JPEG. 압축 알고리즘

다시 한번 안녕하세요! 2019년 XNUMX월에 작성된 글을 발견했습니다. 이것은 WAVE 및 JPEG에 관한 일련의 기사의 연속입니다. 처음으로. 이 간행물에는 이미지 인코딩 알고리즘과 형식 자체에 대한 정보가 전체적으로 포함됩니다.

역사의 꼬집음

Wikipedia 기사의 한 스푼:

JPEG(Joint Photographic Experts Group)는 사진 및 유사한 이미지를 저장하는 데 사용되는 널리 사용되는 래스터 그래픽 형식 중 하나입니다.

이 표준은 효율적인 이미지 압축을 위해 1991년에 Joint Photographic Experts Group에서 개발되었습니다.

이미지는 어떻게 RAW에서 JPEG로 이동하나요?

어떤 사람들은 JPEG 이미지가 허프만 방식을 사용하여 압축된 원시 데이터라고 생각하지만 이는 사실이 아닙니다. 제어 압축 전에 데이터는 먼 길을 이동합니다.

먼저 색상 모델이 RGB에서 YCbCr로 변경됩니다. 이를 위한 특별한 알고리즘도 있습니다. 여기에. Y는 밝기를 담당하므로 건드리지 않으며 그 변화가 눈에 띕니다.

이미지에서 가장 먼저 할 일은 "얇아지다" (서브 샘플링). 이해하기 쉽습니다. 2x2 픽셀 배열을 가져온 다음 Cb 및 Cr을 가져옵니다. 이 4개 픽셀의 각 YCbCr 구성 요소의 평균값입니다. 그래서, 우리는 6바이트를 얻었습니다, 4 Y, 4 Cb, 4 Cr 대신 4 Y와 동일한 Cb 및 Cr을 얻었습니다 (4 + 4 + 4 = 12; 4 + 1 + 1 = 6; 12 - 6 = 6). 2x2 스케일에서도 2:1 압축 비율의 손실 압축은 견고한 사운드를 제공합니다. 이는 전체 이미지에 적용됩니다. 그래서 그들은 크기가 절반으로 줄었습니다. 그리고 우리는 색상 인식 덕분에 이 기술을 사용할 수 있습니다. 작은 픽셀 블록에 대한 평균을 계산하면 사람은 밝기의 차이를 쉽게 알 수 있지만 색상의 차이는 알 수 없습니다. 세선화는 가로 및 세로로 4픽셀씩 한 줄로 수행할 수도 있습니다. 첫 번째 옵션이 더 자주 사용됩니다. 이미지 품질이 중요한 경우에는 데시메이션이 전혀 수행되지 않습니다.
얇아짐에 대한 시각적 설명(Habr에서는 GIF 삽입을 허용하지 않았습니다.) - https://i.ibb.co/Rg5Th9H/150953010617579181.gif

준비의 주요 부분

예습

이제 가장 어렵고 가장 필요한 부분이 다가옵니다. 전체 이미지는 8x8 블록으로 나뉩니다(해상도가 블록 측면의 배수가 아닌 경우 채우기가 사용됨).

이제 각 블록에 적용해보세요 DCT(이산 코사인 변환). 이 부분에서는 불필요한 모든 것을 그림에서 제거합니다. DCT를 사용하면 주어진 블록(8×8)이 이미지의 단조로운 부분(예: 하늘, 벽)을 설명하는지 이해해야 합니다. 또는 복잡한 구조(머리카락, 기호 등)가 포함되어 있습니다. 비슷한 색상의 64픽셀을 1개로 설명할 수 있다는 것은 논리적입니다. 블록 크기는 이미 알려져 있습니다. 압축은 64 대 1입니다.

DCT는 블록을 스펙트럼으로 변환하고 판독값이 급격하게 변하는 경우 계수가 양수가 되고, 변이가 급격할수록 출력이 높아집니다. 계수가 높을수록 그림은 색상과 밝기의 명확한 전환을 보여 주며, 계수가 낮을 경우 블록의 YCbCr 구성 요소 값의 약한(부드러운) 변화를 보여줍니다.

양자화

여기에는 압축 설정이 이미 적용되어 있습니다. 각 8x8 행렬의 각 계수는 특정 숫자로 나뉩니다. 모든 수정 후에도 이미지 품질을 저하시키지 않으려면 제수는 1이어야 합니다. 이 사진이 차지하는 메모리가 더 중요하다면 제수는 XNUMX보다 크고 몫은 반올림됩니다. 반올림 후에는 종종 XNUMX이 많이 나오는 것으로 나타났습니다.

더 큰 압축 가능성을 만들기 위해 양자화가 수행됩니다. 그래프 y = sin(x)를 양자화하는 예를 사용하면 다음과 같습니다.

압축

먼저 지그재그 패턴으로 행렬을 살펴봅니다.

우리는 숫자가 포함된 1차원 배열을 얻습니다. 그 안에 1이 많이 있다는 것을 알 수 있습니다. 제거할 수 있습니다. 이를 위해 많은 3의 시퀀스 대신 XNUMX XNUMX을 입력하고 그 뒤에 시퀀스의 숫자를 나타내는 숫자를 입력합니다. 이렇게 하면 전체 배열 크기의 XNUMX/XNUMX로 재설정할 수 있습니다. 그런 다음 허프만 방법을 사용하여 이 배열을 압축하고 파일 자체에 씁니다.

사용 된 곳

어디에나. PNG와 마찬가지로 JPEG는 카메라, OS(회사 로고, 애플리케이션 아이콘, 썸네일 등) 및 이미지를 효율적으로 저장해야 하는 모든 가능한 영역에서 사용됩니다.

출력

현재 JPEG에 대한 지식은 교육 목적으로만 가치가 있습니다. 왜냐하면 이미 모든 곳에 내장되어 있고 많은 사람들이 최적화하고 있기 때문입니다. 그러나 과학의 화강암은 여전히 ​​맛있습니다.

소스

Wikipedia의 YCbCr에 관한 기사
JPEG에 관한 Wikipedia 기사
Pikabu 게시물의 PrEP에 대한 약간의 정보
PrEP에 관한 Wikipedia 기사

출처 : habr.com