[论文解读] 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 3

一句话总结

本文评估了替代变换——如局部余弦变换（LCT）、使用CDF 9/7小波的离散小波变换（DWT）、离散切比雪夫变换（DChT）以及沃尔什-哈达玛变换（WHT）——作为JPEG压缩流程中标准2D DCT的替代方案。在低比特率下，LCT通过减少块效应伪影优于DCT；而在高比特率下，CDF 9/7 DWT的性能与DCT相当。

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.

研究动机与目标

• 研究替代变换是否能在JPEG压缩流程中超越标准DCT。
• 评估变换选择对图像质量的影响，特别是块效应伪影和PSNR方面的影响。
• 比较基于块的变换（如DCT）与重叠式或小波基替代方案的性能。
• 识别在不同压缩率下维持图像质量最有效的变换。
• 探索在不修改压缩链其余部分的前提下，用其他变换替代DCT的可行性。

提出的方法

• 研究采用标准JPEG压缩流程，将DCT替换为替代变换，同时保留量化和熵编码阶段。
• 每个变换均在色度子采样和直流分量偏移后，应用于YCbCr分量的8×8块。
• 使用信噪比（PSNR）作为主要指标，比较不同变换下的图像质量。
• 局部余弦变换（LCT）被实现为DCT的重叠式、块邻接变体，以减少块效应伪影。
• 离散小波变换（DWT）采用CDF 9/7和CDF 5/3双正交小波，测试了可分与不可分实现方式。
• 离散切比雪夫变换（DChT）和沃尔什-哈达玛变换（WHT）采用其标准定义与实现方式进行评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低比特率下，局部余弦变换（LCT）是否能提升JPEG中标准DCT的图像质量？
• RQ2 使用CDF 9/7小波的离散小波变换（DWT）在高比特率下是否能匹配或超越DCT的性能？
• RQ3 非块基变换（如LCT和DWT）与基于块的DCT相比，在减少块效应伪影方面表现如何？
• RQ4 离散切比雪夫变换（DChT）或沃尔什-哈达玛变换（WHT）在PSNR或视觉质量方面是否优于DCT？
• RQ5 是否可以有效将JPEG压缩流程适配为使用除DCT外的其他变换，而无需重构整个系统？

主要发现

• 在低比特率下，局部余弦变换（LCT）优于标准DCT，在视觉对比中实现0.3 dB的PSNR提升。
• 视觉对比显示，LCT能有效减少块效应伪影。
• 在高比特率下，可分的CDF 9/7离散小波变换（DWT）的压缩性能与DCT相当。
• 不可分的CDF 9/7 DWT在物体边缘产生明显的污迹伪影，因此劣于可分变体。
• 离散切比雪夫变换（DChT）在所有测试条件下均持续劣于DCT，PSNR值略低于DCT。
• 沃尔什-哈达玛变换（WHT）在PSNR方面无优势，仅在计算速度方面具有优势。