Autor: Krzysztof Karaś Tytuł: JPEG2000
Transkrypt
Autor: Krzysztof Karaś Tytuł: JPEG2000
Autor: Krzysztof Karaś Tytuł: JPEG2000 Najpopularniejszym formatem kompresji obrazu jest obecnie JPEG. Wykorzystywany jest do zapisu informacji przez wszystkie obecne na rynku programy graficzne. Po GIF-ie jest to najpularniejszy format edycji zdjęć w sieci Internet. Także cyfrowe aparaty fotograficzne używają go w przypadku zapisu obrazu ze stratami jakości. W zapisie bezstratowym w dalszym ciągu najpopularniejszym pozostaje format TIFF. JPEG jest standardem opracowanym w latach osiemdziesiątych. Od tego czasu wymagania użytkowników komputerów uległy zmianie. Mimo wielkiej zalety, jaką jest możliwość wysokiego stopnia kompresji, ma on też wady. Główną są straty powstałe podczas tego procesu, tym większe i bardziej pakujemy informacje o obrazie. Wyeliminowanie tych wad oraz sprostanie nowym wymaganiom skłoniło programistów do opracowania nowego formatu zapisu obrazu. W marcu bieżącego roku na spotkaniu w Tokio zespół projektowy pracujący nad nowym formatem zapisu fotografii cyfrowej oraz grafiki komputerowej o nazwie JPEG2000 ( oznaczenie kodowe ISO 15444 ), poinformował o zakończeniu prac. Na grudzień 2000 roku przewidywane jest zatwierdzenie nowego formatu jako międzynarodowego standardu kompresji obrazu. Decyzje o podjęciu prac nad nowym formatem podjęto na konferencji w Genewie w marcu 1988 roku. Zainicjował je zespół Digital Imaging Group, a także grupa związana z organizacją standaryzacji ISO. JPEG200 jest całkowicie nowym formatem graficznym. Głównym założeniem prac było stworzenie formatu kompresji pozwalającego na zwiększenie współczynnika kompresji w połączeniu z polepszeniem jakości kompresowanego obrazu. Specjalnie dla formatu JPEG2000 opracowano nowy algorytm kompresji. Specyfikacja nowego standardu JPEG2000 składa się z dwóch części. Pierwsza z nich jest darmowe i będzie dostępna dla wszystkich zainteresowanych. Druga część specyfikacji przewiduje płatne rozszerzenia. Z ciekawszych płatnych rozszerzeń należy wymienić możliwość zapisu obrazu zawierający czarno-biały tekst przy użyciu innego algorytmu niż całego zdjęcia. Tego typu metoda zapisu pozwoli na lepsze rozpoznawanie skanowanego tekstu przez programy OCR. Płatna część specyfikacji pozwoli również na umieszczanie informacji o animacji. Możliwe będzie włączenie do zawartości pliku danych o kolejnych klatkach oraz prędkości z jaką mają być one wyświetlane. To tylko część nowatorskich rozwiązań, jakie niesie ze sobą format JPEG2000. Działanie wszystkich algorytmów kompresji polega na usuwaniu z obrazu powtarzających się jego elementów. Im lepsza metoda kompresji tym mniej powstałych ubytków nawet przy dużym stopniu spakowania obrazu. W standardzie JPEG algorytm kompresji dzieli obraz na bloki o rozmiarach 8 x 8 pikseli. Następnie każdy z bloków poddawany jest transformacji kosinusowej ( DTC ) oraz kilku dodatkowym operacjom. Format JPEG2000 wykorzystuje tzw. algorytm faletkowy ( ang. wavelet algorithm ). Główną zaletą stosowania tego algorytmu jest brak artefaktów, które towarzyszą kompresji obrazu w obecnie używanym formacie, jakim jest JPEG. Obecnie po dość silnym spakowaniu obrazu zaczynają się pojawiać kwadratowe obszary, które nie pasują do otaczających je innych fragmentów zdjęcia. Obraz staje się zbiorem kwadratów. Spowodowane jest to tym, iż obecnie wykorzystywany algorytm przeprowadza kompresje na małych fragmentach obrazu, a nie na jego całości. Całkowicie odmiennie przedstawia się sytuacja w przypadku formatu JPEG2000. Algorytm przeprowadzając transformacje operuje na całości obrazu, a nie na jego fragmentach. Przy dużym stopniu kompresji też pojawiają się zniekształcenia, lecz mają nieregularne kształty, przez co obraz ma o wiele lepszy wygląd niż w standardowej metodzie kompresji. W jaki sposób działa nowy algorytm kompresji obrazu? Pierwszym etapem jest transformacja obrazu z wykorzystaniem faletek w macierz. Użyte do kompresji faletki należą do tej samej rodziny, która zbudowana jest na bazie funkcji mather wavelet. Otrzymana po tym etapie obróbki obrazu macierz jest „czyszczona” celem wyeliminowania części informacji o obrazie. Usuwane są głównie szumy. Po zakończeniu tego etapu obraz poddawany jest kwantyzacji. Polega ona na zaokrąglaniu współczynników do z góry założonych poziomów. Dzięki tej operacji następuje zamiana do postaci całkowito liczbowej. Tego typu sposób kompresowania obrazu pozwala na wierne oddawanie kolorów. Zwiększenie współczynnika kompresji powoduje obniżenie tej wierności. Format JPEG2000 podobnie jak formaty GIF, PNG, FlashPix pozwala na określenie sposobu wyświetlania obrazu. Możemy zadecydować czy obraz będzie wyświetlany w mniej lub bardziej dokładny sposób. Jest szczególnie przydatne w przypadku cyfrowych zdjęć publikowanych w sieci Internet. Zarówno osoba publikująca zdjęcie w Internecie jak i użytkownik sieci oglądający je, może samodzielnie określić jakość wyświetlanego obrazu. JPEG2000 to całkowicie nowe podejście do zagadnienia kompresji obrazu. Pozwala między innymi na wyświetlanie fragmentu zdjęcia z większą jakością niż pozostała jego część. Wybrane fragmenty obrazu mogą być skalowane, obracane oraz poddawać procesowi filtrowania. Dzięki temu, że format JPEG2000 dopuszcza bezstratny zapis obrazu, użytkownik może całkowicie zrezygnować z innych niż on bezstratnych formatów zapisu ( np. z formatu TIFF). Specyfikacja JPEG2000 przewiduje występowanie w samym pliku grafiki specjalnych sekcji, które będą zawierały tzw. metadane. Dzięki temu będzie możliwe rozszerzanie formatu. Sekcje te pozwolą również na zapisywanie dodatkowych informacji o obrazie. Specyfikacja dopuszcza dopisywanie meta danych na końcu pliku. Kolejną ciekawą możliwością formatu JPEG2000 jest możliwość dołączania w postaci meta danych informacji o profilach kolorów ICC i barwach CMYK. Specyfikacja JPEG2000 przewiduje, że kolory będą definiowane w standardzie sRGB. Nowy format zapisu obrazu, jakim jest JPEG200 ma niewątpliwe zalety. Jeśli zdobędzie popularność może zrewolucjonizować zapis obrazu cyfrowego. Od tego czy firmy piszące oprogramowanie do zastosowań graficznych zaakceptują go, zależy czy zdobędzie popularność i stanie się formatem powszechnie używanym. Już teraz, pomimo tego, iż nie został oficjalnie zatwierdzony przez organizację ISO obserwuje się duże zainteresowanie jego możliwościami. Trwają prace związane z implementacją standardu JPEG2000 z Javie. W prace te zaangażowane są firmy Canon oraz Ericsson. Obecnie realizowanych jest kilka projektów mających na celu szybkie przejście narzędzi do zapisu i obróbki grafiki na standard JPEG2000. Biorąc pod uwagę zainteresowanie, jakim cieszy się format JPEG2000 oraz metoda kompresji obrazu z wykorzystaniem technologii faletek, najprawdopodobniej już w przyszłym roku pojawi się oprogramowanie wykorzystujące ten standard a obróbka i zapis grafiki zyska nowe możliwości. Więcej informacji o nowym standardzie kompresji – JPEG200 można znaleźć w sieci pod adresem: http://www.jpeg.org/JPEG2000.htm Przykłady kompresji obrazu Obraz przed kompresja: baboon.gif ; lenna.gif ; peppers.gif Obraz po kompresji z wykorzystaniem nowej metody: baboon.jpg-050.gif lenna.jpg-050.gif peppers.jpg-050.gif