3.1 Алгоритм сжатия изображения jpeg
JPEG (произносится англ. Joint Photographic Experts Group, по названию организации-разработчика) — один из популярных графических форматов, применяемый для хранения фото изображений и подобных им изображений. Файлы, содержащие данные JPEG, обычно имеют расширения.jpeg, .jfif, jpg, JPG,или.JPE.Однако из них .jpg является самым популярным на всех платформах. Алгоритм JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет. С другой стороны, JPEG малопригоден для сжатия чертежей, текстовой и знаковой графики, где резкий контраст между соседними пикселами приводит к появлению заметных артефактов. Такие изображения целесообразно сохранять в форматах без потерь, таких какTIFF, GIFилиPNG.JPEG(как и другие методы искажающего сжатия) не подходит для сжатия изображений при многоступенчатой обработке, так как искажения в изображения будут вноситься каждый раз при сохранении промежуточных результатов обработки [9].
JPEG не должен использоваться и в тех случаях, когда недопустимы даже минимальные потери, например, при сжатии астрономических или медицинских изображений. В таких случаях может быть рекомендован предусмотренный стандартом JPEGрежим сжатияLossless JPEG(который, однако, не поддерживается большинством популярных кодеков) или стандарт сжатияJPEG-LS. Процесс сжатия изображения JPEG достаточно сложен и часто для достижения приемлемой производительности требует специальной аппаратуры. Поэтому просто опишем основные шаги, лежащие в основе этого алгоритма. Алгоритм сжатия изображения JPEG можно разделить на несколько этапов:
Перевод в цветовое пространство YCbCr. YCbCr, Y′CbCr, илиYPb/CbPr/Cr, также пишется какY'CBCR или YCBCR— семейство цветовых пространств, которое используются для передачи цветных изображений в компонентном видео и цифровой фотографии [16].
Y'- компонента яркости,CB и CRявляются синей и красной цветоразностными компонентами.Y'(с апострофом) отличается отYкоторой обозначают яркость без предыскажения. Апостроф означает, что интенсивность света кодируется нелинейно с помощью гамма-коррекции.
Y'CbCrне является абсолютным цветовым пространством, скорее, это способ кодирования информации сигналов RGB. Для систем отображения используются сигналы основных цветов RGB (красный, зелёный и синий). Эти сигналы не являются эффективными для хранения и передачи изображений, так как они имеют большую избыточность. Поэтому перевод в системуY'CrCbпозволяет передать информацию о яркости с полным разрешением, а для цветоразностных компонент произвести субдискретизацию, то есть выборку с уменьшением числа передаваемых элементов изображения, так как человеческий глаз менее чувствителен к перепадам цвета. Это повышает эффективность системы, позволяя уменьшить поток видеоданных. Значение, выраженное вY'CbCr будет предсказуемо, если первично использовались сигналы основных цветов RGB.
1. ДКП (Дискретно Косинусоидальное Преобразование) Изображение разбивается на компоненты 8×8 пикселов, к каждой компоненте применятся ДКП. Это приводит к уплотнению энергии в коде. Преобразования применяются к компонентам независимо.
2. Квантование Человек практически не способен замечать изменения в высокочастотных составляющих, поэтому коэффициенты, отвечающие за высокие частоты можно хранить с меньшей точностью. Для этого используется покомпонентное умножение (и округление) матриц, полученных в результате ДКП, на матрицу квантования. На данном этапе тоже можно регулировать степень сжатия (чем ближе к нулю компоненты матрицы квантования, тем меньше будет диапазон итоговой матрицы).
RLE — кодирование. Используется особый вид RLE-кодирования: выводятся пары чисел, причём первое число в паре кодирует количество нулей, а второе значение после последовательности нулей. Т.е. код для последовательности 0 0 15 42 0 0 0 44 будет следующим (2;15)(0;42)(3;44).
Кодирование методом Хаффмана. Используется описанный выше алгоритм Хаффмана. При кодировании используется заранее определённая таблица. Алгоритм декодирования заключается в обращении выполненных преобразований. К достоинствам алгоритма можно отнести высокую степень сжатие (5 и более раз), относительно невысокая сложность (с учётом специальных процессорных инструкций), патентная чистота. Недостаток – артефакты, заметные для человеческого глаза [15].
Фрактальное сжатие. Фрактальное сжатие – это относительно новая область. Фрактал – сложная геометрическая фигура, обладающая свойством само подобия. Алгоритмы фрактального сжатия сейчас активно развиваются, но идеи, лежащие в их основе можно описать следующей последовательностью действий. Как и у всего алгоритм сжатия имеет свои недостатки. Недостатком метода JPEG является также то, что нередко горизонтальные и вертикальные полосы на дисплее абсолютно не видны, и могут проявиться 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.