JPEG-2000 — формат цифрового будущего

Олег Татарников

Основные характеристики нового формата

Использование JPEG-2000 для записи видео

Другие сферы применения

 

Сегодня без файлового формата JPEG не обходится ни цифровой фотоаппарат, ни сканер. С форматом JPEG связано практически все аппаратное и программное обеспечение, так или иначе относящееся к работе с изображениями. Появлению этого формата мы обязаны сообществу Joint Photographic Experts Group, а его описание было гораздо шире сферы его реального практического применения в последующем. И когда новым технологиям использования графических изображений, таким как Интернет и беспроводные коммуникации, наконец потребовались более широкие функциональные возможности, то выяснилось, что прежняя реализация JPEG не может их предоставить.

Б ыстрое развитие цифровых технологий потребовало нового интегрированного стандарта представления изображений, обеспечивающего не только возможность недорогой цифровой обработки, но и более высокое качество получаемого результата, а также более эффективную передачу графических потоков. К тому же сегодня необходимо широко варьировать разрешение изображения, изменяя его от размера маленьких иконок в мобильных телефонах до гигантских масштабов, пригодных для спутниковых применений. И таким форматом, отвечающим современным требованиям, должен стать JPEG-2000, принятый как международный стандарт в январе 2001 года.

В создании JPEG-2000 (ISO15444) приняли участие представители академической науки и такие промышленные компании, как Motorola, Kodak, Canon, Texas Instruments, HP, Sharp, Sony, Nokia и Ericsson. Участники нового консорциума работали вместе по улучшению системы компрессии, которая входит сейчас в JPEG-2000. Новый формат разработан для обслуживания различных типов неподвижных изображений, включая полутоновые, цветные, двухуровневые и многокомпонентные. И даже при низких скоростях передачи характеристики нового JPEG-2000 превосходят параметры старого формата JPEG.

Основные характеристики нового формата

Если старый стандарт JPEG в процессе сжатия изображения использовал дискретное косинусное преобразование (DCT), то в JPEG-2000 для этого применяется дискретное Wavelet-преобразование (DWT), основанное на представлении сигнала в виде суперпозиции других базовых функций — волновых пакетов. Wavelet-преобразование использует двумерную фильтрацию и прореживание (пиксельную децимацию) в иерархической и многошаговой комбинациях. У каждого из указанных преобразований есть свои преимущества и недостатки, но DWT предлагает большую гибкость при представлении изображения — благодаря возможности выбора коэффициентов преобразования для изменения различных характеристик (то есть для масштабирования), таких как разрешение и качество. При этом главным преимуществом DWT перед DCT является большая экономичность представления. В результате использования Wavelet-компрессии изображение визуально выглядит более гладким и четким, чем при использовании традиционного JPEG-формата, даже в случае сжатия в JPEG-2000 на 30% сильнее.

Что касается изменения качества отображения, то в этом смысле наиболее ценной является возможность представления коэффициентов Wavelet-преобразования в целых числах, в то время как DCT-алгоритм работал с коэффициентами, представленными в виде чисел с плавающей точкой, что приводило к ошибкам округления при промежуточных преобразованиях, например при масштабировании. Таким образом, изменение разрешения изображения или степени его компрессии внутри интегрированной системы кодирования, основанной на DWT-преобразованиях, осуществляется без тех потерь, которые были характерны для DCT-преобразований. Более того, в DWT имеется набор парных цифровых фильтров, которые могут использоваться для представления изображения. За счет этого обеспечивается возможность выбора фильтровых пар, зависящих от требуемой характеристики изображения — размера и качества. В случае с DCT ассоциированная фильтровая система была фиксирована, а для ее изменения требовалось повторное кодирование.

Интересно также отметить, что пользователи формата JPEG часто жаловались на низкое качество изображений, сгенерированных компьютером. Такое положение вещей было вызвано тем, что старый JPEG был оптимизирован для представления естественных изображений (фотографий). Некачественные характеристики наблюдались и тогда, когда компрессировались сложные документы, содержащие двухуровневую смесь, то есть текстовую часть и цветные иллюстрации. Кроме того, большие нарекания вызывало представление в JPEG с высоким уровнем компрессии, необходимым, например, при отправке картинки на низкой скорости передачи. Тогда появлялась характерная мозаика (блоковые артефакты), неприятная при просмотре.

Новый формат предполагает использование прогрессивного изменения коэффициентов компрессии в реальном времени, поскольку в одном и том же файле заключена информация, достаточная для отображения изображения с разными степенями сжатия.

Кроме того, структура системы компрессии JPEG-2000 обеспечивает эффективный доступ к потоку без полного декодирования. К тому же, декодируя последовательные слои битового потока, можно получить изображение с постепенно улучшающимся качеством. Кроме того, входное изображение может быть разделено на неперекрывающиеся прямоугольные области (tiles), компрессия/декомпрессия которых может производиться независимо. А поскольку доступ к индивидуальным tile-компонентам возможен непосредственно из потока, то различные области изображения могут быть декодированы и отображены независимо друг от друга. В частности, большая спутниковая фотография может просматриваться без декодирования изображения в целом, а только по определенным областям. Таким же образом можно кодировать фотографию или видеокадр, задавая более высокое качество деталям переднего плана и пренебрегая задним (такого рода кодирование называется селективным). Отметим также, что интеллектуальная стратегия исправления ошибок делает JPEG-2000 пригодным для использования в зашумленных беспроводных каналах.

Формат JPEG-2000 уже сегодня получил широкую аппаратную и программную поддержку, и практически все программное обеспечение, так или иначе касающееся работы с изображениями, функционирует с JPEG-2000. Еще в феврале 2003 года компания Adobe выпустила плагин для поддержки JPEG-2000 в среде Adobe Photoshop 7.0.1, а в дальнейших версиях Adobe Photoshop модуль поддержки JPEG-2000 находится внутри пакета.

В начало В начало

Использование JPEG-2000 для записи видео

Понятно, что неподвижными изображениями использование JPEG-2000 не ограничилось. Дело в том, что внутрикадровая компрессия, составляющая основу современного процесса сжатия видео, ранее базировалась именно на DCT-алгоритмах, поскольку внутрикадровая компрессия MPEG — это тоже JPEG. И вот почти сразу же после объявления стандарта JPEG-2000 те же Фраунховерские институты, где был изобретен популярный ныне формат MP3, представили работающий видеокодек Motion JPEG-2000, построенный на базе внутрикадрового сжатия JPEG-2000.

Несомненно, особый интерес для кодирования видеоизображения представляет такая важная характеристика структуры компрессионной системы JPEG-2000, как возможность декодирования изображений с различным разрешением (размером) из единого потока. В JPEG-2000 это называется масштабируемостью разрешения, причем из одного и того же потока можно декодировать изображения с различной точностью, вплоть до самых высококачественных, а это именуется масштабируемостью качества. Подобная возможность оказалась чрезвычайно важной для появившегося недавно рынка видео высокой четкости (HD), так как видеосигнал может быть сжат один раз, а восстановить его можно различными способами для отображения на дисплеях с разным разрешением.

Для примера: один и тот же сигнал, сжатый JPEG-2000, может быть восстановлен с разными параметрами (как по размеру изображения, так и по битрейту) и для HDTV, и для обычного TV, и даже для показа на КПК или на мобильном телефоне. К тому же каждый приемник принимает и обрабатывает только ту часть информации, которая необходима для получения адекватного изображения. На аппаратуре же, использующей MPEG-форматы, пришлось бы создавать несколько файлов различного разрешения или раскодировать видео, уменьшать его разрешение, затем опять сжимать и только потом передавать. JPEG-2000, в отличие от этого, дает возможность готовить видео в одном файле для показа с любым качеством и в любом разрешении, а затем передавать это видео одним потоком, что значительно сокращает время подготовки материала и упрощает организацию его передачи.

 

GV Camcorder

GV Camcorder

Сегодня пока еще очень мало видеокамер, осуществляющих запись видео в Motion JPEG-2000, но они уже начинают появляться, становясь неотъемлемой составляющей на рынке профессиональной видеоаппаратуры, так как позволяют инженерам телевещания воспользоваться всеми преимуществами новейшего HD-формата без потери поддержки старых форматов низкого разрешения. Так, недавно компания Thomson представила первую профессиональную цифровую видеокамеру Grass Valley Infinity, поддерживающую стандарт JPEG-2000. В этой камере используются две микросхемы ADV202, разработанные компанией Analog Devices (ADI), каждая из которых отвечает за кодирование/декодирование видео высокого разрешения (HD) в формате Motion JPEG-2000. Микросхемы ADV202 — это недорогое решение для сжатия в реальном времени входного видеосигнала от различных источников в HD с целью воспроизведения с высоким качеством. С помощью фирменной пространственной рекурсивной фильтрации SURF от ADI микросхемы ADV202 обеспечивают не только сжатие в реальном времени, но и масштабирование разрешения.

Микросхемы выпускаются, в зависимости от быстродействия, в компактном 12Ѕ12-мм или 13Ѕ13-мм BGA-корпусе и поставляются в массовых объемах. Широко применяемая в различных областях, включая видеонаблюдение, профессиональное видеооборудование и цифровые кинотеатры, микросхема ADV202 может вскоре реализоваться и в бытовой видеоаппаратуре и стать основой для новых недорогих моделей самой разнообразной видеотехники. Стоит отметить, что указанная микросхема не требует ни внешних компонентов, ни памяти, ни процессора для кодирования и декодирования данных, что значительно сокращает перечень элементов, необходимых для изготовления видеооборудования, снижает стоимость получающегося изделия, увеличивает надежность аппаратуры и обеспечивает сжатие, восстановление и передачу видеоизображения с различным разрешением без дополнительной обработки сигнала.

Линейка профессионального оборудования Grass Valley Infinity, помимо HD-видео, поддерживает стандарты DV и MPEG-2 для записи как на съемный жесткий диск (используются сменные носители Iomega емкостью 35 Гбайт), так и на флэш-карты SecureDigital. Цена базовой цифровой видеокамеры составляет около 20 тыс. долл. На каждый диск Iomega можно записать до 30 мин HD-видео и 120 мин DV-видео, а стоит такой носитель примерно 40 долл.

 

GV Recorder

GV Recorder

Такие видеокамеры прекрасно подходят для производства всех телевизионных передач: выпусков новостей, документальных фильмов, телепродаж, натурных съемок и прочих программ, в результате чего существенно сокращается рабочий цикл цифровой подготовки. Кроме камкодера с цифровой записью информации, для работы с видео в новом формате потребуются новые модели видеоаппаратуры и вспомогательных устройств, позволяющие экономично реализовать систему нелинейного видеомонтажа, записи и хранения видеопрограмм в данном формате.

В начало В начало

Другие сферы применения

Итак, новый стандарт компрессии позволяет получать изображение высокого качества даже при высоком уровне сжатия, а следовательно, можно довольствоваться даже низкой скоростью передачи. Таким образом, JPEG-2000 идеально подходит для цифровых охранных систем, для применения в различных алгоритмах распознавания и в биометрии.

Некоторые не рассмотренные в данной статье, но весьма интересные характеристики JPEG-2000 могут найти применение в следующем поколении продуктов, работающих с графикой и видео. Например, JPEG-2000 — один из немногих стандартов, пригодных для создания изображения глубиной цвета в 48 бит. Ожидается, что широкое распространение этого стандарта будет способствовать введению новационных технологий работы с изображениями и таких приложений, которые могут использовать его замечательную гибкость и широкий охват различных областей применения.

Что касается бытовых устройств для записи и воспроизведения видео в новом формате, то, помимо вышеупомянутой компании Analog Devices, аппаратные кодеки уже представили многие производители процессоров для цифровой обработки видеосигналов. Так, известный производитель декодеров для воспроизведения DVD, MPEG-4, DivX и прочих популярных форматов компания TeraLogic недавно объявила о поддержке JPEG-2000, а как известно, сегодня кодеки этой компании используют крупные производители бытовой аппаратуры.

КомпьютерПресс 1'2006