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インターネット最新テクノロジー：第 41 回

5つの要求から生まれた高画質と高圧縮を両立する新画像フォーマット

JPEG-2000

JPEG-2000
こうしたJPEG の諸問題に対応した新しい画像フォーマットとして、JPEG-2000 は1997年より規格の標準化作業が開始された。
JPEG-2000 は、以下に挙げる5 つの要求を満たすことを条件としている。

JPEGはウェブやデジタルカメラなどで広く用いられている画像フォーマットだが、適用範囲が広がっていくにつれ、画質や圧縮率には不満も出てくるようになってきた。こうし

1高圧縮でも画質の劣化が少ないことた状況のなか、新しいJPEGの規格としてJPEG-2000の標準化が進んでいる。JPEG-

2可逆圧縮から非可逆圧縮まで、1つのアル2000は高い圧縮率でも高画質を保てるという特徴を持った、次世代の標準を目標としゴリズムで対応できることた新しい画像フォーマットである。

3解像度や画質にスケーラビリティー（可変福原 隆浩 ソニー（株）

4ワイヤレス環境下で画像を伝送する際のエ性）があること

ラー耐性に優れていること
5医療用画像、衛星写真画像などの高解像度の画像や、高ビット精度の画像にも対応できるフォーマットであること
1 は、インターネットやワイヤレスといった新しい伝送経路の登場によるところが大きい。というのも、これらの伝送経路の帯域幅は画像を伝送するのには十分でなく、高い圧縮率が要求されるためだ。
2 は、非可逆専用のJPEG と、可逆方式として使われているTIFFのような圧縮方式との間にまったく互換性がないことが挙げられ

現状のJPEGにおけるさまざまな問題点

ワイヤレス環境などで画像を伝送する用途でる。可逆も非可逆も1 つの手段で圧縮できれは、より高い圧縮率が求められている。また、

ば、相互変換や使いまわしが楽になり、非常デジタルカメラでも画素数の向上にともなっに便利になる。

現在、JPEGは標準的な画像フォーマットてファイルサイズが大きくなり、フラッシュメ3 のスケーラビリティーとはあまり聞き慣として広く利用されている。インターネット

モリーなどの記録媒体の容量に追いつかなくれない言葉であるが、画像について言えば解エクスプローラやネットスケープコミュニケーなってきている。

ターといったウェブブラウザーでも標準で利また、JPEGの圧縮方式は、もとの画像を像度や画質の段階的な表現が可能ということである。また、これによって段階的な復号（プログレッシブ）も可能になる。

用できるほか、現在市販されているデジタル完全には再現できない非可逆圧縮である点もカメラのほとんどがJPEGを採用している。

用途によっては問題となる。銀塩写真の代替

4は、エラー率が非常に高い無線環境や、JPEGのメリットはファイルサイズをかなりとして使うようなプロフェッショナル用途や、エラーパターンが予測しにくいインターネット圧縮できる点にあるが、あまり高い圧縮率に医療用画像のように劣化が許されない用途な環境でも、エラーによる画質劣化をなるべくすると画像にブロック歪みやモスキートノイ

どでは、もとの画像が完全に再現される可逆抑制する手段であり、これからの画像フォーズと言われる特有の劣化が目立ってしまうと圧縮方式が望ましい。

マットではこうした点がますます重要になってくる。

いう問題がある。一方で、インターネットや

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5 は、おもにプロフェッショナル用途の画像に対する要求であり、画像の劣化が皆無

ランダムアクセスをしながらタイルごとに復号できる。

（ロスレス）であるか、ほぼ劣化のない品質での圧縮にも対応できるということである。

■ロスレス：可逆圧縮
JPEG-2000 では、可逆も非可逆も同一の手段で実現できる。可逆で符号化したコード

JPEG-2000がストリームを任意の圧縮率や、任意の解像度提供する新機能に変換することも可能である。

JPEG-2000 とJPEG について、機能や特徴などの違いを項目ごとにまとめると、①の表のようになる。以下、それぞれの項目につ■ ROI:Region of Interest
ROI とは、画像中に特定の領域を指定して、それ以外の部分（背景領域）とは別のいて簡単に解説する。

■圧縮率の高さ
JPEG-2000 はJPEG に比べて、同程度の画質であれば圧縮率に関してはおよそ30 〜

対象となる画像の種類符号化方式60パーセントの改善率がある。逆に、同じ圧縮率であればそれだけ画質が向上する。②は圧縮率同じ画像をJPEG とJPEG-2000 で圧縮したプログレッシブ機能もので、圧縮率はどちらも約96分の1である。

ランダムアクセス
エラー耐性

JPEG ではブロック状のノイズが目立つが、JPEG-2000 ではこうしたノイズはほとんど見られないことがわかる。

レート制御
アルゴリズムの複雑度
その他の機能・特徴■プログレッシブ機能
スケーラビリティーを利用した機能として

JPEG-2000

JPEG

いろいろなタイプの画像に対応可能
ウェーブレット変換＋ブロックベース・
エントロピー符号化＋算術符号化
高い圧縮率でも劣化が少ない。1/10程度の圧縮率では視覚的にはほぼ劣化のないレベル
5つの異なるプログレッシブ機能を持つ

一般に自然画像向け
DCT変換＋ハフマン符号化

コードストリームレベルで可能
JPEG-2000の規格で、コードストリーム中にマーカー・コードを埋め込むことで対応可能
1パスで可能非常に高い
・画像領域ごとに圧縮率の変更可能
・カラーインデックス画像への対応
・可逆圧縮に対応
・途中までのデータでも復号可能

1/5-1/10程度の圧縮率が実用的。
それ以上の圧縮率では劣化が激しい
JPEG（baseline）では未対応。
プログレッシブJPEGでのみ対応可能
コードストリームレベルで不可能
JPEG規格内には存在しない
通常 2パス以上必要
一般に低い① JPEG-2000 とJPEG の比較は、プログレッシブ機能がある。代表的なものには、解像度を上げながら表示していく解像度プログレッシブと、画質を上げながら表【JPEG-2000】【JPEG】

示していく画質プログレッシブ（次ページ③）がある。これらは、インターネットやワイヤレスのような、狭い通信帯域での画像伝送には非常に効果的である。特に、途中で通信が切断された場合やエラーが発生した場合でも、それまでに画像の概観が受信側で復号できるメリットは大きい。

■ランダムアクセス
JPEG-2000 では、画像をタイルと呼ばれる複数の領域に分割でき、各タイルは別個の画像領域として独立に符号化されるので、復号側ではタイルのヘッダーを検出することで、②同じ圧縮率での画質の違い

インターネットマガジン／株式会社インプレスR&DTIFF（ティフ／ Tagged Image File Format）：米マイクロソフトとアルダス（現アドビシステムズ）が開発した、画像データの標準的なファイル形式の1つ。データの属性をタグ情報として記述している。ウィンドウズ、マッキントッシュともに利用できる。拡張子は「.tif」または「.tiff」。
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圧縮率で符号化する方式を意味する。ROI領

Motion JPEG-2000で域は圧縮率を下げて高画質を保ち、背景画動画フォーマットもサポート

像は高い圧縮率にすることで、画像全体の圧縮率を上げるといった使い方をする。また、

JPEG-2000 では、動画像用の「Motion伝送時にはROI領域から最初に復号されるのJPEG-2000」というフォーマットについてもで、画像の重要な部分から見ることができる規格化を進めている。Motion JPEG-2000というメリットもある。のファイルフォーマットはアップルのQuickTimeをベースにして構築されている。次ページの⑤「Motion JPEG-2000 のフォーマッ

画質の決め手はト」で図示したように、Motion JPEG-2000

ウェーブレット変換

では、動画の各フレーム（1 コマ）はそれぞ

JPEG-2000 が高圧縮率と高画質を両立でれJPEG-2000 の静止画として保存され、そきるのは、ウェーブレット変換と呼ばれる圧れに音声データを加えてmdatと呼ばれる1つ縮方式を採用した点にある。のかたまりにした形のデータ構造になっている。再生する場合には、JPEG-2000 の画像従来のJPEG で用いられているDCT 変換と音声と同期させて描画する形になる。

は、画像を8 × 8 ドットのブロック単位で圧縮していく方式のため、高圧縮時にはブロッMotion JPEG-2000は各フレームごとに圧クの境界が目立ってしまう現象（ブロックノ縮を行うが、動画フォーマットとして広く用イズ）が見られる。また、DCT変換においていられているMPEG では、前後のフレームをは、画像が急激に変化する部分で輪郭に歪組み合わせてより複雑な圧縮を行う。このたみが生じやすいという欠点（モスキートノイ

め、動画像の圧縮効率という点ではMPEGズ）もある。には劣るものの、各フレームを独立して扱え

これに対してウェーブレット変換は、画像るという点で動画の編集作業などではMotion全体のなかで急激に変化している部分（高域JPEG-2000 が有利となる。また、前後のフ成分）と変化の少ない部分（低域成分）にレームを参照するためのメモリーが必要とな分割する方式である。

るMPEG に比べ、1 フレームごとに順次処理

次ページの④「ウェーブレット交換の例」

していけばいいMotion JPEG-2000 のほうが、は原画像に対して3 段階のウェーブレット変専用ハードウェアの設計も容易である。これ換を行い、計 10 個の帯域（サブバンド）にに加えて、前述したJPEG-2000 のメリット分割したものである。画像の中でもっとも変である、プログレッシブ機能やスケーラビリ化の少ない低域の成分が一番左上の画像で、ティー、そしてロスレスへの対応といった点

ここが画像の情報としてはもっとも重要であも、他の動画フォーマットにはないMotionることがわかる。また、図からはそれ以外のJPEG-2000の特徴となる。

部分については、ほとんどがエッジ（輪郭）の成分であることもわかる。ウェーブレット

JPEG-2000の標準化と変換は、DCT 変換のように固定された領域今後の応用範囲ではなく、こうした各画素が持つ特徴によって画像を分割し、圧縮する方式となっている。

現在のところ、実際にJPEG-2000 を扱え

このため、原理的にブロックノイズは生じず、るアプリケーションは一般向けには存在しなモスキートノイズのようなノイズも出にくいとい。こうしたアプリケーションの登場は今年いう特徴を持っている。の夏以降になる見通しだが、各地で開発作業は進められている。また、標準化についても、③画質プログレッシブ

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Q u i c k T i m e （ クイックタイム） ：アップルが開発した動画や音声に関する技術またはフォーマット。再生ソフトはマッキントッシュだけでなくウィンドウズ版もある。

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もっとも基本的なアルゴリズムの部分については今年の1 月に標準化は完了し、Motion
JPEG-2000 のようなさらにその先の規格についても2001 年から2002 年にかけて標準化が完了するスケジュールになっている。こうしたJPEG-2000 の動向については、JPEGのホームページを参照してほしい。

⑥「JPEG-2000の応用範囲」の図は、今後 JPEG-2000 がどのようなマーケットを開拓していく可能性があるかを示した図である。
現在、JPEG は広く普及したフォーマットであり、いかにJPEG-2000 が優れた技術であっても、一気にJPEG がJPEG-2000 に置き換わるとは考えにくい。実際には、JPEG からJ P E G - 2 0 0 0 に徐々にシフトしながら、④ウェーブレット交換の例

JPEG-2000 が新たなマーケットを開拓することが期待されている。たとえば、インター……

動画

ネットや無線環境での画像伝送は、エラーやパケットロスという問題から、既存のJPEG音声

では十分に対応できない。こうした場合でも、動画に対応するMotion JPEG-2000 では、

JPEG-2000フォーマット
mdat

携帯電話用の低ビットレートから、HDTV 画像のような高画質まで幅広く使うことができ

JP2

JP2

JP2

……

JP2

Audio CodecstreamP2る。しかも、1 つの符号化ストリームさえあVideo Chunk（動画部）

れば、それをいくつもの異なる解像度やビッAudio Chunk（音声部）⑤ Motion JPEG-2000 のフォーマットトレートに使いまわしが自由にできる柔軟性がある。これは、今後のJPEG-2000 の普及に向けても非常に大きなアドバンテージとな高いるだろう。

JPEG-2000

www.jpeg.org
豊富な機能・ロスレス圧縮
・ROI・プログレッシブ
・動画対応

新規マーケット・遠隔医療・衛星写真・ノンリニア編集
・動画配信

高圧縮率
・ウェーブレット変換＋Entropy符
号化・JPEGに比べて30〜50％の圧縮効率の改善

機
能・デジタルカメラ
・ウェブ用画像・モバイル用途・デジタルカメラ
・ウェブ用画像

JPEG
低い
低い

圧縮率

高い

⑥ JPEG-2000 の応用範囲`

インターネットマガジン／株式会社インプレスR&DHDTV（エイチ・ディー・ティー・ブイ： High Definition Television）：従来のテレビに比べて画質を向上させた、次世代テレビ方式の総称。日本では、これまでNHKが提供してきたアナログ方式のハイビジョンと、2000年より放送が開始されたBSデジタル放送がこれに相当する。
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