Analysis of two-step approach for compressing texture images with desired quality

Abstract

A task of lossy compression of remote sensing and other types of images with providing the desired quality is considered. Quality is mainly characterized by the peak signal-to-noise ratio (PSNR) but visual quality metrics are briefly studied as well. Potentially, a two-step approach can be used to carry out a compression with provid-ing the desired quality in a quite simple way and with a reduced compression time. However, the two-step ap-proach can run into problems for PSNR metric under conditions that a required PSNR is quite small (about 30 dB). These problems mainly deal with the accuracy of providing a desired quality at the second step. The paper analyzes the reasons why this happens. For this purpose, a set of nine test images of different complexity is analyzed first. Then, the use of the two-step approach is studied for a wide set of complex structure texture test images. The corresponding test experiments are carried out for several values of the desired PSNR. The obtained results show that the two-step approach has limitations in the cases when complex texture images have to be compressed with providing relatively low values of the desired PSNR. The main reason is that the rate-distortion dependence is nonlinear while linear approximation is applied at the second step. To get around the aforemen-tioned shortcomings, a simple but efficient solution is proposed based on the performed analysis. It is shown that, due to the proposed modification, the application range of the two-step method of lossy compression has become considerably wider and it covers PSNR values that are commonly required in practice. The experiments are performed for a typical image encoder AGU based on discrete cosine transform (DCT) but it can be expected that the proposed approach is applicable for other DCT-based image compression techniques.

Розглядається задача стиснення з втратами даних дистанційного зондування та інших типів зображень із забезпеченням бажаної якості. Якість в основному характеризується піковим співвідношенням сигнал / шум (PSNR), але також коротко вивчаються інші показники якості зображення. Потенційно, двоетапний підхід може використовуватися для виконання стиснення із забезпеченням бажаної якості досить простим способом і з зменшеним часом стиснення. Однак двоетапний підхід може зіткнутися з проблемами для метрики PSNR в умовах, коли необхідний PSNR досить малий (близько 30 дБ). Ці проблеми в основному стосуються точності забезпечення бажаної якості на другому етапі. В роботі аналізуються причини, за якими це відбувається. Для цього спочатку проаналізовано набор з дев'яти тестових зображень різної складності. Потім використання двоетапного підходу вивчається для широкого набору тестових зображень зі складною структурою текстури. Відповідні тестові експерименти проведені для декількох значень бажаного PSNR. Отримані результати показують, що двоетапний підхід має обмеження в тих випадках, коли складні текстурні зображення повинні бути стиснуті з забезпеченням відносно низьких значень бажаного PSNR. Основна причина полягає в тому, що залежність швидкості від спотворення є нелінійної, тоді як на другому етапі використовується лінійне наближення. Щоб обійти вищезгадані недоліки, пропонується просте, але ефективне рішення на ос-нові проведеного аналізу. Показано, що завдяки запропонованій модифікації область застосування двоетапного методу стиснення з втратами стала значно ширше і охоплює значення PSNR, які зазвичай потрібні на практиці. Експерименти виконуються для типового кодера AGU основі дискретно-косинусного перетворення (DCT), але можна очікувати, що запропонований підхід може бути застосовано для інших методів стиснення зображень на основі DCT.

Рассматривается задача сжатия с потерями данных дистанционного зондирования и других типов изображений с обеспечением желаемого качества. Качество в основном характеризуется пиковым отношением сигнал / шум (PSNR), но также кратко изучаются другие показатели качества изображения. Потенциально, двухэтапный подход может использоваться для выполнения сжатия с обеспечением желаемого качества довольно простым способом и с уменьшенным временем сжатия. Однако двухэтапный подход может столкнуться с проблемами для метрики PSNR в условиях, когда требуемый PSNR довольно мал (около 30 дБ). Эти проблемы в основном касаются точности обеспечения желаемого качества на втором этапе. В статье анализируются причины, по которым это происходит. Для этого сначала анализируется набор из девяти тестовых изображений различной сложности. Затем использование двухэтапного подхода изучается для широкого набора тестовых изображений со сложной структурой текстуры. Соответствующие тестовые эксперименты проводят для нескольких значений желаемого PSNR. Полученные результаты показывают, что двухэтапный подход имеет ограничения в тех случаях, когда сложные текстурные изображения должны быть сжаты с обеспечением относительно низких значений желаемого PSNR. Основная причина заключается в том, что зависимость скорости от искажения является нелинейной, тогда как на втором этапе применяется линейное приближение. Чтобы обойти вышеупомянутые недостатки, предлагается простое, но эффективное решение на основе проведенного анализа. Показано, что благодаря предложенной модификации область применения двухэтапного метода сжатия с потерями стала значительно шире и охватывает значения PSNR, которые обычно требуются на практике. Эксперименты выполняются для типичного AGU кодера изображения на основе дискретно-косинусного преобразования (DCT), но можно ожидать, что предложенный подход применим для других методов сжатия изображений на основе DCT.