СТАТИСТИЧНИЙ АНАЛІЗ ВПЛИВУ АЛГОРИТМІВ СТИСНЕННЯ З ВТРАТАМИ НА СТРУКТУРУ ЦИФРОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ

Анотація

У статті досліджено вплив алгоритмів стиснення з втратами на статистичну структуру цифрових зображень. Стиснення є необхідним етапом зберігання та передавання даних, проте воно змінює первинні характеристики сигналу, що може ускладнювати подальший аналіз у комп’ютерному зорі, дистанційному зондуванні та медичній діагностиці. Традиційні метрики якості (MSE, PSNR, SSIM) не відображають повною мірою статистичних змін, тому актуальним є аналіз гістограм та моментів розподілу цих спотворень. Метою роботи є кількісна оцінка впливу кодеків JPEG, JPEG2000, WebP та AVIF на стохастичні властивості зображень. Для цього було використано два типи даних: синтетичне тестове зображення з чітко визначеною структурою та реальне зображення з природними текстурними неоднорідностями. Обидва зображення стискалися при різних параметрах якості (Q = 30, 50, 70, 90). Подальший аналіз включав побудову гістограм різницевих зображень та обчислення середнього значення, стандартного відхилення, коефіцієнтів асиметрії та ексцесу, а також перевірку просторової узгодженості спотворень. Отримані результати показали, що для досліджуваних кодеків зниження параметру якості Q призводить до зростання дисперсії та ексцесу, при цьому значення середнього та коефіцієнту асиметрії залишаються близькими до нуля. Для синтезованого зображення JPEG2000 спричиняє найбільшу варіацію стохастичних характеристик, а WebP і AVIF – найменшу, причому AVIF генерує дуже вузькі розподіли з високим ексцесом. Водночас для реального стиснутого зображення спостерігається загальне зниження значень стандартного відхилення та ексцесу у порівнянні з синтетичним випадком, а розподіли з «важкими хвостами», характерні для AVIF та WebP на тестових даних, проявляються меншою мірою. Це можна пояснити наявністю природних текстур, на яких похибки компресії розподіляються більш рівномірно. Дослідження просторових залежностей підтвердило локальний характер спотворень без суттєвої кореляції між рядками різницевих зображень. Результати аналізу свідчать, що різні формати по-різному впливають на статистичні властивості зображень. Використання як синтетичних, так і реальних зображень дозволило показати відмінності між граничними сценаріями та практичними умовами застосування досліджуваних кодеків. Результати можуть бути використані для вдосконалення методів оцінювання якості стиснення та розроблення ефективних процедур автоматизованого оброблення та статистичної класифікації зображень.