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地特三等申論題 107年 [電力工程] 計算機概論

第 一 題

📖 題組:
JPEG 是一種影像壓縮法,它有三個步驟:DCT、Quantization、Lossless Compression,如下圖所示。(每小題 5 分,共 25 分) (一)JPEG 演算法先將影像切割成較小的圖像區塊"Blocked Image"來一一處理。請問這個較小的圖像區塊的像素數量是多少? (二)請寫出 DCT 的英文全名。 (三)第三個步驟稱為 Lossless Compression,請問"Lossless"意思為何? (四)JPEG 的壓縮比率可大可小,請說明其理由。 (五)請說明 Quantization 這步驟做了什麼計算。
題組圖片
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

JPEG 演算法先將影像切割成較小的圖像區塊"Blocked Image"來一一處理。請問這個較小的圖像區塊的像素數量是多少?

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回想 JPEG 影像壓縮的標準處理流程。在進行離散餘弦轉換(DCT)前,JPEG 會將原始影像切割成固定大小的矩陣區塊,標準大小為 8×8,計算其乘積即可得出像素數量。

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8 × 8 = 64 個像素。 在 JPEG 影像壓縮標準的預處理階段,會將原始影像切割成大小為 8×8 的二維像素區塊(Macroblock)。後續的離散餘弦轉換(DCT)、量化(Quantization)等運算,均是針對這 64 個像素所組成的獨立區塊進行處理。

小題 (二)

請寫出 DCT 的英文全名。

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看到縮寫題,應直接回想該技術在多媒體影像處理中的核心演算法。JPEG壓縮的第一步是將影像從空間域轉換為頻率域,所使用的數學轉換方法即為「離散餘弦轉換 (Discrete Cosine Transform)」。

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DCT 的英文全名為 Discrete Cosine Transform(中文譯為:離散餘弦轉換)。

小題 (三)

第三個步驟稱為 Lossless Compression,請問"Lossless"意思為何?

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看到「Lossless Compression」,應直譯為「無損壓縮」或「非破壞性壓縮」。思考重點在於強調壓縮前後資料的「完整性」與「可完全還原性」,即解壓縮後的資料與原始資料完全相同,無任何資訊遺失。

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「Lossless(無損 / 非破壞性)」意指在壓縮與解壓縮的過程中,不會造成任何原始資料的遺失或失真。 特徵包含: (1) 完全還原:資料經過壓縮後,再進行解壓縮,其結果與原始資料完全一模一樣(Bit-for-bit identical),沒有任何資訊流失。

小題 (四)

JPEG 的壓縮比率可大可小,請說明其理由。

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考生應先回想 JPEG 的三大壓縮步驟,並點出決定「壓縮比」與「失真程度」的核心步驟為「量化(Quantization)」。接著解釋量化矩陣(Quantization Table)參數如何透過動態調整,在「影像畫質」與「檔案大小」之間取得平衡。

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【破題】JPEG 壓縮比率可大可小的關鍵原因,在於其第二個步驟「量化(Quantization)」參數具備高度的可調性。 【論述】 一、核心機制(量化矩陣的調整):

小題 (五)

請說明 Quantization 這步驟做了什麼計算。

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看到 Quantization(量化),應直覺聯想到這是 JPEG 演算法中造成『破壞性壓縮(Lossy)』的關鍵步驟。思考方向應聚焦於具體的數學操作:將 DCT 產生的頻率係數『除以』量化表中的對應數值,並『四捨五入取整數』,藉此將人眼不敏感的高頻細節歸零。

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「量化(Quantization)」步驟的核心計算為除法與取整數,具體過程如下:

  1. 除法運算(Division):將前一步驟離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform, DCT)所產生的 8×8 頻率係數矩陣中,每一個係數分別除以預設的「量化表(Quantization Table)」中對應位置的數值(即量化步長)。
  2. 取整數(Rounding):將上述除法運算所得的商數進行四捨五入,取至最接近的整數。

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