[論文レビュー] New Transforms for JPEG Format

Stanislav Svoboda, David Barina|arXiv (Cornell University)|May 9, 2017

Advanced Data Compression Techniques参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、JPEG 圧縮パイプラインにおける標準的な 2D DCT の代替として、局所コサイン変換（LCT）、CDF 9/7 ワーブレットを用いた離散ウェーブレット変換（DWT）、離散チェビシェフ変換（DChT）、ワルシャウ・アダマール変換（WHT）を評価する。LCT は低ビットレートにおいてブロッキングアーティファクトを低減することで DCT を上回る性能を示す一方、CDF 9/7 DWT は高ビットレートにおいて DCT と同等の性能を発揮する。

ABSTRACT

The two-dimensional discrete cosine transform (DCT) can be found in the heart of many image compression algorithms. Specifically, the JPEG format uses a lossy form of compression based on that transform. Since the standardization of the JPEG, many other transforms become practical in lossy data compression. This article aims to analyze the use of these transforms as the DCT replacement in the JPEG compression chain. Each transform is examined for different image datasets and subsequently compared to other transforms using the peak signal-to-noise ratio (PSNR). Our experiments show that an overlapping variation of the DCT, the local cosine transform (LCT), overcame the original block-wise transform at low bitrates. At high bitrates, the discrete wavelet transform employing the Cohen-Daubechies-Feauveau 9/7 wavelet offers about the same compression performance as the DCT.

研究の動機と目的

• 代替変換が JPEG 圧縮パイプラインにおける標準的な DCT を上回るか否かを調査すること。
• 変換選択が画像品質に与える影響、特にブロッキングアーティファクトと PSNR の観点での影響を評価すること。
• ブロック単位の変換（DCT など）と重複ありまたはウェーブレットベースの代替との性能を比較すること。
• さまざまな圧縮レートにおいて画像品質を維持するのに最も効果的な変換を特定すること。
• DCT の置き換えが、他の圧縮チェーンの再設計なしに可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 本研究では、量子化およびエントロピー符号化段階を維持したまま、標準的な JPEG 圧縮パイプラインにおいて DCT を代替変換に置き換える手法を用いる。
• 各変換は、クロマサブサンプリングおよび DC レベルシフトを経た YCbCr 成分の 8×8 ブロックに適用される。
• 画像品質の比較には、主にピーク信号対ノイズ比（PSNR）を指標として用いる。
• 局所コサイン変換（LCT）は、ブロッキングアーティファクトを低減する目的で、DCT の重複ありブロック隣接型の変種として実装される。
• 離散ウェーブレット変換（DWT）は、CDF 9/7 および CDF 5/3 の双直交ウェーブレットを用い、分離可能および非分離可能な実装がテストされた。
• 離散チェビシェフ変換（DChT）およびワルシャウ・アダマール変換（WHT）は、それぞれの標準的な定義および実装を用いて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低ビットレートにおける JPEG で、局所コサイン変換（LCT）は標準的な DCT よりも画像品質を向上させることができるか？
• RQ2 CDF 9/7 ウェーブレットを用いた離散ウェーブレット変換（DWT）は、高ビットレートにおいて DCT の性能を同等または上回ることができるか？
• RQ3 LCT や DWT のようなブロック非依存型変換は、ブロックベースの DCT と比較して、ブロッキングアーティファクトの低減にどの程度効果を発揮するか？
• RQ4 離散チェビシェフ変換（DChT）やワルシャウ・アダマール変換（WHT）は、PSNR や視覚的品質において DCT よりも優位性を示すか？
• RQ5 DCT 以外の変換を用いることで、JPEG 圧縮パイプラインを効果的に再構築できるか、システム全体の再設計なしに実現可能か？

主な発見

• 局所コサイン変換（LCT）は、低ビットレートにおいて標準的な DCT を上回り、視覚的比較において PSNR で 0.3 dB の向上を達成した。
• LCT は、DCT と LCT の出力の視覚的比較により、ブロッキングアーティファクトを効果的に低減することが確認された。
• 高ビットレートでは、分離可能な CDF 9/7 離散ウェーブレット変換（DWT）が DCT と同等の圧縮性能を発揮した。
• 非分離可能な CDF 9/7 DWT は、物体のエッジで目に見えるステインアーティファクトを生じさせ、分離可能なバージョンに劣っていた。
• 離散チェビシェフ変換（DChT）は、全テスト条件下で DCT よりも一貫して性能が低く、PSNR 値は DCT よりわずかに低かった。
• ワルシャウ・アダマール変換（WHT）は、PSNR において DCT に優位性を示さず、計算速度の面での利点しか持たなかった。