Сжатие по стандарту JPEG

JPEG - один из самых распространенных и достаточно мощных алгоритмов, представляет собой метод сжатия изображений, реализуемый различными способами [4,7]. Работает он как на черно-белых, так и на полноцветных изображениях. Стандарт JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединенная экспертная группа по фотографии) - формат хранения фотографических изображений, отличающийся хорошим качеством восстановленного изображения. Процесс сжатия изображения JPEG достаточно сложен и часто для достижения приемлемой производительности требует специальной аппаратуры. Схема процедуры сжатия изображений по стандарту JPEG приведена на рис.1.4.

Рис.1.4. Основные этапы процедура сжатия по стандарту JPEG

Кодирование изображений по стандарту JPEG обычно начинается с

преобразования цветового пространства из RGB в YUV (известное также подназванием YCbCr). Цветное изображение традиционно может рассматриваться как результат сложения трех компонент:

В этом выражении a₁ a ₂ a₃ - калориметрические коэффициенты.

В типичных изображениях в формате RGB имеется существенная

корреляция между цветными компонентами и с точки зрения сжатия

изображения этот формат является заведомо избыточным. Как известно, в

стандартах телевизионного вещания используется другое представление

изображений, при котором также используются 3 компоненты сигнала, но приэтом эти компоненты почти некоррелированы друг с другом. Компоненты R,Gи B преобразуются в яркостную компоненту Y и две цветоразностныхкомпоненты U и V, формата YUV. Преобразование форматов выполняется по формулам: для преобразования RGBÆYU

В формате YUV компоненты слабо коррелированны. Более того, так какбольшая часть информации сосредоточена в яркостной компоненте, то будетпотеряно мало информации, если выполнить децимацию (прореживание)

компонент U и V с коэффициентом 2. При таком прореживании 4 соседниеточки (квадрат 2х2) описываются 4 значениями компонент Y и по одномузначению компонент U и V. Результатом является стандартный формат YUV 4:1:1, который, какправило, является входным для большинства видеокодеров. Таким образом, получается сжатие в 2 раза без сколько-нибудь заметного искаженияизображения. Стандарт не обязывает выполнять эту операцию, однако такой подходпозволяет повысить эффективность сжатия. Далее исходное изображение разбивается на матрицу клеток одинаковогоразмера (чаще всего 8×8 пикселов).Такой размер выбран по следующимпричинам [7]:

1) С точки зрения аппаратной и программной реализации размерблока 8х8 не накладывает существенных ограничений на размер требуемойпамяти.

2) Вычислительная сложность ДКП для блока 8х8 также являетсяприемлемой для большинства вычислительных платформ. Следующий этап процедуры сжатия данных заключается впреобразовании небольших блоков изображения при помощи двумерногокосинусного преобразования (ДКП). Обработка ведется блоками 8х8 пикселов. Выбор ДКП в качестве стандартного решения диктуется следующимипричинами:

• Для изображений с сильно коррелированными отсчетами (коэффициенткорреляции >0,7) эффективность ДКП в смысле компактностипредставления данных близка к преобразованию Карунена-Лоэва (этопреобразование является оптимальным в том смысле, что оноортонормированно и гарантирует некоррелированность коэффициент преобразования – элементов Y).

• ДКП представляет собой ортогональное сепарабельное преобразование, независящее от изображения, поэтому его вычислительная сложностьневелика.

После этого цветовое пространство данных изображения можно преобразовать в исходный вид. Потери при обратном ДКП также не велики посравнению с потерями квантования. Коэффициент архивации в JPEG может изменятся в пределах от 2 до 200 раз (на практике коэффициент сжатия не превосходит 20-25) [11]. Как и любого другого алгоритма с потерями, у JPEG есть своиособенности. Наиболее известны "эффект Гиббса" и дробление изображения наквадраты 8х8. Первый проявляется около резких границ предметов, образуясвоеобразный "ореол" [4]. Разбиение на квадраты происходит, когда задаетсяслишком большой процент архивации для данной конкретной картинки. Недостатком метода JPEG является также то, что нередко горизонтальные и вертикальные полосы на дисплее абсолютно не видны, и могут проявится только при печати в виде муарового узора. Он возникает при наложении наклонного растра печати на полосы изображения. По этой причине JPEG не рекомендуется использовать в полиграфии при высоких коэффициентах сжатия.