Kompresi citra dengan metode DCT-Kuantisasi-Huffman

Citra merupakan informasi multimedia dengan jumlah data yang sangat besar di mana kualitasnya sering dikaitkan dengan resolusi citra. Resolusi citra berarti ukuran panjang dan lebar dari sebuah citra dalam satuan pikel. Kedalaman intensitas warna berarti banyaknya bit yang digunakan untuk tiap kode warna yang dinyatakan dalam satuan bit/piksel. Semakin tinggi resolusi citra, semakin banyak jumlah piksel dan kedalaman intensitas warna sehingga mengakibatkan semakin baik kualitas citranya. Tingginya resolusi citra dan kedalaman intensitas warna berarti jumlah bit yang ada semakin banyak sehingga mentransmisikan citra dengan resolusi yang tinggi membutuhkan penyimpanan data citra untuk jumlah bit yang ditransmisikan. Oleh karena itu, untuk meminimalkan jumlah bit yang ditransmisikan, digunakan suatu algoritma kompresi citra.

Kompresi citra dapat dilakukan dalam domain spasial maupun domain frekuensi. Pada kompresi citra dalam domain spasial, redundansi data yang relatif tinggi dalam citra dikodekan dengan menggunakan bit yang lebih kecil. Redundansi berarti banyaknya piksel dari citra memiliki kesamaan secara visual atau kesamaan nilai. Sementara pada kompresi citra dalam domain frekuensi, perlu dilakukan proses transformasi dari domain spasial ke domain frekuensi. Merode transformasi yang digunakan pada penelitian ini yaitu Discrete Cosine Transform (DCT) yang digunakan dalam kompresi JPEG 2000.

Kompresi citra terbagi menjadi dua teknik, yaitu lossy dan loseless. Teknik kompresi citra loseless bekerja dengan membuat kapasitas file dari citra sekecil mungkin yaitu dengan mengoptimalkan teknik pengkodean data redundan yang terdapat pada citra asli. Dalam hal tersebut, kompresi loseless terjadi tanpa ada perubahan data. Salah satu metode yang menerapkan teknik kompresi loseless yaitu metode Huffman. Teknik kompresi citra lossy bekerja dengan mengurangi jumlah bit pada informasi detil citra seperti luminance dan chrominance (warna). Salah satu metode yang menerapkan teknik kompresi lossy yaitu DCT.

Discrete Cosine Transform (DCT)

Metode Discrete Cosine Transform (DCT) mengubah data citra masukan ke dalam format yang dapat mengurangi redundansi piksel. Untuk memetakan nilai piksel ke dalam satu set koefisien, teknik perubahan pengkodean menggunakan reversibel dan linier matematika transformasi. Proses selanjutnya dibutuhkan proses kuantisasi dan pengkodean. Transformasi 2D-DCT dinyatakan dalam persamaan berikut:

Kuantisasi

Pada tahap kuantisasi, koefisien DCT yang tidak penting dihilangkan guna merekontruksi citra yang baru. Proses kuantisasi menggunakan teknik lossy dengan menyeleksi frekuensi yang tinggi untuk dihilangkan.

Pengkodean Huffman

Prinsip pengkodean Huffman yaitu mengkodekan koefisien hasil proses DCT dengan mengeliminasi nilai-nilai matriks bernilai nol sehingga kelebihan dari keluaran kuantisasi hilang secara zigzag sehingga dihasilkan citra yang sudah terkompresi atau dilakukan kompresi citra.

Program matlab kompresi DCT  – Quantization – Huffman

clear all
close all
clc

I=imread('football.jpg');

qy50 = [16 11 10 16 24 40 51 61;
    12 12 14 19 26 58 60 55;
    14 13 16 24 40 57 69 56;
    14 17 22 29 51 87 80 62;
    18 22 37 56 68 109 103 77;
    24 35 55 64 81 104 113 92;
    49 64 78 87 103 121 120 101;
    72 92 95 98 112 100 103 99];

qc50 = [ 17 18 24 47 99 99 99 99;
    18 21 26 66  99 99 99 99;
    24 26 56 99 99 99 99 99;
    47 66 99 99 99 99 99 99;
    99 99 99 99 99 99 99 99;
    99 99 99 99 99 99 99 99;
    99 99 99 99 99 99 99 99;
    99 99 99 99 99 99 99 99;];

zz =[1 2 6 7 15 16 28 29;
    3 5 8 14 17 27 30 43;
    4 9 13 18 26 31 42 44;
    10 12 19 25 32 41 45 54;
    11 20 24 33 40 46 53 55;
    21 23 34 39 47 52 56 61;
    22 35 38 48 51 57 60 62;
    36 37 49 50 58 59 63 64;];


% Konversi Warna Image RGB ke YCbCr
Iycbcr=rgb2ycbcr(I);
[MI,NI,~]=size(Iycbcr);
mb=mod(MI,8);
nb=mod(NI,8);
if nb>0
    Iycbcr(:,NI+1:NI+(8-nb),:)=0;
end
if mb>0
    Iycbcr(MI+1:MI+(8-mb),:,:)=0;
end
[m,n,o] = size(Iycbcr);

% Blok Citra
Imycbcr=Iycbcr;

ImDouble = double(Imycbcr);

% DCT
ImDCT = dct(ImDouble);

% Kuantisasi
yDCT = ImDCT(:,:,1);
cbDCT = ImDCT(:,:,2);
crDCT = ImDCT(:,:,3);

y_kuantisasiBlock  = @(block_struct) round(block_struct.data ./ qy50) ;
c_kuantisasiBlock  = @(block_struct) round(block_struct.data ./ qc50) ;
y_kuantisasi =  blockproc(yDCT ,[8 8] , y_kuantisasiBlock) ;
cb_kuantisasi =  blockproc(cbDCT ,[8 8] , c_kuantisasiBlock) ;
cr_kuantisasi =  blockproc(crDCT ,[8 8] , c_kuantisasiBlock) ;

% Zig-Zag encoding
y_ZigZag = zeros(m*n,1);
cb_ZigZag = zeros(m*n,1);
cr_ZigZag = zeros(m*n,1);
idx = 0;
for i=1:8:m
    for j=1:8:n
        y_ZigZag(zz+idx) = y_kuantisasi(i:i+7, j:j+7);
        cb_ZigZag(zz+idx) = cb_kuantisasi(i:i+7, j:j+7);
        cr_ZigZag(zz+idx) = cr_kuantisasi(i:i+7, j:j+7);
        idx = idx + (8*8);
    end
end

zigZagCoding = [y_ZigZag; cb_ZigZag; cr_ZigZag];

% Huffman encoding
minDinput=min(zigZagCoding);
if minDinput<=0
    faktor=minDinput*-1+1;
else
    faktor=0;
end
zigZagCoding=zigZagCoding+faktor;
Hist=zeros(1,max(zigZagCoding));
L=length(zigZagCoding);
DinputNum=zeros(1,L);

for i=1:L
    DinputNum(i)=zigZagCoding(i);
    Hist(DinputNum(i))=Hist(DinputNum(i))+1;
end
PHist=Hist/L;
[PHist, symbols]=sort(PHist,'descend');
eobi=max(find(PHist~=0));
PHist=PHist(1:eobi);
symbols=symbols(1:eobi);

% Proses Coding
dict=huffmandict(symbols,PHist);
ImHuffmanEncoder=huffmanenco(zigZagCoding,dict);

imKirim = ImHuffmanEncoder;

%% ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

imTerima = imKirim;

%Huffman decoding
ImHuffmanDecoder=huffmandeco(imTerima,dict) - faktor;

ImDecoder = reshape(ImHuffmanDecoder, m, n, o);

y = ImDecoder(:,:,1);
cb = ImDecoder(:,:,2);
cr = ImDecoder(:,:,3);

% Zig-Zag decoding
y_DeZigZag = zeros(m,n);
cb_DeZigZag = zeros(m,n);
cr_DeZigZag = zeros(m,n);
idx = 0;
for i=1:8:m
    for j=1:8:n
        y_DeZigZag(i:i+7, j:j+7) = y(zz+idx);
        cb_DeZigZag(i:i+7, j:j+7) = cb(zz+idx);
        cr_DeZigZag(i:i+7, j:j+7) = cr(zz+idx);
        idx = idx + (8*8);
    end
end


% De Kuantisasi
y_DekuantisasiBlock  = @(block_struct) round(block_struct.data .* qy50) ;
c_DekuantisasiBlock  = @(block_struct) round(block_struct.data .* qc50) ;
y_Dekuantisasi =  blockproc(y_DeZigZag ,[8 8] , y_DekuantisasiBlock) ;
cb_Dekuantisasi =  blockproc(cb_DeZigZag ,[8 8] , c_DekuantisasiBlock) ;
cr_Dekuantisasi =  blockproc(cr_DeZigZag ,[8 8] , c_DekuantisasiBlock) ;

ImDeKuantisasi = cat(3, y_Dekuantisasi, cb_Dekuantisasi, cr_Dekuantisasi);

% De DCT
ImDeDCT = idct(ImDeKuantisasi);
ImDeDouble = uint8(ImDeDCT);
IDeycbcr = ycbcr2rgb(ImDeDouble);

figure('name',['SNR=',num2str(1)]);
subplot(1,2,1);
imshow(I);
title('citra yang dikirim')

subplot(1,2,2);
imshow(IDeycbcr);
title('citra yang diterima')

hasil kompres-dekompres dengan metode DCT Kuantisasi Zigzag Huffman :

 

Sistem kontrol PID close loop – stabilizer tegangan – menggunakan arduino melalui simulink matlab

Sistem kontrol PID (Proportional–Integral–Derivative controller) bertujuan memperoleh hasil optimum yang menggunakan mekanisme umpan balik (sistem tertutup / close loop). sistem kontrol PID juga bisa diterapkan pada arduino. Untuk menambah kemampuan numerik pada arduino, bisa dikombinasikan dengan program matlab.

Program Matlab (Matrix Laboratory) yang memiliki fitur simulink dapat dapat digunakan untuk memprogram arduino, dan dengan kelebihan matlab bisa dengan mudah mengembangkan sistem kontrol (dan keperluan numerikal lain) kedepannya.

Untuk pemrograman arduino menggunakan matlab, diperlukan add-ons matlab berikut ini:

  1.  Simulink Support Package for Arduino Hardware
  2. MATLAB Support for MinGW-w64 C/C++ Compiler

Dalam contoh ini menggunakan plant pengatur tegangan keluaran pwm dengan beban kapasitor.

Skema / plant / rangkaian percobaan sistem kontrol pid loop tertutup berbasis arduino:

Model simulink matlab sistem kontrol tegangan

respon keluaran pengontrolan tegangan dengan arduino dan simulink

file simulink pengontrolan pid tegangan pwm:

pidArduino.slx

 

 

Menampilkan data audio dari sound card dengan GUI Matlab

Matlab menyedian fasilitas pengambilan data audio langsung dari hardware soundcard (internal/external) menggunakan system audio toolbox atau data acquisition toolbox. Namun toolbox tersebut hanya mendukung beberapa jenis soundcard saja.

Jika hardware tidak didukung dan pengambilan data audio realtime bisa dikesampingkan, maka pengambilan data audio melalui mic/line in masih bisa dilakukan dengan fungsi standar yang disediakan matlab.

Dalam proyek ini digunakan fungsi-fungsi utama berikut:

  1. audiodevinfo, bertugas mengambil informasi perangkat/hardware audio input seperti mic dan line in. Daftar perangkat masukan suara ini ditampilkan dalam pop-up menu sehingga pengguna bisa memilih perangkat yang akan digunakan sebagai masukan audio.
  2. audiorecorder, merupakan fungsi perekam audio standar matlab yang akan mulai merekam saat diberi perintah start() dan akan berhenti saat diberi perintah stop(). Data suara yang terekam bisa diambil dengan perintah getaudiodata();
  3. Timer, berfungsi mengatur jeda pengambilan data suara.

Metode ini akan memiliki jeda tergantung pengaturan waktu di timer, agar terlihat lebih realtime, perioda timer dibuat lebih kecil dan dalam mode tetap/fixedSpacing. Selain itu waktu proses lanjutan seperti analisa ampltudo/phase, FFT, Filter dan lain-lain dibuat seefektif mungkin sehingga jeda (kehilangan data audio) bisa diperkecil.

berikut koding fungsi merekam data suara matlab yang digunakan:

function varargout = audioSoundcard(varargin)
gui_Singleton = 1;
gui_State = struct('gui_Name',       mfilename, ...
    'gui_Singleton',  gui_Singleton, ...
    'gui_OpeningFcn', @audioSoundcard_OpeningFcn, ...
    'gui_OutputFcn',  @audioSoundcard_OutputFcn, ...
    'gui_LayoutFcn',  [] , ...
    'gui_Callback',   []);
if nargin && ischar(varargin{1})
    gui_State.gui_Callback = str2func(varargin{1});
end

if nargout
    [varargout{1:nargout}] = gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
else
    gui_mainfcn(gui_State, varargin{:});
end

% --- Executes just before audioSoundcard is made visible.
function audioSoundcard_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)
% Choose default command line output for AudioSpectrumAnalyzer
handles.output = hObject;

% Update handles structure
guidata(hObject, handles);

% uiwait(handles.figure1);
global guiHandle;
global recorder;
global audioData;

global panjangDataRekaman;
global frequencySampling;
global bitsPerSample;
global audioChannel;

panjangDataRekaman = 8191;
frequencySampling = 22050;
bitsPerSample = 16;
audioChannel = 1;

ylim(handles.axes1, [-0.5, 0.5]);
xlim(handles.axes1, [0, panjangDataRekaman]);
title(handles.axes1, 'Real time');
xlabel(handles.axes1, 'sampling (bit)')
ylabel(handles.axes1, 'Amplitude')
hold(handles.axes1,'on');
guiHandle = guidata(hObject);
set(handles.checkboxAktif,'value', 0);

info = audiodevinfo;
nDevices = audiodevinfo(1);
str = {};
set(handles.popupmenuDevice,'string',str);

for i = 1:nDevices
    str = [str, char(info.input(i).Name)];
end
set(handles.popupmenuDevice,'string',str);
set(handles.checkboxAktif,'value',0);

deviceID = get(handles.popupmenuDevice,'value') - 1;
recorder = audiorecorder(frequencySampling, bitsPerSample, audioChannel, deviceID);
audioData = double.empty();

% --- Outputs from this function are returned to the command line.
function varargout = audioSoundcard_OutputFcn(hObject, eventdata, handles)
varargout{1} = handles.output;


% --- Executes on button press in checkboxAktif.
function checkboxAktif_Callback(hObject, eventdata, handles)
global  timerRekam
T = timerfind;
if isempty(T)
    disp('timer empty')
    timerRekam = timerRekaman();
end

if get(handles.checkboxAktif,'value')
    start(timerRekam)
else
    stop(timerRekam)
end

% --- Executes on selection change in popupmenuDevice.
function popupmenuDevice_Callback(hObject, eventdata, handles)
global recorder
global frequencySampling
global bitsPerSample;
global audioChannel;

deviceID = get(handles.popupmenuDevice,'value') - 1;
recorder = audiorecorder(frequencySampling, bitsPerSample, audioChannel, deviceID);


% --- Executes during object creation, after setting all properties.
function popupmenuDevice_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)
if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor'))
    set(hObject,'BackgroundColor','white');
end

% --- Executes during object deletion, before destroying properties.
function figure1_DeleteFcn(hObject, eventdata, handles)
T = timerfind;
if ~isempty(T)
    stop(T)
    delete(T)
end

function t = timerRekaman()
t = timer;
t.StartDelay = 0;
t.TimerFcn = @rekamSuara;
t.StopFcn  = @selesaiRekamSuara;
t.Period = 0.5;
t.ExecutionMode = 'fixedSpacing';

function rekamSuara(mTimer,~)
global recorder
global audioData;
global plotData;
global panjangDataRekaman;

if recorder.isrecording
    stop(recorder);
    delete(plotData);
    audioData = [audioData; getaudiodata(recorder)];
    
    if length(audioData) > panjangDataRekaman
        audioData = audioData(length(audioData)-panjangDataRekaman:length(audioData));
    end
    
    tampilGrafik;
end
disp('AmbilSuara...')
recorder.record;

function selesaiRekamSuara(mTimer,~)
disp('Selesai.')

function tampilGrafik()
global guiHandle;
global audioData;
global plotData;
global panjangDataRekaman;

if ~isempty(audioData)
    plotData = plot(audioData, 'b', 'Parent', guiHandle.axes1);
end

Contah capture audio matlab menggunakan fungsi standar pembacaan soundcard:

file pendukung pengambilan data suara dengan matlab:

audioSoundcard.fig