Extremely Low and Variable Bandwidth Image Compression with Region of Interest Applied to Real Time Underwater Robotic Interventions

Abstract

A new fast and progressive set-partitioning image compression parallel algorithm with Region Of Interest (ROI) which outputs an embedded bit oriented rate-distortion optimized stream and addresses very low bit rate compression is presented.User defined variable packet sizes make it suitable for the implementation of any communications protocols, either underwater or in any other scenario, while remaining competitive with current state-of-the-art compressors at higher bit rates.A parallel algorithm for the Discrete Wavelet Transform (DWT) based on the lifting scheme is also presented and it is shown to be optimal in the sense that no other implementation may be faster if memory saturation is achieved.The best ordering for the significant and refinement bits of the transform coefficients is derived, using the Mean Squared Error (MSE) as the error measure, by fitting a Probability Density Function (PDF) to the transform coefficients and weighting the error for each range of coefficients by its respective DWT subband gain.A general scheme for Region Of Interest (ROI), including a non-linear scaling ROI, is presented in which the lower bitplanes of the foreground coefficients are delayed in exchange for better background reconstruction, achieving a more effective blending of foreground and background information.Finally, an implementation for both 32-bit and 64-bit ARM and x86 architectures was validated in an actual wireless underwater robotic teleoperation context.

Se presenta un nuevo algoritmo rápido y progresivo de compresión de imagen con Region De Interés (ROI) que emite un flujo optimizado de distorsión y trata una compresión de tasa de bits muy baja. Los tamaños de paquete variables definidos por el usuario lo hacen adecuado para el implementación de cualquier protocolo de comunicación, ya sea bajo el agua o en cualquier otro escenario, sin dejar de ser competitivo con los actuales compresores de última generación a mayores tasas de bits. Un algoritmo paralelo para la Transformada Wavelet Discreta (DWT) basado en el esquema de lifting es también presentado y se muestra como óptimo en el sentido de que ninguna otra implementación puede ser más rápida si se logra la saturación de la memoria. Se obtiene el mejor orden para los bits significativos y de refinamiento de los coeficientes de transformación, usando el Error Cuadrático Medio (MSE), al ajustar una función de densidad de probabilidad (PDF) a los coeficientes de transformación y ponderar el error para cada rango de coeficientes por su respectiva ganancia de subbanda DWT. Se presenta un esquema general para la Región de Interés (ROI), incluyendo un ROI de escalado no lineal, en el cual los planos de bit más bajos de los coeficientes de primer plano se retrasan a cambio de una mejor reconstrucción de fondo, logrando una efectiva combinación de información de fondo y de frente. Finalmente, se validó una implementación para las arquitecturas ARM y x86 de 32 bits y de 64 bits en un contexto de teleoperación robótica bajo el agua real.