Основы jpeg

Спецификация JPEG определяет минимальные требования стандарта, которые должны поддерживаться всеми программами, использующими этот метод. JPEG основан на схеме кодирования, базирующейся на дискретных косинус-преобразованиях (DCT). DCT — это общее имя определенного класса операций, данные о которых были опубликованы несколько лет назад. Алгоритмы, базирующиеся на DCT, стали основой различных методов сжатия.

В силу своей природы они всегда кодируют с потерями, но способны обеспечить высокую степень сжатия при минимальных потерях данных. Схема JPEG эффективна только при сжатии многоградационных изображений, в которых различия между соседними пикселями, как правило, весьма незначительны. Практически JPEG хорошо работает только с изображениями, имеющими глубину хотя бы 4 или 5 битов на цветовой канал. Основы стандарта определяют глубину входного образца в 8 битов. Данные с меньшей битовой глубиной могут быть обработаны посредством масштабирования до 8 битов, но результат для исходных данных с маленькой битовой глубиной может быть неудовлетворительным, поскольку между соседними пиксельными значениями будут большие скачки. По подобным причинам плохо обрабатываются исходные данные на основе цветовых таблиц, особенно если изображение было размыто.

Процесс сжатия по схеме JPEG делится на несколько этапов:

1. Преобразование изображения в оптимальное цветовое пространство.

2. Субдискретизация компонентов цветности усреднением групп пикселей.

3. Применение дискретных косинус-преобразований для уменьшения избыточности данных изображения.

4. Квантование каждого блока коэффициентов DCT с применением весовых функций, оптимизированных с учетом визуального восприятия человеком.

5. Кодирование результирующих коэффициентов (данных изображения) с применением алгоритма Хаффмена для удаления избыточности информации.

Описание каждого из перечисленных этапов приведено ниже. Обратите внимание на то, что декодирование JPEG осуществляется в обратном порядке.

Преобразование изображения

Алгоритм JPEG способен кодировать изображения, основанные на любом типе цветового пространства. JPEG кодирует каждый компонент цветовой модели отдельно, что обеспечивает его полную независимость от любой модели цветового пространства (например, от RGB, HSI или CMY). В случае применения цветового пространства яр­кость/цветность, например такого, как YUV или YCbCr (см. главу 2), достигается лучшая степень сжатия.

Большая часть визуальной информации, к которой наиболее чувствительны глаза человека, создана из высоко­частотных, полутоновых компонентов яркости (Y) цветового пространства YCbCr. Два других компонента цветности (СЬ и Сг) содержат высокочастотную цветовую информацию, к которой глаз человека менее чувствителен. Следова­тельно, большая ее часть может быть отброшена.

Цветовые модели RGB, HSI и CMY используют в полезной визуальной информации все три цветовых компонента, что очень затрудняет ее выборочное отбрасывание. Все три цветовых компонента должны быть закодированы очень качественно, что приведет к ухудшению степени сжатия. Полутоновые изображения не имеют цветового пространства и, следовательно, не нуждаются в преобразовании.