Topi Talvitie

2. sija, Kansallinen sarja

Häviötön kuvanpakkausalgoritmi lomituksella ja sen tehokkuuden vertailu PNG-formaattiin

Kilpailutyö

Helsingin matematiikkalukion opiskelija Topi Talvitie,19, vertaili työssään kuvanpakkausmenetelmien ominaisuuksia.

Nykyisin PNG on yleisimmin käytetty, ja esimerkiksi www-selaimissa käytännössä ainoa tuettu ominaisuuksiltaan riittävä häviötön kuvanpakkausmenetelmä. Topi tutki työssään, onko PNG aina hyvä valinta häviöttömään kuvanpakkaukseen, vai voitaisiinko kuvat pakata yksinkertaisimmilla mutta tehokkaammilla menetelmillä.

WWW-selaimet tukevat kuvaformaateista yleensä vain PNG:tä, GIF:iä ja JPEG:iä. Niistä JPEG on häviöllinen ja GIF tukee vain 256 väriä. Kuitenkin monesti halutaan siirtää kuvia, joissa on yli 256 väriä siten, että niihin ei tule ylimääräisiä häviöllisestä pakkauksesta johtuvia sotkuja esimerkiksi valokuvien häviöttömässä siirrossa. Tällaiseen käyttöön ainoaksi vaihtoehdoksi jää nykyselaimissa PNG.

Topi esitteli tutkimuksessaan häviöttömän rasterikuvanpakkausmenetelmä IIC:n, ja tutki sen tehokkuutta PNG-kuvanpakkausmenetelmään verrattuna. Topi keskittyi erityisesti tilanteeseen, jossa halutaan tuki lomitukselle. Topi suoritti vertailun pakkaamalla internetistä haettuja kuvia eri menetelmillä. Hän jaotteli kuvat eri kategorioihin. Topi pystyi vertailemaan algoritmien tehokkuutta vertaamalla niiden pakkaussuhdetta ja -aikaa.

"Pakkausalgoritmit olivat kiinnostaneet minua jo pitkään, vaikken ollutkaan ehtinyt perehtyä asiaan tarkemmin. Sain idean kuvanpakkausalgoritmin tekemiseen kouluni tutkielmakurssin lähestyessä. Alkuperäinen ideani oli käyttää kuvan approksimointiin kaksimuuttujaisia polynomeja ja pienimmän neliösumman menetelmää, mutta menetelmä osoittautui tehottomaksi. Tätä menetelmää kehitellessä tulin kuitenkin kokeilleeksi IIC:n kaltaista menetelmää, joka toimi yllättävän hyvin, ja siksi päätin valita sen tutkimukseni aiheeksi."

Topin tutkimuksesta käy ilmi, että IIC pärjää PNG:tä paremmin esimerkiksi valokuvissa ja vastaavissa kuvissa, joissa ei ole selkeitä alueita tai värinvaihdoksia, ja on oikeilla asetuksilla nopeampi. PNG:n tapauksessa lomitus heikentää pakkaussuhdetta, mutta aina lomitettu IIC pakkaa tietyt kuvat, esimerkiksi valokuvat keskimäärin paremmin kuin PNG, vaikka PNG:ssä olisikin lomitus pois käytöstä. Topin mukaan PNG:n käyttöä ainoana webin standardityyppinä häviöttömile kuville tulisi siis kyseenalaistaa, ja myös IIC-tyyppisten menetelmien mahdollisuuksia tutkia syvemmin.

Topia ohjasivat hänen opettajansa Paula Urpilainen ja Ville Tilvis.

Arvioijista uuden kuvanpakkausalgoritmin kehittäminen on erittäin haastava tehtävä lukio-opiskelijoille: aihe vaatii kuvanpakkauksen teorian ja menetelmien syvällistä ymmärtämystä sekä niiden luovaa soveltamista ja yhdistelemistä. Topi on tehnyt työnsä ajankohtaisesta ja relevantista aiheesta alalta, joka kehittyy nopeasti. Topi esittää työssään IIC-pakkausmenetelmän idean ja siihen liittyvät algoritmit selkeällä ja eksaktilla tavalla. Hän on perehtynyt laajasti aiheeseensa ja hallitsee alan käsitteistön täydellisesti. Topi analysoi saamiaan mittaustuloksia ja mahdollisia virhelähteitä ansiokkaasti. Vaikka aihe on haastava, Topi on vaivautunut selventämään lukijalle hankalalta tuntuvia asioita, ja työ on helppolukuinen. Erinomaisesta työstä huokuu tieteellisen johdonmukainen ote.

Topi harrastaa matematiikkaa, ohjelmointia, pyöräilyä sekä pasuunan ja basson soittoa.