for(int j=0;j<=i+1;j++)
    //			printf("%d\n",dp[j]);
    //		printf("\n"); 
    	}
    } 
    //测试数据:
    //6 10 12 15 255 1 2  
    

      主要的难点是理解题目和考虑循环中的临界值。

    展开全文
  • windwos C++ gdi++实现jpg图像压缩-图像裁剪和缩放-图像格式转换-图像dpi修改
  • 用C++实现的压缩、解压缩算法,只有几个cpp、h文件,非常小巧,方便学习算法用。实现jpeg图像压缩,将灰度图数据转为jpeg压缩格式的编码文件
  • 图像以像素点序列格式存储,即{p1 ,p2 ,…,pn }, 0≤pi≤255,pi在问题中是真正要存储的东西,一般的存储过程是将每个pi都存储在8位二进制中,但对于远小于255的pi来说造成了空间上的浪费,也就是说对于[0,1]内的pi...

    问题分析:

    图像以像素点序列格式存储,即{p1 ,p2 ,…,pn }, 0≤pi≤255,pi在问题中是真正要存储的东西,一般的存储过程是将每个pi都存储在8位二进制中,但对于远小于255的pi来说造成了空间上的浪费,也就是说对于[0,1]内的pi,可以用一位二进制表示;对于[2,3]内的pi,可以用两位二进制表示;对于[8,15]内的pi,可以用四位二进制表示……以此类推。

    同时,如果按照这种方法压缩,会产生额外的空间用来存储pi所占的位数,用上边的例子来说,使用一位二进制表示[0,1]内的pi时,额外需要存储的便是1,把这个值记作b[i]。并且,对于{6, 5, 7,5, 245, 180, 28,28,19, 22, 25,20}这样的灰度序列,其中{6,5,7,5}用三位存储,{245,180}八位存储,{28,28,19,22,25,20}用五位存储,我们还需要知道这三个序列的长度用以计算总存储空间。又产生了额外的开销,即每段相同位数存储序列的长度,记作l[i]。(不要把此处的l[i],b[i]中的i跟p[i]中的i搞混,若将原序列分为m段,b[i],l[i]中的i在[1,m]范围内)

    动态规划过程:

    是否满足最优子结构?

    若l[i], b[i]已经是{p1 , p2 , …, pn }的一个最优分段,显然l[1], b[1] 是{p1 ,…,pl[1]}的一个最优分段,l[2], b[2] 是{p1 …,pl[2]+pl[1]}的最优分段……以此类推,满足最优子结构性质

    递归结构

    在这里插入图片描述

    代码就不赘述了,从s[0]开始计算,迭代计算即可。

    展开全文
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    千次阅读 2021-06-03 21:26:58
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空空如也

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动态图像压缩格式