週刊 JPEGデコーダをつくる #1 創刊号

Webを席巻し続ける JPEG(じぇいぺぐ) 画像圧縮。あのJPEGファイルからフルカラー画像へと変換する JPEGデコーダ を、あなたの手で一から作り上げよう！「週刊 JPEGデコーダをつくる」創刊。創刊号は特製バインダー付きで特別定価290円。

…ごめん。ほとんど冗談です。

週1ペースは無理なので不定期、特製バインダーは付きませんし、そもそもお代は頂きません（あ、貰えるならいつでもウェルカム）。全体構想もぼやーっとしかないので何分割するかも未定ですが、少なくとも実装だけは終わっています（後述）。

まえがき

本連載記事では、JPEGファイルからRGB画像データへとデコード処理を行うJPEGデコーダを、既存ライブラリ¹を一切使わず フルスクラッチで実装 していきます。このJPEGデコーダ実装とその解説を通じて、JPEGコーデックが用いる 画像圧縮アルゴリズムの理解 を目指します。

この目的を優先するため、下記はスコープ外とします：

• 最適化された実装：アルゴリズムの分かり易さを最優先し、計算量・メモリ使用量を気にしない富豪的プログラミングを行います。
• デコード画像の表示：圧縮されたJPEGファイルを入力とし、デコード後の非圧縮RGB画像ファイルを出力します。デコード画像の目視確認には外部ツールが必要です。
• Baseline JPEG以外の対応：JPEG仕様では "Baseline" と "Progressive" の2種類が定義されますが、比較的実装が簡単な前者のみに対応します。²

JPEGコーデックのアルゴリズムには、モダンな静止画像／動画像コーデック(JPEG 2000, JPEG XR, MPEG-2 Video, MPEG-4 Video, H.264/AVC, H.265/HEVC, etc...)にも通じるエッセンスがたくさん詰まっています。これらの高度なアルゴリズムについて調べる際に、JPEGでの基礎知識はきっと役立つことでしょう。

JPEGデコーダ picojdec

御託は要らんからさっさとコードを見せろというせっかちな方のために、完成版ソースコードをGithubに置いてあります。MITライセンス。アルゴリズム解説の観点から、実装言語には Python 3.6 を使っています。コメント行や空行を除けば500行もありません。

「どうして(ここに任意のプログラミング言語名を入れる)言語で作らないんだ！」と怒る方が居るかもしれません。お好みのプログラミング言語でJPEGデコーダを再実装できるよう、アルゴリズムそれ自体の解説も（なるべく）行う予定です。

キミだけのオリジナルJPEGデコーダをつくろう！

What is "JPEG" ?

この記事をここまで読もうと考えた（そして実際に読んでいる）方ならば、もはや説明不要ですよね？ 次行きます。

...と思ったのですが、さすがに酷すぎるので用語定義を確認しておきます。「JPEG」という単語は、主に次の意味で使われるようです：

• Webブラウザに表示される画像や、デジタルカメラで撮った写真のこと。旨そうな食べ物の写真とか、ちょっとえっちいイラストとか。
• ファイルフォーマットとしてのJPEGファイル。拡張子が.jpegや.jpgのファイル。
• 静止画像コーデックとしてのJPEGコーデック。画像データを小さく圧縮する方式。

申し訳ありませんが、この記事は1番目で理解している方向けではありません。でも、その理解でも大丈夫。全てのドライバーがエンジン内部構造を知る必要がないのと同じで、全てのユーザがJPEGの原理を知る必要もありません。お疲れ様でした。

ほとんどの人にとって、2番目と3番目は同じに思えるかもしれません。しかし厳密には両者は区別され、狭義の JPEG は3番目「コーデック(codec)＝静止画像(still image)のエンコード(encoding)／デコード(decoding)方式³」のみを指します。2番目は JFIF(JPEG file interchange format) や EXIF(Exchangeable image file format) というファイルフォーマット仕様で定義されますが（EXIFの方が有名かな？）、広義に JPEG といえば静止画像コーデックとファイルフォーマットの組を指すのが一般的かと思います。⁴

JPEGの仕様

ソフトウェア開発では、要求仕様が一番大事ですよね。JPEGデコーダも目的を持ったソフトウェアですから、当然、その仕様書(Specification)が存在します。

ここでは、ITU-T(国際電気通信連合-電気通信標準化部門)⁵ による国際標準勧告に準拠したJPEGデコーダを実装します：

• ITU-T(CCITT) Rec. T.81: "Digital compression and coding of continuous-tone still images"（W3Cによるfree access版）
• ITU-T Rec. T.871: "Digital compression and coding of continuous-tone still images: JPEG File Interchange Format (JFIF)"

今から作るソフトウェアの仕様書ですから、是非一度目を通してみてください。いかがでしょう？一読して「よしJPEGについて理解した。あとは作るだけだな」となった方には、この記事はもはや必要ありません。むしろ教えてくれ。

多くの方は「なるほどわからん」という感想ではないでしょうか？私が知る限り、ITUやISO/IECによる仕様書は概ねこのような構成で記述されます。たぶん一種のコツがあるので、それを掴んでしまえば読み下すことができますし、この情報だけからソフトウェアをつくることも可能です。実際、picojdecは上記2つのみを参照して実装しました。（動作チェック用のJPEGファイル生成にはlibjpegを利用しています）

#2 デジタル画像の基礎 👉

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1. JPEGエンコード／デコードライブラリとしては libjpeg が最も有名です。また同ライブラリをSIMD最適化した libjpeg-turbo も広く普及しています。JPEGエンコード処理だけに特化した Mozilla/mozjpeg や Google/Guetzil などの実装も存在します。 ↩

2. JPEGコーデックの方式は、厳密には"Baseline (sequential)"／"Extended sequential"／"Progressive"／"Lossless"の4種類に分類されます。このうち一般に広く使われるのは、"Baseline"もしくは"Progressive"方式です。名前が表す通り"Baseline(ベースライン)"が最も基本的な方式であり、多くのケースで"Baseline JPEG"が利用されています。 ↩

3. "エンコード(encoding)／デコード(decoding)"の日本語訳には"符号化／復号化"、"圧縮／伸長(展開)"なども当てられますが、用語揺らぎを防ぐためカタカナ表記を基本とします。本文中では分かりやすさのため一部で「圧縮」と表記しましたが、本来は"compress"に対応する訳語です。JPEGの場合「エンコード処理によって結果的にデータは圧縮される」という解釈が妥当かと思います。このような符号化方式を教科書的には「情報源符号化」と呼びます。 ↩

4. JPEG は "Joint Photographic Experts Group" の略であり、文字通り「JPEGという標準規格を策定したISO/IECの専門家グループ」という意味もあります。これは豆知識的な話ですし、大した意味もありませんから本文中では言及を避けました。 ↩

5. CCITT(国際電信電話諮問委員会) は ITU-T の前身です。JPEGコーデックを定義するT.81勧告は1992年に発行されており、この当時は名称がCCITTだったため併記となっています。 ↩