Compression JPEG

La compression JPEG

Objectifs:

Les donnees video et audio coutent souvent cher en termes de stockage et de debit sur un reseau. Ainsi en TVNUM on a un debit initial de 216Mb/s.

Le taux de compression des methodes entropiques (ou sans pertes: Huffman, Arithmetic, LZW) n'est pas suffisant pour repondre a ces problemes, en particulier lorsque l'image n'est pas trop "plate", i.e. a des niveaux de gris avec des probabilites partagees, n'a pas trop de plages uniformes...

1. Qu'est-ce que JPEG?

"Joint Photographic Expert Group". Adoptee comme norme internationale en 1992.
Peut traiter des images en couleurs ou en niveaux de gris, de types divers: imagerie medicale, satellite, etc.

2. Principe de la norme JPEG

Codage

Decodage -- Ordre inverse

3. Les etapes principales

DCT (Discrete Cosine Transformation, Transformee en Cosinus Discret)
Quantification
Lecture Zigzag
Codage direct de la composante DC (~ moyenne du bloc 8x8)
RLE sur les composants AC (Run Length Encoding: on associe les n-uplets de coefficients nuls avec le premier coefficient non nul suivant)
Codage entropique de type VLC (Variable Length Coding)

3a. Transformee en Cosinus Discret (DCT)

Principe:

Definition (DCT 8 point):

Composantes DC and AC (pour Direct et Alternative)

Composante DC

F(0,0)

C'est la valeur moyenne des niveaux du bloc

Composantes AC

Il reste 63 composantes de ce type

Cela represente les amplitudes des frequences spatiales horizontales et verticales dans le bloc. Plus on va vers les dernieres composantes, plus cela concerne des frequences elevees.

3b. Quantification

Pourquoi? -- Pour comprimer
Exemple: 8 bits codent 256 niveaux

C'est la raison principale de la compression et des pertes!

Quantification uniforme

On divise par la constante N et on arrondit le resultat.

Tables de quantification

Dans JPEG, chaque F[u,v] est divise par une constante q(u,v), le pas de quantification du niveau DCT correspondant.
La table des q(u,v) est appelee matrice de quantification.

----------------------------------
16  11  10  16  24   40   51   61
12  12  14  19  26   58   60   55
14  13  16  24  40   57   69   56
14  17  22  29  51   87   80   62
18  22  37  56  68   109  103  77
24  35  55  64  81   104  113  92
49  64  78  87  103  121  120  101
72  92  95  98  112  100  103  99
----------------------------------
Exemple de matrice de quantification

L'oeil est plus sensible aux basses frequences (coin en haut a gauche) qu'aux hautes frequences (coin en bas a droite).
La norme definit deux tables de quantification utilisable par defaut, une pour la luminance (ci-dessus), l'autre pour la chrominance.
On peut neanmoins personnaliser les tables de quantification et le signaler dans l'en-tete de l'image.

3c. Lecture Zigzag

Pourquoi? -- Pour rassembler les faibles niveaux DCT.
Transforme un bloc 8x8 en un bloc 1x64

3d. Differential Pulse Code Modulation (DPCM) sur la composante DC

La composante DC peut varier souvent et dans de grands intervalles, mais elle est souvent proche de la valeur DC du bloc precedent.
On code la difference par rapport au bloc 8x8 precedent -- DPCM

3e. Run Length Encode (RLE) sur les composantes AC

Le vecteur 1x64 contient beaucoup de zeros (c'est le but!).
On code des paires (skip, value), ou skip est le nombre de zeros et ou value est la valeur de la composante AC non nulle suivant immediatement la chaine de zeros dans l'ordre de lecture Zigzag.
Pour les derniers 0 du bloc, non suivis d'une valeur non nulle, on envoie un End Of Block.

3f. Codage Entropique (sans perte)

Apres l'encodage DPCM et RLE, on code les valeurs obtenues a l'aide d'un Variable Length Code: Huffman.

4. Organisation du flux binaire JPEG

"Frame" = image, "scan" = une passe sur tous les pixels (par exemple la composante rouge de l'image), "segment" = groupe de blocs, "block" = bloc 8x8 de pixels.
Frame header:

Scan header:

5. Differents modes JPEG

Baseline/Sequential -- celui presente precedemment
Lossless - cas particulier de codage sans perte
Progressive Mode

Objectif: afficher des images basse qualite et les ameliorer par etapes.
Deux facons d'ameliorer des images par etapes:

Spectral selection: On envoie en premier la composante DC, puis quelques premiers coefficients AC, un peu plus de coefficients AC, etc.
Successive approximation: On envoie en premier les MSB des coefficients de la DCT (Most Significant Bit) jusqu'aux LSB en dernier (Least Significant Bit).

"Motion JPEG, MJPEG" -- JPEG Baseline applique a chaque image d'une video. C'est un standard et non une norme (a la difference de MPEG2). Utilise en production TV.