JPEG 2000

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

JPEG 2000 (или jp2) — графический формат, который вместо дискретного косинусного преобразования, характерного для JPEG, использует технологию вейвлет-преобразования, основывающуюся на представлении сигнала в виде суперпозиции некоторых базовых функций — волновых пакетов.

В результате такой компрессии изображение получается более гладким и чётким, а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве уменьшается ещё на 30 %. JPEG 2000 полностью свободен от главного недостатка своего предшественника: благодаря использованию вейвлетов изображения в этом формате не содержат знаменитой «решётки» из блоков по 8 пикселей. Кроме того, новый формат поддерживает так называемое «прогрессивное сжатие», что позволяет по мере загрузки видеть сначала размытое, но затем всё более чёткое изображение.

К сожалению, пока этот формат мало распространён и поддерживается не всеми современными браузерами (среди поддерживающих jp2 — Safari, Mozilla/Firefox (через Quicktime)).

[править] Преимущества

Сравнение JPEG и JPEG 2000

Рассмотрим основные преимущества JPEG 2000 по сравнению с JPEG:

Превосходящее JPEG степень сжатия: На высоких битрейтах, где артефакты незначительны, JPEG 2000 имеет более высокую степень сжатия, чем JPEG в среднем на 20%. На низких битрейтах, JPEG 2000 имеет большее преимущество над основными режимами JPEG. Большая степень сжатия, чем у JPEG достигается благодаря использованию дискретного вейвлет-преобразования и более сложного энтропийного кодирования.

Масштабируемость разрешения изображений: JPEG2000 обеспечивает бесшовное сжатие разных компонентов изображения, с каждым компонентом хранится от 1 до 16 бита на сэмпл. Благодаря разбиению на блоки, можно хранить изображения разных разрешений в одном кодовом потоке.

Прогрессивное декодирование и масштабируемость отношения сигнал/шум: JPEG2000 обеспечивает эффективную организацию кодового потока, которая позволяет просматривать файл с меньшей разрешающей способностью или с меньшим качеством.

Сжатие как с потерями, так и без потерь: JPEG2000 обеспечивает как сжатие с потерями, так и сжатие без потерь в кодек. Сжатие без потерь обеспечивается путем использования обратимого (целочисленного) вейвлет-преобразования.

Произвольный доступ к кодовому потоку, также иногда называемый доступом к Областям Интереса(ROI): кодовый поток JPEG2000 обеспечивает несколько механизмов для поддержки произвольного доступа, также поддерживается несколько степеней разбиения на части (области интереса).

Устойчивость к ошибкам: JPEG2000 устойчив к битовым ошибкам, которые вносятся зашумленными каналами связи. Это достигается путем вставки маркеров ресинхронизации, кодирования данных в относительно небольшие независимые блоки, и обеспечение механизмов для нахождения и локализации ошибок внутри каждого блока.

Возможность последовательной сборки: JPEG2000 обеспечивает возможность последовательного декодирования и вывода изображения сверху вниз без необходимости буферизации всего изображения.

Гибкий формат файла: форматы файлов JP2 и JPX обеспечивают хранение информации о цветовых пространствах, метаданных и информации для согласованного доступа в сетевых приложениях, взаимодействующих с помощью протокола JPEG Part 9 JPIP.

Другие преимущества JPEG2000 представлены на странице Official JPEG 2000 page.

[править] Родственные стандарты

Рассмотрим несколько дополнений к стандарту JPEG 2000; некоторые из них еще не реализованы. Среди них ISO/IEC 15444-2:2000, расширения JPEG 2000, дополнительные функциональные возможности, такие как сеточное квантование, расширенный формат файла и дополнительные преобразования цветовых пространств, ISO/IEC 15444-4:2000, тестирование ссылок и ISO/IEC 15444-6:2000, составной формат файлов изображения, позволяет сжимать одновременно текст и изображение. Расширения для безопасной передачи изображений, JPSEC, и основанный на соединении просмотр изображений, названный JPIP сейчас обсуждаются в ISO.

[править] Приложения JPEG 2000

Рассмотрим основные приложения этого стандарта:

Мультимедийные устройства (такие как, цифровые камеры, КПК, 3G мобильные телефоны, цифровые факсы, принтеры, сканеры и т. д.)
Клиент/серверные взаимодействия(такие как, интернет, база данных изображений, потоковое видео, видео сервер, и т. д. )
Военное (такие как HD спутниковые изображения, обнаружение движения, распределенные сети и хранилища, и т. д .)
Медицинские изображения
Хранение видео.
Сенсорные устройства, цифровые устройства/архивы.

[править] Сходства с компрессором ICER

JPEG 2000 во многом сходен с форматом компрессии изображений ICER, который используется NASA.

Компрессор изображений ICER был разработан, для сжатия изображений на устройствах, работающих в открытом космосе.

ICER (так же как JPEG 2000) основан на вейвлетах и обеспечивает:

прогрессивную компрессию.
компрессию без потерь (использующую компрессор LOCO).
компрессию с потерями.
коррекцию ошибок, позволяющую ограничить эффект потери данных в космическом канале.

ICER в целом обеспечивает компрессию с потерями, сравнимую с JPEG 2000.

Функциональные возможности ICER сходные с JPEG 2000

Оба они обеспечивают разбиение изображения на блоки для увеличения эффективности компрессии, позволяет более эффективно использовать канал связи. Разбиение изображения на блоки уменьшает потребность в памяти и процессорном времени.
Оба компрессора позволяют варьировать степень компрессии в зависимости от размера изображения(в байтах).
Оба компрессора позволяют варьировать степень компрессии в зависимости от качества. (хотя ICER варьировать степень компрессии с 1% погрешностью).

Отличия между ICER и JPEG 2000

JPEG 2000 использует арифметику с плавающей запятой, ICER использует только целочисленную арифметику
ICER использует LOCO (Low Complexity Lossless Compression) компрессор для сжатия без потерь.
JPEG 2000 использует несколько разных моделей сжатия без потерь, с помощью переключения вейвлет компрессора в режим сжатия без потерь.
ICER и JPEG 2000 используют разные цветовые пространства.
ICER в своей нынешней форме лучше сжимает монохромные изображения, чем цветные.

[править] Правовые споры

JPEG 2000 не имеет широкой поддержки современным программным обеспечением, так как существует опасность нарушиения патентов на алгоритмы компрессии. В этой области очень плотное патентное покрытие. JPEG 2000 сам по себе не является свободным от непатентованных алгоритмов компрессии, но компании внесшие вклад в создание этого стандарта согласны с тем, что лицензии на алгоритмы, входящие в ядро системы кодирования могут быть переданы пользователям бесплатно.

Комитет JPEG выпустил официальное заявление:

Всегда одним из самых больших преимуществ стандартов, выпущенных комитетом JPEG, было то что они могут быть реализованы в базовой конфигурации без каких либо лицензионных выплат. Новый стандарт JPEG 2000 был подготовлен с учетом этой возможности, согласие было достигнуто между 20 большими организациями держателями большинства патентов в области сжатия, что позволило использовать свою интеллектуальную собственность в составе реализации стандарта без лицензионных выплат. [1]

Однако комитет JPEG, так же заметил, что неопределенные и скрытые патенты могут все еще представлять опасность:

Конечно, всегда возможно, что другие организации или частные лица могут возбудить иск по поводу реализации стандарта, и любые организации и частные лица, реализующие стандарт, могут проводить собственные исследования в этой области.[2]

Однако, не обращая внимания, на свободность лицензирования патентов JPEG2000, все равно не может соответствовать Debian Free Software Guidelines (тест на свободность программного обеспечения). Это может затруднить адаптацию JPEG 2000 к требованиям веба, так как это исключит свободные веб браузеры (особо отметим основанные на Gecko браузеры) и популярные веб приложения LAMP.

[править] Артефакты, возникающие при сжатии

Сверху вниз показаны артефакты компрессии JPEG 2000. Число показывает используемую степень сжатия. Изображения удобно просматривать в исходном масштабе.

Артефакты, возникающие при сжатии JPEG 2000 компрессором, отличаются от артефактов, возникающие при сжатии JPEG компрессором, присутствуют незначительные искажения на изображениях при высокой степени компрессии. Часто фотографическое изображение может быть сжато в отношении 1/20 к оригинальному (несжатый битмап) размеру без появления значительных искажений. Изображение справа демонстрируют различные искажения JPEG 2000 при различных степенях сжатия(верхнее изображение это оригинал без сжатия).

[править] Сравнение с PNG

Хотя формат JPEG 2000 поддерживает сжатие без потерь, он не предназначен для усовершенствования наилучшего формата сжатия без потерь.

PNG (Portable Network Graphics) формат более эффективен для изображений, содержащих одноцветные области, и поддерживает специальные функциональные возможности, которых нет у JPEG 2000.

Считается, что в текущей реализации стандартов применение PNG более эффективно для сжатия диаграмм, а JPEG 2000 — для сжатия фотографических изображений.