Datenkompressionsverfahren für mobile Endgeräte Algo Vision LuraTech GmbH http://www.algovision-luratech.com Datenkompressionsverfahren für mobile Endgeräte Dr. Michael Thierschmann IfKom-Forum 2002 15. März 2002

Übersicht Firmenprofil Grundlagen der Datenkompression Kompressionsverfahren Kodierungstechniken Rasterdatenkompression - Multilayer-Verfahren Ebenenzerlegung Eigenschaften und Einsatzbereiche von LuraDocument Datenmanagement, 21.06.00

Firmenprofil 1.3.2002 Übernahme der Operations der LuraTech GmbH durch Algo Vision -->Algo Vision LuraTech GmbH 100%-Tochter der Algo Vision Plc. LuraTech ursprünglich gegründet 1994 in Berlin anläßlich der Verleihung eines Forschungspreises für LuraTechs Wavelet-Algorithmus für Bildkompression durch das DLR (ehm. DARA) Standorte Berlin und Redwood City zur Zeit 26 Mitarbeiter Entwicklung von Kompressionssoftware und -hardware im Produkt- und Projektgeschäft Realisierung von Bildarchivlösungen für das WEB

Hintergrund / Szenario Bedarf an datenintensiven Applikationen über mobile Systeme wächst Märkte: Digitale Photographie, MedTech, DMS, etc. Warum mobil: Verfügbarkeit, Zeit, Kosten, Redundanz Derzeit verfügbare Bandbreiten reichen nicht aus! Aber: Anwachsen der Bandbreite von GSM zu UMTS Verwendung von mobilen Endgeräten wird massiv anwachsen Datenmengen werden überproportional anwachsen Herkömmliche Kompressionsverfahren (z.B. JPEG) sind nicht ausreichend in Qualität und Funktionsumfang Neue Standards mit JPEG2000

Kompressionsverfahren verlustbehaftet verlustlos Daten, Programme Daten, Programme Bilder Bilder kleinster maximaler Fehler kleinster mittlerer Fehler near lossless (LuraWave.jp2) lossy JPEG, MPEG LuraWave.jp2 LuraDocument Modi Programme lossless JPEG LS LuraWave.jp2 lossless lzw, gzip, arj compress

Einsatzbereiche 1 2 5 50 100 TIFF JPEG LuraWave.jp2 (JPEG2000) Originalbildgröße Dateigröße des komprimierten Bildes Kompressionsfaktor = Original verlustlos verlustbehaftet 1 2 5 50 100 Kompressionsfaktor TIFF JPEG LuraWave.jp2 (JPEG2000) Kompressionsfaktor 100 eines Graustufenbildes bedeutet 0.08 Bit pro Pixel

Redundanz Bild- und Videodaten sind redundant örtlich zeitlich

Kompression durch Redundanzbeseitigung Örtliche Redundanzbeseitigung Prädiktionskodierung Transformationskodierung DCT (JPEG, MPEG) Waveletkodierung (JPEG2000) Zeitliche Redundanzbeseitigung Bewegungskompensierte Prädiktionskodierung 3D - Waveletkodierung Spektrale Redundanzbeseitigung Waveletkodierung Fraktale Kodierung Kontextbezogene Redundanzbeseitigung

Prädiktionskodierung (pixelbasiert) Redundanzreduktion durch Vorhersage des aktuellen Pixels aus bekannten Pixeln aus der Vergangenheit. bekannte Vergangenheit unbekannte Zukunft

1D Transformationskodierung Verbundverteilungsdichte (Auftretenshäufigkeit) Graustufenbild x f(x) Pixelintensität an gerader x-Position f(x+1) an benachbarter ungerader

Basisfunktionen DCT Basisblöcke KLT Basisblöcke Transformsbasis von JPEG und MPEG Optimale Transformsbasis (bildabhängig)

Partielle Kodierung Original LuraWave.jp2 (JPEG2000) (JPEG) DCT Rekonstruktion mit 1 2 4 8 Koeffezienten LuraWave.jp2 (JPEG2000) (JPEG) DCT

Einstufige Wavelet-Transformation Originalbild Einstufige Zerlegung

Vorteile von LuraWave.jp2 (JPEG2000) ISO-Standard (JPEG): 8 kByte Original: 1229 kByte LuraWave.jp2: 8 kByte Im Vergleich zum gegenwärtig verbreiteten Standard JPEG: Deutlich verbesserte Bildqualität bei gleicher Kompressionsrate, bzw. kleinere Dateigrößen bei gleicher Bildqualität Vergrößerter Funktionenumfang, und als Standard verabschiedet

Rasterdatenkompression - Multilayer-Verfahren am Beispiel von „LuraDocument“

Einsatzbereiche von LuraDocument Dokumentenmanagementsysteme, z.B. EASY Software AG GFT Solutions GmbH Louis Leitz Digital Office GmbH SER AG Archiv-Systeme, z.B. bit by bit Software AG Bauer-Vertriebs KG Minol Messtechnik Intuitive Inc. (Canon Medical) Geoinformationssysteme, z.B. GEBIG GIS GmbH Tensing SiCad

Einsatzbereich von LuraDocument verlustlos Texte nicht lesbar ohne Farben s/w (bitonal) Original verlustbehaftet 1 2 5 50 100 500 JPEG Fax G4 (s/w) Kompressionsfaktor LuraWave.jp2 LuraDocument (farbig) LuraDocument (s/w)

Digitale Dokumente Originalformat PDF Fax Group 4 Digitales Dokument ist vorhanden Digitales Dokument ist nicht vorhanden, aber ein Ausdruck TIFF GIF JPEG Fax Group 4 LuraDocument Scanner + Kompression

Problem der Dokumentenkompression Dokumente bestehen aus unterschiedlichsten Komponenten: Texte Bilder Graphiken / Logos (farbig / schwarzweiß) Hohe Kompression mit Bildkompressionsverfahren: Text nicht lesbar Archivierung mit Fax Group 4: Verlust der Farbigkeit

Ebenenzerlegung Zerlegung des Dokuments in drei Ebenen: Textfarbe binäres Maskenbild Hintergrund- bild

Funktionsprinzip LuraWave Kompression für Bildanteile Kontextbasierte arithmetische Kodierung oder Fax Group 4 für bitonales Textbild

Arbeitsschritte der Kodierung Textfarbenbestimmung Textdetektion Quantisierung Original Textentfernung

Separation Optimale Separation: gute Lesbarkeit einfache Struktur der einzelnen Ebenen sehr hoher Kompressionsgewinn

Dekodierung

Arbeitsschritte der Dekodierung bitonales Textbild + + Textfarbenbild + + Hintergrundbild = Rekonstruktion =

Kompressionsvergleich Original Fax G4 JPEG LuraDocument 23,8 MB 162 kB 158 kB 55 kB

Kompressionsvergleich Original 55 kB 158 kB 162 kB Fax G4 LuraDocument JPEG 23,8 MB Textbereich

Qualitätsvergleich Original (24 MB)

Qualitätsvergleich Fax Group 4 (1:240 100 kB)

Qualitätsvergleich LuraDocument (1:460 52 kB)

OCR von schwierigen Dokumenten Original 20 MB LuraDocument 61 kB

OCR bei schwierigen Dokumenten Textbridge (FaxG4: 255 kB) Textbridge (LDF als FaxG4: 40 kB)

Kontakt Dr.-Ing. Michael Thierschmann Geschäftsführung Marketing & Vertrieb Algo Vision LuraTech GmbH m.thierschmann@algovision-luratech.de Tel: ++49 30(0) 39 40 50-0 Fax: ++49 30(0) 39 40 50-99