Стандарт JPEG

выбора параметров для оптимизации соотношения сжатие - качество восстановленного изображения;

универсальность процедуры обработки изображений любых размеров с любой цветовой гаммой;
приемлемая сложность вычислений при обработке изображений, реализуемых на компьютерах различной мощности;
наличие следующих операционных режимов программы сжатия:
пространственно-поступательная обработка, при которой изображение обрабатывается слева направо и сверху вниз;
обработка с последовательным углублением четкости, при которой наблюдатель получает сначала грубое приближение, а затем повышается его четкость;
возможность сжатия без потерь, гарантирующего полное восстановление информации, даже если степень сжатия оказывается небольшой;
обеспечение многоуровневого кодирования, при котором четкость изображения связана не только с пространственно-частотными диапазонами, но и с уровнем точности передачи.
В стандарте JPEG оговаривается, что сжатие изображений может осуществляться либо с помощью ДКП двумерных блоков 88 пикселов, либо с помощью ДИКМ.
Ко всем компонентам изображения во время обработки должно применяться одно и то же преобразование.

DIGITAL COMPRESSION AND CODING OF CONTINUOUS-TONE STILL MAGES – REQUIREMENTS

AND GUIDELINES
Рекомендация МСЭ-Т T.84 - INFORMATION TECHNOLOGY – DIGITAL COMPRESSION AND CODING OF CONTINUOUS-TONE STILL MAGES: EXTENSIONS
Рекомендация МСЭ-Т T.87 - Information technology – Lossless and near-lossless compression of continuous-tone still images – Baseline
Рекомендация МСЭ-Т T.851 - ITU-T T.81 (JPEG-1)-based still-image coding using an alternative arithmetic coder
Рекомендация МСЭ-Т T.870 - Information technology – Lossless and near-lossless compression of continuous-tone still images: Extensions

(lossless)

коэффициента (DC и 63 АС)
Квантование с использованием таблицы
Энтропийное кодирование
DC –

с предсказанием, AC – после Z-упорядочивания
Хаффмановское кодирование по таблицам из стандарта или арифметическое кодирование (возможно использование таблиц пользователя)

оптимальному является квантование с равномерной шкалой: Fq = round (F/k),

где F и Fq –квантуемая и квантованная величины соответственно, k – коэффициент преобразования. При восстановлении изображения компоненты унитарных преобразований умножаются на коэффициент k.
При этом минимизируется среднеквадратичное отклонение восстановленного после обратного ортогонального преобразования Т изображения от исходного (последняя строка вытекает из равенства Парсеваля).

различным пространственным частотам, результаты унитарного преобразования подвергаются квантованию:
Fq(u,v) =

round {F(u,v)/[kQ(u,v)]}, u,v = 0,...., N-1.
Применение общего множителя k позволяет линейно изменять таблицу квантования. Например, известна функция VHS (video home system) Q(u,v):
Q(u,v) = a()h(), где h() = (0,31 + 0,69)exp(-0,29),

Таблицы квантования JPEG
для сигнала яркости для сигналов цветности

изображений.
Варианты использования таблиц при дискретном косинусном преобразовании изображений для двух

значений коэффициента k:

приводит к искажениям восстанавливаемых изображений в виде
нарушений воспроизведения мелких деталей,

возникновения эхо-сигналов при
резких переходах яркости и цвета и блочной структуры (коэффициент сжатия 16):

квантования в зависимости от сложности рельефа в каждом блоке. При

этом производится обратное преобразование каждого блока и, если искажения велики, коэффициент квантования уменьшается. Коэффициент сжатия также 16.

Квантование

кодирование (хаффмановское или арифметическое)
Возможно уменьшение точности отсчетов (например, 12 бит

– 8 бит)

по одному, двум или трем отсчетам:

минимальные требования к памяти
Прогрессивный (progressive) с использованием ДКП
Несколько проходов по

изображению
После квантования в буфере сохраняются все коэффициенты ДКП изображения, которые затем частично кодируются в несколько проходов
Спектральный отбор
Последовательная аппроксимация
Смешанный режим
Без потерь
Иерархический
Кодируется последовательность кадров
Каждый кадр образует базу для восстановления последующих кадров
Кодируются разностные кадры (кроме первого)
Кодирование разностей может быть на основе ДКП, без потерь или смешанное (ДКП, потом без потерь)
Для построения пространственной пирамиды используются фильтры upsampling и downsampling
Иерархический режим может использоваться для улучшения качества изображения при заданном разрешении

только при кодировании без потерь или при расширенном режиме с

ДКП
Точность представления пикселей:
Для режимов с ДКП 8 или 12 бит на отсчет (базовый режим – только 8 бит)
При кодировании без потерь точность от 2 до 16 бит на отсчет
Единица данных (data unit):
Один отсчет при кодировании без потерь
Блок 8х8 при кодировании с ДКП
Чередование компонент данных
Кодирование с чередованием и без чередования
MCU – minimum coded unit – зависит от режима чередования

наборов параметров, характеризующих режим кодирования
Части компрессированных данных идентифицируются двухбайтовыми кодами

– маркерами
За некоторыми маркерами следуют определенные последовательности параметров, например, таблицы, заголовок кадра, заголовок прохода (скана); другие используются без параметров, например маркеры начала и конца изображения
Маркер и следующие за ним параметры образуют маркированный сегмент
Маркер рестарта служит для разделения энтропийно кодированных сегментов данных, причем эти сегменты могут быть декодированы независимо
Три формата компрессированных данных:
Формат обмена (включает все необходимое для декодирования)
Сокращенный формат компрессированных данных (не содержит таблиц для декодирования)
Сокращенный формат для таблиц (содержит только таблицы)
Компрессированные данные изображения содержат только одно изображение, изображение содержит один или несколько (в иерархическом режиме) кадров, кадр содержит один или несколько сканов

отсчет каждой компоненты
Последовательный режим кодирования
Хаффмановское кодирование – по 2 таблицы

для DC и AC коэффициентов
Декодер должен обрабатывать данные с 1, 2, 3 и 4 компонентами
Сканы с чередованием и без чередования

бит на отсчет каждой компоненты
Последовательный или прогрессивный режим кодирования
Хаффмановское или

арифметическое кодирование – по 4 таблицы для DC и AC коэффициентов
Декодер должен обрабатывать данные с 1, 2, 3 и 4 компонентами
Сканы с чередованием и без чередования

до 16 бит на отсчет каждой компоненты
Последовательный режим кодирования
Хаффмановское или

арифметическое кодирование – 4 таблицы
Декодер должен обрабатывать данные с 1, 2, 3 и 4 компонентами
Сканы с чередованием и без чередования

ДКП или без потерь
Декодер должен обрабатывать данные с 1, 2,

3 и 4 компонентами
Сканы с чередованием и без чередования