Modern haberleşme sistemlerinde görüntü kodlaması ve sıkıştırmasında özgün matematik yöntemler
Original mathematical methods for image coding and compression in modern communication systems
Yazar: MURAT GEZER
Danışman: PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Sinyal =  ; Sıkıştırma yöntemi = Compression method ; İşaret işleme = Signal processing ; İşaret modelleme = Signal modelling

Özet:
Bilgi teknolojilerindeki gelişmelere paralel olarak son yıllarda görüntü verisi oluşumunda yoğun bir artış olmaktadır. Artan ham veya sıkıştırılmamış görüntüler, depolama kapasitesi ve haberleşme sistemlerinde iletim bant genişliği için yüksek oranda kaynak gerektirmektedir. Özellikle çoklu ortam uygulamalarındaki artış, görüntüleri kodlamak için daha verimli yollar ve aynı zamanda yüksek sıkıştırma oranı ve hızlı iletişim teknolojisi gereksinimini ortaya çıkarmaktadır
Bu tez ile görüntülerin enerji ve yapı fonksiyonları ile modellenmesine yönelik daha önce yapılan çalışmalara yeni bir katkı sunulmaktadır. Önerilen yeni yöntemin en önemli özelliği sıkıştırma sonucunda elde edilen görüntülerin mevcut yöntemlerle ayrık kosinüs dönüşümü tabanlı jpeg ve ayrık dalgacık dönüşümü tabanlı jpeg2000 karşılaştırıldığında daha iyi performans göstermesidir. 
Önerilen bu yöntemde, eğitim görüntüleri kullanılarak oluşturulan değişik blok boyutlarında önceden tanımlanmış olan vektör bankaları vasıtası ile modellenen görüntü yeniden oluşturulmaktadır. Önerilen yöntemde, görüntü öncelikle işlem kolaylığı açısından maksimum boyutlu bloklara bölünür. Bu bloklar daha sonra dördül ağaç algoritması kullanılarak sıkıştırma kalitesini belirleyen eşik değerine bağlı olarak minumum boyutlu bloklara bölünmektedir. Her bir blok yapı blokları, enerji blokları ve ölçekleme sabiti birleşimi olarak gösterilebilmektedir.
 
Önerilen yöntem ile çeşitli blok boyutlarında veri tabanları oluşturulmaktadır. Bunu sağlamak için çalışmada çok sayıda görüntü incelenmiştir. İncelemenin sonucunda gerek enerji blokları gerekse yapı bloklarının benzerlik taşıdıkları gözlenmiş ve bunların uygun bir yöntem ile elenebileceği kabul görülmektedir. Eleme işleminden sonra kalan Enerji ve Yapı bloklarından veri bankaları oluşturulmaktadır. Bu oluşturulan bankalar haberleşme sisteminde bulunan alıcı ve verici'ye yerleştirilmektedir. Bu şekilde haberleşme sistemlerinde iletim bandı ve saklama alanında oldukça tasarruf edilmiştir. Bu bankalar içinde özgün görüntüyü en küçük kareler anlamında en iyi temsil edebilecek veya uyumlu enerji ve yapı blokları bulunmaktadır ve bunlara bağlı olarak bir ölçekleme sabiti oluşturulabilmektedir. Bunun sonucunda, herhangi bir görüntüye ilişkin görüntü blok vektörü, enerji blok ve yapı blok fonksiyonları ile bir ölçekleme katsayısının çarpımı şeklinde temsil edildiği gösterilmiş ve oluşturulmuştur.

Tez sonucunda geliştirilen bu yöntem sayesinde mevcut yöntemlerden daha iyi bir sıkıştırma performansı gerçekleştirilerek, gün geçtikçe daha da fazla ihtiyaç duyulan depolama kapasitesi ve bant genişliğine olan gereksinimin azaltılmasına katkı sağlanmaktadır. Gelecekte bu yönteme dayalı olarak geliştirilebilecek yeni algoritmalar sayesinde bu ihtiyacın en aza indirilmesi için de önemli bir kaynak olduğu düşünülmektedir.

Abstract:
In recent years, an intensive increase has occurred in the formation of image data in parallel with the advances in information technologies. Increasing raw or uncompressed images require high level of source for conduction band width and storage capacity in communication systems. Especially the increase in multimedia applications has brought out the need of more productive methods, high compression ratio and instant communication technology for coding images. With this thesis, a new contribution is offered for the earlier studies carried out for the modeling of images with energy and structure functions. The most important feature of the new method is that it shows better performance when the images obtained as a result of compression are compared with current methods discrete cosinus transform based jpg and discrete wavelet transform based jpg2000. 
In this proposed method, the image modelled through vector banks predefined in various block dimensions formed by using training images is recreated. In the proposed method, the image is primarily divided into maximum sized blocks for operation convenience. Afterwards, these blocks are divided into predefined minimum sized blocks which are sub limit depending upon threshold value determining the compression quality by using quad tree algorithm. Each block is modelled as a composition of pattern blocks, energy blocks and scaling constant.
Energy and Pattern blocks have been found for various sized blocks for databases with the method. In this study, many images have been analyzed. As a result of the analysis, a similarity between energy blocks and structure blocks has been observed and it is accepted that these can be eliminated with an appropriate method. CEPB_b is created from the remaining Energy and Structure blocks after the elimination process. This is placed in the receiver and transmitter found in the bank communication system. In this way, saving in the fields of communication band and storage has been achieved in communication systems considerably. In CEPB_b, there are appropriate energy and structure blocks that can represent the specific image in the best way in terms of the smallest frames. Dependently, a scaling constant can be formed. As a consequence, it has been shown that an image block vector regarding any image is represented as the multiplication of energy block and structure block functions with a scaling coefficient. 
Thanks to this method developed as a result of the thesis, a better compression performance than the current methods has been achieved and contributions have been made to meet the requirements regarding the storage capacity and band width that are more needed with each passing day. It is also thought that this is an important source for minimizing this need thanks to the new algorithms to be developed based on this method in the future.