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