Obraz cyfrowy. Reprezentacja, kompresja, podstawy przetwarzania. Standardy JPEG i MPEG

Podręcznik podstawowy, kompleksowo ujmujący zagadnienia teoretyczne, jak i praktyczne związane z obrazem cyfrowym, a zwłaszcza z obrazami ruchomymi.
Książka przedstawia uzyskiwanie cyfrowych obrazów i cyfrowych sygnałów wizyjnych, rodzaje reprezentacji takich sygnałów, kompresję obrazów nieruchomych i ruchomych, podstawowe operacje przetwarzania obrazów oraz zawiera krótkie wprowadzenie do zagadnień opisu treści obrazów i umieszczania znaków wodnych w obrazach. Omawia sygnały wizyjne spotykane w telewizji cyfrowej standardowej (SDTV) oraz wysokiej jakości (HDTV), a także sygnały stereowizyjne i wielowidokowe. Omawiając aktualnie stosowane rozwiązania techniczne autor uwzględniał również najnowsze osiągnięcia naukowe. Dużo uwagi poświęcił standardom międzynarodowym, w tym przede wszystkim standardom kompresji JPEG, JPEG-LS, JPEG 2000, JPEG-XR, H.263, MPEG-2 oraz MPEG-4, w tym AVC, SVC i MVC. Podręcznik odnosi się też do innych standardów, na przykład dotyczących formatów obrazów i sygnałów wizyjnych lub opisu treści obrazu (MPEG-7). Sposób wykładu ułatwia poznanie podstaw techniki obrazu cyfrowego, które mają zastosowanie między innymi w telewizji cyfrowej, w systemach nadzoru wizyjnego i w przetwarzaniu obrazów dla zastosowań przemysłowych i biomedycznych.
Odbiorcy: studenci kierunków elektronika, telekomunikacja, informatyka, automatyka i robotyka wyższych uczelni technicznych i innych.

---

Spis treści:
Przedmowa 11
Ważniejsze oznaczenia 14
Spis skrótów i akronimów 15
Wstęp 21
W.1. Obraz naturalny i cyfrowe przetwarzanie obrazów 21
W.2. Technika obrazu 24
W.3. Normalizacja w zakresie obrazu cyfrowego 26
1. Podstawy teorii sygnałów wielowymiarowych 58
1.1. Pojęcie sygnału wielowymiarowego 58
1.2. Częstotliwości przestrzenne 63
1.3. Przekształcenie Fouriera sygnałów wielowymiarowych 65
1.3.1. Wielowymiarowe przekształcenie Fouriera 65
1.3.2. Dwuwymiarowe przekształcenie Fouriera 67
1.3.3. Właściwości dwuwymiarowego przekształcenia Fouriera 67
1.3.4. Interpretacja częstotliwości przestrzennych w obrazach 79
1.4. Próbkowanie obrazu 81
1.4.1. Próbkowanie prostokątne 81
1.4.2. Próbkowanie z dowolną geometrią próbkowania 85
1.5. Dyskretne dwuwymiarowe przekształcenie Fouriera 88
1.5.1. Definicja i właściwości 88
1.5.2. Obliczanie dyskretnych dwuwymiarowych transformat Fouriera 93
1.5.3. Dyskretne dwuwymiarowe transformaty Fouriera obrazów 96
1.6. Dwuwymiarowe dyskretne przekształcenie kosinusowe 100
1.6.1. Jednowymiarowe dyskretne przekształcenie kosinusowe 100
1.6.2. Dwuwymiarowe dyskretne przekształcenie kosinusowe − określenie 102
1.6.3. Wyznaczanie dwuwymiarowych dyskretnych transformat kosinusowych obrazów 105
1.7. Dwuwymiarowe przekształcenie Z 107
1.8. Dwuwymiarowe dyskretne układy liniowe 110
1.8.1. Podstawowe pojęcia 110
1.8.2. Dwuwymiarowe układy LSI − opis w dziedzinie przestrzennej 112
1.8.3. Dwuwymiarowe układy LSI − opis w dziedzinie częstotliwości 116
1.8.4. Stabilność dwuwymiarowych systemów liniowych 121
1.9. Dwuwymiarowe dyskretne przekształcenie falkowe 124
1.9.1. Analiza i synteza subpasmowa 124
1.9.2. Zespoły filtrów analizy i syntezy 129
1.9.3. Implementacje zespołów filtrów 134
1.9.4. Przekształcenie falkowe proste i odwrotne 139
1.10. Predykcja 142
1.11. Kwantowanie 147
1.11.1. Kwantowanie skalarne 147
1.11.2. Kwantowanie wektorowe 149
2. Cyfrowe reprezentacje obrazów 151
2.1. Światło widzialne i jego percepcja przez człowieka 151
2.1.1. System wzrokowy człowieka 151
2.1.2. Fotometria 152
2.1.3. Percepcja światła przez człowieka 155
2.2. Cyfrowe reprezentacje obrazu monochromatycznego 156
2.3. Korekcja kontrastu − korekcja gamma 159
2.4. Barwy i ich reprezentacje 164
2.4.1. Światło barwne i jego percepcja 164
2.4.2. Reprezentacja światła barwnego za pomocą trzech składowych podstawowych 166
2.4.3. Układ RGB i jego odmiany 168
2.4.4. Luminancja i chrominancje 175
2.4.5. Inne układy współrzędnych barw 182
2.4.6. Indeksowanie kolorów 185
2.4.7. Zarządzanie kolorami 189
2.4.8. Wielozakresowe reprezentacje barw 191
2.5. Analogowe ciągłe sygnały wizyjne 192
2.5.1. Sygnały z wybieraniem międzyliniowym i kolejnoliniowym 192
2.5.2. Całkowity sygnał wizyjny monochromatyczny 193
2.5.3. Sygnały wizyjne barwne 196
2.5.4. Przegląd analogowych sygnałów wizyjnych 198
2.6. Cyfrowe sygnały wizyjne 201
2.6.1. Kwantowanie próbek sygnałów wizyjnych 201
2.6.2. Proporcje rozmiarów obrazu 202
2.6.3. Próbkowanie ciągłych sygnałów wizyjnych 203
2.6.4. Formaty obrazu − SDTV i HDTV 208
2.6.5. Próbkowanie chrominancji 210
2.6.6. Interfejsy cyfrowych sygnałów wizyjnych bez kompresji 214
2.7. Ocena jakości obrazu 216
2.7.1. Wprowadzenie 216
2.7.2. Subiektywna ocena jakości obrazu 217
2.7.3. Ocena jakości obrazu za pomocą wskaźnika PSNR 221
2.7.4. Metody automatycznej oceny jakości obrazu 225
2.7.5. Podsumowanie 228
3. Kamery i monitory 229
3.1. Kamery 229
3.1.1. Budowa kamery 229
3.1.2. Próbkowanie w czasie 233
3.1.3. Próbkowanie przestrzenne 236
3.1.4. Kamery do akwizycji obrazów barwnych 238
3.1.5. Wielkości charakteryzujące kamery 240
3.1.6. Sygnały wyjściowe z kamer 243
3.2. Monitory 243
4. Podstawowe operacje przetwarzania obrazów 249
4.1. Operacje punktowe 249
4.1.1. Określenie operacji punktowych 249
4.1.2. Histogramy 252
4.1.3. Poprawa kontrastu za pomocą operacji punktowych 254
4.1.4. Binaryzacja obrazów 256
4.2. Operacje algebraiczne na obrazach 257
4.3. Dwuwymiarowa liniowa filtracja nierekursywna 257
4.4. Dwuwymiarowa liniowa filtracja rekursywna 270
4.5. Decymacja i interpolacja obrazu 275
4.6. Nieliniowa filtracja obrazu 278
4.7. Przekształcenia geometryczne obrazu 284
4.8. Podsumowanie 284
5. Wprowadzenie do przetwarzania sekwencji wizyjnych 286
5.1. Estymacja ruchu 286
5.1.1. Charakterystyka zadania 286
5.1.2. Metody wykorzystujące zasadę przepływu optycznego 290
5.1.3. Metody pasowania bloków 293
5.2. Filtracja w dziedzinie czasu z kompensacją ruchu 302
5.3. Konwersje reprezentacji sekwencji wizyjnych 304
5.4. Nadrozdzielczość 306
5.5. Analiza sekwencji wizyjnych 306
6. Wprowadzenie do kompresji obrazów 310
6.1. Zagadnienia ogólne 310
6.1.1. Znaczenie kompresji obrazów 310
6.1.2. Nadmiarowość reprezentacji obrazu 313
6.1.3. Kodowanie i dekodowanie obrazów 316
6.1.4. Porównywanie efektywności kompresji 319
6.1.5. Kodeki bezstratne 322
6.1.6. Kodeki stratne 323
6.1.7. Kodowanie wewnątrzobrazowe i międzyobrazowe 326
6.1.8. Przetwarzanie wstępne i końcowe 328
6.1.9. Normalizacja w zakresie kompresji 329
6.1.10. Kodowanie skalowalne 330
6.1.11. Transkodowanie 333
6.1.12. Literatura na temat kompresji 334
6.2. Kodowanie entropijne 334
6.2.1. Wprowadzenie do kodowania entropijnego 335
6.2.2. Kody Huffmana 336
6.2.3. Kody Golomba i ich odmiany 341
6.2.4. Kodowanie arytmetyczne 344
6.2.5. Kodowanie słownikowe 348
6.3. Kodowanie ciągów 349
7. Kompresja wewnątrzobrazowa 351
7.1. Kodowanie transformatowe i standard JPEG 351
7.1.1. Stratne kodowanie transformatowe obrazów nieruchomych 352
7.1.2. Bezstratne kodowanie obrazów nieruchomych wykorzystujące predykcję wewnątrzobrazową 357
7.1.3. Standard JPEG (JPEG-1) 358
7.1.4. Tryb sekwencyjny transformatowy 359
7.1.5. Binarne kodowanie arytmetyczne w standardzie JPEG 367
7.1.6. Tryb progresywny transformatowy 368
7.1.7. Tryb hierarchiczny 368
7.1.8. Tryb bezstratny 371
7.1.9. Składnia danych reprezentujących obraz skomprymowany 371
7.1.10. Rozszerzenia standardu JPEG 374
7.2. Kodowanie falkowe i standard JPEG 2000 374
7.2.1. Wprowadzenie 374
7.2.2. Technika kompresji w standardzie JPEG 2000 376
7.2.3. Przetwarzanie wstępne 376
7.2.4. Kodowanie falkowe 378
7.2.5. Adaptacyjne binarne kodowanie arytmetyczne 381
7.2.6. Składnia danych reprezentujących obraz skomprymowany 382
7.2.7. Podsumowanie 384
7.3. JPEG XR 385
7.4. Efektywność stratnych kodeków JPEG, JPEG 2000 i JPEG XR 388
7.5. Inne techniki kompresji stratnej 393
7.6. Kompresja bezstratna i prawie bezstratna w standardzie JPEG-LS 394
7.7. Przegląd technik kompresji bezstratnej 396
8. Międzyobrazowa kompresja sekwencji wizyjnych 399
8.1. Kodowanie hybrydowe cyfrowych sekwencji wizyjnych 399
8.1.1. Wprowadzenie 399
8.1.2. Adaptacyjny charakter kodowania hybrydowego 401
8.1.3. Kodowanie wewnątrzobrazowe sekwencji wizyjnych 403
8.1.4. Predykcja międzyobrazowa z kompresją ruchu 404
8.1.5. Obrazy typu B 409
8.1.6. Kwantowanie wpółczynników transformaty 413
8.1.7. Hierarchiczna struktura strumienia zakodowanych danych 413
8.1.8. Sterowanie pracą kodera hybrydowego 416
8.1.9. Zniekształcenia obrazu wprowadzane przez hybrydowe kodowanie blokowe 419
8.2. Przegląd standardów kompresji cyfrowych sekwencji wizyjnych 420
8.3. Kompresja sekwencji wizyjnych zgodna ze standardem MPEG-2 426
8.3.1. Standard MPEG-2 427
8.3.2. Strumień transportowy MPEG-2 427 8.3.3. Kompresja obrazu w standardzie MPEG-2 430
8.3.4. Technika kompresji według profilu głównego 432
8.3.5. Kodowanie według profilu 4:2:2 438
8.3.6. Narzędzia kompresji obrazów z wybieraniem międzyliniowym 438
8.3.7. Strumień wizyjny standardu MPEG-2 445
8.3.8. Sterowanie prędkością bitową 460
8.3.9. Efektywność kompresji kodeków MPEG-2 466
8.3.10. Podsumowanie 469
8.4. Inne standardy pierwszej i drugiej generacji 470
8.4.1. Standardy pierwszej generacji 470
8.4.2. Kodowanie sekwencji wizyjnych zgodnie z zaleceniem ITU-T H.263 473
8.4.3. Standard MPEG-4 477
8.5. Zaawansowane Kodowanie Sygnału Wizyjnego – MPEG-4 AVC/H.264 483
8.5.1. Wprowadzenie 483
8.5.2. Profile i poziomy standardu AVC 485
8.5.3. Zaawansowane narzędzia kompresji według standardu AVC 488
8.5.4. Struktura danych wytwarzanych przez koder AVC 509
8.5.5. Kodowanie entropijne UVLC/CAVLC 515
8.5.6. Adaptacyjne binarne kodowanie arytmetyczne CABAC 518
8.5.7. Sterowanie koderami AVC 522
8.5.8. Efektywność kompresji MPEG-4AVC 525
8.5.9. Transkodowanie strumieni AVC 530
8.5.10. Skalowalne Kodowanie Sekwencji Wizyjnych SVC 531
8.5.11. Podsumowanie zagadnień dotyczących standardu AVC 532
8.6. Inne techniki kompresji obrazu ruchomego trzeciej generacji 533
8.6.1. Standard VC-1 533
8.6.2. Standard AVS 538
8.6.3. Kodek VP8 538
8.7. Technika kompresji czwartej generacji − HEVC 539
8.8. Inne rozwojowe techniki kompresji obrazów ruchomych 540
8.9. Podsumowanie 542
9. Obrazy stereoskopowe i trójwymiarowe 543
9.1 Widzenie przestrzenne i obrazy stereoskopowe 543
9.1.1. Dwuoczne wskazówki głębi 544
9.1.2. Wytwarzanie dwuocznych wskazówek głębi na płaskich ekranach 545
9.1.3. Jednooczne wskazówki głębi 548
9.1.4. Wykorzystanie jednoocznych wskazówek głębi w systemach technicznych 549
9.1.5. Praktyka wyświetlania obrazów stereoskopowych na płaskich ekranach 550
9.1.6. Podsumowanie 552
9.2. Prezentacja obrazów stereoskopowych 553
9.2.1. Wprowadzenie 553
9.2.2. Urządzenia wykorzystujące separację barw 554
9.2.3. Urządzenia migawkowe 556
9.2.4. Urządzenia polaryzacyjne 558
9.2.5. Monitory autostereoskopowe 560
9.2.6. Podsumowanie 564
9.3. Systemy kamerowe do akwizycji obrazów stereoskopowych 564
9.4. Kompatybilne formaty ramek z obrazami stereoskopowymi 568
9.5. Kompresja obrazów stereoskopowych 573
9.6. Systemy z obrazami stereoskopowymi i trójwymiarowymi 576
9.7. Obrazy wielowidokowe i trójwymiarowe 578
10. Opis treści obrazu 584
10.1. Wyszukiwanie treści obrazowych 584
10.2. Normalizacja metadanych 587
10.3. Deskryptory obrazu w standardzie MPEG-7 589
10.4. Podsumowanie 596
11. Znaki wodne w obrazach 597
11.1. Wiadomości ogólne 597
11.2. Przykłady wykorzystania znakowania wodnego 601
11.3. Podstawowe warianty technik znakowania wodnego 603
11.4. Przykładowe techniki znakowania wodnego 605
Literatura 611
Skorowidz 637