23. 印刷格物致知
          23.6. 壓縮演算法
 23.6.6. JPEG2000 壓縮

JPEG2000 壓縮演算法與 JPEG 一樣是由 Joint Photographic Experts Group 創建與維護,於 2001 年 1 月被 ISO 標準化委員會推出發布為標準,文檔代碼為 ISO/IEC 15444-1:2000,它是基於既有的 JPEG 規格,再增加了三個重要的功能因素到現有的標準:

  • 它增加了一個小波變換演算法 (wavelet-based algorithm) 到現有的 JPEG 壓縮演算法,小波變換演算法在超高的壓縮比下能提高圖像品質,一般在壓縮比達到 100:1 的情形下,採用 JPEG 壓縮的圖像已經嚴重失真並開始難以識別了,但 JPEG2000 的圖像仍可識別
  • 相對於目前的 JPEG 格式,JPEG2000 的壓縮效能約有 20% 以上的提升
  • 它同時提供一個無損失壓縮模式的選項,無損失的 JPEG2000 檔案大小莫約是原始資料的一半,由於JPEG2000在無損失壓縮下仍然能有比較好的壓縮率,所以 JPEG2000 在圖像品質要求比較高的醫學圖像的分析和處理中已經有了一定程度的廣泛應用

JPEG 2000 與傳統 JPEG 最大的不同在於,JPEG2000 採用離散小波轉換 (Discrete Wavelet Transform) 為主的多解析編碼方式,而JPEG 則是使用離散餘弦轉換為核心演算法。以JPEG2000 為基礎的系統有一項重要的特性就是可以從單一的JPEG2000 編碼資料流 (Code stream) 解壓縮各種解析度、元件、興趣的區域與壓縮比率;在 JPEG2000 的檔頭也保留了顏色描述區塊的欄位,可以嵌入 sRGB 或 ICC 色彩管理等描述資訊,確保相同的影像在不同的設備上呈現出一致化的顏色。

優點

  • JPEG2000 是一個非常有效率的壓縮演算法,它主要是為網際網路使用而發展
  • 兼具有損失的高壓縮比與無損失壓縮的模式對各項應用很有幫助
  • 位元錯誤的容錯、改錯能力 (Robustness to bit-errors):利用儲存在一個獨立且相對的小區塊中的非一致性記號,提供每個區塊偵測並隱藏錯誤,而組織過的資料流則提供改正錯誤的能力,因此對於使用網路、無線方式傳輸的應用十分有意義
  • 依解析度或SNR (Signal-to-Noise Ratio) 做漸現式展圖:JPEG2000 支持更複雜的漸進式顯示和下載
  • 感興趣區域特性(Regions of Interest,ROI):JPEG2000 支援“感興趣區域”特性,你可以任意指定圖像上你感興趣區域的壓縮品質,還可以選擇指定的部份先解壓縮。這樣我們就可以很方便的突出重點了。由於 JPEG2000 採 DWT 為主的多解析編碼方式,因此透過尺度的變化,可以提供在感興趣的區域有良好的解析度(較低的壓縮比),而背景則採用較低的解析度(較高的壓縮比)
  • 開放式的架構:可以針對目標影像架構系統,使系統更有效率且更符合目標需求。JPEG2000 基本上僅定義了演算法的框架,至於要採用哪一類的細部演算法則,則給予使用者自行決定的空間,這樣的特色讓編碼的工作只需要針對資料流編寫必須的語法與核心工具
  • 保護影像的私密性(Protective image security):JPEG2000 架構中JPSEC安全性 (JPSEC Secure JPEG2000) 增加 JPEG2000 本身對加密、數位浮水印與權限控制的支援,運用浮水印 (Watermarking),標籤和加密讓影像資料保持完整性不被竄改。由於標籤的方式已經規範在 SPIFF 中所以可以很容易的運用到 JPEG2000 的檔案中
  • 以內容為基礎的描述(Content-Based description):在影像處理的領域中,有關影像的搜尋與索引是很重要的應用。以內容為基礎的描述,就好比Metadata 般,可以利用在搜尋與索引的應用上提供更有效率且搜尋結果的正確性也能夠提高

缺點

  • 與舊系統的相容性:只有較新的工作流程或電腦應用軟體能夠處理 JPEG2000 壓縮,較舊的系統無法解譯
  • JPEG2000 需要較多系統資源:壓縮數據需要較大的 CPU 馬力
  • 當壓縮比低於 25:1 時,相對於傳統的 JPEG 壓縮的結果,JPEG2000 小波變換演算法產生的圖像結果之塊狀物較少 (馬賽克失真效果),但也比較不細緻 (模糊失真)
  • 編碼的核心部分的各種演算法被大量註冊專利

在 Photoshop CS 內如何儲存的JPEG 2000檔案

除了 JPEG2000 壓縮演算法外,也有一個相對應的 JPEG2000 檔案格式,這類檔案格式其實有兩種:正常的 JP2 檔案格式和使用.jpf 附檔名的擴展式 JPEG 2000 格式。Photoshop 的預設是無法寫出這些檔案格式,如果要以 JPEG 2000 格式儲存檔案,您必須取得選擇性 JPEG 2000 增效模組並將它安裝在下列位置:Adobe Photoshop CS/增效模組/檔案格式。您可以在 Photoshop CS 安裝 CD 的 小工具/增效模組選項/檔案格式 中找到這個增效模組。相較於標準的 JPEG 2000 (JP2) 格式,延伸 JPEG 2000 (JPF) 格式提供了一組擴充的選項。 而且,您可以在「JPEG 2000」對話框中選取適當的選項,使檔案與 JP2 相容。

備註: 您無法用 JPEG 2000 格式儲存雙色調、多重色版或點陣圖模式的影像。 如果要以 JPEG 2000 的格式儲存這些檔案,首先要將這些檔案轉換成 RGB 色彩。

JPEG2000 壓縮使用於哪裡?

JPEG2000 是唯一可提供無失真與失真的標準壓縮方案。因此,可應用於相當多的應用場合,特別是在儲存或傳輸頻寬受到限制,仍需要較高品質影像的應用上:

  • 網際網路影像傳送:漸進式壓縮技術 (Progressive coding) 是  JPEG2000 標準的另一項特性,意思是位元流可以用這樣的方法加以編碼:資料流開始時包含較不詳細的資訊,資料流行進中包含較詳細的資訊。此做法使這項技術很適用在網際網 / 路 網路的應用上,特別是大影像且低頻寬,就如同影像在解碼端可以馬上被看到,即使用的是低速網路或影像資料庫
  • 保全系統:相對於用時間性壓縮 (Temporal compression) 的MPEG,JPEG2000 具有圖框 (FRAME) 準確性,輸入的每個單一圖框都以壓縮的格式包含進來。因此,在某些保全應用上,法律明訂禁止使用 MPEG 壓縮的做法。為解決此一問題,保全系統與設備業者必須得發展他們自己的壓縮電 ;路 或使用很沒有效率的 MOTION JPEG(M-JPEG) 壓縮標準,JPEG2000 有效地解決這種應用
  • 數位照相、掃瞄、數位影像、醫學影像、數位影像資料庫、數位圖書館
  • 大型圖像,如地圖、空照與衛星圖、遙感探測、天文圖
  • 傳真(包括彩色及網路傳真應用)
  • 印刷品
  • 行動電話/無限傳輸、電子商務與手持式電子產品

相關進一步演算的分析請參考:JPEG 2000 Image Compression

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