UNIVERZITA JANA EVANGELISTY PURKYNĚ V ÚSTÍ NAD LABEM FAKULTA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Katedra informatiky a geoinformatiky Seminární práce z předmětu Dálkový průzkum Země na téma: JPEG 2000 V Mostě 27.2. 2006 Kateřina Danyiová 3. ročník, FŽP Pavlína Trunečková
Obsah: Obsah:...2 1.Úvod:...3 2.JPEG:...4 2.1 Transformace DCT:...4 2.2 Kvalita:...5 2.3 Efektivita:...5 2.4 Komprese:...5 JPEG 2000...5 3.1 Hlavní rysy:...6 3.2 Komprese:...6 3.3 JPEG 2000 a jeho konkurence:...7 0. Závěr:...8 5. Přílohy:...9 6.Použité internetové odkazy:...14
1. Úvod: Předmětem této práce je blíže si objasnit se všemi klady i zápory formát JPEG2000. K pochopení formátu JPEG2000 je zapotřebí si nejprve přiblížit formát JPEG, který používáme snad každý, k zobrazování fotek a obrázků. Nepochybně dnes již neexistuje surfař, digitální fotograf nebo webmaster, který by neznal formát JPEG (JPG). Méně už je lidí, kteří se vyznají v možnostech tohoto formátu a ve způsobu, jakým jsou zde zpracována grafická data. Na začátku 80. let se na scéně objevil standard JPEG (Joint Photographic Experts Group) pojmenovaný podle skupiny, kterou byl vytvořen. Byl to zároveň první krok pro ztrátové kompresních metody v grafice, který však přetrvává dodnes. Formát JPEG už zná prakticky každý, kdo vlastní digitální fotoaparát nebo surfuje po webu. Nicméně se JPEG velice rozšířilo a už je nasnadě nová verze, která má vychytat mnohé nedostatky předchůdce.v roce 1997 vznikal nový formát JPEG 2000 který byl finálně dokončen v roce 2000. Tento formát již nevyužívá ke kompresi DTC transformaci nýbrž DWT viz dále. Pod tímto, trochu odvážnějším nadpisem se skrývá informace o nové verzi formátu, který ovládl web. Vyšší kvalita obrazu, nový přístup ke komprimaci; škálovatelnost. To jsou hlavní rysy tohoto formátu.
2. JPEG: Sama zkratka JPEG (Joint Photographic Experts Group) je názvem pro skupinu, jejímž účelem je standardizace přenosu a ukládání grafických údajů. Zkrátka je to komise z lidí, kteří se snaží přijít na to, jak nejlépe ukládat grafiku. Nejširší využití počítačové grafiky je v současnosti web a v domácnostech digitální fotografie + grafika na počítači (s tím souvisí pochopitelně i video). U takové grafiky se předpokládá vyšší barevná hloubka (24 bitů, tedy 16,7 milionů barev), takže se zde mohou dobře uplatnit jen ztrátové komprimační metody. To znamená, že pro dosažení solidního kompresního poměru (poměr objemu nezkomprimované informace ku komprimované někdy se uvádí i naopak) se musí obětovat kvalita obrazu. Experti dohnali komprimační metody tak daleko, že tyto grafické újmy jsou zanedbatelné či dokonce neznatelné. Bylo k tomu zapotřebí vyšší matematiky, což nedovoluje mnohým pochopit, jak je vlastně obraz sešrotován, ale vysvětlení není ani účelem této práce. 2.1 Transformace DCT: Za zmínku ovšem stojí, že pro JPG se používá takzvaná DCT (Discrete Cosine Transformation = diskrétní kosinová transformace), což samo o sobě moc neříká. Aplikuje se na čtvercové matice o velikosti 8x8 pixelů, obrázek se tedy rozřeže na čtverečky, které se potom zpracovávají jeden po druhém. Musíme ale vědět, že tato metoda má za úkol obraz aproximovat nějakým sinovým funkcím, které jsou předem definované a které je tak možné vyjádřit kratší informací. Achylova pata této metody, se kterou jste se jistě mnozí setkali, je tzv. Gibbsův jev, což je zkreslení kontrastních oblastí v podobě vlnek. Navíc komprese probíhá ve čtvercích 8 8 pixelů, což se taky projeví při vyšších kompresních poměrech. JPEG tedy využívá k transformaci dat tzv. DCT formát, znamená to že, každá velikost obrázku a jeho kvalita je úměrná výchozí velikosti souboru, to znamená čím lepší obrázek, tím větší velikost bude mít. JPEG se používá ke kompresi dat tak aby poměr kvality zůstal co nejlepší a zároveň, aby se snížila velikost. Jenže tento formát má velikou nevýhodu v tom, že při kompresi dochází ke ztrátě dat, a tím i k zhoršování kvality. Proto není JPEG ani žádná jiná metoda založená na DCT vhodná pro kompresi technických výkresů a prezentačních materiálů, naopak je výborná pro zpracování digitálních fotografií a videa. Jedná se o ztrátový formát. To znamená, že JPEG nezachovává veškeré informace. Využívá vlastností lidského oka a snaží se obrázek ošidit tak, aby se zmenšil objem dat, ale oku to vadilo co nejméně. Pokud obrázek uložíte, později otevřete, provedete další změny a opět uložíte, budou se problémy způsobené ztrátovou kompresí kumulovat. JPEG proto není vhodný jako pracovní formát.
2.2 Kvalita: Při ukládání ve formátu JPEG lze nastavit úroveň kvality a tím ovlivnit jak kvalitu obrázku, tak velikost výsledného souboru. Stručně řečeno je třeba najít co nejnižší kvalitu, při které je kvalita obrázku ještě vyhovující. (viz obrázky v příloze č. 1, 2, 3, 4) Mezi 100 a 90 % je vizuální rozdíl velmi malý, objem dat však klesl na třetinu. To je důvod, proč se s maximální kvalitou na webu příliš nesetkáte - vizuální zisk je zcela neúměrný nárůstu velikosti. Obrázky s kvalitou pod 50 % jsou už velmi poškozené a ve většině případů nepoužitelné. 2.3 Efektivita: JPEG si vede velmi dobře u plynulých přechodů a rovnoměrných ploch. Naopak mu nedělají dobře detaily a ostré hrany. Ty první navyšují velikost souboru samy o sobě, zatímco ostré hrany zviditelňují ztráty způsobené kompresním algoritmem JPEGu a tlačí na nastavení vyšší kvality. (viz obrázky v příloze č. 5, 6) 2.4 Komprese: Při nedestruktivní kompresi dat pracuje kompresní algoritmus citlivě a jednoznačně, takže komprimovaná data můžeš zase dekomprimovat a nikdo nenajde sebemenší rozdíl mezi souborem kompresí prošlém a souborem původním. Populárními nedestruktivním formátem je třeba zip, arj nebo rar. Destruktivní komprese pracuje na základě lineárních nebo polynomických algoritmů, takže je vlastně dán jen začátek a konec - a to co je mezi tím kompresní algoritmus odhaduje (tedy pardon, počítá). Výsledná data jsou více nebo méně ochuzena o informace, které byly obsaženy v původním souboru a nelze tedy původní soubor získat zpět. JPEG 2000 Nový formát přechází na jiný systém komprese. Místo dosavadní komprese DCT (Discreet Cosine Transformation), která redukuje zobrazovací body do čtvercových bloků o hraně 8 pixelů, nový formát používá kompresi Wavelet. Nový způsob komprese odstraňuje ony nepříjemné bloky 8x8 a dosahuje o 20% větší komprese při menší ztrátě kvalit Vyhodnocování probíhá v jakýchsi vlnách vertikálně a horizontálně (wave=vlna, proto wavelet compression). Dalšími výhodami nového formátu je vyšší odolnost vůči vnějším zásahům, resp. chybám. Pokud totiž u JPG pozměníte jediný byte, obrázek se obvykle vůbec nenačte; přinejlepším to vede k úplné destrukci obrazu od místa chyby. Díky odolnosti vůči chybám se JPEG 2000 ještě více přibližuje potřebám webu (resp. jeho uživatelům). Toto je navíc doplněno o optimalizaci načítání (stream pokud znáte přímý přenos videa/zvuku přes internet). Formát stále podporuje i progresivní metodu načítání (tzn. vykreslování obrázku naráz a postupné zkvalitňování do výsledné podoby vlastně se využívá vrstvení).
3.1 Hlavní rysy: kompresní algoritmus založený na vlnkové transformaci jednotná dekompresní architektura (současný JPEG má 44 různých modů, přičemž řada z nich je závislá na aplikaci a není často podporována většinou JPEG dekodérů) lepší, rychlejší a kvalitnější komprese (zvýšení kompresního poměru o zhruba 20 až 30 procent oproti JPEG při ztrátové kompresi, poměr bezztrátové komprese 1/2) podstatně vyšší odolnost proti chybám datového toku schopnost kvalitního zpracování obrázků s nízkým poměrem bit/pixel (na rozdíl od JPEG lze dobře pracovat s obrázky o poměru nižším než je 0.25 bit/pixel) možnost zpracovávat obrázky větší než 64000 krát 64000 pixelů (omezení současného JPEG) kvalitní zpracování počítačově generované grafiky s ostrými přechody (JPEG byl orientován na obrázky "přirozené") možnost využití různých barevných módů (JPEG podporuje pouze RGB) speciální zpracování "složených" (compound) dokumentů, tedy především takových, které vedle sebe obsahují text a grafiku (JPEG byl k uvedenému účelu prakticky nepoužitelný) progresivní transmise, tj. možnost zobrazení a zpracování části či náhledu komprimovaného obrázku ještě před úplným načtením jeho souboru možnost definice "zájmových oblastí", které jsou od ostatních částí obrázku odlišeny prioritním umístěním v datovém toku a případně i vyšším rozlišením struktura umožňující s obrázkem ukládat nejrůznější metadata, mimo jiné informace pro práci s nastaveními barev a ochranu autorských práv. 3.2 Komprese: Při kompresi rozměrných obrazů pomocí vlnkové transformace enormně roste spotřeba paměti. U vlnkové transformace se analyzuje celý obraz najednou. Pro zmenšení paměťové náročnosti se u JPEG2000 využívá technika rozdělení vstupního obrazu na menší části, označované jako dlaždice = "tile" a ty se komprimují zvlášť; jedná se o tzv. "tiling" (viz obr. v příloze č. 8). Použití tilingu přináší úsporu paměti, ale na druhou stranu sebou nese určitou degradaci výsledné kvality obrazu. Zejména je to vidět při komprimaci s vysokým kompresním poměrem, tj. s nízkým bitovým poměrem. Rovněž samotná velikost dlaždice má vliv na výslednou kvalitu. JPEG2000 pracuje s obrázkem jako celkem a převádí jej na popisy formou vlnových funkcí. Převod je víceprůchodový, počet průchodů určuje kompresní poměr a kvalitu dekomprimovaného obrázku (čím méně průchodů, tím vyšší kompresní poměr, ale tedy i nižší kvalita). Každému průchodu odpovídá zvláštní datový blok komprimovaného souboru. Uvedený princip odstraňuje výše uvedené "čtverečkové přechody" i další problémy a navíc nabízí podstatně flexibilnější zpracování datového toku v komprimovaném souboru.
3.3 JPEG 2000 a jeho konkurence: Firma LuraTech: Tato německá firma již po nějakou dobu nabízí aplikace pro práci s grafikou, postavené na její technologie vlastním formátu označeném jako LuraWave. Využívají většinu postupů obsažených v JPEG2000 a mimo jiné podporují propagaci nového formátu sponzoringem serveru www.jpeg2000info.com. Dalším formátem je FlashPix, původně vyvíjený firmou LivePicture ve spolupráci se společnostmi Kodak a Hewlett-Packard. Nyní je jeho vlastníkem a vývojářem společnost MGI Software. FlashPix byl navržen jako alternativa JPEG a je dnes podporován některými webovskými prohlížeči a několika málo digitálními zařízeními pro zpracování obrazu. Stále více se na Internetu šíří formát PNG (Portable Network Graphics - vyslovujte "ping"), vytvořený coby alternativa patentově chráněného GIFu. Za vývojem tohoto formátu stojí mocné konsorcium W3C, které přineslo a prosadilo již nejeden významný standard - zmiňme alespoň HTML a XML. PNG je bezdrátový a proto nemůže pro určité aplikace nabídnout tak výhodný kompresní poměr jako JPEG potažmo JPEG2000.
0. Závěr: JPEG 2000 se zdá být v ohledu kvality obrazu na vyšší úrovni proti jeho předchůdci. Pro celkově lepší výsledky, tj. jak velikost, tak kvalita možné použít i další nástroje a další mnohé vlastnosti formátu JPEG 2000. Nový formát se od původního odlišuje vyšší rychlostí kódování (pro mnohé zbytečná vlastnost), vlnovou kompresí (žádné čtverečky), aritmetickým kódováním na úrovni bitů, lepšímu přizpůsobení datovým přenosům, chybovou odolností, prokládáním a vrstvením. Podle tvůrců by uplatnění měl nalézt nejen v "tradičních" oblastech (CD-ROM, Internet, elektronická zařízení pro zpracování obrazu, pre-press ), ale také při zálohování, přenosu a zpracování medicínských, právnických či archivních dokumentů (dílem by tak mohl konkurovat formátu PDF). Specifickou aplikací JPEG2000 by mělo být také jeho nasazení pro bezdrátové přenosy. Ačkoliv dnes už jsou daleko lepší kompresní metody, JPEG se natolik rozšířil, že navždy zůstane standartem kvůli svým výhodám. Vysoká komprese při relativně nízké výpočetní náročnosti.
5. Přílohy: Obrázek č.1: 100% zachování kvality 111 212 B Obrázek č.2: 90% zachování kvality a zmenšení velikosti až o 2/3 38 952 B
Obrázek č. 3: Komprimovaný obrázek s 50% zachováním kvality a velikostí 15 505 B Obrázek č.4: 10% zachování kvality na obrázek se již nedá koukat, jsou zde patrní duchové a neostrost obrazu
Obrázek č.5: Krajina na tomto snímku oplývá řadou velkých ploch a pozvolných barevnách přechodů. Detaily se nekonají, ostrých hran také není mnoho. Výsledný soubor 800 x 600 pixelů je jen 15 247 B Obrázek č.6: Travnatý snímek má mnoho detailů, drobnokreseb a hran, výsledkem je soubor 800 x 600 o velikosti 162 396 B je tedy desetinásobně větší. Obrázek č.7: Ztráty při kompresi
Obrázek č.8: Tzv tiling
Obrázek č. 9: Obrázky komprimované JPEG a JPEG2000 v poměru 1:40 JPEG Waveletová komprese
6.Použité internetové odkazy: 1. http://bros.unas.cz/pub/articles/2004/jak_funguje_jpeg/jak_funguje_jpeg.htm 2. http://internet-tipy.wz.cz/clanky/komprimace-jpg-jpeg-fotek-obrazku.php 3. http://www.digineff.cz/cojeto/ruzne/jpg2000.html 4. http://www.digineff.cz/cojeto/komprese/komprese.html 5. http://www.elektrorevue.cz/clanky/05011/ 6. http://www.apam.columbia.edu/courses/ap1601y/wallace_comm_acm_1991.pdf. 7. http://fireworks.jakpsatweb.cz/index.php?page=formaty 8. http://www.sendme.cz/sklad/jpg/standart.html 9. http//www.kai.vslib.cz/~satrapa/www/kurs/grafika/kvalita.html