JPEG2000: revoluční formát pro kompresi obrázků? - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

JPEG 2000

JPEG 2000

1. března 2001, 00.00 | Jaký je aktuální stav s formátem JPEG2000? A jaké přináší obecně tento formát výhody např. oproti klasickému JPEGu?

Neustále rostoucí zájem o ukládání, šíření a zpracování informací elektronickou cestou znamená zvyšování nároků na příslušné technologie. Poptávka po výkonnějším formátu pro kompresi grafických dat vedla k vytvoření standardu JPEG2000, který by měl (alespoň podle jeho tvůrců) zanedlouho dominovat v mnoha oblastech, ovládaných dnes jinými formáty.

Jak a proč se JPEG2000 zrodil
Předchůdce námi popisovaného standardu, tedy formát JPEG, byl po několikaletém vývoji uznán jako mezinárodní standard v roce 1988. Za svůj vznik vděčí skupině Joint Photographic Experts Group (odtud tedy jeho název), jejímiž členy jsou zástupci řady významných akademických pracovišť a komerčních subjektů (Adobe, Canon, Ericsson, Kodak, Ricoh, Samsung aj.).

Postupně se JPEG stal formátem užívaným hojně v oblasti elektronického publikování (CD-ROM, Internet) a dílem rovněž v pre-pressu. Za nejdůležitější vlastnost, která mu zaručila popularitu, je třeba považovat to, že vedle tzv. bezztrátové komprese (po dekomprimování je struktura původního obrázku plně rekonstruována) nabídl i možnost komprese ztrátové (při kompresi se nenávratně ztrácí některé informace, to ovšem do určitého kompresního poměru ještě nemusí znamenat ztrátu vizuální kvality), která vede k dosažení podstatně vyšších kompresních poměrů.

Řada problematických vlastností a omezení (viz náš další přehled) nicméně vedly k poptávce po podstatném vylepšení. Roku 1995 se proto skupina JPEG rozhodla vytvořit novou verzi, odlišenou příponou 2000 podle roku, na který bylo naplánováno její uvedení.

A skutečně, v průběhu roku 2000 byl zveřejněn první díl specifikace JPEG2000, který podle tvůrců pokrývá devadesát procent nároků kladených na nový formát. Algoritmy obsažené v tomto dokumentu jsou k dispozici zdarma. Na rok 2001 je pak plánováno uvedení druhého dílu specifikace, implementující některé pokročilé vlastnosti (např. složené dokumenty, pokročilejší práce s barvou, animace apod.). Technologie této části mají být chráněné patentem a k dispozici budou za licenční poplatek. (Již dnes se vedou diskuse o tom, zda je uvedené rozdělení pro rozšíření nového formátu vhodné. V případě, že by byla celá specifikace zdarma, znamenalo by to zřejmě nevratnost nemalých investic, vložených jednotlivými členy JPEG do projektu. Před restriktivním užitím byť jen malé části formátu ale varují precedensy z minulosti. Uveďme například masivní přechod internetové komunity od patentově chráněného GIFu k volně šiřitelnému PNG.)

Po výše uvedených základních částech by měly být uvedeny další čtyři díly specifikace, z nichž za asi nejdůležitější můžeme považovat část třetí, definující formát Motion JPEG 2000 pro komprimaci videa, a část šestou, vymezující Compound Image file format, určený pro pre- pressové a faxové aplikace. Vzhledem k tomu, že opravdu jasné obrysy má zatím jen základní specifikace formátu, budeme se v našem článku zabývat výlučně jí. Nicméně fakt, že JPEG2000 bude podle výše deklarovaných záměrů základem skutečně komplexního řešení pro grafický průmysl, je jistě velmi významný.

Co JPEG2000 přináší
Vyjmenujme si nyní ve zkratce, jaké jsou hlavní rysy nového formátu, a to zejména s přihlédnutím ke schopnostem a omezením jeho předchůdce. Většina zde uvedených vlastností zasluhuje samozřejmě podrobnější výklad, který bude náplní dalších částí našeho článku. Podrobné informace lze také získat například na serveru tvůrců formátu www.jpeg.org.

K hlavní rysům JPEG2000 tedy patří:

• 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

Vlnková transformace, progresivní transmise a preferované oblasti
Úspěšnost nového formátu spočívá především v jeho kompresním algoritmu. Ten je založen na tzv. vlnkové transformaci (wavelet transformation). K plnému pochopení toho, jak tento již po dvacet let vyvíjený algoritmus funguje, by bylo potřeba zabrousit do říše vyšší matematiky. Na tomto místě se proto spokojme pouze s obecným srovnáním s algoritmem dosavadního JPEG.

Ten je založen na tzv. diskrétních kosinových transformacích (Discrete Cosinus Transformation - DCT) využívajících při komprimaci obrázku popisu formou sinusových funkcí. Jejich vlastnosti vyžadují, aby byl obrázek zpracováván po malých čtvercových blocích. Popisy těchto bloků jsou pak v komprimovaném souboru uloženy v pořadí, odpovídajícím rozkladu obrázku směrem shora dolů. To vede k riziku narušení vizuální věrnosti po dekomprimaci (přechody jednotlivých bloků jsou někdy viditelné), nutnosti načtení celého komprimovaného souboru před jeho zobrazením či zpracováním a řadě dalších problémů, jejichž přehled jsme uvedli výše.

Oproti tomu algoritmus založený na vlnkových transformacích 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.

Progresivní transmise a oblasti zájmu
Rozklad průchodů do bloků umožňuje tzv. progresivní transmisi: Již po načtení bloku odpovídajícího určitému průchodu lze zobrazit odpovídající náhled obrázku, který se dalším (volitelným) načítáním zpřesňuje. Uživatel tak má možnost u téhož souboru využít ztrátovou (pokud zůstane u hrubého náhledu) i bezztrátovou (pokud nechá přenést celý soubor) kompresi. Rovněž může určit část obrázku, která se ve zvolené kvalitě načte a zobrazí jako první. V každém případě tedy může s obrázkem pracovat bez nutnosti načítání celého komprimovaného souboru. Uvedené vlastnosti poskytují řadu aplikací: efektivní přenos dat po Internetu, rychlou editaci rozsáhlých souborů či možnost "uzamčení" datového proudu od určité úrovně kvality.

Obdobná využití uvedené technologie nabízejí "zájmové oblasti" (ROI - Regions-of-Interest). Tak jsou označeny části obrázku vybrané uživatelem, které budou uloženy na začátek datového proudu a tudíž implicitně načteny jako první. Lze pro ně také nastavit jiné (obvykle vyšší) rozlišení než u zbytku obrázku.

Metadata - nástroje pro práci s barvou, autorskými právy a dalšími údaji
JPEG2000 disponuje propracovaným mechanismem umožňujícím do jeho souborů vkládat nejrůznější metadata. To lze využít například k přenosu informací týkajících se zpracování barev či údajů napomáhajících ochraně autorských práv.

Pro zpracování barev lze těchto metadat použít například k určení barevného módu obrázku číslem nebo ICC profilem. Uvedených specifikací může být přitom v obrázku uloženo několik, což umožňuje různé zobrazení téhož souboru v rozdílných aplikacích či zařízeních. Obdobně lze nastavit například barevnou paletu, průhlednost a řadu dalších vlastností.

Pro vyznačení copyrightu obrázku je možno aplikovat různé postupy, nejčastější je využití čísla nebo vodoznaku. V každém případů zůstává vložená informace podstatně odolnější proti případným pokusům o její odstranění, než tomu bylo u dřívějších obdobných technologií.

A co konkurence?
JPEG2000 pochopitelně není jediným v poslední době vytvořeným formátem, který si klade za cíl zefektivnit využití elektronicky zpracované grafiky. Je proto vhodné podívat se, jak vypadají některé jeho alternativy.

V první řadě je potřeba si všimnout řešení vytvořených firmou LuraTech (www.luratech.com). Tato německá firma již po nějakou dobu nabízí aplikace pro práci s grafikou, postavené na vlastním formátu označeném jako LuraWave. Algoritmy tohoto formátu jsou rovněž založeny na vlnkové transformaci a proto nepřekvapí, že podle tvrzení představitelů společnosti využívají její technologie valnou většinu postupů obsažených v JPEG2000, a jsou tudíž plně "recyklovatelné" pro jeho podporu. LuraTech je ostatně velmi aktivním členem konsorcia JPEG a mimo jiné podporuje propagaci nového formátu sponzoringem serveru www.jpeg2000info.com. Současná reálně fungující řešení od LuraTechu lze tedy v mnoha ohledech považovat za "preview" možností JPEG2000.

Dalším formátem ve hře je FlashPix, původně vyvíjený firmou LivePicture ve spolupráci se společnostmi Kodak a Hewlett-Packard. Nyní je jeho vlastníkem a vývojářem společnost MGI Software. FlahPix byl navržen jako alternativa JPEG a je dnes podporován některými webovskými prohlížeči a několika málo digitálními zařízeními pro zpracování obrazu. Podporuje řadu zajímavých funkcí obdobných JPEG2000. Do dnešní doby se ovšem příliš neujal, a tak asi hlavně proto dnes také MGI výrazně podporuje vývoj a zavádění JPEG2000. Činí tak aktivním členstvím ve skupině JPEG i nedávno ohlášeným partnerstvím s LuraTechem zaměřeným na podporu a implementaci nového formátu.

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 bezztrátový a proto nemůže pro určité aplikace nabídnout tak výhodný kompresní poměr jako JPEG potažmo JPEG2000. Primárně se počítá s jeho nasazením na Internetu, možnost využití v digitálních fotoaparátech a obdobných zařízeních je prakticky nulová. Nabízí nicméně bohaté možnosti práce s prokladem a průhledností, vysoce věrné barevné zobrazení, využití textových anotací a řadu dalších zajímavých vlastností. Navíc je zdarma, zdrojové kódy jsou plně k dispozici a těší se podpoře ze strany řady vývojářů. S určitými omezeními je jeho podpora implementována ve všech současných významných webovských prohlížečích. PNG je zahrnut do specifikace formátu MHEG-5 určeného pro teletext nové generace a do budoucna se počítá s vytvořením jeho klonu MNG (Multiple-image Network Graphics - vyslovujte "ming") pro práci s animacemi.

Jaká čeká JPEG2000 budoucnost?
Technologie obsažené v novém formátu již při zběžném přehlédnutí naznačují, že JPEG2000 hodlá svými aplikacemi obsáhnout podstatně širší pole než jeho předchůdce i většina současníků. 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.

K rozšíření nového formátu je nicméně potřebný zájem ze strany výrobců softwaru a hardwaru. Ti ovšem, zejména vzhledem k nárokům daným komplexností formátu, ale také kvůli dosud nedořešeným otázkám kolem možného licencování části specifikace, s vývojem zatím otálejí, i když určité aktivity lze samozřejmě zaznamenat.

Na softwarovém poli dnes nejnadějněji vypadá činnost již zmíněné společnosti LuraTech (odnedávna ve spolupráci s MGI), ani ta však dosud nepřišla s reálným řešením. Uvedeného stavu si je skupina JPEG dobře vědoma, a podporuje proto aktivity vedoucí k implementaci dekodéru nového formátu. V současnosti se jedná například o projekty JasPer (implementace v jazyce C; www.ece.ubc.ca/~mdadams/jasper) a JJ2000 (implementace v jazyce JAVA; jj2000.epfl.ch). Tyto i možné další řešení mají být zahrnuty do pátého dílu specifikace JPEG2000.

Se zabudováním podpory JPEG2000 nespěchají ani tvůrci dvou hlavních internetových prohlížečů Internet Exploreru (Microsoft) a Netscape Navigatoru (Netscape resp. jeho vlastník AOL). Mají totiž i tak dost starostí se zaváděním jiných nových formátů a technologií, kterých dnes přibývá opravdu rapidním tempem - zmiňme například PNG, XML, WML či SVG. (Pokud byste náhodou uvedené výrobce chtěli k implementaci JPEG2000 pobídnout, můžete tak učinit prostřednictvím online formulářů umístěných např. na www.jpeg2000info.com.)

Hardwaroví výrobci (např. Hewlett-Packard, Canon, Ricoh, Ericsson) jsou si vědomi, jaké výhody by přineslo užití JPEG2000 v zařízeních, jako jsou digitální fotoaparáty, PDA či bezdrátová zařízení. Nový formát ovšem vyžaduje výkonný hardware. Vysoce žádoucí je navíc existence výše zmíněné podpory ze strany softwarových společností, aby byla zajištěna snadná přenositelnost do světa stolních počítačů a na Internet.

Současný stav rozhodně neumožňuje odhadnout, jakým směrem se bude další vývoj formátu ubírat. Lze se ale domnívat, že členové skupiny JPEG budou schopni využít svého nemalého vlivu k tomu, aby se JPEG2000 masivněji rozšířil co nejdříve.

Závěrem
Zda bude JPEG2000 stejně revoluční novinkou jakou je například jazyk XML dosud nevíme. Každopádně jeho vlastnosti vypadají velmi slibně a tak nezbývá než doufat, že výrobci začnou co nejdříve implementovat jeho podporu, aby se uživatelé mohli už zanedlouho těšit z jeho progresivních schopností.

Článek je převzat z odborného polygrafického měsíčníku Svět tisku, který každý měsíc přináší aktuální zpravodajství z oboru na minimálně 96 stranách. Časopis si můžete předplatit na adrese www.svettisku.cz