Wavelet
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Competition

Wettbewerb für Wavelet–basierte Kompressionsverfahren

Unter der Federführung von Prof. Heinz-Otto Peitgen, Universität Bremen, und Prof. Peter Maaß, Universität Potsdam, wurde ein Wettbewerb für Wavelet-basierte Kompressionsverfahren initiiert. Zur Teilnahme werden alle Personen oder Institutionen aufgerufen, die sich mit Wavelet-basierter Bildverarbeitung im Bereich der Standbildkompression befassen.

Mit diesem Wettbewerb soll zum einen ein Überblick über die Leistungsfähigkeit derzeitig verfügbarer Wavelet-Algorithmen erreicht werden, und zum anderen soll die Standardisierung von Wavelet-Kompressionsverfahren vorangetrieben werden. Eine Offenlegung der Algorithmen oder die Bekanntgabe verwendeter Tricks wird von den Teilnehmern nicht erwartet.

Gegenstand des Wettbewerbes

Zur Zeit können sich Kompressionsverfahren, die auf Wavelets basieren, in der Praxis trotz signifikanter Qualitätsvorteile im Vergleich mit anderen modernen Kompressionsverfahren nicht durchsetzen. Der Grund dafür liegt in der fehlenden Standardisierung. Anwender im kommerziellen Umfeld nennen die Standardisierung immer wieder als wesentliche Voraussetzung für den praktischen Einsatz des Verfahrens.

Im Vorfeld der Diskussion zum neuen JPEG-2000 Standard ist das Ziel dieses Wettbewerbes, die leistungsstärksten Wavelet-Verfahren hinsichtlich Kompressionsrate und Qualität zu ermitteln. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen für die Einrichtung eines Quasi-Standard genutzt werden. Dabei wird besonderer Wert auf die Definition eines Dateiformats gelegt, das die Weiterentwicklung der Wavelet-Kompressionsverfahren ermöglicht. Dazu muß den komprimierten Dateien eine Versions- und Verfahrensinformation zu entnehmen sein.

Die Teilnahme am Wettbewerb ist offen. Es darf jede Person oder I nstitution am Wettbewerb teilnehmen. Jeder Teilnehmer darf ein Programmpaket zur Bewertung einreichen.

Die Auswertung des Wettbewerbes wird durch ein unabhängiges Komitee unter der Leitung von Prof. Hans-Georg Stark, FH Schweinfurt, vorgenommen.

Aufgabenstellung

Die Programmpakete die in diesem Wettbewerb eingereicht werden, sollten unter den Betriebssystemen MS Windows NT 4.0 auf einer Intel Plattform oder SUN Solaris auf der Basis eines SUNSparc-Prozessors als Kommandozeilenprogramm ausführbar sein. Das Programm soll in der Lage sein, Dateien der Grafikformate BMP oder PGM / PPM unter Verwendung eines Wavelet-basierten Verfahrens zu komprimieren. Mit dem Programmpaket muß es möglich sein, die komprimierte Datei in das Ausgangsformat zu dekomprimieren.

Das Kompressionsverfahren sollte über einen Parameter einstellbar sein. Als Parameter kann wahlweise die Einstellung des Kompressionsfaktors oder eines Qualitätsparameters vorgesehen werden. Für die Umsetzung von Optionen, wie beispielsweise einer verlustfreien Kompression usw., ist die Einführung von zusätzlichen Parametern erlaubt. Diese erweiterten Parameter sind als optionale Schalter zu verstehen, sie sollen für die Ausführung des Programm nicht zwingend erforderlich sein.

Es werden zwei Programme benötigt: Ein Encoder-Programm und ein Decoder-Programm.

Das Verhalten der Programme wird über Kommandozeilenparameter gesteuert. Um die Handhabung der Programme zu vereinfachen, ist eine Hilfefunktionalität integriert: Der Aufruf eines Programmes ohne Parameter gibt eine kurze Hilfe aus (Parameter, Optionen, Programmversion, Autoren, ...)

Vorschlag:

Kompression

wav_enc q-param width height origfile compfile [optional flags]

Dekompression

wav_dec q-param width height recofile compfile [optional flags]

Mit folgenden Parametern:

Q-Param : Qualitätsparameter

Width: Breite des Bildes in Pixel

Height: Höhe des Bildes in Pixel

Origfile: Original Bilddatei (BMP / PPM)

Compfile: Datei mit komprimierten Bilddaten

Recofile: Datei mit rekonstruierten Bilddaten (BMP / PPM)

Obligatorische Anforderungen

Die eingesandten Programme ermöglichen die Kompression der Testbilder einer repräsentativen Bildbibliothek. Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, daß die Programme prinzipiell auf die Anforderungen der Testbilder in Bezug auf Dimension und Farbtiefe beschränkt sein dürfen. Diese Bibliothek enthält 6 Bilder mit variablen Dimensionen und einer Farbtiefe von 24 Bit in dem Format BMP ( für Windows NT Applikationen)

bzw. in dem Format PPM ( für SUN Solaris basierte Programme). Die Graustufenbilder LENA und GOLDHILL haben sich im Rahmen der Wavelet-Kompression als standardisierte Testbilder etabliert. Sie bieten dem versierten Betrachter einen ersten Eindruck des Kompressionsverfahrens und sollten auch in dieser Bildbibliothek ihre Beachtung finden. Im Hinblick auf die Anwendung von Wavelet-basierten Kompressionsverfahren in der medizinischen Diagnostik enthalten die Testbilder eine Serie von radiologischen Aufnahmen, diese umfaßt 2 CR-Aufnahmen als 8 bit Graustufenbilder der Dimension 1024 x 1024 Pixel im Format BMP bzw. PGM, und 2 CT-Aufnahmen, 8 bit Graustufenbilder der Dimension 512 x 512. Die Bildbibliothek wird ergänzt durch 2 Satellitenbilder mit einer Größe von 1024 x 1024 Pixel; diese Bilder haben eine Tiefe von 8. Die nachfolgende Tabelle faßt die unterschiedlichen Kategorien zusammen:

 

Kategorie

Anzahl der Bilder

Bilddimension

Farbraum

Farbtiefe

Farbbilder

6

Variabel

RGB

24 Bit

LENA

1

512 x 512 Pixel

Graustufen

8 Bit

GOLDHILL

1

512 x 512 Pixel

Graustufen

8 Bit

CT –Aufnahmen

2

1024 x 1024 Pixel

Graustufen

8 Bit

Röntgenbilder

(CR – Aufnahmen)

2

512 x 512 Pixel

Graustufen

8 Bit

Satellitenbilder

2

1024 x 1024 Pixel

Graustufen

8 Bit

Zu den Programmen ist eine kurze Dokumentation einzureichen, aus der die grundsätzliche Wirkungsweise und die Bedienungsweise zu entnehmen ist. Aus Beschreibung des Programmpaketes sollte hervorgehen, welche Optionen realisiert worden sind bzw. ob auf der Basis des verwendeten Algorithmus deren prinzipielle Realisation möglich ist.

Bewertungskriterien

Es werden das Laufzeitverhalten der eingereichten Programme sowie die von den Programmen erzeugten, komprimierten Bilddaten verglichen. Zum Vergleich der komprimierten Bilddaten werden für die verschiedenen Kategorien von Testbildern einheitliche Kompressionsfaktoren festgelegt:

Als Grundlage für die Messungen wird die Größe des Ursprungsbildes in

Byte (Breite * Höhe * Bits Per Pixel) ins Verhältnis zur Dateigröße des komprimierten Bildes gesetzt.

 

 

Der Vergleich orientiert sich an folgenden Kriterien:

In einer Vielzahl von Anwendungen der Wavelet-basierten Bilddatenkompression wird besonderer Wert auf eine schnelle und effiziente Dekompression gelegt, als Beispiel sei nur der Einsatz von Wavelet-komprimierten Bildern zur Minimierung von Speicherplatz und Serverlast genannt. Aus diesem Grund werden bei der Bewertung der Programmpakete die benötigte Zeit und der Arbeitsspeicherplatzbedarf der Dekompression in den Vordergrund gerückt.

Vergleich der erzeugten komprimierten Bilddaten nach:

(

Definition PSNR:

)

Für die Ermittlung der Ausführungszeiten und der Speicherplatzanforderungen der eingesandten Programme werden die Systemwerkzeuge von SOLARIS ( time-Befehl ) bzw. Windows NT (perfmon.exe - Performence-Monitor ) verwendet. Der direkte Vergleich von "Windows" - und "UNIX" - Programmen gestaltet sich schwierig. Angesichts dieser Tatsache sollte es dennoch möglich sein, einen Vergleich für diese Programme vorzunehmen. Im Rahmen des Wettbewerbes ist die Ermittlung eines Wichtungsfaktors vorgesehen, der es erlaubt den Speicherbedarf und die Ausführungszeit von Programmen, die für unterschiedliche Betriebssysteme entwickelt worden sind, ins Verhältnis zu setzen. Der Wichtungsfaktor wird durch ein portables C-Progamm bestimmt. Das Programm liest eine Datenmatrix von der Festplatte ein, reserviert Speicherplatz für die Eingabematrix, führt eine Gauß-Glättung der Matrix aus und schreibt die modifizierte Matrix auf die Festplatte zurück. Als Eingabematrix wird das "LENA" Testbild verwendet. Der Wichtungsfaktor dient nur zum groben Vergleich aller Programme. Zur Ermittlung des besten Programmes treten nur Anwendung gleicher Betriebssystemplattformen gegeneinander an. Für den Vergleichstest der "Windows NT" – basierten Anwendungen wird ein PENTIUM II PC verwendet; "SOLARIS" - basierte Programme werden auf einen SPARC10 Rechner getestet. Die subjektive Bewertung der Kompressionsergebnisse für die radiologischen Testbilder wird durch mehrere Radiologen unter Verwendung von ROC-Kurven stattfinden. Dieses Verfahren wird standardmäßig zur Beurteilung radiologischer Aufnahmen verwendet. Für die Beurteilung der Farbbilder sowie der Standard-Testbilder LENA und GOLDHILL wird zusätzlich zum PSNR-Fehler ein Ranking mit mehreren unabhängigen Testpersonen unter kontrollierten Betrachtungsbedingungen durchgeführt.

Optionen

Außerhalb dieser Bewertung sollten die Wettbewerbsteilnehmer angeben, ob durch das eingereichte Programmpaket die folgenden Optionen realisiert werden können.

(z.B. Wechsel von kontextabhängiger Kodierung zur Huffman-Kodierung)

( Um den Teilnehmern die Dokumentation ihres Wettbewerbsbeitrages zu erleichtern, haben wir einen Fragebogen erstellt. Mit Hilfe des Fragebogens ist eine kurze Beschreibung des eingereichten Programmes möglich. Der Fragebogen steht auf den Internet-Seiten des Instituts für Mathematik der Universität Potsdam zum Download zur Verfügung. (MSWORD: www.math.uni-potsdam.de/numerik/wav/FBWWB.doc)

Ebenso ist dieser Text als MSWORD Dokument erhältlich.

Organisation

Der Wettbewerb läuft in der Zeit von 15.12.1998 bis zum 15.02.1999. Die Programme sind einschließlich Dokumentation auf Datenträger (Diskette oder CD) oder Email an maass@rz.uni-potsdam.de abzugeben. Die CD bzw. Diskette sollte mit dem Namen & Absender und dem Programmnamen beschriftet sein, zusätzlich muß auch das Format der Diskette (DOS / tar / tgz u.a.) oder das Format der CD (Joliet / Rockridge / ISO 9600) vermerkt sein.

Die Auswertung erfolgt im Zeitraum vom 16.02.1999 bis 31.03.1999. Die Ergebnisse werden den Teilnehmern im Anschluß an die Auswertung schriftlich mitgeteilt.

Die Ergebnisse des Wettbewerbs werden in der Zeitschrift "c’t – Magazin für Computer Technik" veröffentlicht. Die Teilnehmer erklären sich ausdrücklich mit einer Veröffentlichung der Wettbewerbsergebnisse unter Namensnennung einverstanden.