JPEG بدون فقدان الجودة

📅 آخر تحديث: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 9 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ JPEG غير المضغوط إضافةً إلى معيار JPEG في عام 1993 من قِبل مجموعة خبراء التصوير المشتركة لتمكين الضغط غير المضغوط . ومع ذلك، قد يُستخدم المصطلح أيضًا للإشارة إلى جميع أنظمة الضغط غير المضغوط التي طورتها المجموعة، بما في ذلك JPEG 2000 وJPEG LS و JPEG XL .

طُوِّرت تقنية JPEG غير المضغوطة كإضافة متأخرة إلى معيار JPEG في عام 1993، باستخدام تقنية مختلفة تمامًا عن معيار JPEG المضغوط. تعتمد هذه التقنية على نظام تنبؤي قائم على أقرب ثلاثة جيران (العلوي، والأيسر، والعلوي الأيسر)، ويُستخدم ترميز الإنتروبيا لحساب خطأ التنبؤ. لا تستطيع مكتبات مجموعة JPEG المستقلة القياسية ترميزها أو فك ترميزها، لكن كين مورتشيسون من شركة أوشيانا ماتريكس المحدودة كتب رقعة برمجية تُوسِّع مكتبة IJG لتدعم JPEG غير المضغوطة. [ 1 ] تحظى تقنية JPEG غير المضغوطة ببعض الشعبية في التصوير الطبي، وتُستخدم في DNG وبعض الكاميرات الرقمية لضغط الصور الخام، ولكنها لم تُعتمد على نطاق واسع في مجالات أخرى. يوفر برنامج Adobe DNG SDK مكتبة برمجية لترميز وفك ترميز JPEG غير المضغوطة بدقة تصل إلى 16 بت لكل عينة.

تحتفظ مجموعة خبراء التصوير الفوتوغرافي المشتركة بين المنظمة الدولية للمعايير /اللجنة الكهروتقنية الدولية (ISO/IEC) بتطبيق برمجي مرجعي يمكنه ترميز كل من صيغة JPEG الأساسية (ISO/IEC 10918-1 و18477-1) وامتدادات JPEG XT (ISO/IEC 18477 الأجزاء 2 و6-9)، بالإضافة إلى JPEG LS (ISO/IEC 14495). [ 2 ]

وضع التشغيل بدون فقدان

الشكل 1: نموذج مشفر DPCM
الشكل 2: مخططات كتلية مبسطة للوضع غير الفاقد
الشكل 3: ثلاث عينات متجاورة حول العينة المراد التنبؤ بها

يُعدّ JPEG غير المضغوط [ 3 ] نمطًا من أنماط تشغيل JPEG. وُجد هذا النمط لأنّ الصيغة القائمة على تحويل جيب التمام المنفصل (DCT) لا تضمن تطابقًا تامًا بين مُدخلات المُشفّر ومُخرجات المُفكّك. على عكس النمط المضغوط الذي يعتمد على DCT، تستخدم عملية التشفير غير المضغوط نموذج تشفير تنبؤي بسيط يُسمى تعديل رمز النبض التفاضلي (DPCM). في هذا النموذج، تُقدّر قيم العينات من العينات المجاورة المُشفّرة مسبقًا في الصورة. تأخذ معظم المُتنبئات متوسط ​​العينات الموجودة أعلى ويسار العينة المستهدفة مباشرةً. يُشفّر DPCM الفروقات بين العينات المُتوقعة بدلًا من تشفير كل عينة على حدة. عادةً ما تكون الفروقات بين عينة وأخرى قريبة من الصفر. يُظهر الشكل  1 مُشفّر DPCM نموذجيًا. يعمل الجزء الموضح في الشكل كمخزن للعينة الحالية التي ستُصبح لاحقًا عينة سابقة.

تُوضَّح الخطوات الرئيسية لوضع التشغيل بدون فقدان للبيانات في الشكل  2. في هذه العملية، يجمع المُتنبئ ما يصل إلى ثلاث عينات متجاورة عند النقاط A وB وC الموضحة في الشكل  3، وذلك لإنتاج تنبؤ بقيمة العينة عند الموضع المُشار إليه بالرمز X. يجب أن تكون العينات الثلاث المتجاورة مُشفَّرة مسبقًا. يمكن استخدام أيٍّ من المُتنبئات الموضحة في الجدول أدناه لتقدير العينة الموجودة عند X. [ 4 ] يمكن استخدام أيٍّ من المُتنبئات الثمانية المُدرجة في الجدول. تجدر الإشارة إلى أن الاختيارات 1 و2 و3 هي مُتنبئات أحادية البُعد، بينما الاختيارات 4 و5 و6 و7 هي مُتنبئات ثنائية البُعد. تُستخدم قيمة الاختيار الأولى في الجدول، وهي الصفر، فقط للترميز التفاضلي في وضع التشغيل الهرمي. بمجرد التنبؤ بجميع العينات، يمكن الحصول على الفروق بينها وترميزها باستخدام ترميز هوفمان أو الترميز الحسابي بطريقة بدون فقدان للبيانات .

قيمة الاختيارتنبؤ
0لا توجد توقعات
1أ
2ب
3ج
4أ + ب − ج
5أ + (ب − ج)/2
6ب + (أ - ج)/2
7(أ + ب)/2

عادةً، يمكن لضغط الصور باستخدام وضع التشغيل بدون فقدان البيانات أن يحقق نسبة ضغط تبلغ حوالي 2:1 للصور الملونة. [ 5 ] يحظى هذا الوضع بشعبية كبيرة في مجال التصوير الطبي، وهو مُعرّف كخيار في معيار DNG، ولكنه ليس شائع الاستخدام في غير ذلك نظرًا لصعوبة إجراء العمليات الحسابية على  قيم 10 أو 12 أو 14 بت لكل بكسل على معالج 32 بت نموذجي، بالإضافة إلى التوفير الطفيف في المساحة الناتج.

JPEG LS

وصف عام

يُعدّ JPEG LS معيارًا لضغط الصور ذات التدرج اللوني المستمر، إما بدون فقدان للبيانات أو بفقدان شبه كامل. [ 6 ] ويُعرف رسميًا باسم ISO-14495-1/ITU-T.87. [ 7 ] وهو خوارزمية أساسية بسيطة وفعّالة، تتألف من مرحلتين مستقلتين ومتميزتين هما النمذجة والترميز. طُوّر JPEG LS بهدف توفير معيار ضغط صور منخفض التعقيد، بدون فقدان للبيانات أو بفقدان شبه كامل، يُقدّم كفاءة ضغط أفضل من JPEG بدون فقدان للبيانات. وقد طُوّر هذا المعيار لأنّ معيار JPEG بدون فقدان للبيانات، القائم على ترميز هوفمان، والمعايير الأخرى، كانت محدودة في أدائها آنذاك. إذ لا يُمكن تحقيق فك الارتباط الكامل باستخدام إنتروبيا الرتبة الأولى لبقايا التنبؤ التي تستخدمها هذه المعايير الأقل كفاءة. في المقابل، يُمكن لـ JPEG LS تحقيق فك ارتباط جيد. [ ٨ ] [ ٩ ] أُنجز الجزء الأول من هذا المعيار في عام ١٩٩٩. أما الجزء الثاني، الذي صدر في عام ٢٠٠٣، فقد أدخل امتدادات مثل الترميز الحسابي . يعتمد جوهر معيار JPEG LS على خوارزمية LOCO-I، [ ١٠ ] التي تعتمد على التنبؤ، ونمذجة البواقي ، والترميز السياقي للبواقي. ينبع معظم انخفاض تعقيد هذه التقنية من افتراض أن بواقي التنبؤ تتبع توزيعًا هندسيًا ثنائي الجانب (يُسمى أيضًا توزيع لابلاس المنفصل )، ومن استخدام رموز شبيهة برموز غولومب ، المعروفة بأنها مثالية تقريبًا للتوزيعات الهندسية. إلى جانب الضغط غير الفاقد للبيانات، يوفر معيار JPEG LS أيضًا وضعًا فاقدًا للبيانات ("شبه فاقد للبيانات") حيث يمكن للمُشفِّر التحكم في الحد الأقصى للخطأ المطلق.

أداء

  • تُعد عملية الضغط لملفات JPEG LS أسرع بكثير من JPEG 2000 وأفضل بكثير من معيار JPEG الأصلي غير الفاقد للبيانات.
  • يكون الضغط في JPEG LS أسوأ قليلاً بشكل عام من JPEG 2000، لكن هذا يعتمد بشكل كبير على محتوى الصورة.
  • عادةً ما يكون فك الضغط لملفات JPEG LS أسرع بكثير من JPEG 2000، ولكن هذا يعتمد على تطبيقات برنامج فك التشفير الدقيقة.
    • هذا البيان صحيح بالنسبة للتطبيقات مفتوحة المصدر.

دعم التطبيقات

خوارزمية LOCO-I

قبل عملية الترميز، هناك خطوتان أساسيتان يجب القيام بهما في مرحلة النمذجة: فك الارتباط (التنبؤ) ونمذجة الخطأ .

فك الارتباط/التنبؤ

في خوارزمية LOCO-I، يتم الكشف الأولي عن الحواف الأفقية أو الرأسية بفحص البكسلات المجاورة للبكسل الحالي X، كما هو موضح في الشكل  3. يُستخدم البكسل المُشار إليه بالحرف B في حالة الحواف الرأسية، بينما يُستخدم البكسل الموجود عند الحرف A في حالة الحواف الأفقية. يُطلق على هذا المُتنبئ البسيط اسم مُتنبئ الكشف عن الحواف الوسيطة (MED) [ 11 ] أو مُتنبئ LOCO-I. يتم التنبؤ بالبكسل X بواسطة مُتنبئ LOCO-I وفقًا للتخمينات التالية: X={مين(أ،ب)لو ج≥الأعلى(أ،ب)،الأعلى(أ،ب)لو ج≤مين(أ،ب)،أ+ب-جخلاف ذلك.{\displaystyle X={\begin{cases}\min(A,B)&{\text{إذا كان}}\ C\geq \max(A,B),\\\max(A,B)&{\text{إذا كان}}\ C\leq \min(A,B),\\A+BC&{\text{فيما عدا ذلك}}.\end{cases}}}

يتم اختيار المتنبئات البسيطة الثلاثة وفقًا للشروط التالية: (1)  يميل إلى اختيار B في الحالات التي توجد فيها حافة عمودية على يسار X، (2)  A في حالات وجود حافة أفقية فوق X، أو (3) A + B − C إذا لم يتم اكتشاف أي حافة.

نمذجة السياق

تقوم خوارزمية JPEG LS بتقدير التوقعات الشرطية لأخطاء التنبؤهـ{هـ|جتx}{\displaystyle E\{e\mid Ctx\}}باستخدام متوسطات العينة المقابلةهـ¯(ج){\displaystyle {\bar {e}}(C)}ضمن كل سياق Ctx . يهدف نمذجة السياق إلى استغلال البنى ذات الرتبة الأعلى، مثل أنماط النسيج والنشاط الموضعي للصورة، من خلال نمذجة خطأ التنبؤ في سياق الصورة. تُحدد السياقات من خلال الحصول على فروق العينات المتجاورة التي تمثل التدرج الموضعي . ز1=د-ب،ز2=ب-ج،ز3=ج-أ.{\displaystyle {\begin{aligned}g_{1}&=DB,\\g_{2}&=BC,\\g_{3}&=CA.\end{aligned}}}

يعكس التدرج المحلي مستوى أنشطة مثل نعومة وحِدّة العينات المجاورة. تجدر الإشارة إلى أن هذه الاختلافات ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالسلوك الإحصائي لأخطاء التنبؤ. يتم بعد ذلك تكميم كل اختلاف من الاختلافات المذكورة في المعادلة أعلاه إلى مناطق مترابطة متساوية الاحتمال تقريبًا. بالنسبة لـ JPEG LS، يتم تكميم الاختلافات g1 و g2 و g3 إلى 9 مناطق، ويتم ترقيم هذه المناطق من -4 إلى 4. يهدف التكميم إلى تعظيم المعلومات المتبادلة بين قيمة العينة الحالية وسياقها بحيث يمكن التقاط التبعيات عالية الرتبة. يمكن الحصول على السياقات بناءً على الافتراض التالي: P(هـ|جتx=[q1،q2،q3])=P(-هـ|جتx=[-q1،-q2،-q3]).{\displaystyle P(e\mid Ctx=[q_{1},q_{2},q_{3}])=P(-e\mid Ctx=[-q_{1},-q_{2},-q_{3}]).}

بعد دمج سياقات الإشارات الإيجابية والسلبية، يصبح العدد الإجمالي للسياقات هو((2×4+1)3+1)/2=365{\displaystyle {\big (}(2\times 4+1)^{3}+1{\big )}/2=365}في سياقات مختلفة، يمكن الحصول على تقدير للتحيز بقسمة أخطاء التنبؤ التراكمية ضمن كل سياق على عدد مرات حدوث هذا السياق. في خوارزمية LOCO-I، تم تعديل هذه العملية وتحسينها لتقليل عدد عمليات الجمع والطرح. وقد أوضحت مختبرات HP إجراء حساب التحيز بدون قسمة. [ 12 ] بعد ذلك، يمكن تحسين التنبؤ بتطبيق هذه التقديرات في آلية تغذية راجعة تعمل على إزالة تحيزات التنبؤ في مختلف السياقات.

بواقي التنبؤ المصححة بالترميز

في الوضع العادي لـ JPEG LS، يستخدم المعيار رموز غولومب-رايس ، وهي طريقة لترميز أطوال التشغيل غير السالبة. وتتيح حالته الخاصة، بقيمة الترميز المثلى 2k، إجراءات ترميز أبسط.

ترميز طول التشغيل في مناطق موحدة

نظرًا لأن رموز غولومب-رايس غير فعالة نسبيًا في ترميز التوزيعات ذات الإنتروبيا المنخفضة، حيث يبلغ معدل الترميز بتًا واحدًا على الأقل لكل رمز، فقد ينتج عنها تكرار كبير لأن المناطق الملساء في الصورة يمكن ترميزها بأقل من بت واحد لكل رمز. لتجنب تجاوز طول الترميز للإنتروبيا، يمكن استخدام امتداد الأبجدية الذي يرمز كتلًا من الرموز بدلًا من ترميز الرموز الفردية. هذا يوزع طول الترميز الزائد على العديد من الرموز. هذا هو وضع "التشغيل" في JPEG LS، ويتم تنفيذه عند اكتشاف منطقة سياق مسطحة أو ملساء تتميز بتدرجات صفرية. من المتوقع وجود سلسلة من الرموز "a"، وتنتهي السلسلة عند ظهور رمز جديد أو الوصول إلى نهاية السطر. يتم ترميز السلسلة كاملةً، ثم يعود المُشفِّر إلى الوضع "العادي".

JPEG 2000

يتضمن معيار JPEG 2000 وضعًا بدون فقدان للبيانات يعتمد على مرشح موجي عددي خاص (ثنائي التعامد 3/5). يعمل وضع JPEG 2000 بدون فقدان للبيانات ببطء أكبر، وغالبًا ما تكون نسب ضغطه أسوأ من معيار JPEG LS على الصور الاصطناعية والمركبة [ 13 ] [ 14 ] ، ولكنه يتفوق على تطبيق UBC لمعيار JPEG LS على صور الكاميرات الرقمية [ 15 ] . كما يتميز معيار JPEG 2000 بقابليته للتوسع، وتدرجه، وانتشاره الواسع.

JPEG XT

يتضمن JPEG XT وضع تحويل DCT من عدد صحيح إلى عدد صحيح بدون فقدان يعتمد على ضغط الموجات من JPEG 2000.

JPEG XL

يتضمن JPEG XL وضعًا بدون فقدان/شبه بدون فقدان/متجاوب يسمى Modular والذي يستخدم اختياريًا تحويل Haar معدل (يسمى "squeeze") ويستخدم أيضًا لترميز صورة DC (مقياس 1:8) في وضع VarDCT بالإضافة إلى صور مساعدة متنوعة مثل حقول التكميم التكيفي أو قنوات إضافية مثل ألفا . [ 16 ]

مراجع

  1. ↑ مورتشيسون، كين (4 أبريل 1999). "دعم JPEG بدون فقدان للبيانات لمكتبة libjpeg" . مجموعة الأخبار : comp.protocols.dicom . يوزنت: 372618DE.969A19D9@oceana.com . تاريخ الاسترجاع: 12 ديسمبر 2017 .  أبدى عدد من الأشخاص اهتمامًا بالرقعة البرمجية التي قمتُ بتطويرها والتي تضيف دعمًا لملفات JPEG بدون فقدان للجودة (وفقًا للمواصفات الأصلية - وليس JPEG-LS) إلى مكتبة libjpeg الإصدار 6b. وقد قررتُ إتاحة هذه الرقعة عبر موقعي على بروتوكول نقل الملفات (FTP).
  2. ↑ "JPEG – JPEG XT" . jpeg.org .
  3. ↑ بينيباكر، دبليو بي؛ ميتشل، جيه إل (1993). معيار ضغط بيانات الصور الثابتة JPEG . نيويورك: فان نوستراند رينهولد. ISBN 978-0-442-01272-4.
  4. ↑ ITU-T. ISO DIS 10918-1 الضغط الرقمي وتشفير الصور الثابتة ذات التدرج اللوني المستمر (JPEG). التوصية T.81.
  5. ↑ والاس، سي كيه (1992). "معيار ضغط الصور الثابتة JPEG". معاملات IEEE في الإلكترونيات الاستهلاكية . 38 (1): xviii– xxxiv. Bibcode : 1992ITCE...38D..18W . CiteSeerX 10.1.1.318.4292 . doi : 10.1109/30.125072 . 
  6. ↑ "الصفحة الرئيسية لمختبرات HP LOCO-I/JPEG-LS" . شركة تطوير هيوليت-باكارد. 13 مايو 2005. تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أكتوبر 2011 .
  7. ↑ "T.87: تكنولوجيا المعلومات - ضغط الصور الثابتة ذات التدرج اللوني المستمر بدون فقدان أو بضغط شبه بدون فقدان - خط الأساس" . الاتحاد الدولي للاتصالات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 أكتوبر 2011 .
  8. ↑ MJ Weinberger، G. Seroussi، و G. Sapiro، "LOCO-I: خوارزمية ضغط صور منخفضة التعقيد، قائمة على السياق، وغير ضائعة"، في وقائع مؤتمر ضغط البيانات لعام 1996، سنو بيرد، يوتا، مارس 1996، ص 140-149.
  9. ↑ م. واينبرغر، ج. سيروسي، وج. سابيرو، "خوارزمية ضغط الصور بدون فقدان LOCO-I: المبادئ والتوحيد القياسي في JPEG-LS"، مجلة IEEE لمعالجة الصور، المجلد 9، العدد 8، الصفحات 1309-1324، أغسطس 2000، نُشرت في الأصل كتقرير فني من مختبرات هيوليت-باكارد رقم HPL-98-193R1، نوفمبر 1998، وتمت مراجعتها في أكتوبر 1999. متوفرة من.
  10. ↑ http://www.hpl.hp.com/loco/HPL-98-193R1.pdf مؤرشف بتاريخ ٢٦ ديسمبر ٢٠١٩ في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) خوارزمية LOCO-I
  11. ↑ ميمون، ناصر د.؛ وو، شياولين؛ سيبي، ف.؛ وميلر، ج. (1997). "توسيع ترميز النطاقات لمعيار JPEG الجديد غير المضغوط". في: بيموند، جان؛ وديلب الثالث، إدوارد ج. (محرران). الاتصالات المرئية ومعالجة الصور 97. وقائع SPIE. المجلد 3024. الصفحات 47-58 . Bibcode : 1997SPIE.3024...47M . doi : 10.1117/12.263270 . S2CID 58232715 .   
  12. ↑ "الصفحة الرئيسية لمختبرات HP LOCO-I/JPEG-LS" . شركة تطوير هيوليت-باكارد. 2009. مؤرشف من الأصل بتاريخ 2022-08-20.
  13. ↑ "نسخة مؤرشفة" (PDF) . مؤرشفة من الأصل (PDF) بتاريخ 2006-07-02 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 2006-06-17 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  14. ↑ "نسخة مؤرشفة" . مؤرشفة من الأصل بتاريخ 22-02-2007 . تم الاطلاع عليها بتاريخ 07-02-2007 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title ( link )
  15. ↑ "معيار ضغط الصور بدون فقدان" . imagecompression.info .
  16. ^ ألاكويجالا، جيركي؛ فان أسيلدونك، رود؛ بوكرت، سامي؛ زابادكا، زولتان؛ بروس، مارتن. كومسا، يوليا ماريا؛ فيرشينج، موريتز؛ فيشباخر، توماس؛ كليوتشنيكوف، إيفجيني؛ جوميز، سيباستيان. أوبريك، روبرت؛ بوتيمبا، كرزيستوف؛ راتوشنياك، الكسندر؛ سنيرز، جون؛ زابادكا، زولتان؛ فاندرفين، لود؛ فيرساري، لوكا؛ فاسنبرغ، يناير (6 سبتمبر 2019). “الجيل القادم من بنية ضغط الصور وأدوات الترميز في JPEG XL”. في تيشر، أندرو جي؛ ابراهيمي، توراج (محرران). تطبيقات معالجة الصور الرقمية XLII . المجلد. 11137. ص. 20. بيب كود : 2019SPIE11137E..0KA . دوى : 10.1117/12.2529237 . رقم ISBN   9781510629677.