Présentation

Article

1 - DÉVELOPPEMENT ET OBJECTIFS VISÉS

2 - CONCEPTS DE BASE

3 - PRINCIPALES FONCTIONNALITÉS DE JPEG 2000

4 - CHAÎNE DE CODAGE

5 - CONCLUSION

6 - ABRÉVIATIONS ET ACRONYMES

Article de référence | Réf : TE5320 v1

Concepts de base
JPEG 2000, format de compression d'image numérique par ondelettes - Principes

Auteur(s) : Jean-Noël GOUYET, Christophe NELSON, Marc LEGER

Date de publication : 10 févr. 2016

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Sommaire

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RÉSUMÉ

Cet article décrit le format de compression d’images numériques, JPEG2000. Après une courte histoire de son développement et un résumé des objectifs visés, il rappelle les principes de la transformée en ondelettes et de son application au codage d’une image. Les principales fonctionnalités du format sont ensuite détaillées, ainsi que les fonctions et les techniques mises en œuvre dans la chaîne de codage.

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ABSTRACT

JPEG 2000. A wavelet-based digital picture compression format

This article describes the JPEG2000 picture compression format. After a short background and a summary of the objectives of JPEG2000, a basic reminder on the principles of the wavelet transform and its application to picture coding is given. The main functionalities of the format are then detailed along with the functions and techniques implemented in the coding chain.

Auteur(s)

  • Jean-Noël GOUYET : Ingénieur-formateur et consultant en techniques et gestion des médias numériques. - Ancien chargé d'études à la Direction de la recherche de l'INA (Institut national de l'audiovisuel)

  • Christophe NELSON : Formateur en techniques numériques vidéo Ina EXPERT

  • Marc LEGER : Diplômé de l'École nationale supérieure Louis-Lumière - Opérateur de prise de vues - Ingénieur vision - Responsable de filière formation aux techniques vidéo Ina EXPERT

INTRODUCTION

Lorsqu'on aborde le sujet de la compression d'images, la première norme qui vient à l'esprit est JPEG. Créée en 1991, cette norme est toujours en effet l'une des plus utilisées dans le domaine de la compression d'images photographiques. Elle s'avère d'ailleurs encore aujourd'hui très efficace lorsqu'elle est utilisée à des taux de compression faibles ou moyens, mais la piètre qualité des images obtenues à des taux de compression plus élevés ainsi que son manque de flexibilité et de fonctionnalités témoignent de son incapacité à satisfaire toutes les exigences des applications, en particulier professionnelles, d'aujourd'hui. C'est à partir de ce constat qu'a été élaboré en 2000, le format de compression d'images JPEG 2000.

Ce dossier comprend deux articles indissociés.

Ce premier article [TE 5 320] présente :

  • un court historique ;

  • les objectifs visés par son développement ;

  • les concepts de base de la transformée en ondelettes DWT (Discrete Wavelet Transform) ;

  • les principales fonctionnalités ;

  • les fonctions et les techniques utilisées dans la chaîne de codage JPEG 2000.

Et dans le deuxième article [TE 5 322] :

  • la famille de normes JPEG 2000 ;

  • les formats-conteneurs utilisés pour encapsuler, stocker ou transporter des images codées en JPEG 2000 ;

  • les performances vis-à-vis de JPEG et d'autres codecs pour images fixes ou animées ;

  • les applications dans les domaines de l'imagerie numérique, du cinéma numérique et de la vidéo, en particulier dans les domaines de l'archivage et de la distribution.

La section consacrée aux ondelettes adopte une approche « physico-pratique » et non mathématique, pour permettre de comprendre d'une part la richesse des fonctionnalités induites, avec en particulier une scalabilité intrinsèque en qualité et/ou en résolution d'image, et d'autre part les performances atteintes en comparaison avec les autres codecs d'images utilisant la transformée DCT (Discrete Cosine Transform).

De nombreux termes et le texte de certaines figures ont été conservés en anglais (en italique dans le texte), de manière à faciliter la lecture et l'utilisation de documents techniques. De nombreuses références, des listes de normes, standards et recommandations ainsi que d'organismes, sont fournies dans le document « Pour en savoir plus ».

Une liste des abréviations et acronymes est disponible en fin d'article (§ 6).

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KEYWORDS

wavelets   |   Discrete Wavelet Transform DWT   |   entropy coding   |   picture compression   |   coding   |   container-formats

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-te5320


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2. Concepts de base

Le principe de la compression d'une image numérique repose sur le passage d'une matrice de valeurs de luminosité des pixels à une matrice de coefficients traduisant des fréquences visuelles, c'est-à-dire des variations de pixels à pixels, permettant de coder des zones « plates » plus homogènes ou des zones de détails. C'est l'analyse de cette dernière matrice qui permettra d'éliminer la redondance et donc de réduire le volume de données. Cette opération portant sur des nombres et leurs relations, deux outils mathématiques sont utilisés :

  • la transformée DCT (Discrete Cosine Transform ), basée sur l'analyse de Fourier, analyse et traite l'image par blocs de pixels ; elle est utilisée par la presque totalité des formats de compression d'images (de type JPEG, MPEG...) ;

  • la transformée DWT (Discrete Wavelet Transform ) qui analyse et traite simultanément l'ensemble des pixels de l'image ; elle est utilisée par JPEG 2000 et quelques autres codecs tels que Dirac (SMPTE VC-2), CineForm (SMPTE VC-5)...

Pour faciliter l'analyse de l'image, JPEG 2000 procède d'abord à une structuration de l'image-source, selon le modèle décrit ci-après.

2.1 Structure et paramètres de l'image-source

HAUT DE PAGE

2.1.1 Modèle de l'image

Du point de vue du codec (codeur/décodeur ou compresseur/décompresseur), une image est composée d'une ou plusieurs composantes, jusqu'à une limite de 214 (figure 1 a et ). Par exemple, une image couleur RVB a 3 composantes. Une image en niveaux de gris n'a qu'une seule composante. Chaque composante (figure 1 b ) consiste en une matrice rectangulaire d'échantillons. Les valeurs des échantillons pour chaque composante sont des nombres entiers, signés (±) ou non, avec une précision de 1 à 38 bits...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - ELSEVIER -   Special issue on JPEG 2000.  -  Signal Processing : Image Communication, vol. 17, issue 1, janv. 2002.

  • (2) - SCHELKENS (P.), SKODRAS (A.), EBRAHIMI (T.) -   The JPEG 2000 suite.  -  Wiley, ISBN-13:978-0470721476, sept. 2009 http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/ productCd-0470721472.htmlhttp://www.amazon.com/gp/product/ 0470721472?ie=UTF8&tag=jpeg-20&linkCode=as2&camp=1789&creative= 9325&creativeASIN=0470721472

  • (3) - TAUBMAN (D.), MARCELLIN (M.) -   JPEG 2000 : image compression fundamentals, standards and practice.  -  Kluwer, International Series in Engineering and Computer Science, ISBN-13:978-0792375197, nov. 2001 http://www.springer.com/computer/ image+processing/book/978-0-7923-7519-7http://www.amazon.com/JPEG2000- Compression-Fundamentals-International- Engineering/dp/079237519X/ ref=pd_cp_b_0/191-3597340-7040716

  • (4) - DESCAMPE (A.), MACE (F.) -   The JPEG 2000 standard.  -  intoPIX/INA Training, mars 2013.

  • (5) - RABBANI (M.), SANTA CRUZ (D.) -   The JPEG 2000 still-image compression standard.  -  Kodak,...

NORMES

  • Fichiers d'exploitation et d'échange des œuvres cinéma - CST-RT021-part1:2013 - 2013

  • Specification Format Mezzanine - CST-RT021-part2:2013 - 2013

  • Digital Cinema System Specification Version 1.2 10 october 2012 http://www.dcimovies.com/DCIDigitalCinemaSystemSpecv1_2.pdf - DCI 2005-2012 - 2012

  • Digital Video Broadcasting (DVB); Specification for the use of Video and Audio Coding in Broadcasting Applications based on the MPEG-2 Transport Stream http://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/101100_101199/101154/02.01.01_60/ts_101154v020101p.pdf - ETSI TS 101 154 V2.1.1 (2015-03) - 2015

  • Information technology – Digital compression and coding of continuous-tone still images – Requirements and guidelines - ISO/IEC 10918:1994 - 1994

  • Information technology – Generic coding of moving pictures and associated audio information – Part 1 : Systems - ISO/IEC 13818-1:2013 - 2013

  • Transport of JPEG 2000 Part 1 (ITU-T Rec T.800|ISO/IEC 15444-1) video over ITU-T Rec H.222.0|ISO/IEC 13818-1 (Revised by ISO/IEC 13818-1:2013) - ...

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