JPEG 2000

JPEG 2000 (или jp2) — графический формат, который вместо дискретного косинусного преобразования, применяемого в формате JPEG, использует технологию вейвлет-преобразования, основывающуюся на представлении сигнала в виде суперпозиции базовых функций — волновых пакетов.

В результате такой компрессии изображение получается более гладким и чётким, а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве оказывается меньшим. JPEG 2000 полностью свободен от главного недостатка своего предшественника: благодаря использованию вейвлетов, изображения, сохранённые в этом формате, при высоких степенях сжатия не содержат артефактов в виде «решётки» из блоков размером 8х8 пикселей. Формат JPEG 2000 так же, как и JPEG, поддерживает так называемое «прогрессивное сжатие», позволяющее по мере загрузки видеть сначала размытое, но затем всё более чёткое изображение.

По состоянию на 2020 год так и не получил широкого распространения. Это связано со многими причинами, в своё время повлиявшие на принятие стандарта. К их числу относятся сложность реализации и требовательность к памяти.

Преимущества

Основные преимущества JPEG 2000 по сравнению с JPEG:

Большая степень сжатия, достигаемая благодаря использованию дискретного вейвлет-преобразования и более сложного энтропийного кодирования.

Масштабируемость фрагментов изображений: JPEG 2000 обеспечивает бесшовное сжатие разных компонентов изображения, с каждым компонентом хранится от 1 до 16 бит на семпл. Благодаря разбиению на блоки можно хранить изображения разных разрешений в одном кодовом потоке.

Произвольный доступ к кодовому потоку, также иногда называемый доступом к областям интереса: кодовый поток JPEG 2000 обеспечивает несколько механизмов для поддержки произвольного доступа, также поддерживается несколько степеней разбиения на части (области интереса).

Гибкий формат файла: форматы файлов JP2 и JPX обеспечивают хранение информации о цветовых пространствах, метаданных и информации для согласованного доступа в сетевых приложениях, взаимодействующих с помощью протокола JPEG Part 9 JPIP.

Другие преимущества JPEG 2000 представлены на официальной странице.

Родственные стандарты

К стандарту JPEG 2000 имеется несколько дополнений, некоторые из них ещё не реализованы, среди которых:

ISO/IEC 15444-2:2000 — дополнительные функциональные возможности, такие как сеточное квантование, расширенный формат файла и дополнительные преобразования цветовых пространств;
ISO/IEC 15444-4:2000 — тестирование ссылок;
ISO/IEC 15444-6:2000 — составной формат файлов изображения, позволяет сжимать одновременно текст и изображение;
JPSEC — расширение для безопасной передачи изображений (обсуждается в ISO);
JPIP — основанный на соединении просмотр изображений (обсуждается в ISO).

Приложения JPEG 2000

Основные области применения этого стандарта:

цифровой кинематограф;
Для хранения фотографии владельца в биометрических паспортах (на момент 08.03.2013 для сжатия используется JasPer 1.6)
Библиотека Конгресса США использует JPEG 2000 как один из форматов для хранения оцифрованных версий географических карт.

Сходства с компрессором ICER

JPEG 2000 во многом сходен с форматом сжатия изображений ICER, используемым NASA для сжатия изображений в космических экспериментах.

ICER также основан на вейвлетах и обеспечивает:

прогрессивное кодирование,
сжатие без потерь (в отличие от JPEG 2000, ICER в этом режиме использует модифицированный компрессор LOCO-I (англ. Low Complexity Lossless Compression of Images)),
сжатие с потерями,
коррекцию ошибок, позволяющую ограничить эффект потери данных в канале связи.

ICER в целом обеспечивает сжатие, сравнимое с JPEG 2000.

Функциональные возможности ICER, сходные с JPEG 2000, состоят в том, что оба компрессора:

обеспечивают разбиение изображения на блоки для увеличения эффективности сжатия, позволяя более эффективно использовать канал связи, оперативную память и процессорное время;
позволяют варьировать степень сжатия в зависимости от размера изображения (в байтах);
позволяют варьировать степень сжатия в зависимости от качества (хотя ICER варьирует степень сжатия с 1%-й погрешностью).

Отличия между ICER и JPEG 2000:

JPEG 2000 использует арифметику с плавающей запятой, ICER — только целочисленную арифметику;
ICER использует модифицированный LOCO-компрессор для сжатия без потерь;
JPEG 2000 использует несколько разных моделей сжатия без потерь, с помощью переключения вейвлет-компрессора в режим сжатия без потерь;
ICER и JPEG 2000 используют разные цветовые пространства;
ICER в своей нынешней форме лучше сжимает монохромные изображения, чем цветные.

Правовые споры

JPEG 2000 не является свободным от патентованных алгоритмов компрессии, но усилиями комитета JPEG достигнуто согласие, что в составе этого формата они могут использоваться бесплатно:

Всегда одним из самых больших преимуществ стандартов, выпущенных комитетом JPEG, было то, что они могут быть реализованы в базовой конфигурации без каких-либо лицензионных выплат. Новый стандарт JPEG 2000 был подготовлен с учётом этой возможности, согласие было достигнуто между 20 большими организациями-держателями большинства патентов в области сжатия, что позволило использовать их интеллектуальную собственность в составе реализации стандарта без лицензионных выплат.

Разумеется, неопределённые и скрытые патенты могут всё ещё представлять опасность. Тем не менее, JPEG 2000 стоит рассматривать как более защищённый от притязаний формат, чем, например, MP3, для которого подобная работа велась на гораздо более низком уровне.

Артефакты, возникающие при сжатии

Артефакты, возникающие при сжатии по алгоритму JPEG 2000 с высокой степенью компрессии (потерь), качественно мало отличаются от артефактов, возникающих при сжатии компрессором JPEG — в тех местах, где оригинальное изображение имело плавные цвето-переходы, — они становятся ещё более плавными (размытыми); в тех же местах где были резкие переходы яркости или цвета (участки изображения с высокой контрастностью) — возникает характерный артефакт в виде яркого контура, обрамляющего границу перехода, незначительно (на пару пикселов) отступающего от более тёмного участка перехода. Различия в артефактах — нет сетки в 8 на 8 пикселей; не искажаются цвета мелких деталей, сильно отличающихся по цвету от фона; артефакты, характерные для JPEG 2000, становятся заметными при больших, чем в случае JPEG, степенях сжатия.

Сравнение с PNG

Хотя формат JPEG 2000 поддерживает сжатие без потерь, он не призван полностью заменить собой формат PNG, который является одним из наиболее часто используемых на сегодня для этой цели.

Формат PNG (Portable Network Graphics) поддерживает некоторые функции, такие как прозрачность, которых нет в формате JPEG 2000. В аспектах, связанных со сжатием без потерь, у PNG относительно лучшая программная поддержка и функциональность, потому он более приемлем для хранения изображений без потерь исходного качества.

Некорректное сравнение PNG и JPEG 2000 очень часто приводит к путанице и непониманию реального предназначения форматов. JPEG 2000 изначально разрабатывался как очень гибкая платформа для замены JPEG и частично TIFF с возможностью сохранения 16bit, с сжатием как с потерями так и без потерь.

PNG разрабатывался как замена GIF для работы c графикой.