Введение

Разработка JPEG2000 началась в 1996 году. Как раз к этому времени стало ясно существенное преимущество алгоритмов сжатия на основе вейвлетов перед ДКП, использованным в JPEG. Однако, только лишь ради увеличения степени сжатия вряд ли бы стали тратить громадные деньги. При создании нового стандарта наряду с достижением большей эффективности сжатия ставились еще и следующие цели:

• Объединение в рамках единой технологии сжатия с потерями и без потерь. В дополнениях к JPEG есть режим сжатия без потерь, но эта технология защищена патентами.
• Устойчивость алгоритма к ошибкам канала связи при передаче сжатого изображения. Здесь видна нацеленность нового стандарта на мобильные приложения, на передачу изображений по радиоканалу.
• Унифицированная архитектура декодера. В JPEG имеется порядка 44 различных режимов декодирования, в зависимости от приложения. Синтаксис JPEG2000 таков, что в независимости от применяемого способа кодирования используется один и тот же декодер.
• Масштабируемость. В зависимости от потребности, это может быть масштабируемость по размеру, разрешению. частотному содержанию, количеству цветов.
• Обработка отдельных областей на изображении (Region Of Interest). Например, пользователя может интересовать не все изображение улицы, а лишь фото отдельной машины, он выделяет его (мышью), и декодер с высоким качеством восстанавливает этот фрагмент. (Все невозможно "поднять" с высоким качеством из-за ограничений на объем передаваемой информации). Кстати говоря, такой режим имеется в видеокодеке Analog Devices ADV611/ADV613.
• Сжатие изображений больших размеров.
• Возможность обработки сжатого изображения без декомпрессии.

Локальная, масштабированная структура вейвлет-функций позволила решить вышеперечисленные задачи. Рабочей группой были рассмотрены сотни предложений исследователей и отобраны наиболее перспективные. При этом большое внимание уделялось патентной чистоте - технологии не должны были быть защищиенными лицензиями.

В настоящее время стандарт JPEG2000 состоит из 6 частей:

1. основная часть - ядро стандарта;
2. расширения базового алгоритма сжатия;
3. мotion JPEG - для сжатия видео, кадр за кадром;
4. тесты для подтверждения правильности реализации;
5. программное обеспечение;
6. формат файла составного (графика +текст) изображения.

В настоящее время официально опубликована лишь первая часть стандарта. Черновые варианты остальных частей могут быть скачаны с сайта www.jpeg.org

Рассмотрим основные блоки, входящие в структурную схему алгоритма сжатия JPEG2000.

1. Предварительная обработка. Изображение, как правило представляет собой набор неотрицательных целых чисел. На этапе предварительной обработки из него вычитают среднее. Кроме того, если изображение большого размера, то оно может быть разбито на части. Тогда каждая часть сжимается отдельно, а для предотвращения появления заметных линий на стыке восстановленных частей применяются специальные меры.
2. Вейвлет-преобразование. В первой части определены два вейвлет-фильтра - фильтр Добеши (9, 7) для сжатия с потерями и тоже биортогональный фильтр с целочисленными коэффициентами (5, 3) для сжатия без потерь. Во второй части стандарта разрешается применение любых фильтров, а также не только октавополосное разбиение, но и произвольное (вейвлет-пакеты и т.д.) В стандарте определено, что вейвлет-преобразование осуществляется не путем свертки с импульсными характеристиками фильтров, а на основе алгоритма, известного как лифтинговая схема. На нашей страничке вейвлетов имеется много материалов, как по лифтинговой схеме, так и по методам целочисленного преобразования на ее основе (сжатие без потерь).
3. Квантование. В первой части стандарта определен равномерный квантователь с мертвой зоной, описанный, например, в нашей книге по вейвлетам. В случае сжатия без потерь размер шага квантователя раваен 1, иначе он выбирается в зависимости от требуемой степени сжатия. Шаг квантователя постоянен в пределах субполосы. Во второй части стандарта определена возможноть применения решетчатого квантователя - TCQ. Он также вкратце описан в нашей книге.
4. Энтропийное кодирование. Применяется адаптивный арифметический кодер (а в JPEG был кодер Хаффмана). Ввиду патентных ограничений используется не QM-кодер разработки IBM, а чуть худший MQ-кодер, специально разработанный для JPEG2000. Подробнее об этом кодере можете почитать в приводимых ниже статьях. Кодирование ведется не всего изображения в целом и даже не отдельных субполос, а более мелких объектов - кодируемых блоков (КБ). Размер кодируемого блока может быть не более 4096 пикселов, высота не менее 4 пикселов. Такое разбиение хотя и снижает несколько коэффициент сжатия, но повышает устойчивость сжатого потока к ошибкам канала связи: ошибка испортит лишь небольшой блок. Кодирование блоков ведется в три этапа, битовыми плоскостями.
5. Сжатый поток данных упаковывается в пакеты. Именно благодаря гибкой и продуманной структуре пакетов возможно достижение целей разработки стандарта.

Многие из приведенных ниже статей были опубликованы в специальном выпуске журнала Signal Processing: Image Communication №17, 2002 издательства Elsevier и выложены для свободного доступа в Интернет.

I. Обзорные статьи

II. Статьи, раскрывающие отдельные аспекты JPEG2000

III. Методы стеганографии в JPEG2000