فشردهسازی فایلهای تصویری

فشردهسازی (Compression)، پردازشی است که با حذف اطلاعات اضافی، دادهها را به علایم دیجیتالی کاهش میدهد.
فشردهسازی (Compression)، پردازشی است که با حذف اطلاعات اضافی، دادهها را به علایم دیجیتالی کاهش میدهد. این پردازش بسته به پهنای باند مورد نیاز برای انتقال دادهها و میزان فضای ذخیرهسازی، آن را کاهش میدهد. اطلاعات دیجیتالی را میتوان در هر نوعی که باشد، فشرده کرد. کاهش پهنای باند مورد نیاز امکان انتقال دادههای بیشتری را در یک زمان واحد میدهد.

فشردهسازی را میتوان به دو گروه تقسیم کرد. با فقدان (با زیان) و بدون فقدان (بدون زیان). در فشردهسازی بدون فقدان، تصویر ذخیره شده بدون از دست دادن کمتیرن دادهای، خود تصویر است، اما در فشردهسازی یا زیان، تصویر ذخیرهشده خود تصویر اصلی نیست، بلکه شبیه آن است و اطلاعاتی را از دست داده است.

● فشردهسازی بدون زیان
فشردهسازی بدون زیان با استقرار کامل و دوباره همه دادههای اصلی که در تصویر اصلی وجود داشت، مشخص میشود. فشردهسازی یک سند، فشردهسازی بدون زیانی است که سند ذخیرهشده باید درست همانند سند اولیه باشد، نه شبیه به آن. در دنیای بصری، فشردهسازی بدون زیان خود را در اختیار تصویرهائی که بخش زیادی از آنها یک رگ خاص دارد، مثل آسمان آبی، تصویرهای ساخته شده توسط کامپیوتر و محدودههائی که تها با یک رنگ خاص پر شدهاند و نکات قابلتوجهی دربرندارند.

مثل کارتونها، گرافیکها و انیمیشن سهبعدی هم از انواع فشردهسازی بدون زیان هستند.
یکی از انواع پر کاربرد و معمول در فشردهسازی بدون زیان کدگذاری مبتنی بر طول است که در گرافیکها و تصویرهای ساخته شده با کامپیوتر استفاده میشود. این تصویرها بخشهای وسیعی دارند که با رنگشان ثابت بوده و یا الگوهای یکسانی در آنها چندین بار تکرار شده است. در تصویرهای دیجیتالی، هر پیکسل از سه رنگ ترکیبی قرمز، سبز و آبی تشکیل شده و هر یک از این پیکسلها ارزش خاصی برای هرکدام از رنگها دارد. بنابراین سه بایت اطلاعات برای هر یک از رنگها وجود دارد که در کنار هم معرف یک پیکسل است.

کدگذاری مبتنی بر طول برخلاف ارزشهای RGB برای هر پیکسل، خطوط اسکن را گروهبندی و طولبندی میکند. بهگونهای که برای پیکسلها شناخته شده باشد. برای مثال، ممکن است بخشی از یک خط ویدیوئی، ردیفی ۲۵تائی از پیکسلهای سیاه داشته باشد. این بخش طولی است که به صورت ۰ و ۰ و ۰ و ۲۵ کدگذاری شده است. این یعنی ۲۵ پیکسل وجود دارند که هر کدام از یکچهارم R، یکچهارم G و یکچهارم B یا سیاه تشکیل شدهاند. تصویر اصلی از ۷۵ بابت تشکیل شده که(۵۲ پیکسل سه بایتی) برای حفظ و نگهداری اطلاعات است. زمانی که از کدگذاری مبتنی بر طول برای فشردهسازی استفاده میکنید، میتوانید اطلاعات موردنظر را در چهار بایت ذخیره کنید.

● فشردهسازی با زیان
تصویرهای ویدیوئی که با دوربین گرفته میشوند، بهطور معمول برای تکنیکهای فشردهسازی بدون زیان مناسب نیستند، چرا که بهندرت پیش میآید که طول آنها برای ارزشگذاریهای پیکسلها مناسب باشد و بتوان میزان کارآئی تصویر را با بهرهگیری از این تکنیکها بالا برد. فشردهسازی ویدیوهای متحرک بهطور معمول زیرمجموعهای از فشردهسازی با زیان است. به کمک این روش، تصویر ذخیره شده مانند تصویر اصلی خواهد بود. زمانیکه تصویر با زیان دوبره تولید میشود و یا از حالت فشرده بیرون میآید

. اطلاعاتی که در زمان فشردهسازی وجود داشت، بهطور کامل حفظ نخواهد شد. فشردهسازی با زیان برای اینکه بتواند عدم وجود اطلاعات را مخفی کند، اطلاعات موجود در مکانهائی را که چشم انسان به آن کمتر حساس است با سبب انتقاد کمتری از تصویر میشود، حذف میکند.
چشم انسان به تغییرات درجات روشنائی و نور، بیش از تغییرات رنگ )چه ظاهری و چه از نظر غنیسازی( حساس است. در گسترده رنگها، چشم انسان بیشتر به محدودههای زرد، سبز و آبی حساس است.

چشم انسان همچنین به اشیاء متحرک حساستر از اشیاء ساکن است. برای مثال خرگوش زمانیکه میخواهد شکار کند ساکن و بدون حرکت میایستد. چرا که بهطور غریزی میداند چشم حیوانات دیگر به آنچه که حرکت میکند، حساسترند تا آنچه که بیتحرک است. بنابراین اگر ساکن و بیتحرک باشد، امکان دید آنها را کمتر میکند.

در فشردهسازی با زیان، اطلاعاتی حذف میشوند که چشم انسان به آنها حساس نباشد یا حرکت چندانی نداشته باشند. در نمونه کارآمد فشردهسازی با زیان JPEG و MPEG است که هر یک از آنها را در زیر توضیح میدهیم.

● فشردهسازی JPEG
فشردهسازی JPEG توسط Joint Photographic Experts Group گسترش یافت که استاندارهائی برای فشردهسازی تصویرهای ساکن مانند عکس و گرافیک دارد. در فشردهسازی JPEG، دادههای تصویر به دو بخش روشنائی و اطلاعات رنگدانهای تقسیم میشوند.

JPEG از مزیت حساسیت بیشتر چشم انسان به تغییرات روشنائی نسبت به تغییرات رنگ استفاده کرده و نسبت به روشنائی موجود در تصویرها نمونههای بیشتری از اطلاعات کروم و رنگ را برمیگزیند. بدینترتیب، اطلاعات رنگبندی تا نصف کاهش مییابد. با کاهش کدگذاری اطلاعات زاید روشنائی موجود در تصویر، اطلاعات کلی نیز کاهش مییابند. سایر ارزشها و اطلاعات باقیماندهای که پایدار هستند درست همانند روشهای فشردهسازی بدون زیان، کدگذاری میشوند.

● فشردهسازی JPEGهای متحرک
Motion JPEG یا M-JPEG گرفته شده از JPEG است و در فشردهسازی تصویرهای متحرک کارآئی دارد. این روش نسبت به هر یک از تصویرها، بهعنوان یک تصویر ساکن نگریسته و سپس روی آن کار میکند. از آنجائی که تفاوتهای کیفیتی از یک فریم به فریم دیگر کمتر از پنج درصد است، در فریمهای نزدیک بههم تنها تغییرات اساسی بهوجود میآید. زمانیکه به هرکدام از تصویرها بهعنوان یک تصویر واحد و نه تصویر متحرک ادامهدار مینگریم، به یک روش مؤثر در فشردهسازی تصویرهای متحرک میرسیم.

● فشردهسازی MPEG
فشردهسازی MPEG توسط Motion Picture Experts Group، گسترش یافت که استانداردهائی برای فشردهسازی تصویرهای متحرک دارد. تکنیکهای MPEG موافتنامههائی برای فشردهسازی، کدگذاری و کدبرداری اطلاعات ساخته است که در آنها تنها روشهای کدگذاری مهم نیستند، بلکه قاعدهها و دستورالعملها طرز قرارگیری اطلاعات را نشان میدهند و میگویند که چه چیزهائی باید در دادهها وجود داشته باشند،

اما در مورد روشی که اطلاعات توسط آن بهدست میآید، هیچ توضیحی نمیدهند. این بدان معنا است که بدون ایجاد تغییرات دائمی در تجهیزات امروزی میتوان پیشرفتهائی در زمینه تکنیکهای کدگذاری داشت. در فشردهسازی MPEG,M-JPEG از بیشترین برتریها در زمینه شباهتهای بینفریمی برخوردار است و این بهعنوان مهمترین و کلیدیترین تکنیک فشردهسازی محسوب میشود.

هر خطی در هر زمینهای از تصویرهای دیجیتالی که باشد، از ۷۰۴ پیکسل تشکیل شده است. فشردهسازی MPEG-۱، بهازاء هر یک فریم از ویدیو، یک زمینه در ۳۵۲ پیکسل و بهازاء هر یک خط استفاده میکند. استفاده نیمی از وضوح بهصورت افقی و خطوط اسکن یکی در میان بهصورت عمودی تصویری یا وضوح تصویر یکچهارم را میآفریند.

MPEG-۱ یکی از سادهترین روشهای فشردهسازی تصویرهای متحرک است و در آن هیچ تجزیه و تحلیل دقیقی در مورد تصویرهای واحد یا چندتصویری که در کنار یکدیگر قرار میگیرند، وجود ندارد. روش فشردهسازی بر مبنای پردازشی ساده و ریاضیوار صورت میگیرد. بدین ترتیب یک پیکسل را بهصورت یک دی میان روی خطهای یکی در میان نمونهگذاری میکنیم.

● انواع MPEG
فشردهسازی MPEG-۰ میتواند با بهرهگیری از انواع گوناگون الگوریتمهای کامپیوتری یا فرمولهای ریاضی تصویرها را فشرده کند. این الگوریتمهای متنوع بهعنوان ابزار شناخته میشوند و میتوان از ترکیب آنها برای فشردهسازی تصاعدی بدون از دست دادن کیفیت استفاده کرد. به بیانی دیگر، فشردهسازی MPEG-

۰ میتواند با بهرهگیری از حدود چهار درصد اطلاعات ویدیو اصلی، تصویری با کیفیت خوب تولید کند. همچنین MPEG-۰ انعطافپذیر بوده و میتواند از روشهای گوناگون اطلاعاتی، اندازههای تصویرها و کیفیت فشردهسازی حمایت کند. هر یک از فشردهسازیهای MPEG که موفق بودهاند، (برای نمونه ۷ و ۵ و ۴ MPEG) توانائیهای بسیاری برای تشخیص اطلاعاتی که باید فشرده شوند، دارند. آنها همچنین میتوانند با توجه به تصویر موجود، امکان فشردهسازی بیشتری را به تصویر بدهند. از انواع گوناگون تکنیکها و روشهای فشردهسازی MPEG میتوان در کارهای کاربردی خاص استفاده کرد.

● پردازش MPEG
کار پردازش MPEG با بررسی سکانسهائی زا فریمهای ویدیوئی که به جریان ویدیوئی معروف هستند، شروع میشود. اطلاعات زاید، کدگذاری و فشرده میشوند. سپس جریان ویدیوئی فشرده شده در یک بیت کدگذاری شده و جاری میشود و بیت جاری ذخیره شده یا انتقال مییابد. سرعتی که اطلاعات پردازش میشوند. به سرعت بیت معروف است. زمانیکه از دادهها استفاده میشود یا تصویر را به حالت اولیه و اصلی خود ذخیره میکنیم، دادهها کدبرداری شده و از حالت فشرده درمیآیند.

فشردهسازی MPEG از ترکیبی از دو برنامه گوناگون فشردهسازی، یعنی فاصلهای و موقتی استفاده میکند. فشردهسازی فاصلهای، دادههای موجود در هر فریم ویدیوئی را با حذف دادههای زاید موجود در تصویر کم میکند. فشردهسازی موقت نیز تفاوتهای موجود بین تصویرها را در زمانهای گوناگون مقایسه کرده و در نهایت دادههائی را که معرف تغییرات هستند، ذخیره میکند. فشردهسازی فاصلهای برای ساخت تصویر میانی، از همان تکنیکهای موچود در فشردهسازی JPEG استفاده میکند که فریم I نامیده میشود.

برخلاف فریمهای موجود در فشردهسازی موقت، فریمهای I تصویرهای ”مستقلی“ هستند که بدون نیاز به مراجعه به فریمها قابل کدبرداری و نمایش هستند. فریمهای I میان جریان ویدیوئی پراکنده شدهاند و کاربردشان بهعنوان مرجع فشردهسازی موقت در میان فریمها است. مرتب کردن آنها درست همانند حصارکشی ( نردهکشی) است، چرا که فریمهای I، معرف نقاط محدودی در حصار هستند، در حالیکه فریمهای موقتی حصارهای بیشتری را دربرمیگیرند.
فریمهای فشردهسازی موقت که به فریمهای B و P معروف هستند، شامل دادههای حرکتی هستند که چگونگی تغییر نواحی فریم I بین فریمهای میانی را بیان میکنند. فیرمهای B و P نسبت به فریمهای I اطلاعات کمتری دارند، چرا که تنها اطلاعاتی را درباره تغییراتی که بین فریمها به وقوع پیوسته است، دربرمیگیرند و این از کارآمدترین بخشها در کدگذاری MPEG است. نرخ فشردهسازی آن ۲۵:۱ است که سبب میشود در کیفیت عکسهای فشرده نشده افت ایجاد نشود.

فریمهای B,I و P در زیر بیشتر توضیح داده میشوند.
● فریمهای I
فریم I فریم میانی Intra، فریمی است که تصویر را بهصورت کامل و با تمام جزئیات دربردارد و میتوان از آن بهعنوان مرجع فریمهای دیگر استفاده کرد. فریم I به پیکسلهای هشتقطعهای (گروهی) تقسیم میشود. این قطعات پیکسلی در گروههای شانزدهتائی که به قطعات بزرگتر معروف هستند، قرار میگیرند و سپس با بهرهگیری از تکنیکهای فشردهسازی JPEG فشرده میشوند. فریمهای I بیشتر در زمانهائی ساخته میشوند که به آنها نیاز باشد یا تغییرات اساسی در محتویات تصویر صورت گرفته باشد که بهطور معمول در جریانهای ویدئوئی، این اتفاق دو بار در ثانیه رخ میدهد .