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JPEG 2000 も JPEG と同様、ある画素の状態(明るさや色)は周囲の状態との類似性が高いという画像の性質を利用して圧縮するため、一度画像を空間領域から[[周波数領域]](波の[[状態]])に変換する。この周波数変換する手法としてJPEGでは[[離散コサイン変換]](DCT: Discrete Cosine Transform)を用いたが、JPEG 2000では[[離散ウェーブレット変換]] (DWT: Discrete Wavelet Transform) を用いる。ウェーブレットとはさざなみのことである。
周波数領域に変換後のデータは JPEG と同様、[[量子化]]してから[[エントロピー符号化]]を行う。このエントロピー符号化の方式は、 EBCOT (Embedded Block Coding with Optimized Truncation) と呼ばれる。EBCOTでは、DWT変換係数上に定義された矩形領域であるコードブロック単位で符号化が行われる。各コードブロックは[[ビットプレーン]]に分解され、係数ビットモデリング処理によって、高々3つの符号化パス(サブビットプレーン)に分類される。それぞれのサブビットプレーンに属する係数ビットは、2値画像圧縮方式のJBIG2 (Joint Bilevel Image Group) でも利用されているMQ-Coderと呼ばれる[[算術符号]]化器を用いて圧縮される。MQ-coderはマルチコンテクストの算術符号化器であり、注目係数の周囲状態に合わせて効率良くデータ圧縮が可能である。JPEGで用いた[[ハフマン符号]]に比べ、算術符号は圧縮効率が高い一方、その実行には一般に乗算器を必要とするため演算量が増加することが知られている。MQ-coderではこの乗算を加減算で近似することによって、この問題を回避している。
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