Обязательно ли jpeg предполагает сжатие с потерями. Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия данных с потерями

«Реализация алгоритмов

JPEG и JPEG2000»

Выполнил:

студент группы 819

Угаров Дмитрий

Принципы работы алгоритмов JPEG и JPEG2000

1. Алгоритм JPEG

JPEG (англ. Joint Photographic Experts Group - объединённая группа экспертов в области фотографии) - является широко используемым методом сжатия фотоизображений. Формат файла, который содержит сжатые данные обычно также называют именем JPEG; наиболее распространённые расширения для таких файлов.jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или.JPE. Однако из них.jpg самое популярное расширение на всех платформах.

Алгоритм JPEG является алгоритмом сжатия с потерей качества .

Область применения

Формат является форматом сжатия с потерями, поэтому некорректно считать что JPEG хранит данные как 8 бит на канал (24 бит на пиксель). С другой стороны , так как данные, подвергающиеся компрессии по формату JPEG и декомпрессированные данные обычно представляются в формате 8 бит на канал, иногда используется эта терминология. Поддерживается также сжатие чёрно-белых полутоновых изображений.

При сохранении JPEG-файла можно указать степень качества, а значит и степень сжатия, которую обычно задают в некоторых условных единицах, например, от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число соответствует лучшему качеству, но при этом увеличивается размер файла. Обыкновенно, разница в качестве между 90 и 100 на глаз уже практически не воспринимается. Следует помнить , что побитно восстановленное изображение всегда отличается от оригинала. Распространённым заблуждением является мнение о том, что качество JPEG тождественно доле сохраняемой информации.

Этапы кодирования

Процесс сжатия по схеме JPEG включает ряд этапов:

1. Преобразование изображения в оптимальное цветовое пространство;

В случае применения цветового пространства яркость/цветность (YCbCr) достигается лучшая степень сжатия. На данном этапе кодирования с помощью соответствующих соотношений цветовая модель RGB преобразуется в YCbCr:

Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B

Cb = - 0.1687*R – 0.3313*G + 0.5*B

Cr = 0.5*R – 0.4187*G – 0.0813*B.
Во время декодирования можно использовать соответствующее обратное преобразование:
R = Y + 1.402*Cr

G = Y – 0.34414*Cb – 0.71414*Cr

B = Y + 1.772*Cb.
Примечание, связывающее Y,Cb,Cr в человеческой визуальной системе:

Глаз, особенно сетчатка, имеет как визуальные анализаторы два типа ячеек: ячейки для ночного видения, воспринимающие только оттенки серого (от ярко-белого до темно-черного) и ячейки дневного видения, которые воспринимают цветовой оттенок. Первые ячейки , дающие цвет RGB, обнаруживают уровень яркости, подобный величине Y. Другие ячейки, ответственные за восприятие цветового оттенка, - определяют величину, связанную с цветоразностью.

2. Субдискретизация компонентов цветности усреднением групп пикселей;

Большая часть визуальной информации, к которой наиболее чувствительный глаза человека , состоит из высокочастотных, полутоновых компонентов яркости (Y) цветового пространства YCbCr. Две другие составляющие цветности (Cb и Cr) содержат высокочастотную цветовую информацию, к которой глаз человека менее чувствителен. Поэтому определенная ее часть может быть отброшена и, тем самым, можно уменьшить количество учитываемых пикселей для каналов цветности.

1)тип 4:2:0 (когда изображение разбивается на квадраты 2х2 пикселей и в каждом из них все пиксели получают одинаковые значения каналов Cb и Cr, а яркость Y у остается у каждого своя)

2) тип 4:2:2 (объединение по компонентам цветности происходит только по горизонтали в группах по два пикселя).

3)тип 4: 4: 4 подразумевает, что каждому пикселю в каждой строке соответствует собственное уникальное значение компонентов Y, Cb и Cr. (рис.1 а)

4) тип 4:2:2. Выполнив субдискретизацию сигнала цветности с коэффициентом 2 по горизонтали, мы получим из потока 4: 4: 4 YCbCr поток 4: 2: 2 YCbCr. Запись «4: 2: 2» означает , что в отдельно взятой строке на 2 значения цветности приходятся 4 значения яркости (см. рис.1 б). Сигнал 4: 2: 2 YCbCr очень немного проигрывает по качеству изображения сигналу 4: 4: 4 YCbCr, зато требуемая ширина полосы сокращается на 33% от исходной.

3. Применение дискретных косинусных преобразований для уменьшения избыточности данных изображения;

Основным этапом работы алгоритма является дискретное косинусное преобразование (ДКП или DCT), представляющее собой разновидность преобразования Фурье. Оно применяется при работе с изображениями в различных целях, не только с целью сжатия. Переход к частотному представлению величин значений пикселей позволяет по-другому взглянуть на изображение, обработать его, ну, и, что интересно для нас, сжать. Более того , зная коэффициенты преобразования, мы всегда может произвести обратное действие - вернуть исходную картинку.

DCT непосредственно применяемый к блоку (в нашем случае 8х8 пикселей) изображения будет выглядеть так:

где х, y - пространственные координаты пикселя (0..7) ,

f(x,y) - значения пикселей исходного макроблока (допустим, яркость)

u,v - координаты пикселя в частотном представлении (0..7)

w(u) =1/SQRT(2) при u=0, в остальных случаях w(u)=1 (SQRT - квадратный корень)

w(v) =1/SQRT(2) при v=0, в остальных случаях w(v)=1

Или в матричной форме:

4. Квантование каждого блока коэффициентов ДКП с применением весовых функций , оптимизированных с учетом визуального восприятия человеком;

Дискретное косинусное преобразование подготавливает информацию для сжатия с потерями и округления. Для каждого элемента преобразуемой матрицы существует соответствующий элемент матрицы квантования. Результирующая матрица получается делением каждого элемента преобразуемой матрицы на соответствующий элемент матрицы квантования и последующим округлением результата до ближайшего целого числа. При составлении матрицы квантования большие ее элементы находятся в левом нижнем углу, чтобы при делении на них данные в этом углу после дискретного косинусного преобразования (как раз те, округление которых пройдет менее болезненно) округлялись более грубо. Соответственно потерянная информация менее важна для нас, чем оставшаяся.

5. Этап Вторичного Сжатия

Заключительной стадией работы кодера JPEG является кодирование полученной матрицы.

5.1 Зигзагообразная перестановка 64 DCT коэффициентов

Так, после того, как мы выполнили DCT-преобразование над блоком величин 8x8, у нас есть новый блок 8x8. Затем, этот блок 8x8 просматривается по зигзагу подобно этому:

(Числа в блоке 8x8 указывают порядок , в котором мы просматриваем 2-мерную матрицу 8x8)

0, 1, 5, 6,14,15,27,28,

2, 4, 7,13,16,26,29,42,

3, 8,12,17,25,30,41,43,

9,11,18,24,31,40,44,53,

10,19,23,32,39,45,52,54,

20,22,33,38,46,51,55,60,

21,34,37,47,50,56,59,61,

35,36,48,49,57,58,62,63

Как Вы видите, сначала - верхний левый угол (0,0), затем величина в (0,1), затем (1,0), затем (2,0), (1,1), (0,2), (0,3), (1,2), (2,1), (3,0) и т.п.

После того, как мы прошли по зигзагу матрицу 8x8, мы имеем теперь вектор с 64 коэффициентами (0..63) Смысл этого зигзагообразного вектора – в том, что мы просматриваем коэффициенты 8x8 DCT в порядке повышения пространственных частот. Так, мы получаем вектор отсортированный критериями пространственной частоты: первая величина на векторе (индекс 0) соответствует самой низкой частоте в изображении – она обозначается термином DC. С увеличением индекса на векторе, мы получаем величины соответствующие высшим частотам (величина с индексом 63 соответствует амплитуде самой высокой частоте в блоке 8x8). Остальная часть коэффициентов DCT обозначается AC.

5.2 RunLength кодирование нулей (RLE)

Теперь у нас есть вектор с длинной последовательностью нулей. Мы можем использовать это, кодируя последовательные нули. ВАЖНО: Вы увидите позже почему, но здесь мы пропускаем кодировку первого коэффициента вектора (коэффициент DC), который закодирован по-другому. Рассмотрим исходный 64 вектор как 63 вектор (это - 64 вектор без первого коэффициента)

Допустим, мы имеем 57,45,0,0,0,0,23,0,-30,-16,0,0,1,0,0,0,0,0,0, только 0,...,0

Здесь - как RLC JPEG сжатие сделано для этого примера:

(0,57); (0,45); (4,23); (1,-30); (0,-16); (2,1); EOB

Как Вы видите, мы кодируем для каждой величины, отличающейся от 0 количество последовательных ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ нулей перед величиной, затем мы добавляем величину. Другое примечание: EOB - короткая форма для Конца Блока , это - специальная кодированная величина (маркер). Если мы достигли в позиции на векторе, от которого мы имеем до конца только нули вектора, мы выделим эту позицию с EOB и завершим сжатие RLC квантованного вектора.

[Заметьте, что если квантованный вектор не оканчивается нулями (имеет последний элемент не 0), мы не будем иметь маркер EOB.]

(0,57); (0,45); (4,23); (1,-30); (0,-16); (2,1); (0,0)

Другая ОСНОВНАЯ вещь: Допустим, где-нибудь на квантованном векторе мы имеем:

57, восемнадцать нулей, 3, 0,0 ,0,0 2, тридцать-три нуля, 895, EOB

Кодирование Хаффмана JPG делает ограничение, по которому число предшествующих нулей должно кодироваться как 4-битовая величина - не может превысить 15.

Так, предшествующий пример должен быть закодирован как:

(0,57); (15,0) (2,3); (4,2); (15,0) (15,0) (1,895), (0,0)

(15,0) - специальная кодированная величина, которая указывает , что там следует за 16 последовательными нулями.

5.3 Конечный шаг - кодирование Хаффмана

Сначала ВАЖНОЕ примечание: Вместо хранения фактической величины, JPEG стандарт определяет, что мы храним минимальный размер в битах, в котором мы можем держать эту величину (это названо категория этой величины) и затем битно кодированное представление этой величины подобно этому:

7,..,-4,4,..,7 3 000,001,010,011,100,101,110,111

15,..,-8,8,..,15 4 0000,..,0111,1000,..,1111

31,..,-16,16,..,31 5 00000,..,01111,10000,..,11111

63,..,-32,32,..,63 6 .

127,..,-64,64,..,127 7 .

255,..,-128,128,..,255 8 .

511,..,-256,256,..,511 9 .

1023,..,-512,512,..,1023 10 .

2047,..,-1024,1024,..,2047 11 .

4095,..,-2048,2048,..,4095 12 .

8191,..,-4096,4096,..,8191 13 .

16383,..,-8192,8192,..,16383 14 .

32767,..,-16384,16384,..,32767 15 .

Впоследствии для предшествующего примера:

(0,57); (0,45); (4,23); (1,-30); (0,-8); (2,1); (0,0)

давайте закодируем только правую величину этих пар, кроме пар, которые являются специальными маркерами подобно (0,0) или (если мы должны иметь) (15,0)

45, аналогично , будет закодирован как (6,101101)

30 -> (5,00001)

И теперь, мы напишем снова строку пар:

(0,6), 111001; (0,6), 101101; (4,5), 10111; (1,5), 00001; (0,4), 0111; (2,1), 1; (0,0)

Пары 2 величин, заключенные в скобки, могут быть представлены в байте, так как фактически каждая из 2 величин может быть представлена в 4-битном кусочке (счетчик предшествующих нулей - всегда меньше, чем 15 и также как и категория [числа закодированные в файле JPG - в области -32767..32767]). В этом байте, старший кусочек представляет число предшествующих нулей, а младший кусочек - категорию новой величины, отличной от 0.

Конечный шаг кодировки состоит в кодировании Хаффмана этого байта, и затем записи в файле JPG , как поток из битов, кода Хаффмана этого байта, сопровождающийся битовым представлением этого числа.

Например, для байта 6 (эквивалент (0,6)) у нас есть код Хаффмана = 111000;

21 = (1,5) - 11111110110

4 = (0,4) - 1011

33 = (2,1) - 11011

0 = EOB= (0,0) - 1010

Конечный поток битов записанных в файле JPG на диск для предшествующего примера 63 коэффициентов (запомните, что мы пропустили первый коэффициент) -

111000 111001 111000 101101 1111111110011001 10111 11111110110 00001

1011 0111 11011 1 1010
Достоинства и недостатки

К недостаткам формата следует отнести то, что при сильных степенях сжатия дает знать о себе блочная структура данных, изображение «дробится на квадратики» (каждый размером 8x8 пикселей). Этот эффект особенно заметен на областях с низкой пространственной частотой (плавные переходы изображения, например, чистое небо). В областях с высокой пространственной частотой (например, контрастные границы изображения), возникают характерные «артефакты» - иррегулярная структура пикселей искаженного цвета и/или яркости. Кроме того, из изображения пропадают мелкие цветные детали. Не стоит также забывать и о том, что данный формат не поддерживает прозрачность.

Однако, несмотря на недостатки, JPEG получил очень широкое распространение из-за высокой степени сжатия, относительно существующих во время его появления альтернатив.

2. Алгоритм JPEG2000

Алгоритм JPEG-2000 разработан той же группой экспертов в области фотографии, что и JPEG. Формирование JPEG как международного стандарта было закончено в 1992 году. В 1997 стало ясно, что необходим новый, более гибкий и мощный стандарт, который и был доработан к зиме 2000 года.

Основные отличия алгоритма в JPEG 2000 от алгоритма в JPEG заключаются в следующем:

1)Лучшее качество изображения при сильной степени сжатия. Или, что то же самое , большая степень сжатия при том же качестве для высоких степеней сжатия. Фактически это означает заметное уменьшение размеров графики "Web-качества", используемой большинством сайтов.

2)Поддержка кодирования отдельных областей с лучшим качеством. Известно, что отдельные области изображения критичны для восприятия человеком (например, глаза на фотографии), в то время как качеством других можно пожертвовать (например, задний план). При "ручной" оптимизации увеличение степени сжатия проводится до тех пор, пока не будет потеряно качество в какой-то важной части изображения. Сейчас появляется возможность задать качество в критичных областях, сжав остальные области сильнее, т.е. мы получаем еще большую окончательную степень сжатия при субъективно равном качестве изображения.

3)Основной алгоритм сжатия заменен на wavelet. Помимо указанного повышения степени сжатия это позволило избавиться от 8-пиксельной блочности, возникающей при повышении степени сжатия. Кроме того, плавное проявление изображения теперь изначально заложено в стандарт (Progressive JPEG, активно применяемый в Интернет, появился много позднее JPEG).

4)Для повышения степени сжатия в алгоритме используется арифметическое сжатие. Изначально в стандарте JPEG также было заложено арифметическое сжатие, однако позднее оно было заменено менее эффективным сжатием по Хаффману, поскольку арифметическое сжатие было защищено патентами. Сейчас срок действия основного патента истек , и появилась возможность улучшить алгоритм.

5)Поддержка сжатия без потерь. Помимо привычного сжатия с потерями новый JPEG теперь будет поддерживать и сжатие без потерь. Таким образом, становится возможным использование JPEG для сжатия медицинских изображений, в полиграфии, при сохранении текста под распознавание OCR системами и т.д.

6)Поддержка сжатия однобитных (2-цветных) изображений. Для сохранения однобитных изображений (рисунки тушью, отсканированный текст и т.п.) ранее повсеместно рекомендовался формат GIF, поскольку сжатие с использованием ДКП весьма неэффективно к изображениям с резкими переходами цветов. В JPEG при сжатии 1-битная картинка приводилась к 8-битной, т.е. увеличивалась в 8 раз, после чего делалась попытка сжимать, нередко менее чем в 8 раз. Сейчас можно рекомендовать JPEG 2000 как универсальный алгоритм.

7)На уровне формата поддерживается прозрачность. Плавно накладывать фон при создании WWW страниц теперь можно будет не только в GIF, но и в JPEG 2000. Кроме того, поддерживается не только 1 бит прозрачности (пиксель прозрачен/непрозрачен), а отдельный канал , что позволит задавать плавный переход от непрозрачного изображения к прозрачному фону.

Кроме того, на уровне формата поддерживаются включение в изображение информации о копирайте, поддержка устойчивости к битовым ошибкам при передаче и широковещании, можно запрашивать для декомпрессии или обработки внешние средства (plug-ins), можно включать в изображение его описание, информацию для поиска и т.д.

Этапы кодирования

Процесс сжатия по схеме JPEG2000 включает ряд этапов:

1. Преобразование изображения в оптимальное цветовое пространство.
На данном этапе кодирования с помощью соответствующих соотношений цветовая модель RGB преобразуется в YUV:

При декомпрессии применяется соответствующее обратное преобразование:

2. Дискретное вейвлет преобразование.

Дискретное wavelet преобразование (DWT) также может быть двух видов - для случая сжатия с потерями и для сжатия без потерь.

Это преобразование в одномерном случае представляет собой скалярное произведение соответствующих коэффициентов на строку значений. Но т.к. многие коэффициенты нулевые, то прямое и обратное вейвлет преобразование можно записать следующими формулами (для преобразования крайних элементов строки используется ее расширение на 2 пикселя в каждую сторону, значения которых симметричны с значениями элементов строки относительно ее крайних пикселей):
y(2*n + 1) = x(2*n + 1) - (int)(x(2*n) + x(2*n + 2)) / 2

y(2*n) = x(2*n) + (int)(y(2*n - 1) + y(2*n + 1) + 2) / 4

и обратное

x(2*n) = y(2*n) - (int)(y(2*n - 1) + y(2*n + 1) + 2) / 4

x(2*n + 1) = y(2*n + 1) + (int)(x(2*n) + x(2*n + 2)) / 2.

3. Квантование коэффициентов.

Так же как и в алгоритме JPEG , при кодировании изображения в формат JPEG2000 используется квантование. Дискретное вейвлет преобразование, так же как и его аналог, сортирует коэффициенты по частотности. Но, в отличие от JPEG, в новом формате матрица квантования одна на все изображение.

4. Этап Вторичного Сжатия

. Как и в JPEG, в новом формате последним этапом алгоритма сжатия является кодирование без потерь. Но, в отличие от предыдущего формата, в JPEG2000 используется алгоритм арифметического сжатия.

Программная реализация

В данной работе реализованы алгоритмы JPEG и JPEG2000. В обоих алгоритмах реализовано прямое и обратное кодирование (отсутствует последний этап вторичного сжатия). Расчет JPEG происходит довольно долго (порядка 30 секунд) в связи «прямым» высчитыванием DCT. Если потребуется увеличить скорость работы , следует изначально вычислить матрицу DCT(изменения производить в классе DCT).

Перейдем к рассмотрению программы:

1. 
   После запуска выводится окно, где

и сможете его сохранить , нажав кнопку (2) и введя желаемое название в диалоговом окне.

При достаточно большом Quality Factor изображение сильно измениться. Если это JPEG алгоритм то будут ярко выражены блоки размера 8x8.(в случае алгоритма JPEG2000, блочного деления не будет)

До:

После:

Область применения

Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет .

С другой стороны, JPEG малопригоден для сжатия чертежей, текстовой и знаковой графики, где резкий контраст между соседними пикселами приводит к появлению заметных артефактов . Такие изображения целесообразно сохранять в форматах без потерь, таких как TIFF , GIF или PNG .

JPEG (как и другие методы искажающего сжатия) не подходит для сжатия изображений при многоступенчатой обработке, так как искажения в изображения будут вноситься каждый раз при сохранении промежуточных результатов обработки.

JPEG не должен использоваться и в тех случаях, когда недопустимы даже минимальные потери, например, при сжатии астрономических или медицинских изображений. В таких случаях может быть рекомендован предусмотренный стандартом JPEG режим сжатия Lossless JPEG (который, однако, не поддерживается большинством популярных кодеков) или стандарт сжатия JPEG-LS .

Сжатие

При сжатии изображение преобразуется из цветового пространства RGB в YCbCr (YUV). Следует отметить, что стандарт JPEG (ISO/IEC 10918-1) никак не регламентирует выбор именно YCbCr, допуская и другие виды преобразования (например, с числом компонентов , отличным от трёх), и сжатие без преобразования (непосредственно в RGB), однако спецификация JFIF (JPEG File Interchange Format, предложенная в 1991 году специалистами компании C-Cube Microsystems, и ставшая в настоящее время стандартом де-факто) предполагает использование преобразования RGB->YCbCr.

После преобразования RGB->YCbCr для каналов изображения Cb и Cr, отвечающих за цвет, может выполняться «прореживание» (subsampling ), которое заключается в том, что каждому блоку из 4 пикселов (2х2) яркостного канала Y ставятся в соответствие усреднённые значения Cb и Cr (схема прореживания «4:2:0» ). При этом для каждого блока 2х2 вместо 12 значений (4 Y, 4 Cb и 4 Cr) используется всего 6 (4 Y и по одному усреднённому Cb и Cr). Если к качеству восстановленного после сжатия изображения предъявляются повышенные требования, прореживание может выполняться лишь в каком-то одном направлении - по вертикали (схема «4:4:0») или по горизонтали («4:2:2»), или не выполняться вовсе («4:4:4»).

Стандарт допускает также прореживание с усреднением Cb и Cr не для блока 2х2, а для четырёх расположенных последовательно (по вертикали или по горизонтали) пикселов, то есть для блоков 1х4, 4х1 (схема «4:1:1»), а также 2х4 и 4х2 (схема «4:1:0»). Допускается также использование различных типов прореживания для Cb и Cr, но на практике такие схемы применяются исключительно редко.

Далее яркостный компонент Y и отвечающие за цвет компоненты Cb и Cr разбиваются на блоки 8х8 пикселов. Каждый такой блок подвергается дискретному косинусному преобразованию (ДКП) . Полученные коэффициенты ДКП квантуются (для Y, Cb и Cr в общем случае используются разные матрицы квантования) и пакуются с использованием кодирования серий и кодов Хаффмана . Стандарт JPEG допускает также использование значительно более эффективного арифметического кодирования , однако из-за патентных ограничений (патент на описанный в стандарте JPEG арифметический QM-кодер принадлежит IBM) на практике оно используется редко. В популярную библиотеку libjpeg последних версий включена поддержка арифметического кодирования, но с просмотром сжатых с использованием этого метода изображений могут возникнуть проблемы, поскольку многие программы просмотра не поддерживают их декодирование.

Матрицы, используемые для квантования коэффициентов ДКП, хранятся в заголовочной части JPEG-файла. Обычно они строятся так, что высокочастотные коэффициенты подвергаются более сильному квантованию, чем низкочастотные. Это приводит к огрублению мелких деталей на изображении. Чем выше степень сжатия, тем более сильному квантованию подвергаются все коэффициенты.

При сохранении изображения в JPEG-файле указывается параметр качества, задаваемый в некоторых условных единицах, например, от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число обычно соответствует лучшему качеству (и большему размеру сжатого файла). Однако даже при использовании наивысшего качества (соответствующего матрице квантования, состоящей из одних только единиц) восстановленное изображение не будет в точности совпадать с исходным, что связано как с конечной точностью выполнения ДКП, так и с необходимостью округления значений Y, Cb, Cr и коэффициентов ДКП до ближайшего целого. Режим сжатия Lossless JPEG, не использующий ДКП, обеспечивает точное совпадение восстановленного и исходного изображений, однако его малая эффективность (коэффициент сжатия редко превышает 2) и отсутствие поддержки со стороны разработчиков программного обеспечения не способствовали популярности Lossless JPEG.

Разновидности схем сжатия JPEG

Стандарт JPEG предусматривает два основных способа представления кодируемых данных.

Наиболее распространённым, поддерживаемым большинством доступных кодеков , является последовательное (sequential JPEG) представление данных, предполагающее последовательный обход кодируемого изображения поблочно слева направо, сверху вниз. Над каждым кодируемым блоком изображения осуществляются описанные выше операции, а результаты кодирования помещаются в выходной поток в виде единственного «скана», то есть массива кодированных данных, соответствующего последовательно пройденному («просканированному») изображению. Основной или «базовый» (baseline) режим кодирования допускает только такое представление. Расширенный (extended) режим наряду с последовательным допускает также прогрессивное (progressive JPEG) представление данных.

В случае progressive JPEG сжатые данные записываются в выходной поток в виде набора сканов, каждый из которых описывает изображение полностью с всё большей степенью детализации. Это достигается либо путём записи в каждый скан не полного набора коэффициентов ДКП, а лишь какой-то их части: сначала - низкочастотных, в следующих сканах - высокочастотных (метод «spectral selection» то есть спектральных выборок), либо путём последовательного, от скана к скану, уточнения коэффициентов ДКП (метод «successive approximation», то есть последовательных приближений). Такое прогрессивное представление данных оказывается особенно полезным при передаче сжатых изображений с использованием низкоскоростных каналов связи, поскольку позволяет получить представление обо всём изображении уже после передачи незначительной части JPEG-файла.

Обе описанные схемы (и sequential, и progressive JPEG) базируются на ДКП и принципиально не позволяют получить восстановленное изображение абсолютно идентичным исходному. Однако стандарт допускает также сжатие, не использующее ДКП, а построенное на основе линейного предсказателя (lossless, то есть «без потерь», JPEG), гарантирующее полное, бит-в-бит, совпадение исходного и восстановленного изображений. При этом коэффициент сжатия для фотографических изображений редко достигает 2, но гарантированное отсутствие искажений в некоторых случаях оказывается востребованным. Заметно большие степени сжатия могут быть получены при использовании не имеющего, несмотря на сходство в названиях, непосредственного отношения к стандарту JPEG ISO/IEC 10918-1 (ITU T.81 Recommendation) метода сжатия JPEG-LS , описываемого стандартом ISO/IEC 14495-1 (ITU T.87 Recommendation).

Синтаксис и структура

Файл JPEG содержит последовательность маркеров , каждый из которых начинается с байта 0xFF, свидетельствующего о начале маркера, и байта-идентификатора. Некоторые маркеры состоят только из этой пары байтов, другие же содержат дополнительные данные, состоящие из двухбайтового поля с длиной информационной части маркера (включая длину этого поля, но за вычетом двух байтов начала маркера то есть 0xFF и идентификатора) и собственно данных. Такая структура файла позволяет быстро отыскать маркер с необходимыми данными (например, с длиной строки, числом строк и числом цветовых компонентов сжатого изображения).

Основные маркеры JPEG

Маркер	Байты	Длина	Назначение	Комментарии
SOI	0xFFD8	нет	Начало изображения
SOF0	0xFFC0	переменный размер	Начало фрейма (базовый, ДКП)	Показывает что изображение кодировалось в базовом режиме с использованием ДКП и кода Хаффмана. Маркер содержит число строк и длину строки изображения (двухбайтовые поля со смещением соответственно 5 и 7 относительно начала маркера), количество компонентов (байтовое поле со смещением 8 относительно начала маркера), число бит на компонент (байтовое поле со смещением 4 относительно начала маркера), а также соотношение компонентов (например, 4:2:0).
SOF1	0xFFC1	переменный размер	Начало фрейма (расширенный, ДКП, код Хаффмана)	Показывает что изображение кодировалось в расширенном (extended) режиме с использованием ДКП и кода Хаффмана. Маркер содержит число строк и длину строки изображения, количество компонентов, число бит на компонент, а также соотношение компонентов (например, 4:2:0).
SOF2	0xFFC2	переменный размер	Начало фрейма (прогрессивный, ДКП, код Хаффмана)	Показывает что изображение кодировалось в прогрессивном режиме с использованием ДКП и кода Хаффмана. Маркер содержит число строк и длину строки изображения, количество компонентов, число бит на компонент, а также соотношение компонентов (например, 4:2:0).
DHT	0xFFC4	переменный размер	Содержит таблицы Хаффмана	Задает одну или более таблиц Хаффмана.
DQT	0xFFDB	переменный размер	Содержит таблицы квантования	Задает одну или более таблиц квантования.
DRI	0xFFDD	4 байта	Указывает интервал повторений	Задает интервал между маркерами RST n в макроблоках.
SOS	0xFFDA	переменный размер	Начало сканирования	Начало первого или очередного скана изображения с направлением обхода слева направо сверху вниз. Если использовался базовый режим кодирования, используется один скан. При использовании прогрессивных режимов используется несколько сканов. Маркер SOS является разделяющим между информативной (заголовком) и закодированной (собственно сжатыми данными) частями изображения.
RSTn	0xFFDn	нет	Перезапуск	Вставляется в каждом r макроблоке, где r - интервал перезапуска DRI маркера. Не используется при отсутствии DRI маркера. n , младшие 3 бита маркера кода, циклы от 0 до 7.
APPn	0xFFEn	переменный размер	Задаётся приложением	Например, в EXIF JPEG-файла используется маркер APP1 для хранения метаданных, расположеных в структуре, основанной на TIFF .
COM	0xFFFE	переменный размер	Комментарий	Содержит текст комментария.
EOI	0xFFD9	нет	Конец закодированной части изображения.

Достоинства и недостатки

К недостаткам сжатия по стандарту JPEG следует отнести появление на восстановленных изображениях при высоких степенях сжатия характерных артефактов : изображение рассыпается на блоки размером 8x8 пикселов (этот эффект особенно заметен на областях изображения с плавными изменениями яркости), в областях с высокой пространственной частотой (например, на контрастных контурах и границах изображения) возникают артефакты в виде шумовых ореолов. Следует отметить, что стандарт JPEG (ISO/IEC 10918-1, Annex K, п. K.8) предусматривает использование специальных фильтров для подавления блоковых артефактов, но на практике подобные фильтры, несмотря на их высокую эффективность, практически не используются. Однако, несмотря на недостатки, JPEG получил очень широкое распространение из-за достаточно высокой (относительно существовавших во время его появления альтернатив) степени сжатия, поддержке сжатия полноцветных изображений и относительно невысокой вычислительной сложности .

Производительность сжатия по стандарту JPEG

Для ускорения процесса сжатия по стандарту JPEG традиционно используется распараллеливание вычислений, в частности - при вычислении ДКП. Исторически одна из первых попыток ускорить процесс сжатия с использованием такого подхода описана в опубликованной в 1993 г. статье Касперовича и Бабкина , в которой предлагалась оригинальная аппроксимация ДКП, делающая возможным эффективное распараллеливание вычислений с использованием 32-разрядных регистров общего назначения процессоров Intel 80386. Появившиеся позже более производительные вычислительные схемы использовали SIMD -расширения набора инструкций процессоров архитектуры x86. Значительно лучших результатов позволяют добиться схемы, использующие вычислительные возможности графических ускорителей (технологии NVIDIA CUDA и AMD FireStream) для организации параллельных вычислений не только ДКП, но и других этапов сжатия JPEG (преобразование цветовых пространств, run-level, статистическое кодирование и т.п.), причём для каждого блока 8х8 кодируемого или декодируемого изображения. В статье была впервые [источник? ] представлена реализация распараллеливания всех стадий алгоритма JPEG по технологии CUDA, что значительно ускорило производительность сжатия и декодирования по стандарту JPEG.

В 2010 году ученые из проекта PLANETS поместили инструкции по чтению формата JPEG в специальную капсулу, которую поместили в специальный бункер в швейцарских Альпах. Сделано это было с целью сохранения для потомков информации о популярных в начале XXI века цифровых форматах.

См. также

Примечания

Ссылки

• Спецификация JFIF 1.02 (текстовый файл)
• Оптимизация JPEG. Часть 1 , Часть 2 , Часть 3 .

Область применения

Формат является форматом сжатия с потерями, поэтому некорректно считать что JPEG хранит данные как 8 бит на канал (24 бит на пиксел). С другой стороны, так как данные, подвергающиеся компрессии по формату JPEG и декомпрессированые данные обычно представляются в формате 8 бит на канал, иногда используется эта терминология. Поддерживается также сжатие чёрно-белых полутоновых изображений.

При сохранении JPEG-файла можно указать степень качества, а значит и степень сжатия, которую обычно задают в некоторых условных единицах, например, от 1 до 100 или от 1 до 10. Большее число соответствует лучшему качеству, но при этом увеличивается размер файла. Обыкновенно, разница в качестве между 90 и 100 на глаз уже практически не воспринимается. Следует помнить, что восстановленное из формата JPEG изображение не является точной копией оригинала. Распространённым заблуждением является мнение о том, что качество JPEG тождественно доле сохраняемой информации.

Широкая поддержка формата JPEG разнообразным ПО нередко приводит к кодированию в JPEG изображений, для того не предназначенных - безо всякого выигрыша по степени сжатия в сравнении с правильно сделанными PNG или GIF, но с прискорбными последствиями для качества. Например, попытка записать в JPEG изображение, содержащее мелкие контрастные детали (особенно, цветные) приведёт к появлению характерных хорошо заметных артефактов даже при высокой «степени качества».

Сжатие

При сжатии изображение преобразуется из цветового пространства RGB в YCbCr (YUV). Следует отметить, что стандарт JPEG (ISO/IEC 10918-1) никак не регламентирует выбор именно YCbCr, допуская и другие виды преобразования (например, с числом компонентов, отличным от трёх), и сжатие без преобразования (непосредственно в RGB), однако спецификация JFIF (JPEG File Interchange Format, предложенная в 1991 году специалистами компании C-Cube Microsystems, и ставшая в настоящее время стандартом де-факто) предполагает использование преобразования RGB->YCbCr.

После преобразования RGB->YCbCr для каналов изображения Cb и Cr, отвечающих за цвет, может выполняться "прореживание" (subsampling, которое заключается в том, что каждому блоку из 4 пикселов (2х2) яркостного канала Y ставятся в соответствие усреднённые значения Cb и Cr (схема прореживания "4:2:0". При этом для каждого блока 2х2 вместо 12 значений (4 Y, 4 Cb и 4 Cr) используется всего 6 (4 Y и по одному усреднённому Cb и Cr). Если к качеству восстановленного после сжатия изображения предъявляются повышенные требования, прореживание может выполняться лишь в каком-то одном направлении — по вертикали (схема "4:4:0") или по горизонтали ("4:2:2"), или не выполняться вовсе ("4:4:4").

Стандарт допускает также прореживание с усреднением Cb и Cr не для блока 2х2, а для четырёх расположенных последовательно (по вертикали или по горизонтали) пикселов, то есть для блоков 1х4 или 4х1 (схема "4:1:1"). Допускается также использование различных типов прореживания для Cb и Cr, но на практике такие схемы встречаются исключительно редко.

Далее, яркостный компонент Y и отвечающие за цвет компоненты Cb и Cr разбиваются на блоки 8х8 пикселов. Каждый такой блок подвергается дискретному косинусному преобразованию (ДКП). Полученные коэффициенты ДКП квантуются (для Y, Cb и Cr в общем случае используются разные матрицы квантования) и пакуются с использованием кодов Хаффмана. Стандарт JPEG допускает также использование значительно более эффективного арифметического кодирования, однако, из-за патентных ограничений (патент на описанный в стандарте JPEG арифметический QM-кодер принадлежит IBM) на практике оно не используется.

Матрицы, используемые для квантования коэффициентов ДКП, хранятся в заголовочной части JPEG-файла. Обычно они строятся так, что высокочастотные коэффициенты подвергаются более сильному квантованию, чем низкочастотные. Это приводит к огрублению мелких деталей на изображении. Чем выше степень сжатия, тем более сильному квантованию подвергаются все коэффициенты.

Разновидности схем сжатия JPEG

Стандарт JPEG предусматривает два основных способа представления кодируемых данных.

Наиболее распространённым, поддерживаемым большинством доступных кодеков, является последовательное (sequential JPEG) представление данных, предполагающее последовательный обход кодируемого изображения поблочно слева направо, сверху вниз. Над каждым кодируемым блоком изображения осуществляются описанные выше операции, а результаты кодирования последовательно помещаются в выходной поток в виде единственного «скана» (массива кодированных данных). Основной или «базовый» (baseline) режим кодирования допускает только такое представление. Расширенный (extended) режим наряду с последовательным допускает также прогрессивное (progressive JPEG) представление данных.

В случае progressive JPEG сжатые данные записываются в выходной поток в виде набора сканов, каждый из которых описывает изображение полностью с всё большей степенью детализации. Это достигается либо путём записи в каждый скан не полного набора коэффициентов ДКП, а лишь какой-то их части: сначала — низкочастотных, в следующих сканах — высокочастотных (метод «spectral selection» т.е. спектральных выборок), либо путём последовательного, от скана к скану, уточнения коэффициентов ДКП (метод «successive approximation», т.е. последовательных приближений). Такое прогрессивное представление данных оказывается особенно полезным при передаче сжатых изображений с использованием низкоскоростных каналов связи, поскольку позволяет получить представление обо всём изображении уже после передачи незначительной части JPEG-файла.

Обе описанные схемы (и sequential, и progressive JPEG) базируются на ДКП и принципиально не позволяют получить восстановленное изображение абсолютно идентичным исходному. Однако, стандарт допускает также сжатие, не использующее ДКП, а построенное на основе линейного предсказателя (lossless, т.е. «без потерь», JPEG), гарантирующее полное, бит-в-бит, совпадение исходного и восстановленного изображений. При этом коэффициент сжатия для фотографических изображений редко достигает 2, но гарантированное отсутствие искажений в некоторых случаях оказывается востребованным. Заметно большие степени сжатия могут быть получены при использовании не имеющего, несмотря на сходство в названиях, непосредственного отношения к стандарту JPEG ISO/IEC 10918-1 (ITU T.81 Recommendation) метода сжатия JPEG-LS, описываемого стандартом ISO/IEC 14495-1 (ITU T.87 Recommendation).

Синтаксис и структура

Файл JPEG содержит последовательность маркеров, каждый из которых начинается с байта 0xFF, свидетельствующего о начале маркера, и байта — идентификатора. Некоторые маркеры состоят только из этой пары байтов, другие же содержат дополнительный данные, состоящие из двухбайтового поля с длиной информационной части маркера (включая длину этого поля, но за вычетом двух байтов начала маркера т.е. 0xFF и идентификатора) и собственно данных.

Основные маркеры JPEG

Маркер	Байты	Длина	Назначение

JPEG-сжатие цифрового изображения

Одним из наиболее полных и популярных стандартов сжатия изображений является стандарт JPEG.

Сам процесс сжатия состоит из трех последовательных шагов:

а) Вычисление дискретного косинусного преобразования (ДКП) для матриц 8*8-блоков, полученных после стандартного разбиения матрицы ЦИ;

б) квантование коэффициентов ДКП;

в) кодирование неравномерным кодом.

Сначала ЦИ разбивается на отдельные блоки размером 8*8 элементов, которые обрабатываются последовательно слева направо и сверху вниз. Обработка каждого блока начинается со сдвига по яркости значений всех его 64 элементов, что достигается вычитанием величины , где - максимальное число уровней яркости. Затем вычисляется двумерное ДКП элементов блока. Полученные значения коэффициентов квантуются в соответствии с формулой:

,

где - результат квантования значения коэффициента ДКП , а - соответствующий элемент матрицы коэффициентов квантования:

.

(Необходимо отметить, что перед тем, как квантованные коэффициенты ДКП могут быть подвергнуты обратному ДКП для восстановления блока изображения, они должны быть умножены на :

. (2.5)

Очевидно, что обратное преобразование полученных значений даст в результате приближение восстановливаемого блока изображения.)

Отквантованные значения коэффициентов переупорядочиваются зигзаг-преобразованием согласно:

где показана очередность, в которой выбираются коэффициенты. Результатом является одномерная последовательность квантованных коэффициентов.

Одномерный массив, полученный после зигзаг-преобразования, упорядочивается по возрастанию пространственной частоты, при этом, как правило, возникают длинные последовательности нулей, что эффективно используется процедурой JPEG-кодирования. Рекомендованная JPEG матрица квантования имеет следующий вид:

Пример . Последовательное кодирование и декодирование JPEG . Рассмотрим сжатие и восстановление следующего блока 8*8 элементов согласно стандарту последовательного кодирования JPEG:

Исходные пиксели могут иметь 256 или 2 8 уровней яркости, так что процесс кодирования начинается со сдвига диапазона значений – вычитания из значений пикселей величины 2 7 или 128. В результате получается массив:

который после прямого ДКП будет иметь вид:

Если для квантования полученных данных используется приведенная выше матрица квантования, то после квантования коэффициенты примут вид:

Процедура квантования дает значительное число нулевых элементов. После того, как коэффициенты переупорядочены в соответствии с зигзаг преобразованием, получится следующий массив:

(-26 -31 -3 -2 -6 2 -4 1 -4 1 1 5 0 2 0 0 -1 2 0 0 0 0 0 -1 -1 КБ)

Кодовое слово КБ означает конец блока, указывает на то, что все оставшиеся коэффициенты в переупорядоченной последовательности равны 0. Для кодирования полученного массива используются стандартные коды Хаффмана, преобразующие массив в непрерывный поток битов.

При восстановлении сжатого JPEG блока декодер в первую очередь должен из непрерывного потока битов воссоздать отквантованные коэффициенты ДКП. Поскольку последовательность двоичных кодов Хаффмана является однозначно декодируемой, этот шаг легко реализуется при помощи табличного преобразования. После умножения на коэффициенты квантования, согласно (2.5), получим массив:

Полностью восстановленный блок получается после выполнения обратного ДКП полученного массива:

и обратного сдвига диапазона значений на +2 7 =+128. В результате получаем:

Все отличия значений элементов исходного и восстановленного блоков возникают вследствие самой природы сжатия с потерями, являющегося сутью JPEG процедур сжатия и восстановления. В данном примере ошибки восстановления находятся в диапазоне от -14 до 11 и распределены следующим образом:

Характерные особенности сингулярных чисел блоков матрицы цифрового изображения при JPEG-сжатии. Пусть исходное ЦИ в градациях серого, хранящееся в некотором формате без потерь, например, в формате TIF, матрица которого имеет размеры , разбивается стандартным образом на блоки . Если для каждого блока ЦИ определить множество всех СНЧ (сингулярный спектр), то оказывается, что в среднем лишь 2.40% от общего числа блоков (ОЧБ) имеют нулевые СНЧ.

Данный факт не случаен. Ранг любой матрицы определяется количеством ее ненулевых СНЧ, а значит наличие нулей в сингулярном спектре будет говорить о том, что число ее линейно независимых строк (столбцов) меньше размера. Однако, для произвольного реального ЦИ, даже с учетом коррелированности значений яркости пикселей, вероятность того, что строки (столбцы) очередного блока окажутся линейно зависимыми, невелика.

Квантование коэффициентов DCT, которое происходит в процессе сохранения ЦИ в формате JPEG (с потерями), является необратимой процедурой и приводит к некоторым особенностям возмущений СНЧ блоков.

Пусть исходное ЦИ подверглось JPEG-сжатию. Проведем для него операцию частичного восстановления (ЧВ), которая включает в себя: 1) энтропийное декодирование; 2) умножение полученных коэффициентов на соответствующие элементы массива нормализации (матрицы квантования); 3) применение обратного DCT, но без последующего округления.

У полученной матрицы практически все блоки содержат нулевые СНЧ, причем таких значений в блоках будет достаточно много (табл.2.1). Такая ситуация закономерна. После квантования и округления коэффициентов DCT блоков многие из них, отвечающие высоким и средним частотам, обнулятся, оставаясь нулями после ЧВ, что, учитывая соответствие между коэффициентами дискретного преобразования Фурье и сингулярными тройками матрицы изображения, где - СНЧ и отвечающие ему левый и правый СНВ соответственно, приведет к обнулению наименьших (а возможно и средних по величине) СНЧ матриц блоков.

Табл.2.1. Результаты сингулярного разложения блоков частично восстановленных изображений

	ОЧБ		Кол-во блоков, у кот-х нулевых СНЧ больше 2-х, по отношению к ОЧБ (в %)
m=8	m=7	m=6	m=5	m=4	m=3	m=2	m=1	m=0
POUT
CAMERAMAN
TIRE
MOON											99.8
CELL

Заметим, что, чем меньше нулевых СНЧ в рассматриваемом блоке, тем больше линий контура он содержит. Действительно, наличие контуров в блоке говорит о значительной высокочастотной составляющей в сигнале, отвечающем этому блоку. Тогда коэффициенты DCT, соответствующие высоким и средним частотам, будут сравнительно большими и могут остаться ненулевыми после квантования и ЧВ, а значит внесут свой вклад не только в максимальные СНЧ.

Для наглядного представления справедливости вышесказанного рассмотрим изображение СELL.TIF (рис.2.5(а)). На рис.2.5(б) представлена матрица нулевых СНЧ блоков (МНСЧБ) размерности ЧВ-изображения, каждый элемент которой равен количеству нулевых СНЧ в соответствующем блоке. На рисунке выделены элементы, имеющие наименьшие значения, что позволяет наглядно увидеть соответствие между контурами исходного ЦИ и блоками, содержащими наименьшее количество нулевых СНЧ.

Пусть исходное изображение, подвергшееся JPEG-сжатию, восстанавливается полностью. Это означает, что после ЧВ все значения яркости пикселей округляются до целых и вводятся в диапазон . Это действие возмутит матрицу изображения, полученную после ЧВ, определенным образом изменится количество нулевых СНЧ в блоках (табл.2.2). Там, где после ЧВ не было элементов, значительно меньших 0 или больших 255, возмущение матрицы будет небольшим. В соответствии с соотношением

, (2.6)

имеющим место для произвольной матрицы, где - СНЧ исходной и возмущенной матриц соответственно, - матрица возмущений блока, - спектральная матричная норма, СНЧ являются нечувствительными к возмущающим воздействиям. Если некоторые из нулевых СНЧ блоков матрицы ЧВ-изображения станут ненулями после полного восстановления (ПВ), то их значения будут сравнимы с погрешностью округления, что не характерно для блоков исходного ЦИ.

Рис.2.5. Исходное изображение СELL.TIF (а); МНСЧБ после ЧВ (б); МНСЧБ после полного восстановления (в)

Наиболее заметным различие между совокупным исходным изображением и полностью восстановленным после JPEG-сжатия будет при сравнении их МНСЧБ. Типичная картина представлена на рис.2.5(в), при этом МНСЧБ для CELL.TIF имела только нулевые значения.

Таблица 2.2. Результаты сингулярного разложения блоков полностью восстановленных изображений

Изображение в формате без потерь (TIF)	ОЧБ	Количества блоков, имеющих нулевых СНЧ	Кол-во блоков, у которых нулевых СЧ больше двух, по отношению к ОЧБ (%)
m=8	m=7	m=6	m=5	m=4	m=3	m=2	m=1	m=0
POUT
CAMERAMAN
TIRE
MOON
CELL

Вопросы

1. Что означает сжатие даннях? Что такое избыточность даннях?
2. Основные виды избыточности данных.
3. Как реализуется сжатие посредством квантования?
4. Что такое малоранговая оппроксимация изображения? Как реализуется сжатие посредством использования малоранговых аппроксимаций изображения?
5. Что такое сингулярное разложение матрицы?
6. Что такое спектральное разложение матрицы?
7. Соответствие между параметрами цифрового изображения в пространственной и частотной областях.
8. Основные шаги JPEG-сжатие цифрового изображения. Матрицы квантования.
9. Характерные особенности сингулярных чисел блоков матрицы цифрового изображения при JPEG-сжатии.
10. Частичное и полное восстановление цифрового изображения после сжатия.

Литература

1. Кобозева А.А. Анализ информационной безопасности / А.А.Кобозева, В.А.Хорошко. – К.: Изд. ГУИКТ, 2009. – 251 с.
2. Деммель Дж. Вычислительная линейная алгебра / Дж.Деммель; пер.с англ. Х.Д.Икрамова. - М.: Мир, 2001. - 430 с.
3. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С.Бахвалов, Н.П.Жидков, Г.М.Кобельков. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. - 636 с.
4. Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений / Р.Гонсалес, Р.Вудс; пер. с англ. под ред. П.А.Чочиа. - М.: Техносфера, 2005. - 1072 с.
5. Каханер Д. Численные методы и программное обеспечение / Д.Каханер, К.Моулер, С.Нэш; пер. с англ. Х.Д.Икрамова. - М.: Мир, 2001. - 575 с.
6. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц / Ф.Р.Гантмахер. - М.: Наука, 1988. - 552 с.
7. Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры / В.В.Воеводин. - М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1977. - 304 с.