Artefacto de compresión

Un artefacto de compresión (o artefacto ) es una distorsión notable de los medios (incluidas imágenes , audio y video ) causada por la aplicación de compresión con pérdida . La compresión de datos con pérdida implica descartar algunos de los datos de los medios para que sean lo suficientemente pequeños como para ser almacenados dentro del espacio de disco deseado o transmitidos ( transmitidos ) dentro del ancho de banda disponible (conocido como velocidad de datos o velocidad de bits ). Si el compresor no puede almacenar suficientes datos en la versión comprimida, el resultado es una pérdida de calidad o la introducción de artefactos. LaEl algoritmo de compresión puede no ser lo suficientemente inteligente como para discriminar entre distorsiones de poca importancia subjetiva y aquellas objetables para el usuario.

Imagen original, con buena calidad de color.
Pérdida de claridad de los bordes y "difuminación" del tono en la compresión JPEG pesada

Los artefactos de compresión digital más comunes son los bloques DCT, causados ​​por el algoritmo de compresión de transformada de coseno discreta (DCT) que se usa en muchos estándares de medios digitales , como la compresión de imágenes JPEG , el audio digital MP3 y los formatos de codificación de video MPEG . [1] [2] [3] Estos artefactos de compresión aparecen cuando se aplica una compresión fuerte, [1] y ocurren a menudo en medios digitales comunes, como DVD , formatos de archivos de computadora comunes como archivos JPEG, MP3 y MPEG, y algunas alternativas al disco compacto , como el formato MiniDisc de Sony . Los medios sin comprimir (como en Laserdiscs , CD de audio y archivos WAV ) o los medios comprimidos sin pérdida (como FLAC o PNG ) no sufren defectos de compresión.

La minimización de los artefactos perceptibles es un objetivo clave en la implementación de un algoritmo de compresión con pérdida. Sin embargo, ocasionalmente los artefactos se producen intencionalmente con fines artísticos, un estilo conocido como glitch art [4] o datamoshing. [5]

Técnicamente hablando, un artefacto de compresión es una clase particular de error de datos que suele ser consecuencia de la cuantificación en la compresión de datos con pérdida. Cuando se utiliza la codificación de transformación , normalmente asume la forma de una de las funciones básicas del espacio de transformación del codificador.

Ilustración del efecto de la compresión JPEG en una imagen ligeramente ruidosa con una mezcla de texto y espacios en blanco. El texto es una captura de pantalla de una conversación de Wikipedia con ruido agregado (intensidad 10 en Paint.NET). Un fotograma de la animación se guardó como JPEG (calidad 90) y se volvió a cargar. A continuación, ambos fotogramas se ampliaron en un factor de 4 (interpolación del vecino más cercano).

Al realizar la codificación de la transformada de coseno discreta (DCT) [1] basada en bloques para la cuantificación , como en las imágenes comprimidas en JPEG , pueden aparecer varios tipos de artefactos.

  • El sonar
  • Contorneado [ aclaración necesaria ]
  • Posterizar
  • Ruido de escalera ( aliasing ) a lo largo de bordes curvos
  • Bloqueo en regiones "ocupadas" (artefactos de límites de bloque, a veces llamados macrobloques, acolchado o tablero de ajedrez)

Otros algoritmos con pérdida, que utilizan la coincidencia de patrones para deduplicar símbolos similares, tienden a introducir errores difíciles de detectar en el texto impreso. Por ejemplo, los números "6" y "8" pueden ser reemplazados. Se ha observado que esto sucede con JBIG2 en determinadas fotocopiadoras. [6] [7]

Artefactos de límite de bloque

Bloquear artefactos de codificación en una imagen JPEG. Los bloques planos son causados ​​por una cuantificación aproximada. Las discontinuidades en los límites de los bloques de transformación son visibles.

A velocidades de bits bajas, cualquier esquema de codificación basado en bloques con pérdida introduce artefactos visibles en los bloques de píxeles y en los límites de los bloques. Estos límites pueden transformar los límites de los bloques, los límites de los bloques de predicción o ambos, y pueden coincidir con los límites de los macrobloques . El término macrobloqueo se usa comúnmente independientemente de la causa del artefacto. Otros nombres incluyen suelo de baldosas, [8] mosaicos de, pixelating, acolchar, y cuadriculado.

Los artefactos de bloque son el resultado del principio mismo de la codificación de transformación de bloque . La transformada (por ejemplo, la transformada de coseno discreta) se aplica a un bloque de píxeles y, para lograr una compresión con pérdida, se cuantifican los coeficientes de transformada de cada bloque . Cuanto menor sea la tasa de bits, más groseramente se representan los coeficientes y más coeficientes se cuantifican a cero. Estadísticamente, las imágenes tienen más contenido de baja frecuencia que de alta frecuencia, por lo que es el contenido de baja frecuencia el que permanece después de la cuantificación, lo que da como resultado bloques borrosos de baja resolución. En el caso más extremo, solo se retiene el coeficiente DC, que es el coeficiente que representa el color promedio de un bloque, y el bloque de transformación es solo de un solo color después de la reconstrucción.

Debido a que este proceso de cuantificación se aplica individualmente en cada bloque, los bloques vecinos cuantifican los coeficientes de manera diferente. Esto conduce a discontinuidades en los límites de los bloques. Estos son más visibles en áreas planas, donde hay pocos detalles para enmascarar el efecto.

Reducción de artefactos de imagen

Se han propuesto varios enfoques para reducir los efectos de compresión de la imagen, pero para utilizar técnicas de compresión / descompresión estandarizadas y conservar los beneficios de la compresión (por ejemplo, menores costos de transmisión y almacenamiento), muchos de estos métodos se centran en el "posprocesamiento", es decir , procesando imágenes cuando se reciben o se ven. No se ha demostrado que ninguna técnica de posprocesamiento mejore la calidad de la imagen en todos los casos; en consecuencia, ninguno ha obtenido una aceptación generalizada, aunque algunos se han implementado y están en uso en sistemas propietarios. Muchos programas de edición de fotografías, por ejemplo, tienen incorporados algoritmos patentados de reducción de artefactos JPEG. Los equipos de consumo a menudo denominan a este posprocesamiento "Reducción de ruido MPEG". [9]

El artefacto de los límites en JPEG se puede convertir en "granos" más agradables, no muy diferentes a los de las películas fotográficas de ISO alto. En lugar de simplemente multiplicar los coeficientes cuantificados con el paso de cuantificación Q perteneciente a la frecuencia 2D, el ruido inteligente en forma de un número aleatorio en el intervalo [- Q / 2; Q / 2] se puede agregar al coeficiente descuantificado. Este método se puede agregar como parte integral de los descompresores JPEG que trabajan en los billones de imágenes JPEG existentes y futuras. Como tal, no es una técnica de "posprocesamiento". [10]

El problema del timbre se puede reducir en el tiempo de codificación sobrepasando los valores DCT, sujetando los anillos. [11]

La posterización generalmente solo ocurre con baja calidad, cuando los valores de DC reciben muy poca importancia. El ajuste de la tabla de cuantificación ayuda. [12]

Ejemplo de imagen con artefactos debido a un error de transmisión

Cuando se utiliza la predicción de movimiento, como en MPEG-1 , MPEG-2 o MPEG-4 , los artefactos de compresión tienden a permanecer en varias generaciones de fotogramas descomprimidos y se mueven con el flujo óptico de la imagen, lo que produce un efecto peculiar, parcialmente. entre un efecto de pintura y "mugre" que se mueve con los objetos de la escena.

Los errores de datos en el flujo de datos comprimido, posiblemente debido a errores de transmisión, pueden provocar errores similares a los grandes errores de cuantificación, o pueden interrumpir el análisis del flujo de datos por completo durante un breve período de tiempo, lo que lleva a una "ruptura" de la imagen. . Cuando se han producido errores graves en el flujo de bits, los decodificadores continúan aplicando actualizaciones a la imagen dañada durante un breve intervalo, creando un efecto de "imagen fantasma", hasta recibir la siguiente trama comprimida de forma independiente. En la codificación de imágenes MPEG, estos se conocen como " I-frames ", y la "I" significa "intra". Hasta que llegue la siguiente trama I, el decodificador puede realizar la ocultación de errores .

Artefactos de límite de bloque de compensación de movimiento

Las discontinuidades en los límites de los bloques pueden ocurrir en los bordes de los bloques de predicción de compensación de movimiento . En la compresión de video con compensación de movimiento, la imagen actual se predice cambiando bloques (macrobloques, particiones o unidades de predicción) de píxeles de cuadros previamente decodificados. Si dos bloques vecinos utilizan diferentes vectores de movimiento, habrá una discontinuidad en el borde entre los bloques.

Ruido de mosquitos

Los artefactos de compresión de video incluyen resultados acumulativos de compresión de las imágenes fijas que las componen, por ejemplo, el timbre u otro ajetreo de los bordes en imágenes fijas sucesivas aparecen en secuencia como un borrón brillante de puntos alrededor de los bordes, llamado ruido de mosquito , ya que se asemejan a mosquitos pululando alrededor del objeto. [13] [14] El llamado "ruido de mosquito" es causado por el algoritmo de compresión de transformada de coseno discreta (DCT) basado en bloques que se utiliza en la mayoría de los estándares de codificación de video , como los formatos MPEG . [3]

Reducción de artefactos de video

Los artefactos en los límites de los bloques se pueden reducir aplicando un filtro de desbloqueo . Como en la codificación de imágenes fijas, es posible aplicar un filtro de desbloqueo a la salida del decodificador como posprocesamiento.

En la codificación de vídeo de predicción de movimiento con un bucle de predicción cerrado, el codificador utiliza la salida del decodificador como referencia de predicción a partir de la cual se predicen las tramas futuras. Para ello, el codificador integra conceptualmente un decodificador. Si este "decodificador" realiza un desbloqueo, la imagen desbloqueada se usa entonces como imagen de referencia para la compensación de movimiento, lo que mejora la eficiencia de codificación al evitar la propagación de artefactos de bloque a través de cuadros. Esto se conoce como filtro de desbloqueo en bucle. Los estándares que especifican un filtro de desbloqueo en bucle incluyen VC-1 , H.263 Anexo J, H.264 / AVC y H.265 / HEVC .

La compresión de audio con pérdida normalmente funciona con un modelo psicoacústico, un modelo de percepción auditiva humana. Los formatos de audio con pérdida normalmente implican el uso de una transformada de dominio de tiempo / frecuencia, como una transformada de coseno discreta modificada . Con el modelo psicoacústico se explotan los efectos de enmascaramiento como el enmascaramiento de frecuencia y el enmascaramiento temporal, de modo que no se graben sonidos que deberían ser imperceptibles. Por ejemplo, en general, los seres humanos son incapaces de percibir un tono suave que se reproduce simultáneamente con un tono similar pero más fuerte. Una técnica de compresión con pérdida puede identificar este tono silencioso e intentar eliminarlo. Además, el ruido de cuantificación se puede "ocultar" donde estaría enmascarado por sonidos más prominentes. Con baja compresión, se utiliza un modelo psy conservador con tamaños de bloque pequeños.

Cuando el modelo psicoacústico es inexacto, cuando el tamaño del bloque de transformación está restringido o cuando se usa una compresión agresiva, esto puede resultar en artefactos de compresión. Los artefactos de compresión en el audio comprimido suelen aparecer como timbre, eco previo , "artefactos de pajarito", [ aclaración necesaria ] abandonos, traqueteo, gorjeo, timbre metálico, una sensación bajo el agua, silbido o "granulosidad".

Un ejemplo de artefactos de compresión en el audio son los aplausos en un archivo de audio con una compresión relativamente alta (por ejemplo, MP3 de 96 kbit / s). En general, los tonos musicales tienen formas de onda repetidas y variaciones de volumen más predecibles, mientras que los aplausos son esencialmente aleatorios y, por lo tanto, difíciles de comprimir. Una pista de aplausos muy comprimida puede tener "zumbidos metálicos" y otros artefactos de compresión.

"> Reproducir medios
Video glitch art

Los artefactos de compresión pueden usarse intencionalmente como estilo visual, a veces conocido como arte de fallas . El arte glitch de Rosa Menkman hace uso de artefactos de compresión , [15] particularmente los bloques de transformación de coseno discretos (bloques DCT) que se encuentran en la mayoría de los formatos de compresión de datos de medios digitales , como imágenes digitales JPEG y audio digital MP3 . [2] En las imágenes fijas, un ejemplo es Jpegs de German fotógrafo Thomas Ruff , que utiliza artefactos JPEG intencionales como la base del estilo de la imagen. [16] [17]

En el videoarte , una técnica utilizada es la mezcla de datos , en la que dos videos se intercalan para que los fotogramas intermedios se interpolen de dos fuentes separadas. Otra técnica implica simplemente la transcodificación de un formato de video con pérdida a otro, lo que aprovecha la diferencia en la forma en que los códecs de video separados procesan la información de movimiento y color. [18] La técnica fue iniciada por los artistas Bertrand Planes en colaboración con Christian Jacquemin en 2006 con DivXPrime, [19] Sven König, Takeshi Murata , Jacques Perconte y Paul B. Davis en colaboración con Paperrad , y más recientemente utilizada por David OReilly y dentro de los videos musicales de Chairlift y de Nabil Elderkin en el video musical " Welcome to Heartbreak " de Kanye West . [20] [21]

También hay un género de memes de Internet en el que las imágenes a menudo sin sentido se comprimen a propósito en gran medida, a veces varias veces para lograr un efecto cómico.

  • Artefacto (error)
  • Control de datos
  • Artefacto digital
  • Pérdida generacional
  • JPEG
  • JPEG 2000
  • Compresión con pérdida
  • Impresión de ruido
  • Artefactos sonando
  • Transparencia (compresión de datos)

  1. ↑ a b c Katsaggelos, Aggelos K .; Babacan, S. Derin; Chun-Jen, Tsai (2009). "Capítulo 15 - Restauración iterativa de imágenes". La guía esencial para el procesamiento de imágenes . Prensa académica . págs. 349–383. ISBN 9780123744579.
  2. ^ a b Alikhani, Darya (1 de abril de 2015). "Más allá de la resolución: arte glitch de Rosa Menkman" . POSTmatter . Consultado el 19 de octubre de 2019 .
  3. ^ a b "Ruido de mosquito" . Revista de PC . Consultado el 19 de octubre de 2019 .
  4. ^ Geere, Duncan (13 de diciembre de 2011). "Arte glitch creado por 'databending ' " . Cableado . Consultado el 23 de diciembre de 2011 .
  5. ^ Baker-Smith, Ben (28 de abril de 2009). "Datamoshing - La belleza de Glitch" . Bitsynthesis.com. Archivado desde el original el 16 de noviembre de 2010 . Consultado el 28 de abril de 2009 .
  6. ^ "Los escáneres / fotocopiadoras Xerox alteran aleatoriamente los números de los documentos escaneados" . 2 de agosto de 2013 . Consultado el 4 de agosto de 2013 .
  7. ^ "Las copiadoras Xerox confundidas reescriben documentos, encuentra un experto" . BBC News . 6 de agosto de 2013 . Consultado el 6 de agosto de 2013 .
  8. ^ Watkinson, John (2004). El manual MPEG de John Watkinson . ISBN 9780240805788.
  9. ^ "PC Magazine, Definición de artefactos de bloqueo" .
  10. ^ Hudson, Graham; Léger, Alain; Niss, Birger; Sebestyén, István; Vaaben, Jørgen (31 de agosto de 2018). "JPEG.1 estándar de 25 años: razones pasadas, presentes y futuras del éxito" . Revista de imágenes electrónicas . 27 (4): 1. doi : 10.1117 / 1.JEI.27.4.040901 . S2CID  52164892 .
  11. ^ Richter, Thomas (septiembre de 2016). "JPEG en ESTEROIDES: técnicas de optimización habituales para la compresión de imágenes JPEG". Conferencia internacional de IEEE sobre procesamiento de imágenes (ICIP) de 2016 : 61–65. doi : 10.1109 / ICIP.2016.7532319 . ISBN 978-1-4673-9961-6. S2CID  14922251 . Resumen de laicos .
  12. ^ "compresor kornelski / jpeg" . 16 de noviembre de 2020.
  13. ^ Le Dinh, Phuc-Tue; Patry, Jacques. "Artefactos de compresión de video y reducción de ruido MPEG" . Embebido . Consultado el 19 de febrero de 2016 .
  14. ^ " 3.9 ruido de mosquito: forma de distorsión de los bordes ocupados a veces asociada con el movimiento, caracterizada por artefactos en movimiento y / o patrones de ruido con manchas superpuestos sobre los objetos (que se asemeja a un mosquito volando alrededor de la cabeza y los hombros de una persona)". Rec. UIT-T P.930 (08/96) Principios de un sistema de degradación de referencia para vídeo
  15. ^ Menkman, Rosa (octubre de 2011). El momento de la falla (um) (PDF) . Instituto de Culturas en Red. ISBN 978-90-816021-6-7. Consultado el 19 de octubre de 2019 .
  16. ^ jpegs , Thomas Ruff , Aperture , 31 de mayo de 2009, 132 págs., ISBN  978-1-59711-093-8
  17. ^ Revisión: jpegs por Thomas Ruff , por Jörg Colberg , 17 de abril de 2009
  18. ^ Anoniem zei (19 de febrero de 2009). "Del artefacto de compresión al filtro" . Rosa-menkman.blogspot.com . Consultado el 23 de diciembre de 2011 .
  19. ^ Jacquemin, Christian (2008). "Le bug dans l'oeuvre DivXPrime de Bertrand Planes: Invención y mutación. En, Ivan Toulouse y Daniel Danétis, editores, Eurêka: Le moment de l'invention, un dialogo entre art et science, L'Harmattan, Paris" (PDF ) . págs. 245-256 . Consultado el 5 de noviembre de 2012 .
  20. ^ Pixel Bleed , por John Michael Boling. Rizoma . 25 de febrero de 2009.
  21. ^ Rodríguez, Jayson (18 de febrero de 2009). "Kanye West se apresura a un nuevo video en su sitio web - MTV News" . Mtv.com . Consultado el 23 de diciembre de 2011 .

  • DivXPrime Primeros experimentos conocidos de software de video de intercambio de datos por Bertrand Planes y Christian Jacquemin (basado en el algoritmo Xvid)
  • Teaser de "Sonic birth", cortometraje dirigido por Jérome Blanquet, efecto de mezcla de datos de David Olivari, producido por [Metronomic]. Película completa: "Sonic birth"
  • datamosher Un software de transferencia de datos de video GPL.
  • Ejemplo de artefactos de compresión de video pesados .
  • JPEG Tutor , un subprograma interactivo que le permite investigar los efectos de cambiar la matriz de cuantificación.
  • Desbloqueo y desbloqueo de JPEG: software Matlab y complemento de Photoshop