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Introdução ao DPCM para compressão de
imagens da câmera PAN do CBERS-3&4
Lilian Nogueira de Faria (Bolsista).............................DPI/INPE
Leila Maria Garcia Fonseca .....................................DPI/INPE
Desenvolvido por CAST, CRESDA
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Introdução ao DPCM
DPCM do CBERS-03/04 (PAN)
Análise objetiva de qualidade
Análise visual de qualidade
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CBERS-3&4
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Imagem da camera Pan CBERS-03/04 deve ser comprimida.
Especificações técnicas CBERS-03/04
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Processamento rápido;
Bom desempenho de compressão;
Boa qualidade da imagem recuperada;
Baixa complexidade computacional;
Fácil implementação em FPGA.
Requisitos do compressor:
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Modelos de Sistemas de
Compressão de Imagem
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Sem perdaPermite recuperar a
imagem original
Métodos de Compressão
Com perdaPermite maior compressão
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Domínio espacialMétodos Preditivos
Métodos de Compressão
Domínio da frequênciaMétodos baseados em Transformadas
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DPCM
1992 1993 ... 1999 2000 ... 2005 2006 ... 2009 1950 ...
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DPCMModulação por Codificação de Pulso Diferencial
Símbolo
Anterior
+
-
Sinal
Diferença
Erro de Previsão
Sinal
DPCM
9 11 12 13 14 14 15 15 15 14 ...
9 2 1 1 1 0 1 0 0 -1 ...
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Original
data
DPCM
code
Decoded
data
Compressor preditivo sem perda
+-
Original Data Prediction error
x[n]
x[n-1]
e[n]
Z-1
+Decoded data
x[n-1]
x[n]
Z-1
150 130 130 135 125 ...
150 -20 0 5 -10 ...
–
e[n] = x[n] – x[n-1]
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Original
data
DPCM
code
Decoded
data
Compressor preditivo sem perda
+-
Original Data Prediction error
x[n]
x[n-1]
e[n]
Z-1
+Decoded data
x[n-1]
x[n]
Z-1
150 130 130 135 125 ...
150 130 130 135 125 ...
150 -20 0 5 -10 ... e[n] = x[n] – x[n-1]
+
x[n] = x[n-1] + e[n]
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Amostra
Anterior
+
-
Sinal Erro de
Previsão
Original [0, 255] (8 bits) Diferença [-255, 255] (> 8 bits)
Sem compressão
Compressor preditivo sem perda
Quantização
Erro
quantizado
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Quantização do erro de predição
. .
. .
. .[ 18, 23] 21
[ 12, 17] 15
[ 6, 11] 9
[ 0, 5] 3
[ -6, -1] -3
[ -12, -7] -9
[ -18, -13] -15
[ -24, -19] -21
. .
. .
. .
Prediction
Error
Quantized error
9 –
-15 –
-9 –
3 –
.
.
.
.
.
.
.
.
6
Quantized
error
Prediction
error
12 18 24-24 -18 -12 -6
15 –
21 –
-21 –
...... -21 -15 -9 -3 3 9 15 21
-24 -18 -12 -6 0 6 12 18 24
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Q(-20) Q(1) Q(3) Q(-10)
150 -21 3 3 -9 ...
Original
data
DPCM
code
Decoded
data
DPCM
+
Original data
x[n]
Quantized
prediction error
eQ[n]
xD[n-1]
e[n]
xD[n]
Q
Z-1
+
xD[n-1]
xD[n]Decoded data
Z-1
150 130 130 135 125 ...
150 129 132 135 126 ...
–
eQ[n] = Q( x[n] – xD[n-1] )
e[n]
+–
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150 -21 3 3 -9 ...
Original
data
DPCM
code
Decoded
data
DPCM
+–
+
Original data
x[n]
Quantized
prediction error
eQ[n]
xD[n-1]
e[n]
xD[n]
Q
Z-1
+
xD[n-1]
xD[n]Decoded data
Z-1
150 130 130 135 125 ...
150 129 132 135 126 ...
+
xD[n] = xD[n-1] + eQ[n]
Decodificação dentro
da codificação
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150 -21 3 3 -9 ...
Original
data
DPCM
code
Decoded
data
DPCM
0 -1 2 0 1 ...
xD[n] - x[n] = eQ[n] - e[n]
Erro de reconstrução =
Erro de quantização
+–
+
Original data
x[n]
Quantized
prediction error
eQ[n]
xD[n-1]
e[n]
xD[n]
Q
Z-1
+
xD[n-1]
xD[n]Decoded data
Z-1
150 130 130 135 125 ...
150 129 132 135 126 ...
Q(-20) Q(1) Q(3) Q(-10)–
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Quantização do erro de predição
Prediction Error
Quantized error
-255 255
62 –
-62 –
-41 –
41 –
1 –
.
.
.
.
.
.
-53 53
Quantização deve ser
projetada para minimizar
o erro de reconstrução.
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DPCM
Sub-System of PANMUX_IRMSS
Onboard CBERS 3 & 4 Satellites
Source: Introduction to DPCM Encoding Algorithm in Data Transmission: Sub-system of PANMUX_IRMSS
Onboard CBERS 3&4 Satellites, CAST, CRESDA, August 3, 2010.
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Quantização do erro de predição
[ 53, 255] 62 0111
[ 36, 52] 41 0110
[ 26, 35] 29 0101
[ 19, 25] 21 0100
[ 13, 18] 15 0011
[ 8, 12] 9 0010
[ 4, 7] 5 0001
[ 0, 3] 1 0000
[ -3, -1] -1 1000
[ -7, -4] -5 1001
[ -12, -8] -9 1010
[ -18, -13] -15 1011
[ -25, -19] -21 1100
[ -35, -26] -29 1101
[ -52, -36] -41 1110
[-255, -53] -62 1111
4 bits
Quantized
error
Prediction
error
-62 (1111) 62 (0111)
Code
Prediction Error
Quantized error
-255 255
62 –
-62 –
-41 –
41 –
1 –
.
.
.
.
.
.
-53 53
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Codificador DPCM
Predição
+
-
8 bits
Erro de Previsão
Quantização
Codificador
+
4 bits
Taxa de Compressão
2:1
Imagem originalImagem codificada
0100010110
1101010001
0100001011
0011101101
0111011010
+
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Codificador DPCM
Predição
Entrada
(8 bits)
Erro de Previsão
Quantização
Codificador
+
Saída
(4 bits)
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
Tabela de codificação do erro quantizado
Erro
Saída
+
-+
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Codificador DPCM
Predição
9898
Quantização
Codificador
+
011000100
98 95 86 84
01100010
+
-+
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Codificador DPCM
Predição
95-3
Quantização
Codificador
+
1000
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
98
-197
98 95 86 84
01100010 1000
+
-+
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Codificador DPCM
Predição
86-7
Quantização
Codificador
+
1001
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
93
-588
98 95 86 84
01100010 1000 1001
+
-+
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Codificador DPCM
Predição
840
Quantização
Codificador
+
0000
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
84
185
98 95 86 84
01100010 1000 1001 0000
+
-+
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Codificador DPCM
Predição Quantização
Codificador
+
98 95 86 84
01100010 1000 1001 0000 ...
Fim da Codificação
+
-+
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Decodificador
Decodificador DPCM
01100010 1000 1001 0000
Predição+01100010 98
98
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Decodificador
Decodificador DPCM
Predição+1000
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
98-1 97
01100010 1000 1001 0000
98
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Decodificador
Decodificador DPCM
Predição+1001
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
93-5 88
01100010 1000 1001 0000
98 93
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Decodificador
Decodificador DPCM
Predição+0000
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
841 85
01100010 1000 1001 0000
98 93 84
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Decodificador
Decodificador DPCM
Predição+
-233 -52 -35 -25 -18 -12 -7 -3 0 4 8 13 19 26 36 53 255
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 10000000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
-62 -41 -29 -21 -15 -9 -5 -1 1 5 9 15 21 29 41 62
-9 0 13 38 63 88 113 138 163 188 213 238 263 264
0 ap ap-1 ap-2 ap-3 ap-4 ap-5 ap-6 ap-7 ap-8 ap-9 ap-10 ap-11
82
01100010 1000 1001 0000
98 93 84 82
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Sistema de Compressão DPCM
Decodificador Predição+
98 93 84 82...
Predição
+
-
Quantização
Codificador
+
98 95 86 84... 01100010 1000 1001 0000...
Taxa de Compressão 2:1
Compressão com Perda
Baixa complexidade
98 -3 -7 0 ...+
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Análise Objetiva de Qualidade
PSNR
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Peak signal-to-noise ratio (PSNR)
MSEPSNR
B 2
10
)12(log10
−=
B: no de bits
(dB)
Razão de Compressão
comprimidotamanho
originaltamanhoCompressãodeRazão
_
_=
Erro médio quadrático (MSE)
21
0
1
0
]),[],[(1
yxbyxaMN
MSEM
x
N
y
−= ∑∑−
=
−
= Imagem Imagem
Original Recuperada
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Imagens simuladas
SPOT Quickbird RapidEye
São Paulo, SP S. J. Campos, SP Niteroi, RJ
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Análise Objetiva de QualidadePSNR(dB) x Compression Ratio
Compressão
PSNR (dB)
Qualidade
SPOT, Quickbirde Rapideye
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100
DPCM
DPCM (Table 2)
JPEG-LS, Near 0
Near 1
Near 2
CCSDS, Int, 4 bpp
2 bpp
1 bpp
JPEGXR, ALL, Quant 0
Quant 8
Quant 12
Quant 16
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1 10 100
DPCM
DPCM (Table 2)
JPEG-LS, Near 0
Near 1
Near 2
CCSDS, Int, 4 bpp
2 bpp
1 bpp
JPEGXR, ALL, Quant 0
Quant 8
Quant 12
Quant 16
(CAST)
(Table L0)
Razão de Compressão
JPEG-XR
DPCM
JPEG-LS
CCSDS-IDC
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0,93
0,94
0,95
0,96
0,97
0,98
0,99
1,00
1 10 100
DPCM
DPCM (Table 2)
JPEG-LS, Near 0
Near 1
Near 2
CCSDS, Int, 4 bpp
2 bpp
1 bpp
JPEGXR, ALL, Quant 0
Quant 8
Quant 12
Quant 16
(CAST)
(Table L0)
JPEG-XR All
DPCM
JPEG-LS
CompressãoRazão de Compressão
MSSIM
Qualidade
SPOT, Quickbirde Rapideye
CCSDS-IDC
Análise Objetiva de QualidadeMSSIM x Compression Ratio
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Análise Visual de Qualidade
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Ruído granular
Slope overload
Dois tipos de degradação podem ser gerados
como resultado da quantização DPCM.
Ruído granularRuído aleatório em áreas planas
“Slope overload”
Suavização das bordas de
alto contraste
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Análise Visual de Qualidade
Imagem original DPCM 2:1 (CAST)
S. J. Campos, SPQuickbird
15
20
25
30
Artefatos de linha em áreas planas
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Brasília, DF
Imagem original DPCM 2:1 (CAST)
Ruído granular em
áreas planas
HRC/CBERS-2B
Análise Visual de Qualidade
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HRC/CBERS-2B
Brasília, DF
Imagem original
Análise Visual de Qualidade
Ruído granular em
áreas planas
Imagem decodificada
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0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0
Tempo Médio (s)
JPEG-LS
Tempo de Processamento
DPCM
CCSDS-IDC
JPEG-XR
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Principais referências
China Academy of Space Technology, “Introduction to DCPM
encoding algorithm in data transmission sub-system of
PANMUX IRMSS onboard CBERS 3&4 satellites,” ∗∗∗∗[S.l.]: CAST,
(Wx CBERS03/04DPS.SM01), 2010.
Lilian N. Faria, Leila M. G. Fonseca, and Max H. M. Costa,
“Performance Evaluation of Data Compression Systems Applied
to Satellite Imagery,” Journal of Electrical and Computer
Engineering, vol. 2012, Article ID 471857, 15 pages, 2012.
doi:10.1155/2012/471857
http://www.hindawi.com/journals/jece/2012/471857/