Pokročilé architektury počítačů (PAP_13)

1. Pokročilé architektury počítačů (PAP_13.ppt) Karel Vlček, karel.vlcek@vsb.cz katedra Informatiky, FEI VŠB Technická Univerzita Ostrava

2. Standardy komprese multimedií • Statický obraz Standard JPEG, Standard JPEG 2000 • Dynamický obraz Klasická metoda, Predikce a kompenzace pohybu, Komprese na základě modelování • Video-standardy • Standardy komprese řečových signálů • Standardy komprese audio-signálů • Vodoznaky (Watermarking) Pokročilé architektury procesorů

3. Standard JPEG • Standard JPEG (Joint Photographic Expert Group) se datuje od roku 1986 • Cílem je dosažení optimálního kompresního poměru s velmi dobrou rekonstrukcí obrazu • Použití JPEG má vyhovovat podmínkám komprese barevných obrazů v libovolném prostoru barev při libovolné velikosti obrazů • Požadavkem je přizpůsobivost různým režimům činnosti (viz následující přehled podmínek) Pokročilé architektury procesorů

4. Způsoby činnosti standardu JPEG • Sekvenční kódování: postupem shora dolů a zleva doprava • Postupné kódování: probíhá v několika iteracích s postupnou změnou kvality • Bezztrátové kódování: umožňuje exaktní rekonstrukci za cenu nízkého kompresního poměru • Hierarchické kódování: umožňuje změnu prostorové rozlišovací schopnosti bez dekódování celého obrazu Pokročilé architektury procesorů

5. Standard JPEG – dva principy • Ztrátové kompresní kódování na bázi algoritmu diskrétní kosinové transformace (DCT) kde je blok 8 x 8 pixelů a a • Bezztrátové kompresní kódovánína principu predikčního kódování Pokročilé architektury procesorů

6. Komprese JPEG na bázi DCT • Vstupní obraz je rozdělen na nepřekrývající se bloky s rozměrem 8 x 8 pixelů • Na blok 8 x 8 pixelů se aplikuje transformace DCT s algoritmem „in place“ • Kmitočtové koeficienty se potom kvantují • Koeficienty vyšších kmitočtových složek (ostré hrany a příliš malé detaily) se nepřenášejí nebo neukládají do paměti • Na zbývající koeficienty se aplikuje bezztrátové kompresní kódování Pokročilé architektury procesorů

7. Činnost JPEG kodéru • Vstupní obraz se rozdělí na 8 x 8 obrazových prvků (pixelů) nepřekrývajících se bloků • Na každý blok se aplikuje algoritmus DCT, výsledkem je matice 8 x 8 kmitočtových koeficientů • Proces kvantování Q představuje normování hodnot kvantizačních koeficientů • Nejvyšší kmitočtové koeficienty jsou nulovány • Zbylé koeficienty jsou podrobeny bezztrátovému kódování • Následuje přenos nebo uložení do paměti Pokročilé architektury procesorů

8. Kmitočtové koeficienty Vstupní obraz Diskrétní kosinová transformace (DCT) Kvantování (Q) Bezztrátové Kódování (VLC) Tabulka Tabulka JPEG kodér na bázi DCT • Komprese obrazových dat po blocích 8 x 8 obrazových prvků (pixel = picture element) Pokročilé architektury procesorů

9. Činnost JPEG dekodéru • V dekodéruJPEG probíhají inversní operace než v kodéruJPEG • Komprimovaná data v podobě kmitočtových koeficientů se dekódují algoritmem inversního bezztrátového kódování • Realizuje se dekvantizace, která představuje proces obnovení původního dynamického rozsahu hodnot transformačních koeficientů • Aplikací DCT-1 se získá blok 8 x 8 rekonstruovaného obrazu Pokročilé architektury procesorů

10. Kmitočtové koeficienty Výstupní obraz Bezztrátové dekódování VLC-1 Dekvantování Q-1 DCT-1 Tabulka Tabulka JPEG dekodér na bázi DCT • Rekonstrukce obrazových pixelů z kmitočtových koeficientů F(u,v) do matic 8 x 8 Pokročilé architektury procesorů

11. Výpočet DCT-1 • Blok 8 x 8 kmitočtových koeficientů je zpracován podle vztahu pro rekonstrukci z hodnot C(u) a C(v): kde jsou rekonstruované kmitočtové transformační koeficienty a C(u) a C(v) se určují stejným postupem jako při přímé DCT Pokročilé architektury procesorů

12. 1 5 3 59 61 63 64 62 60 4 6 2 DCT – in place • Rozmístění kmitočtových koeficientů po DCT Pokročilé architektury procesorů

13. 1 2 6 3 5 4 61 60 62 63 64 59 DCT – cik-cak čtení • Přemístění kmitočtových koeficientů pro čtení „cik-cak“ Pokročilé architektury procesorů

14. Standard JPEG (Joint Photographic Expert Group) vznikal v letech 1982 až 1994 Přesnost 8 nebo 12 bitů Obsahuje DCT po blocích 8 x 8 pixelů Kvantování pomocí tabulky Diferenční impulsní kódování DC koeficientů a klikatý scan AC koeficientů Huffmanovo nebo aritmetické kódování Komprese zvuku a obrazu JPEG Pokročilé architektury procesorů

15. JPEG má definovány čtyři kódovací režimy: Sekvenční - diskrétní kosinová transformace, postup zleva doprava a shora dolů Progresivní - pro hrubý náhled Bezztrátové - rekonstrukce každého vzorku, nevýznamná informace se odstraňuje Hierarchické kódování - lze dekomprimovat jen hrubé rozlišení a ne již jemné rozlišení Kodér a dekodér JPEG Pokročilé architektury procesorů

16. Obecné vlastnosti: Obrázek formátu A4 s 24 barvami a 300 dpi z 25 MB je zkomprimován na 1 MB za 1 sekundu Standard uvádí v příloze P3 příklady matic pro kvantování pro luminaci a chrominaci Je doporučena také tabulka Huffmanova kódu pro diferenční kódování DC luminačních a chrominačních koeficientů Parametry JPEG Pokročilé architektury procesorů

17. Standard byl vyvíjen v letech 1988 až 1994 pro číslicová paměťová media Pohyblivé video: 1,15Mb/s Audio: ve třech vrstvách: I. 32 - 448 Kb/s II. 32 - 384 Kb/s III. 32 - 320 Kb/s Vrstvy kódování MPEG-1 Pokročilé architektury procesorů

18. Standard byl vytvořen roku 1990 až 1997 pro: Spotřební elektroniku Telekomunikace HDTV dalších generací Kategorie standardů MPEG-2 Pokročilé architektury procesorů

19. Je zavedena tzv. škálovatelnost čtyř typů: Prostorová (pro videokomunikace) Podle úrovně šumu (SNR) Časová (nejméně náročná na čas je ta nejnižší úroveň) Hybridní (je určen pro ATM, kdy jsou k dispozici dva kanály pro přenos a ukládání dat) Vlastnosti standardů MPEG-2 Pokročilé architektury procesorů

20. Standard JPEG 2000 • Vyšší účinnost komprese obrazu ve smyslu počtu bitů na obrazový prvek (pixel) u víceúrovňových i binárních obrazů • Režim činnosti je ztrátový i bezztrátový • Umožňuje postupný režim přenosu obrazu • Kódování oblastí zájmu umožňuje zakódovat části obrazu přesněji než nevýznamné části • Odolnost vůči chybám (např. při mobilních aplikacích) • Ochrana autorských práv pomocí vodoznaků Pokročilé architektury procesorů

21. Komprese ve standardu JPEG 2000 • Princip komprese ve standardu JPEG 2000 Pokročilé architektury procesorů

22. Kodér ve standardu JPEG 2000 • V prvním bloku kodéru se realizuje přímá waveletová transformace • Výsledné transformační koeficienty jsou kvantované a entropicky kódované • Vytváří se komprimovaná obrazová data, která jsou připravena pro přenos nebo ukládání do multimediální databáze • Komprese podle standardu JPEG 2000 je vhodná pro přenos po INTERNETU nebo např. pro ukládání medicínských dat Pokročilé architektury procesorů

23. Dekodér ve standardu JPEG 2000 • Dekodér realizuje inverzní operace vůči kodéru • Tok komprimovaných dat je podroben entropickému dekódování • Následuje dekvantování, které není inverzním procesem kvantování, pouze obnovuje původní dynamický rozsah hodnot transformačních koeficientů • Inverzní waveletová transformace (IWT) vytváří rekonstruovaná data Pokročilé architektury procesorů

24. Výhody JPEG 2000 proti JPEG • Vstupní obraz je dekomponovaný na pravoúhlé složky, které tvoří základní jednotku obrazu resp. rekonstrukce obrazu • Úrovně dekompozice vytvářejí subpásmové koeficienty reprezentující frekvenční charakteristiky lokálních oblastí obrazu • Koeficienty jsou kódovány po bitových rovinách, takže detaily je možné kódovat s vyšší kvalitou, než pozadí Pokročilé architektury procesorů

25. Části kódování v JPEG 2000 • Předzpracování • Komprese • Formování výstupního datového toku Pokročilé architektury procesorů

26. Předzpracování před kompresí • Dekompozice • Posuv stejnosměrné úrovně • Transformace obrazových vzorků Pokročilé architektury procesorů

27. Transformace složek JPEG 2000 • Transformace obrazových složek Pokročilé architektury procesorů

28. Komprese ve standardu JPEG 2000 • Waveletová transformace • Kvantování • Entropické kódování Pokročilé architektury procesorů

29. Vlastnosti multimediálních procesorů Za všechny je možné uvéstrodinu Mpact: • Řetězec 3D se 35 stupni • Vykreslování 500 MFLOPS • Architektura VLIW: 6 miliard operací za sekundu (BOPS) • 1 milion 3D trojúhelníků za sekundu • Šest paralelně pracujících V/V a pamětí • Křížový přepínač několika paralelních ALU Pokročilé architektury procesorů

30. Aplikace multimediálních procesorů • 2D grafika (VGA, SVGA) • 3D grafika (Direct3D) • Video (DVD, MPEG-1, MPEG-2) • Digitální audio (Dolby Digital AC-3) • Fax/modem (56 kbit/s, simultánní hlas a data) • Telefonie (Plný duplex, hlasová pošta, ID) • Videotelefon (POTS - Plain Old Telephone Service) Pokročilé architektury procesorů

31. Literatura: • Dvořák, V.: Architektura a programování paralelních systémů, VUTIUM Brno, (2004), ISBN 80-214-2608-X • Dvořák, V., Drábek, V.: Architektura procesorů, VUTIUM Brno, (1999), ISBN 80-214-1458-8 • Drábek, V.: Výstavba počítačů, PC-DIR, s.r.o. Brno, (1995), ISBN 80-214-0691-7 • Mueller, S.: Osobní počítač, Computer Press, Praha, (2001), ISBN 80-7226-470-2 • Pluháček, A.: Projektování logiky počítačů, Vydavatelství ČVUT Praha, (2003), ISBN 80-01-02145-9 Pokročilé architektury procesorů