تاریخچه فشرده سازی :
اولین تلاش‌های علمی که هدفشان کاهش میزان اطلاعات لازم برای رمز نگاری تصاویر ثابت بود در سال 1980 شروع شد. هدف اولیه آنها کاهش قابل ملاحظه اندازه فایل های گرافیکی و عکس ها در ذخیره سازی و انتقال آنها بود. در سال 1990، سازمان جهانی استاندارد ISO ، یک گروه کاربری به نام JPEG تشکیل داد که وظیفه آن ، تشریح دقیق یک استاندارد بین المللی برای تصاویر ثابت با قدرت تفکیک متفاوت در فرمت Y ، Cr، Cbيا RGB بود . استاندارد بین المللی حاصل به نام JPEG معروف شد، و در سال 1993 تحت مرجع 10918 ISO/IEC منتشر شد که به عنوان ابزاری برای فشرده سازی تصاویر ثابت به کار می‌رود. در اینجا گام های اصلی این استاندارد بررسی می‌شود چون روش JPEG تا حدود زیادی الهام بخش روش MPEG بوده است.
MPEG-1 اولین نسخه MPEG است که به عنوان استاندارد رمزنگاری در سال 1992 رایج شد.
دلیل واهمیت فشرده سازی:
در حالت کلی ديجيتال شدن سيگنال‌های صوت و تصوير باعث می‌شود پهنای باند مورد نياز جهت انتقال برنامه‌ها زيادتر از انواع آنالوگ شود. بنابرين بايد روشی برای حل اين مشکل پيدا کرد، چراکه بدون انجام اين امر، اين تکنولوژی ( ديجيتال سازی سيگنالها ) تقريبا بدون استفاده خواهد ماند. راه حل اين مشکل استفاده از انواع روشهای رمزنگاری با هدف کاهش مقدار اطلاعات ارسالی با حفظ تقريبی کيفيت سيگنال می‌باشد با توجه به تنوع روشهای انجام اين کار در اولين قدم بايد يکی از روشهای موجود را با توجه به مزايا و معايب و خصوصيات ذاتی آن انتخاب کرد. در مورد سيگنال‌های صدا و تصوير مورد استفاده در صنعت پخش گسترده راديو و تلويزيونی اين مطالعات از مدتها قبل در دنيا آغاز شده و می‌توان گفت تحقيقات در دنيا به نتيجه قطعی در مورد کليات اين روش رسيده است و اکثريت قاطع سازندگان تجهيزات و به تبع آن مصرف روی آورده‌اند. با توجه به اهميت علوم MPEG کنندگان به تکنولوژی رمزنگاری ضروری به نظر MPEG پخش گسترده راديو و تلويزيونی بررسی تکنولوژی می‌رسد.
بررسی دیجیتال سازی:
مزایای موجود در سیگنال دیجیتال باعث می‌گردد تا در طراحی سیستم‌های پخش همگانی منابع صوت و تصویر از حالت انالوگ به حالت دیجیتال یا دودویی حرکت شود.
برخی از مزیت‌های این کار عبارت‌اند از:
- 1- پایداری و ایمنی بیشتر در برابر نویز و عوامل خطا و رسیدن به پاسخ بهتر و (SNR) بالاتر.
- 2- قابلیت ذخیره سازی و بافرکردن به صورت بسیار انعطاف پذیر و در حجم بالاتر.
- 3 – توانایی استفاده از الگوریتم‌های متنوع در پردازش دقیق سیگنال از جمله فشرده سازی.
- 4- بالاتر بردن ضریب امنیت و دسترسی به داده‌ها از طریق رمزنگاری.
- 5- قابلیت تکثیر متوالی از یک سیگنال دیجیتال بدون هیچ نقصانی در کیفیت سیگنال اصلی.
- 6-آسانتر شدن استفاده از جلوه‌های ویژه در سیگنال صدا و تصویر دیجیتال.
- 7– در سیستم‌های دیجیتال ایجاد تاخیر (delay) به آسانی قابل انجام است.
- 8- سیستم‌های دیجیتال مستقل از استاندارد‌های متنوع پخش (PAL,NTSC,SECAM..) می‌باشند.
فشرده سازی:
همانطور که قبلا اشاره شد ديجيتال سازی سيگنال صوت و تصوير باعث افزايش بسيار زياد حجم اطلاعات می‌شود . بنابراين برای ايجاد امکان پخش تلويزيونی تصاوير و يا برای ايجاد امکان ذخيره سازی و… به فشرده سازی سيگنال ديجيتال شده نياز است. فشرده سازی، کاهش نرخ بيت،کاهش ديتا و يا کد کردن منبع همگی اصطلاحاتی هستند که يک مفهوم را دارند. در اصل خود اطلاعات يا تقريباً همان اطلاعات با کميت کمتری منتقل می‌شود. دلايلی که باعث شده فشرده سازی عموميت پيدا کند، اجازه مينياتور‌سازی را می‌دهد، که با استفاده از ديتا‌های ذخيره شده کمتر، همان زمان پخش، با سخت افزار کمتر حاصل شود.
انواع اصول فشرده سازی عمومی:
Run Length Coding RLC-1
وقتی که يک منبع اطلاعات عناصر مربوط به پيامی را توليد می‌کند که در آن يک جزء به طور متوالی تکرار می‌شود فرستادن کد عنصر وتعداد آنها، نسبت به تکرار کد به صرفه,تر است. اين عمل يک ضريب فشردگی متغير ايجاد می‌کند که هر چه سری جزء تکرار شونده طولانی‌تر باشد ضريب فشرده سازی بزرگتر خواهد بود.
Variable Length Coding VLC-2
VLC به روش رمزنگاری با طول متغير يا رمزنگاری آنتروپی مي‌گويند. که در اين روش کاهش نرخ بيت بر اساس اين واقعيت استوار است که احتمال اتفاق يک عنصر توليد شده از منبع، توسط کدی که با n بیت در حالت هم احتمال بودن عناصر بوجود آمده است و 2 به توان nاحتمال ممکن را خواهد داشت. گاهی اوقات مشابه نمی‌باشد.
بنابراين برای کاهش نرخ بيت لازم برای انتقال رشته‌های توليد شده به وسيله منبع، مناسب است که عناصر با تکرار بيشتر با طول کمتر ازn بيت و عناصر با تکرار کمتر با تعداد بيت بيشتری، رمزنگاری شوند. که نتيجه آن، داشتن متوسط طول کمتر از طول ثابت n بيت می‌باشد.
Discrete Cosine Transform DCT-3
( تبديل کسينوسی گسسته) روش فشرده سازی بکار رفته برای تصاوير می‌باشد. تبديل کسينوسی گسسته حالت ويژه‌ای از تبديل فوريه اعمال شده بر روی سيگنال‌های گسسته) نمونه برداری شده)می‌باشد. در تبديل فوريه يک سيگنال متناوب به سری‌هايی از توابع سينوسی و کسينوسی تبديل می‌شود. سپس می‌توان سيگنال را بوسيله سری های ضرايب هر يک از اين توابع، نمايش داد.
تحت شرايط مشخصی DCT سيگنال را تنها به يک سری از توابع کسينوسی هارمونيک هم فاز با سيگنال، تبديل می‌کند که اين عمل بر خلاف فوريه تعداد ضرايب لازم برای توصيف سيگنال را به نصف کاهش می‌دهد.
در مورد سيگنال تصوير ، سيگنال اصلی سيگنالی است که به صورت دوبعدی نمونه برداری شده است. بدين علت يکDCT دو بعدی در جهت های عمودی و افقی خواهيم داشت که مقادير گسسته روشنايی يا رنگ از يک بلوک n*n را به بلوک ها يا ماتريس های ضرائب n*n تبديل می‌کند که ضرايب موجود در اين بلوکها دامنه هر يک از توابع هارمونيک کسينوسی را نشان می‌دهند.
DCT آنرا به يک ماتريس ضرائب 8*8 تبديل می‌کند با ميانگين گيری از ضرايب هريک از 64 مربع و جمع کردن نتايج، بدست می‌آيد.
فشرده سازی تصاوير ثابت ( JPEG) :
قابل توجه است که فشرده سازی JPEG بسته به کاربرد و ضريب فشرده سازی مورد نظر می‌تواند با اتلاف و بی اتلاف باشد. ما فقط روش فشرده سازی با اتلاف را بررسی خواهيم کرد زيرا رمزنگاری تصاوير درونی در MPEG از همان مراحل استفاده می‌کند. در ضمن اينکه در اين روش بسته به محتويات تصوير ، ضرايب فشرده سازی بيشتر از 10 ، بدون هيچ نقصان قابل توجهی در کيفيت تصوير بدست می‌آيد.
فشرده سازی با اتلاف در شش مرحله قابل توضيح است:
- 1-تبديل تصوير به بلوکها : تصوير عموما در فرمت Y Cb Cr به بلوکهای اوليه 8*8 نقطه ای تقسيم می‌شود.
- 2- تبديل کسينوسی گسسته
- 3-آستانه گذاری و کوانتيزاسيون: اين مرحله ويژگی بينايی انسان را در نظر می‌گيرد. مخصوصا اين واقعيت که چشم نمی‌تواند جزييات ريز يک سطح روشنايی مشخص را تشخيص دهد.
- 4-مرور زيگزاگ
منبع: میکرودیزاینرالکترونیک
