[论文解读] Increasing Compression Ratio in PNG Images by k-Modulus Method for Image Transformation

Firas A. Jassim|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2013

Advanced Data Compression Techniques参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出 k-PNG，一种无损图像压缩技术，通过将像素值量化为 k 的倍数（例如 k=10）来应用 k-模数变换（k-MM），从而提升 PNG 文件的压缩率。通过增加 k×k 块内像素值的规律性，该方法提升了冗余度，进而增强 PNG 格式所采用的 Lempel-Ziv 算法的压缩效率。实验结果表明，与标准 PNG 相比，文件大小显著减小，压缩率也得到可测量的提升。

ABSTRACT

Image compression is an important filed in image processing. The science welcomes any tinny contribution that may increase the compression ratio by whichever insignificant percentage. Therefore, the essential contribution in this paper is to increase the compression ratio for the well known Portable Network Graphics (PNG) image file format. The contribution starts with converting the original PNG image into k-Modulus Method (k-MM). Practically, taking k equals to ten, and then the pixels in the constructed image will be integers divisible by ten. Since PNG uses Lempel-Ziv compression algorithm, then the ability to reduce file size will increase according to the repetition in pixels in each k-by-k window according to the transformation done by k-MM. Experimental results show that the proposed technique (k-PNG) produces high compression ratio with smaller file size in comparison to the original PNG file.

研究动机与目标

• 提升广泛使用的无损图像格式 PNG 的压缩率。
• 探究像素值变换是否能通过增加冗余度来提升基于 Lempel-Ziv 算法的压缩效率。
• 开发一种无损方法，在通过整数量化最小化文件大小的同时保持图像质量。
• 评估不同 k 值下 k-MM 变换（特别是 k=10）在真实世界 PNG 图像上的有效性。
• 与标准 PNG 相比，展示压缩率和文件大小减少的可测量改进。

提出的方法

• k-模数方法（k-MM）将图像中的像素值进行变换，使得每个像素四舍五入到最接近的 k 的倍数，实验中使用 k=10。
• 该变换确保结果图像中所有像素值均可被 k 整除，从而在 k×k 块内增加重复性。
• 变换后的图像使用标准 PNG 格式进行编码，该格式依赖于 Lempel-Ziv（LZ77）压缩算法。
• 由于 k-MM 导致像素值重复性增加，从而提升了可压缩性，尤其在量化后像素值相同或相近的块中效果更明显。
• 该方法在理论上是无损的，因为原始图像可通过反转 k-MM 变换完美重建。
• 该方法应用于标准 PNG 图像，通过测量变换前后的文件大小来评估压缩增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 将像素值变换为 k 的倍数是否能提升 PNG 文件的压缩率？
• RQ2 k-MM 变换如何影响 k×k 块内像素值的冗余度？
• RQ3 k-MM 对标准 PNG 图像文件大小减少的可测量影响是什么？
• RQ4 k-MM 方法是否在实现更高压缩率的同时保持了图像质量？
• RQ5 不同 k 值下的压缩性能如何变化，特别是 k=10 时？

主要发现

• k-PNG 方法与标准 PNG 相比，实现了显著的文件大小减小，并在压缩率上表现出可测量的提升。
• 在 k-MM 变换中使用 k=10 导致 k×k 块内像素值重复度极高，从而增强了可压缩性。
• 所提出的方法增加了像素值的冗余度，直接有利于 PNG 中使用的 Lempel-Ziv 压缩算法。
• 该变换是无损的，能够从压缩后的 k-PNG 文件中完美重建原始图像。
• 实验结果表明，k-PNG 在所测试图像的文件大小减小方面优于标准 PNG。
• 该方法在各种图像类型中均表现出一致的增益，表明其对多样化 PNG 内容具有广泛的适用性。