Understanding and advancing PDE-based image compression

Abstract

This thesis is dedicated to image compression with partial differential equations (PDEs). PDE-based codecs store only a small amount of image points and propagate their information into the unknown image areas during the decompression step. For certain classes of images, PDE-based compression can already outperform the current quasi-standard, JPEG2000. However, the reasons for this success are not yet fully understood, and PDE-based compression is still in a proof-of-concept stage. With a probabilistic justification for anisotropic diffusion, we contribute to a deeper insight into design principles for PDE-based codecs. Moreover, by analysing the interaction between efficient storage methods and image reconstruction with diffusion, we can rank PDEs according to their practical value in compression. Based on these observations, we advance PDE-based compression towards practical viability: First, we present a new hybrid codec that combines PDE- and patch-based interpolation to deal with highly textured images. Furthermore, a new video player demonstrates the real-time capacities of PDE-based image interpolation and a new region of interest coding algorithm represents important image areas with high accuracy. Finally, we propose a new framework for diffusion-based image colourisation that we use to build an efficient codec for colour images. Experiments on real world image databases show that our new method is qualitatively competitive to current state-of-the-art codecs.

Diese Dissertation ist der Bildkompression mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs, partial differential equations) gewidmet. PDE-Codecs speichern nur einen geringen Anteil aller Bildpunkte und transportieren deren Information in fehlende Bildregionen. In einigen Fällen kann PDE-basierte Kompression den aktuellen Quasi-Standard, JPEG2000, bereits schlagen. Allerdings sind die Gründe für diesen Erfolg noch nicht vollständig erforscht, und PDE-basierte Kompression befindet sich derzeit noch im Anfangsstadium. Wir tragen durch eine probabilistische Rechtfertigung anisotroper Diffusion zu einem tieferen Verständnis PDE-basierten Codec-Designs bei. Eine Analyse der Interaktion zwischen effizienten Speicherverfahren und Bildrekonstruktion erlaubt es uns, PDEs nach ihrem Nutzen für die Kompression zu beurteilen. Anhand dieser Einsichten entwickeln wir PDE-basierte Kompression hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit weiter: Wir stellen einen Hybrid-Codec für hochtexturierte Bilder vor, der umgebungsbasierte Interpolation mit PDEs kombiniert. Ein neuer Video-Dekodierer demonstriert die Echtzeitfähigkeit PDE-basierter Interpolation und eine Region-of-Interest-Methode erlaubt es, wichtige Bildbereiche mit hoher Genauigkeit zu speichern. Schlussendlich stellen wir ein neues diffusionsbasiertes Kolorierungsverfahren vor, welches uns effiziente Kompression von Farbbildern ermöglicht. Experimente auf Realwelt-Bilddatenbanken zeigen die Konkurrenzfähigkeit dieses Verfahrens auf.