VÚGTK 48 212

[JPEG2000. Part 1 : General Overview and GI usage for Aerial and Satellite Images : Integrating Image Compression Benefits into the Workflow]

Thomas Zellmann. - In:  Geoinform. - ISSN 1387 0858. - Roč. 7 (2004), č.6, s.52-55 : 7 obr. - Res. angl.

JPEG standard používající metodu DCT pro bloky 8x8 pixelů byl vyvinut před patnácti lety v Joint Picture Expert Group (Expertní skupina pro zpracování obrazu). JPEG2000 je jeho oficiálním nástupcem.

Nový standard JPEG2000 je rozdělen do 11 částí: první část popisuje jádro dekódování, zbývající jsou zaměřeny na speciální aplikace. Části 1, 3, 4 a 6 byly publikovány a jsou popsány na www.iso.ch, části 2 a 5 budou publikovány co nejdříve, části 8-12 jsou teprve vyvíjeny.

Část 1 obsahuje malý jednoduchý formát souboru, který vyhovuje potřebám většiny standardních aplikací a může být rozšířen o jeden nebo více prvků části 2.
Metoda komprese použitá u JPEG2000 patří v současnosti k nejefektivnějším, vykazuje lepší poměr kvality a velikosti než metoda DCT použitá mj. u staršího JPEG. Nová komprese je neztrátová, umožňuje rekonstrukci celého obrazu pomocí části datového proudu.

• příprava obrazu - nejprve je převeden do standardního formátu, pokud je to potřeba, je provedena transformace barevného prostoru z RGB do YUV
• dvoudimenzionální diskrétní vlnová transformace (DWT) - provede se dekorelace informací jednotlivých pixelů - informace, původně rozmístěná po celém obraze je nyní koncentrována v malém množství koeficientů. Metoda pracuje na základě analýzy signálu, při dvoudimenzionální transformaci je nejprve provedena jednodimenzionální transformace po sloupcích a poté tatáž transformace po řadách výsledného obrazu.
• kvantování a kódování - množství dat je redukováno kombinací kvantování, blokového kódování a kódování podle aritmetické entropie.

Výhody JPEG2000

- Pomocí parametrů lze u JPEG2000 zvolit kompresi plně vratnou nebo ztrátovou s kvantováním. Pro transformaci a kódování je v obou případech použit stejný algoritmus.

- Vlnová transformace (DWT) je efektivnější než dříve používaná DCT (Discrete Cosine Transformation). Kvantování se projeví vyhlazením obrazu a rozostřením hran, což vypadá lépe než dřívější vytváření bloků a distorze barev.

- Progresivní dekódování obrazu umožňuje načíst celý obraz ze zlomku dat a postupně vylepšovat jeho rozlišení, barevnou kvalitu a přesnou pozici pixelů. Postup vylepšování je dán uspořádáním komprimovaných dat.

- Existuje možnost předem definovat zájmové regiony v obraze, které jsou komprimovány s lepší kvalitou (bezztrátově) než zbytek obrazu. JPEG2000 dovoluje až 16 takovýchto regionů.

- Vlnová transformace už byla pro letecké a družicové snímky použita v oblíbených formátech MrSid a ECW. JPEG2000 je navíc mezinárodním standardem ISO.

- JPEG2000 umožňuje rychlý přístup k požadovaným částem obrazu.

- Velké množství dat je možné uložit do jediného souboru včetně definovaných zájmových území. Velikost souboru není limitována formátem, ale pouze vlastnostmi počítače.

- JPEG2000 naplňuje potřeby většiny typů senzorů a dat. Hloubka obrazu může dosahovat až 24 bitů pro každou z komponent (spektrálních pásů), jejichž počet není omezený.

- JPEG2000 může obsahovat jakákoli binární data používající UUID nebo XML. Informace o těchto prvcích jsou uloženy ve zvláštním bloku (reader requirement box). Tento blok byl definován i pro GML, takže je umožněna spolupráce s GIS. Z hlediska geografických informací jde tedy nejen o zavedení nového systému komprimace dat, ale i o změnu v řešení interoperability dat.

Část 6 nového standardního formátu JPEG2000 se zabývá kompresí skenovaných dokumentů. Ty se vyznačují tím, že obvykle obsahují jak textovou, tak grafickou část. Se zvyšováním míry komprese ale rychle dochází k narušení textu až jeho nečitelnosti. Běžně se toto řeší převodem obrazu na černobílý, který je následně komprimován metodou CCITT (Fax Group 3, Fax Group 4). Tato komprimace je velice efektivní, text zůstává čitelný, ale informace o barvě a kontrastu je ztracena. JPEG2000/6 definuje formát pro složené dokumenty ve formě vrstvených obrazů a masek.

Kompresní metoda JPM zachovává čitelnost textu i vysokou kvalitu obrazu pomocí analýzy a segmentace obrazu do tří částí:

• binární obraz obsahující text
• popředí s barvou textu
• pozadí s odstraněným textem

Procedura JPM postupuje v následujících krocích:

• kvantování - konverze z barvy na černobílou a detekce textu buďto pevným, nebo adaptivním prahováním (adaptivní práh se vypočítává lokálně podle obrazové statistiky).
• segmentace - klasifikace obrazu do textových a obrazových regionů. Segmentační algoritmus je klíčovým krokem postupu. JPM využívá algoritmu LuraDocument.jpm, který provádí klasifikaci po jednotlivých pixelech a ne po pravidelných blocích pixelů, jak bývá zvykem.
• separace a kódování - rozdělení dokumentu do tří vrstev s různým rozlišením. Textové regiony a původní obraz bez nich jsou odděleny a komprimovány zvlášť, první pomocí algoritmů Fax G4 nebo JBIG2, druhý standardním postupem z JPEG2000/část 1. Třetí obraz obsahuje barvu pro textové regiony a využívá opět JPEG2000/část 1. Černobílému obrazu textu je ponecháno původní prostorové rozlišení, u ostatních dvou může být redukováno.
• dekódování - oddělené dekódování všech tří částí a jejich kombinace. Dokument lze zobrazit v prohlížeči podporujícím JPEG2000/část 6 nebo konvertovat do běžného formátu.

Formát JPM ukládá složené obrazy na více stránkách, kde každá stránka obsahuje sekvenci objektů vrstvy - tedy obrazů a masek. Renderování objektů vrstvy podle pořadí umožňuje rekonstrukci obrazu dané strany. Stránky jsou spojeny do skupin, tak, že každý soubor obsahuje alespoň jednu skupinu, více skupin slouží k navigaci v souboru. Soubory JPM mohou dále obsahovat metadata a štítky pro celý dokument a také náhledy a zmenšeniny pro každou stránku.

Nové schéma komprese, které vyvinul LuraTech GmbH podle ISO standardu JPEG2000/část 6 je první dostupnou standardní implementací této vysoce efektivní techniky. LuraDokument.jpm lze získat jako programovací knihovnu C-SDK nebo jako samostatný nástroj na bázi příkazové řádky. Kromě obrazového formátu umožňuje LuraDokument.jpm také tvorbu PDF souborů typu JPM. Pro ně je postup segmentace a komprese obdobný, jen v závěru procesu je místo JPM souboru vytvořen soubor PDF.

Mezi hlavní aplikace metody JPM patří: