[논문 리뷰] New Transforms for JPEG Format

Stanislav Svoboda, David Barina|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 09.

Advanced Data Compression Techniques참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표준 2D DCT를 JPEG 압축 파이프라인에서 대체할 수 있는 대안적 변환—예를 들어 국소余弦변환(LCT), CDF 9/7 웨이블릿을 사용한 이산웨이블릿변환(DWT), 이산체비셰프변환(DChT), 월리스–하다마르드변환(WHT)—을 평가한다. 저비트레이트에서 LCT는 블록화된 잔상들을 감소시켜 DCT를 능가하며, 고비트레이트에서는 CDF 9/7 DWT가 DCT 성능을 따라잡는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 DCT가 JPEG 압축 파이프라인에서 성능을 뛰어넘을 수 있는 대안적 변환의 가능성을 탐구하는 것.
• 변환 선택이 블록화된 잔상과 PSNR 측면에서 영상 품질에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 블록 기반 변환(DCT 등)과 겹침 또는 웨이블릿 기반 대안 간의 성능을 비교하는 것.
• 다양한 압축 비율에서 영상 품질을 유지하는 데 가장 효과적인 변환을 특정하는 것.
• 압축 체인의 나머지 부분을 수정하지 않고도 DCT를 대체할 수 있는지의 실현 가능성을 탐색하는 것.

제안 방법

• 연구는 DCT를 대체할 수 있는 대안적 변환을 사용하는 표준 JPEG 압축 파이프라인을 사용하며, 양자화 및 엔트로피 코딩 단계는 그대로 유지한다.
• 각 변환은 색차 하향샘플링 및 DC 레벨 이동 이후 8×8 블록의 YCbCr 성분에 적용된다.
• 영상 품질을 비교하기 위해 피크 신호 대 노이즈비(PSNR)가 주요 평가 지표로 사용된다.
• 국소余弦변환(LCT)은 블록 간 겹침을 고려한 DCT의 변형으로서, 블록화된 잔상을 감소시키기 위해 구현된다.
• 이산웨이블릿변환(DWT)은 CDF 9/7 및 CDF 5/3 비정규화 웨이블릿을 사용하며, 분리 가능 및 비분리 가능 구현 방식을 모두 테스트한다.
• 이산체비셰프변환(DChT)과 월리스–하다마르드변환(WHT)은 표준 정의 및 구현 방식을 사용하여 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비트레이트에서 국소余弦변환(LCT)이 표준 DCT보다 JPEG에서 영상 품질을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 CDF 9/7 웨이블릿을 사용한 이산웨이블릿변환(DWT)이 고비트레이트에서 DCT 성능을 따라잡거나 능가할 수 있는가?
• RQ3 LCT와 DWT와 같은 비블록 기반 변환은 블록 기반 DCT에 비해 블록화된 잔상을 얼마나 효과적으로 줄이는가?
• RQ4 이산체비셰프변환(DChT) 또는 월리스–하다마르드변환(WHT)이 PSNR나 시각적 품질 측면에서 DCT에 비해 어떤 이점이 있는가?
• RQ5 압축 체인의 나머지 부분을 재설계하지 않고도 JPEG 압축 파이프라인에 DCT 이외의 변환을 효과적으로 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 저비트레이트에서 국소余弦변환(LCT)이 표준 DCT를 능가하며, 시각적 비교에서 PSNR가 0.3 dB 향상되었다.
• LCT는 DCT와 LCT 출력 간의 시각적 비교를 통해 블록화된 잔상을 효과적으로 감소시킴을 입증했다.
• 고비트레이트에서는 분리 가능 CDF 9/7 이산웨이블릿변환(DWT)이 DCT와 유사한 압축 성능을 보였다.
• 비분리 가능 CDF 9/7 DWT는 물체 경계에서 눈에 띄는 착색 잔상(스테인 아티팩트)을 유발하여 분리 가능 버전보다 열 劣하다.
• 이산체비셰프변환(DChT)은 모든 테스트 조건에서 DCT에 비해 일관되게 열 劣하며, PSNR 값이 DCT보다 略적으로 낮았다.
• 월리스–하다마르드변환(WHT)은 PSNR에서 DCT에 비해 이점이 없었으며, 계산 속도 향상 외에는 유의미한 이점이 없었다.