JPEG

3. 기술적 특징

JPEG는 이산 코사인 변환(DCT)을 기반으로 하는 손실 압축 방식을 사용한다. 압축 과정은 RGB 색상 모델에서 YCbCr로의 색 공간 변환, 크로마 서브샘플링, DCT, 양자화, 엔트로피 부호화 등의 단계로 이루어진다. 사람의 눈은 색상 정보보다 휘도 정보에 더 민감하므로, 색상 정보를 더 많이 압축한다. 양자화 단계에서 고주파 성분을 제거하거나 줄여 파일 크기를 줄이지만, 화질 저하가 발생할 수 있다. 엔트로피 부호화 단계에서는 허프만 부호화 또는 산술 부호를 사용하여 데이터를 압축한다.

JPEG 압축 알고리즘은 부드러운 색상 및 톤 변화가 있는 사진과 그림에 가장 적합하다. 웹에서는 이미지 데이터 양을 줄이는 것이 중요하므로 JPEG의 압축 이점이 널리 활용된다. JPEG/Exif는 디지털 카메라에서 가장 일반적인 형식이다.

하지만 JPEG는 선화, 텍스트, 아이콘 그래픽에는 적합하지 않다. 인접 픽셀 간의 날카로운 대비로 인해 눈에 띄는 결함이 발생할 수 있다. 또한, 손실 압축 방식이므로 이미지 데이터를 정확하게 재현해야 하는 과학 및 의료 영상, 이미지 처리 작업에는 부적합하다. JPEG는 여러 번 편집할 파일에도 적합하지 않은데, 이미지를 다시 압축할 때마다 품질이 손실되기 때문이다.

JPEG는 이미지를 8×8 화소 블록으로 분할하고, 블록 단위로 DCT를 사용하여 공간 영역에서 주파수 영역으로 변환한다. 이후 양자화 비트 수를 줄여 정보량을 감소시킨 후, 허프만 부호를 이용한 엔트로피 부호화로 압축한다.^[88]

주파수 영역 변환 시 저주파 성분에 에너지가 집중되는 점을 이용하여, 양자화 비트 수 감소로 정보량을 줄이고 엔트로피 부호화의 압축률을 높인다. JPEG는 양자화 매트릭스라는 계수표를 사용하여 저주파 성분보다 고주파 성분을 더 거칠게 양자화한다.

엔트로피 부호화에는 허프만 부호가 사용된다. 허프만 부호는 처리가 단순하여 연산량이 적고, 예상되는 데이터가 입력되면 높은 압축률을 보인다.

3. 1. 압축 과정

3. 2. 압축 해제 과정

• 26 & -3 & -6 & 2 & 2 & -1 & 0 & 0 \\

• 3 & 1 & 5 & -1 & -1 & 0 & 0 & 0 \\
• 3 & 1 & 2 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\

• 416 & -33 & -60 & 32 & 48 & -40 & 0 & 0 \\

• 42 & 13 & 80 & -24 & -40 & 0 & 0 & 0 \\
• 42 & 17 & 44 & -29 & 0 & 0 & 0 & 0 \\

• $\backslash \; x$는 픽셀 행이며, 정수 이다.
• $\backslash \; y$는 픽셀 열이며, 정수 이다.
• $\backslash \; \backslash alpha(u)$는 앞에서 정의한 정규화 스케일 팩터이며, 정수 이다.
• $\backslash \; F\_\{u,v\}$는 좌표 $\backslash \; (u,v).$에서 근사된 DCT 계수이다.
• $\backslash \; f\_\{x,y\}$는 좌표 $\backslash \; (x,y)$에서 재구성된 픽셀 값이다.

• 66 & -63 & -71 & -68 & -56 & -65 & -68 & -46 \\
• 71 & -73 & -72 & -46 & -20 & -41 & -66 & -57 \\
• 70 & -78 & -68 & -17 & 20 & -14 & -61 & -63 \\
• 63 & -73 & -62 & -8 & 27 & -14 & -60 & -58 \\
• 58 & -65 & -61 & -27 & -6 & -40 & -68 & -50 \\
• 57 & -57 & -64 & -58 & -48 & -66 & -72 & -47 \\
• 53 & -46 & -61 & -74 & -65 & -63 & -62 & -45 \\
• 47 & -34 & -53 & -74 & -60 & -47 & -47 & -41

• 10 & -10 & 4 & 6 & -2 & -2 & 4 & -9 \\

• 2 & 3 & 5 & 2 & -1 & -8 & 2 & -1 \\
• 3 & -2 & 1 & 3 & 4 & 0 & 8 & -8 \\

3. 3. 노이즈 (압축 부작용)

4. JPEG 파일 형식

JPEG 표준은 이미지를 바이트 스트림으로 압축하고 다시 이미지로 압축 해제하는 방법을 정의하는 코덱을 지정하지만, 해당 스트림을 포함하는 데 사용되는 파일 형식은 지정하지 않는다.^[19] JPEG 압축 이미지를 교환하는 데 사용되는 일반적인 파일 형식으로는 Exif 및 JFIF 표준이 있다.

JPEG 표준은 공식적으로 ''정보 기술 – 연속 톤 정지 화상의 디지털 압축 및 코딩''으로 명명되었으며, ISO/IEC 10918은 다음 부분으로 구성된다.

"JPEG 교환 형식"(JIF)으로 알려진 파일 형식은 표준의 부록 B에 명시되어 있다. 그러나 이 "순수한" 파일 형식은 표준의 모든 측면을 완전히 구현하는 인코더 및 디코더 프로그래밍의 어려움과 표준의 특정 단점 때문에 거의 사용되지 않는다.

• 색 공간 정의
• 구성 요소 서브 샘플링 등록
• 픽셀 종횡비 정의

5. JPEG 표준의 확장 및 파생 형식

JPEG는 여러 확장 및 파생 형식을 가지고 있다.

• JPEG 2000: 2000년에 발표된 이산 웨이블릿 변환(DWT) 기반의 새로운 이미지 압축 표준이다. 기존 JPEG 표준을 대체하기 위해 개발되었으며, 압축 효율이 더 높고 최대 38비트/색상 채널, 16384 채널, 알파 투명도 코딩, 수십억 × 수십억 픽셀 이미지 지원, 무손실 압축 등 다양한 기능을 제공한다.^[78]
• JPEG XT: 2015년에 발표된 JPEG 확장 형식으로, 더 높은 비트 심도(최대 16비트), HDR(High Dynamic Range), 무손실 압축, 알파 채널 코딩 등을 지원한다. 기본 JPEG/JFIF 파일 형식과 하위 호환된다.^[79]
• JPEG LS: 1993년에 시작되어 ISO-14495-1/ITU-T.87로 출판된 저복잡도 무손실/준무손실 압축 표준이다. JPEG의 기존 무손실 구현보다 효율적이며, 무손실에 가까운 손실 모드도 제공한다.
• JPEG XL: 2021~2022년에 발표된 JPEG의 차세대 형식으로, 압축 효율 향상 및 다양한 기능 지원을 목표로 개발되었다. 기존 JPEG 이미지의 효율적인 트랜스코딩을 지원하며, HEIF HM, Daala, WebP보다 뛰어난 정지 이미지 압축 성능을 제공한다. 수십억 픽셀 이미지, 최대 32비트/성분 HDR, 합성 이미지 패치 인코딩, 애니메이션 이미지, 알파 채널 코딩 등을 지원한다.^{[80][81][82][83][84]}
• JPEG 스테레오스코픽 (JPS): 3D 이미지 저장을 위한 형식으로, 스테레오스코픽 이미지를 위한 JPEG 기반 형식이다.^[61][62] 하나의 JPG 파일에 왼쪽 눈과 오른쪽 눈을 위한 두 개의 정적 이미지가 나란히 인코딩되어 있다.

• JPEG 멀티 픽처 형식 (MPO): 여러 이미지를 하나의 파일에 저장하기 위한 형식으로, 두 개 이상의 JPEG 파일을 연결하여 저장한다.^[64][65] 후지필름 파인픽스 리얼 3D W1, HTC 에보 3D, 닌텐도 3DS 등 다양한 장치에서 3D 이미지를 저장하는 데 사용된다.

6. 구현

libjpeg는 JPEG 코덱의 대표적인 오픈 소스 구현체이다. 1991년에 처음 공개되었으며 JPEG 표준의 성공에 핵심적인 역할을 했다.^[68] 2009년 버전 7에서 이전 버전과의 ABI 호환성이 깨졌고, 2010년 버전 8은 비표준 확장을 도입하여 비판을 받았다.^[69]

libjpeg-turbo는 libjpeg를 기반으로 SIMD 최적화를 통해 성능을 향상시킨 구현체이다.^[70][71] 2019년에는 ISO/IEC 및 ITU-T T.873 참조 구현이 되었다.^[72]

모질라는 libjpeg-turbo를 기반으로 더 느리지만 더 높은 품질의 인코더인 '''MozJPEG'''를 개발했다.^[75]

구글은 압축률을 높이는 데 중점을 둔 고품질 JPEG 인코더인 Guetzli를 개발했다.^[76] 구글은 Guetzli가 고품질 JPEG 이미지의 파일 크기를 35% 줄일 수 있다고 주장한다.^[91]

2024년 4월, 구글은 코딩 속도는 MozJPEG와 유사하며 고품질 압축 설정에서 35%의 압축률 향상을 제공하는 새로운 JPEG 코딩 라이브러리인 '''Jpegli'''를 도입했다.^[77]

참조

_[1] 웹사이트 Definition of "JPEG" http://www.collinsdi[...] 2013-05-23
_[2] 기술보고서 The effects of video compression on acceptability of images for monitoring life sciences experiments https://ntrs.nasa.go[...] 1992-07-01
_[3] 웹사이트 The JPEG Image Format Explained https://home.bt.com/[...] BT Group 2018-05-31
_[4] 웹사이트 Copy Protections Could Come to JPEGs https://www.bbc.co.u[...] 2015-10-15
_[5] 뉴스 JPEG: 25 Jahre und kein bisschen alt https://www.heise.de[...] 2016-10-07
_[6] 웹사이트 What Is a JPEG? The Invisible Object You See Every Day https://www.theatlan[...] 2013-09-24
_[7] 웹사이트 HTTP Archive – Interesting Stats http://httparchive.o[...]
_[8] 웹사이트 MIME Type Detection in Internet Explorer https://learn.micros[...] Microsoft 2016-07-13
_[9] 웹사이트 JPEG File Interchange Format http://www.jpeg.org/[...] 2014-09-03
_[10] 웹사이트 Why JPEG 2000 Never Took Off https://blog.ansi.or[...] 2018-07-10
_[11] 웹사이트 T.81 – DIGITAL COMPRESSION AND CODING OF CONTINUOUS-TONE STILL IMAGES – REQUIREMENTS AND GUIDELINES https://www.w3.org/G[...] CCITT 1992-09-01
_[12] 뉴스 Finding patent truth in JPEG claim https://www.cnet.com[...] 2002-07-23
_[13] 학술지 JPEG-1 standard 25 years: past, present, and future reasons for a success 2018-08-31
_[14] 웹사이트 ISO/IEC JTC 1/SC 29/WG 1 – Coding of Still Pictures (SC 29/WG 1 Structure) http://kikaku.itscj.[...] 2009-05-07
_[15] 웹사이트 Programme of Work, (Allocated to SC 29/WG 1) http://kikaku.itscj.[...]
_[16] 웹사이트 JTC 1/SC 29 – Coding of audio, picture, multimedia and hypermedia information http://www.iso.org/i[...]
_[17] 웹사이트 Joint Photographic Experts Group, JPEG Homepage http://www.jpeg.org/[...]
_[18] 웹사이트 T.81: Information technology – Digital compression and coding of continuous-tone still images – Requirements and guidelines http://www.itu.int/r[...]
_[19] 서적 JPEG still image data compression standard https://books.google[...] Springer
_[20] 웹사이트 JTC 1/SC 29 – Coding of audio, picture, multimedia and hypermedia information http://www.iso.org/i[...]
_[21] 웹사이트 SPIFF, Still Picture Interchange File Format https://www.loc.gov/[...] Library of Congress 2012-01-30
_[22] 보도자료 JPEG XR enters FDIS status: JPEG File Interchange Format (JFIF) to be standardized as JPEG Part 5 http://www.jpeg.org/[...] 2009-04-24
_[23] 웹사이트 JPEG File Interchange Format (JFIF) http://www.ecma-inte[...] Ecma International
_[24] 뉴스 Forgent's JPEG Patent https://pmt.sourcefo[...] 2002-01-01
_[25] 웹사이트 Concerning recent patent claims http://www.jpeg.org/[...] 2002-07-19
_[26] 웹사이트 JPEG and JPEG2000 – Between Patent Quarrel and Change of Technology http://www.algovisio[...]
_[27] 웹사이트 Graphics patent suit fires back at Microsoft https://www.cnet.com[...] CNET News 2005-04-22
_[28] 웹사이트 Trademark Office Re-examines Forgent JPEG Patent http://www.publish.c[...] 2006-02-03
_[29] 웹사이트 USPTO: Broadest Claims Forgent Asserts Against JPEG Standard Invalid http://www.groklaw.n[...] 2006-05-26
_[30] 웹사이트 Coding System for Reducing Redundancy http://gauss.ffii.or[...]
_[31] 웹사이트 JPEG Patent Claim Surrendered http://www.pubpat.or[...] Public Patent Foundation 2006-11-02
_[32] 웹사이트 Ex Parte Reexamination Certificate for U.S. Patent No. 5,253,341 http://www.uspto.gov[...]
_[33] 웹사이트 Rozmanith: Using Software Patents to Silence Critics http://eupat.ffii.or[...]
_[34] 웹사이트 A Bounty of $5,000 to Name Troll Tracker: Ray Niro Wants To Know Who Is saying All Those Nasty Things About Him http://www.law.com/j[...]
_[35] 웹사이트 Hunting trolls: USPTO asked to reexamine broad image patent https://arstechnica.[...] 2008-02-05
_[36] 문서 U.S. Patent Office – Granting Reexamination on 5,253,341 C1 commons:Image:2008-0[...]
_[37] 웹사이트 Judge Puts JPEG Patent On Ice http://www.techdirt.[...] 2008-04-30
_[38] 웹사이트 JPEG Patent's Single Claim Rejected (And Smacked Down For Good Measure) http://techdirt.com/[...] 2008-08-01
_[39] 웹사이트 Princeton Digital Image Corporation Home Page http://www.princeton[...]
_[40] 웹사이트 Article on Princeton Court Ruling Regarding GE License Agreement http://patentlaw.jmb[...] 2013-04-03
_[41] 웹사이트 Progressive Decoding Overview http://msdn.microsof[...] Microsoft
_[42] 웹사이트 12-bit JPEG encoder on GPU https://www.fastcomp[...] 2019-05
_[43] 웹사이트 Why You Should Always Rotate Original JPEG Photos Losslessly http://petapixel.com[...] 2012-08-14
_[44] 웹사이트 JFIF File Format as PDF http://www.w3.org/Gr[...]
_[45] 웹사이트 JPEG image compression FAQ http://www.faqs.org/[...] 1999-03-29
_[46] 웹사이트 Everything you need to know about JPEG files {{!}} Adobe https://www.adobe.co[...]
_[47] 웹사이트 A Standard Default Color Space for the Internet - sRGB https://www.w3.org/G[...]
_[48] 웹사이트 IEC 61966-2-1:1999/AMD1:2003 | IEC Webstore https://webstore.iec[...]
_[49] 웹사이트 ISO/IEC 10918-1: 1993(E) p.36 http://www.digicamso[...]
_[50] 웹사이트 Advanced Features: Compression parameter selection http://apodeline.fre[...]
_[51] 서적 E - Learning Modules: Dlr Associates Series https://books.google[...] AuthorHouse 2012-06-20
_[52] 웹사이트 DC / AC Frequency Questions - Doom9's Forum http://forum.doom9.o[...]
_[53] 웹사이트 Video compression artifacts and MPEG noise reduction http://www.videsignl[...] 2006-02-24
_[54] 웹사이트 ITU-T Rec. P.930 (08/96) Principles of a reference impairment system for video http://eu.sabotage.o[...]
_[55] 논문 JPEG standard uniform quantization error modeling with applications to sequential and progressive operation modes http://openaccess.uo[...] 2001-04
_[56] 논문 Further Lossless Compression of JPEG Images 2004-12-15
_[57] 논문 Additional Lossless Compression of JPEG Images 2005-09-15
_[58] 논문 Improved Redundancy Reduction for JPEG Files 2007-11-07
_[59] 논문 Lossless Re-encoding of JPEG images using block-adaptive intra prediction
_[60] 웹사이트 packjpg/packJPG https://github.com/p[...] 2023-02-19
_[61] 웹사이트 General Purpose Stereoscopic Data Descriptor http://vrex.com/deve[...] 1997
_[62] 웹사이트 JPS files http://ephehm.com/jp[...]
_[63] 웹사이트 CGImageSource.SupportedTypes https://www.mbsplugi[...] MonkeyBread Software
_[64] 웹사이트 Multi-Picture Format http://www.cipa.jp/s[...] 2009
_[65] 웹사이트 MPO2Stereo: Convert Fujifilm MPO files to JPEG stereo pairs http://www.mtbs3d.co[...]
_[66] 논문 A new fast matching method for adaptive compression of stereoscopic images http://iplab.dmi.uni[...] SPIE - Three-Dimensional Image Processing, Measurement (3DIPM), and Applications 2015
_[67] 웹사이트 Adaptive Compression of Stereoscopic Images http://iplab.dmi.uni[...] International Conference on Image Analysis and Processing (ICIAP) 2013
_[68] 웹사이트 Overview of JPEG http://jpeg.org/jpeg
_[69] 웹사이트 jpeg-9, API/ABI compatibility, and the future role of this project https://lists.fedora[...] 2013-01-16
_[70] 웹사이트 Software That Uses or Provides libjpeg-turbo http://libjpeg-turbo[...] 2012-02-09
_[71] 웹사이트 Issue 48789 – chromium – Use libjpeg-turbo instead of libjpeg http://code.google.c[...] 2011-04-14
_[72] 웹사이트 ISO/IEC 10918-7: 2019 Information technology — Digital compression and coding of continuous-tone still images — Part 7: Reference software https://www.iso.org/[...] 2022-05-07
_[72] 웹사이트 T.873 (05/19): Information technology - Digital compression and coding of continuous-tone still images: Reference software https://www.itu.int/[...] 2023-03-01
_[73] 웹사이트 JPEG - JPEG XT https://jpeg.org/jpe[...] 2018-03-03
_[74] 논문 JPEG on STEROIDS: Common optimization techniques for JPEG image compression 2016-09
_[75] 웹사이트 Introducing the 'mozjpeg' Project https://research.moz[...] 2014-03-05
_[76] 웹사이트 Announcing Guetzli: A New Open Source JPEG Encoder https://research.goo[...] 2017-03-16
_[77] 웹사이트 Introducing Jpegli: A New JPEG Coding Library https://opensource.g[...] Google Open Source Blog 2024-04-03
_[78] 웹사이트 It's High Time to Replace JPEG With a Next-Generation Image Codec https://cloudinary.c[...] 2021-02-22
_[79] 웹사이트 JPEG - JPEG XT https://jpeg.org/jpe[...] 2018-03-03
_[80] 논문 JPEG XL next-generation image compression architecture and coding tools https://www.spiedigi[...] 2019-09-06
_[81] 논문 Committee Draft of JPEG XL Image Coding System
_[82] 간행물 N79010 Final Call for Proposals for a Next-Generation Image Coding Standard (JPEG XL) https://jpeg.org/dow[...]
_[83] 표준 ISO/IEC 18181-1:2022 Information technology — JPEG XL image coding system — Part 1: Core coding system
_[84] 표준 ISO/IEC 18181-2:2021 Information technology — JPEG XL image coding system — Part 2: File format
_[85] 웹사이트 JPEGとは - IT用語辞典 https://e-words.jp/w[...]
_[86] 웹사이트 http://www.nvidia.co[...]
_[87] 웹사이트 Exifとは - IT用語辞典 https://e-words.jp/w[...]
_[88] 웹사이트 静止画像符号化方式 https://www.jstage.j[...]
_[89] 표준 連続階調静止画像のディジタル圧縮及び符号処理
_[90] 웹사이트 Jpeg.org http://jpeg.org/jpeg
_[91] 웹사이트 Announcing Guetzli: A New Open Source JPEG Encoder - Google Research Blog https://research.goo[...]
_[92] 웹인용 T.81 – DIGITAL COMPRESSION AND CODING OF CONTINUOUS-TONE STILL IMAGES – REQUIREMENTS AND GUIDELINES https://www.w3.org/G[...] CCITT 1992-09
_[93] 웹사이트 북한자료센터: 남북한 IT용어 비교 http://unibook.uniko[...]
_[94] 웹인용 Programme of Work, (Allocated to SC 29/WG 1) http://kikaku.itscj.[...]
_[95] 웹인용 Joint Photographic Experts Group, JPEG Homepage http://www.jpeg.org/[...]
_[96] 웹인용 JTC 1/SC 29 – Coding of audio, picture, multimedia and hypermedia information http://www.iso.org/i[...]