KOMPRESI CITRA

 Mata Kuliah : Multimedia

Kompresi Citra adalah aplikasi kompresi data yang dilakukan terhadap citra digital dengan tujuan untuk mengurangi redundansi dari data-data yang terdapat dalam citra sehingga dapat disimpan atau ditransmisikan secara efisien. 

Teknik kompresi citra tetap sama    :

Loseless Compression :

• Ukuran file citra menjadi lebih kecil dengan menghilangkan beberapa informasi dalam citra asli.
• Teknik ini mengubah detail dan warna pada file citra menjadi lebih sederhana tanpa terlihat perbedaan yang mencolok dalam pandangan manusia, sehingga ukurannya menjadi lebih kecil.
• Biasanya digunakan pada citra foto atau image lain yang tidak terlalu memerlukan detail citra, dimana kehilangan bit-rate foto tidak berpengaruh pada citra. 

Beberapa teknik loseless    : 

• Color reduction: untuk warna-warna tertentu yang mayoritas dimana informasi warna disimpan dalam color palette. 
• Chroma subsampling: teknik yang memanfaatkan fakta bahwa mata manusia merasa brightness (luminance) lebih berpengaruh daripada warna (chrominance) itu sendiri, maka dilakukan pengurangan resolusi warna dengan disampling ulang.  Biasanya digunakan pada sinyal YUV.

Chorma Subsampling terdiri dari 3 komponen:

 Y (luminance) : U (CBlue) : V (CRed) 

• Transform coding: menggunakan Fourier Transform seperti DCT. 
• Fractal Compression: adalah suatu metode lossy untuk mengkompresi citra dengan menggunakan kurva fractal. Sangat cocok untuk citra natural seperti pepohonan, pakis, pegunungan, dan awan.
• Fractal Compression bersandar pada fakta bahwa dalam sebuah image, terdapat bagian-bagian image yang menyerupai bagian bagian image yang lain. 
• Proses kompresi Fractal lebih lambat daripada JPEG sedangkan proses dekompresinya sama.

Loseless Compression :

• Teknik kompresi citra dimana tidak ada satupun informasi citra yang dihilangkan.
• Biasa digunakan pada citra medis.
• Metode loseless : Run Length Encoding,Entropy Encoding (Huffman, Aritmatik), dan Adaptive Dictionary Based (LZW)

HAL-HAL PENTING DALAM KOMPRESI CITRA 

1. Scalability/Progressive Coding/Embedded Bitstream

• Adalah  kualitas  dari  hasil  proses  pengkompresian  citra  karena manipulasi bitstream tanpa adanya dekompresi atau rekompresi.
• Biasanya dikenal pada loseless codec.
• Contohnya  pada  saat  preview  image  sementara  image  tersebut didownload.  Semakin baik scalability, makin bagus preview image.

Tipe scalability :  

• Quality progressive: dimana image dikompres secara perlahan-lahan dengan penurunan kualitasnya 
• Resolution progressive: dimana image dikompresi dengan mengenkode resolusi image yang lebih rendah terlebih dahulu baru kemudian ke resolusi yang lebih tinggi.
• Component progressive: dimana image dikompresi berdasarkan komponennya, pertama mengenkode komponen gray baru kemudian komponen warnanya.

    2. Region of Interest Coding: daerah-daerah tertentu dienkode dengan kualitas yang lebih tinggi daripada yang lain.

    3. Meta Information: image yang dikompres juga dapat memiliki meta information seperti  statistik warna, tekstur, small preview image, dan author atau copyright information

PENGUKURAN ERROR KOMPRESI CITRA

Dalam kompresi  image  terdapat  suatu  standar  pengukuran  error  (galat) kompresi:

➜ MSE (Mean Square Error), yaitu sigma dari jumlah error antara citra hasil kompresi dan citra asli.

                             MSE = 

                       Dimana : I (x,y) adalah nilai pixel di citra asli

                                I’(x,y) adalah nilai pixel pada citra hasil kompresi

                                M,N adalah dimensi image

➜ Peak Signal to Noise Ratio (PSNR), yaitu untuk menghitung peak error.

     PSNR =   20 * log10 (255 / sqrt(MSE))

➜ Nilai MSE yang rendah akan lebih baik, sedangkan nilai PSNR yang tinggi akan lebih baik.

ALGORITMAKOMPRESI /DEKOMPRESI CITRA 

Algoritma umum untuk kompresi image adalah:

1. Menentukan bitrate dan toleransi distorsi image dari inputan user.
2. Pembagian data image ke dalam bagian-bagian tertentu sesuai dengan tingkat kepentingan yang ada (classifying).

Menggunakan salah satu teknik: 

DWT (Discreate Wavelet Transform) yang akan mencari frekuensi nilai pixel masing-masing, menggabungkannya menjadi  satu  dan  mengelompokkannya  sebagai berikut:

Dimana

LL : Low Low Frequency (most importance) 

HL : High Low Frequency (lesser importance)

LH : Low High Frequency (more lesser importance) 

HH : High High Frequency (most less importance)

Hasil dekomposisi 3 level decomposition

        3. Pembagian  bit-bit  di  dalam  masing-masing  bagian  yang  ada  (bit allocation).

        4. Lakukan kuantisasi (quantization).

• Kuantisasi Scalar : data-data dikuantisasi sendiri-sendiri
• Kuantisasi Vector : data-data dikuantisasi sebagai suatu himpunan  nilai-nilai  vektor  yang  diperlakukan  sebagai  suatu kesatuan.

        5. Lakukan  pengkodingan  untuk  masing-masing  bagian  yang  sudah dikuantisasi tadi dengan menggunakan teknik entropy coding (huffman dan aritmatik) dan menuliskannya ke dalam file hasil.

• Sedangkan algoritma umum dekompresi image adalah:
• Baca data hasil kompresi menggunakan entropy dekoder.
• Dekuantisasi data.
• Rebuild image.

BEBERAPA METODE KOMPRESI CITRA

TEKNIK KOMPRESI GIF

• GIF  (Graphic  Interchange  Format)  dibuat  oleh  Compuserve  pada tahun 1987 untuk  menyimpan berbagai file bitmap manjadi file lain yang mudah diubah dan ditransmisikan pada jaringan komputer.
• GIF  merupakan  format  citra  web  yang  tertua  yang  mendukung kedalaman warna sampai 8 bit (256 warna), menggunakan 4 langkah interlacing, mendukung transparency, dan mampu menyimpan banyak image dalam 1 file.
• Byte ordering: LSB – MSB
• Struktur file GIF:
• Header: menyimpan informasi identitas file GIF (3 bytes, harus string “GIF“) dan versinya (3 bytes, harus string “87a“ or “89b“)
• Global  Screen  Descriptor:  mendefinisikan  logical  screen  area dimana masing-masing file GIF ditampilkan.

• Global  Color  Table:  masing-masing  image  dalam  GIF  dapat menggunakan  global  color  table  atau  tabel  warnanya  sendiri- sendiri.  Penggunaan GCT akan memperkecil ukuran file GIF.
• Image1,  Image2,  Image3,  ...  Image-n:  dimana  masing-masing image memiliki  struktur blok sendiri-sendiri dan terminator antar file.
• Trailer: Akhir dari sebuah file GIF

• Kompresi GIF menggunakan teknik LZW: gambar GIF yang berpola horizontal dan memiliki perubahan warna yang sedikit, serta tidak bernoise akan menghasilkan hasil kompresan yang baik.
• LZW kurang baik digunakan dalam bilevel (hitam-putih) dan true color 
• Format file GIF:
• GIF87a: mendukung interlacing dan mampu manyimpan beberapa image dalam 1 file, ditemukan tahun 1987 dan menjadi standar.
• GIF89a: kelanjutan dari 87a dan ditambahkan dengan dukungan transparency, mendukung text, dan animasi.
• Kompresi GIF menggunakan teknik LZW: gambar GIF yang berpola horizontal  dan  memiliki  perubahan  warna  yang  sedikit,  serta  tidak bernoise akan menghasilkan hasil kompresan yang baik.
• Animated GIF: tidak ada standar bagaimana harus ditampilkan sehingga umumnya  image viewer  hanya  akan menampilkan image pertama dari file  GIF. Animated GIF memiliki informasi berapa kali harus diloop.
• Tidak semua bagian dalam animated GIF ditampilkan kembali, hanya bagian yang berubah saja yang ditampilkan kembali.

TEKNIK KOMPRESI PNG

PNG (Portable Network Graphics) digunakan di Internet dan merupakan  format  terbaru  setelah  GIF,  bahkan  menggantikan  GIF untuk Internet image karena GIF terkena patent LZW yang dilakukan oleh Unisys.

Menggunakan teknik loseless dan mendukung:

• Kedalaman warna 48 bit
• Tingkat ketelitian sampling: 1,2,4,8, dan 16 bit
• Memiliki alpha channel untuk mengkontrol transparency
• Teknik pencocokan warna yang lebih canggih dan akurat

➜ Diprakarsai oleh Thomas Boutell dari PNG Development Group, dan versi finalnya direlease pada 1 Oktober 1996, 1,5 tahun sejak project berjalan.

➜ Byte ordering: MSB-LSB

➜ Format penamaan file PNG diatur ke dalam suatu urutan blok biner yang disebut sebagai “chunk“ (gumpalan), yang terdiri dari:

• Length (4 bytes), berupa informasi ukuran PNG
• Type (4 byte), berupa informasi nama chunk

Nama chunk terdiri dari 4 karakter ASCII dengan spesifikasi:

• Karakter ke-1,2, dan 4 boleh uppercase/lowercase
• Jika karakter ke-1 uppercase, berarti critical chunk (harus valid), contohnya: IHDR, PLTE, IDAT, dan IEND.
• Jika  karakter  ke-1  lowercase,  berarti  non-critical  chunk (contohnya: bKGD, cHRM, gAMA, hIST, pHYs, sBIT, tEXt, tIME, tRNS, zTXt)
• Jika karakter ke-2 uppercase, berarti public (PNG Standard)
• Jika karakter ke-2 lowercase, berarti private PNG
• Jika karakter ke-4 lowercase, berarti save-to-copy
• Jika karakter ke-4 uppercase, berarti unsave-to-copy
• Karakter 3 harus uppercase

Contoh penamaan:

IHDR: critical, public, unsafe to copy gAMA: noncritical, public, unsafe to copy

pHYs: noncritical, public, safe to copy apPx: noncritical, private, safe to copy 

A1PX: invalid

ApPx: critical, private, safe to copy

apPX: noncritical, private, unsafe to copy 

aaaX: invalid

Data (ukuran dinamis), berupa data PNG.

CRC (Cyclic Redundancy Check), berupa CRC-32 untuk pendeteksian error checking pada saat transmisi data.

Proses PNG decoder adalah sebagai berikut:

• Baca chunk data size
• Baca dan simpan chunk type
• Jika ukuran chunk data lebih besar daripada data buffer, alokasikan buffer yang lebih besar
• Baca chunk data
• Hitung CRC value dari chunk data
• Baca CRC dari file yang diterima
• Bandingkan hasil perhitungan CRC dengan CRC dari file, jika tidak sama, berarti chunk invalid, minta kirim ulang.

Sedangkan struktur file PNG adalah:

• PNG Signature: tanda file PNG
• IHDR chunk: menyimpan dimension, depth, dan color type
• PLTE chunk: untuk PNG yang menggunakan color palette type
• IDAT chunk 1, IDAT chunk 2, IDAT chunk 3, ... IDAT chunk-n
• IEND chunk: end of PNG image

PNG mendukung 5 cara untuk merepresentasikan warna, dimana tipe warna disimpan dalam bagian IHDR chunk :

• RGB Triple (R,G, dan B): untuk 8 atau 16 bits
• Color Palette: yang disimpan dalam PLTE chunk dengan bit depth 1,2,4 atau 8.
• Grayscale: 1 komponen warna per image, bisa digunakan untuk semua bit depth.

RGB Alpha Channel:

• agar image dan background dapat dikombinasikan
• untuk mengkontrol transparency
• hanya bisa digunakan pada bit depth 8 atau 16 bits
• jika  alpha  channel  0  berarti  100%  transparan,  sehingga background terlihat seutuhnya.
• Jika  alpha  channel  2image  bit  depth   -1 berarti  fully  opaque, sehingga  background  sama  sekali  tidak  terlihat  karena tertutup oleh image.

Grayscale with Alpha Channel: hanya bisa 8/16 bits

PNG mendukung interlacing  yang disebut Adam 7, yang menginterlace berdasarkan pixel daripada berdasarkan baris. Adam akan membagi image ke dalam 8x8 pixel, yang akan diupdate dalam 7 fase interlacing sebagai berikut :

Teknik  kompresi  yang  digunakan  adalah  Deflate  yang  merupakan kelanjutan  dari   algoritma  Lempel-Ziv. Cara kerja Deflate sama dengan LZW dan melakukan scanning secara horisontal.

TEKNIK KOMPRESI JPEG

JPEG (Joint Photograpic Experts Group) menggunakan teknik kompresi lossy sehingga sulit untuk proses pengeditan.

JPEG  cocok  untuk  citra  pemandangan  (natural  generated image), tidak cocok untuk  citra yang mengandung banyak garis, ketajaman warna, dan computer generated image.

JPEG’s compression models:

Sequential: kompresi dilakukan secara top-down, left-right menggunakan proses  single-scan dan algoritma Huffman Encoding 8 bit secara sekuensial

Progressive:  kompresi  dilakukan  dengan  multiple-scan  secara progresif, sehingga kita dapat mengira-ira gambar yang akan kita download.

• JPEG  merupakan  nama  teknik  kompresi,  sedangkan  nama  format filenya adalah JFIF (JPEG File Interchange Format)
• Tingkat kompresi yang baik untuk JPEG adalah 10:1-20:1 untuk citra foto,  30:1-50:1untuk citra  web, dan 60:1-100:1untuk kualitas rendah seperti citra untuk ponsel.
• Byte order: MSB-LSB
• Tahapan kompresi JPEG:
• Sampling: adalah proses pengkonversian data pixel dari RGB ke YUV/YIQ dan dilakukan down sampling.  Biasanya sampling  dilakukan  per  8x8  blok,semakin  banyak  blok yang dipakai makin bagus kualitas sampling yang dihasilkan.
• DCT  (Discreate  Cosine  Transform)  :  hasil  dari  proses sampling  akan  digunakan  sebagai  inputan  proses  DCT, dimana blok 8x8 pixels akan diubah menjadi fungsi matriks cosinus
• Quantization:  proses  membersihkan  koefisien  DCT  yang tidak  penting  untuk  pembentukan  image  baru. Hal  ini  yang menyebabkan JPEG bersifat lossy.
• Entropy Coding: proses penggunaan algoritma entropy, misalnya Huffman  atau  Aritmatik  untuk  mengenkodekan  koefisien  hasil proses  DCT  yang  akan  mengeliminasi  nilai-nilai  matriks  yang bernilai nol secara zig-zag order.

• Dalam JPEG terdapat beberapa “marker“ sebagai tanda yang memisahkan antar komponennya  yang  berukuran  2  bytes,  dimana byte pertama selalu bernilai FF16 sedangkan bit kedua bisa berupa:
• APPn:  menghandle  application  specific  data,  misalnya informasi tambahan dalam JPEG
• COM (Comment): untuk memberikan komentar plain text string seperti copyright.
• DHT (Define HuffmanTable): menyimpan tabel kode-kode Algoritma Huffman
• DRI (Define Resart Interval): sebagai tanda resart interval
• DQT (Define Quantization Table): mendefinisikan tabel kuantisasi digunakan proses kompresi
• EOI (End of Image): tanda akhir file JPEG
• RSTn: restart marker
• SOI (Start of Image): tanda awal image
• SOFn: start of frame
• SOS: start of scan
• Secara umum JPEG/JFIF file menyimpan informasi :
• Signature untuk mengidentifikasikan JPEG file
• Colorspace
• Pixel density
• Thumbnails
• Relationship of pixels to sampling frequency

JPEG 2000 – 

Adalah pengembangan kompresi JPEG. Didesain untuk internet, scanning, foto digital, remote sensing, medical imegrey, perpustakaan digital dan e-commerce 

Kelebihan: 

• Dapat digunakan pada bit-rate rendah sehingga dapat digunakan untuk network image dan remote sensing 
• Menggunakan Lossy dan loseless tergantung kebutuhan bandwidth.  Loseless digunakan untuk medical image
• Transmisi progresif dan akurasi & resolusi pixel tinggi 
• Menggunakan Region of Interest (ROI) 
• Robustness to bit error yang digunakan untuk komunikasi jaringan dan wireless
• Open architecture: single compression/decompression 
• Mendukung protective image security: watermarking, labeling, stamping, dan encryption
• Mendukung image ukuran besar 64k x 64k, size up to 232 - 1  
• Mendukung meta data dan baik untuk computer-generated imagenary.  Dulu JPEG standar baik untuk natural imagenary.

FKOM UMHT | Multimedia | Catur Nugroho