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JPEG は非可逆圧縮の画像フォーマットとして有名です。今回は JPEG 圧縮するとどう劣化するのか、そしてそのメカニズムを紹介します。

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JPEG で圧縮率をあげると以下のような現象が見られます。

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元画像(png) q=100 q=80 q=40 q=20
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クオリティ1を下げると文字やその周りに汚れのようなノイズが発生しています。これはモスキートノイズやリンギングと呼ばれます。大きく色が異なる箇所付近に目立って発生します。

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元画像(png) q=100 q=60 q=40 q=20

なだらかだったグラデーションが、クオリティを下げると四角い形での歪みが見られるようになります。これはブロックノイズやブロック歪みと呼ばれています。

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元画像(png) q=20 q=10 q=5 q=3

さらにクオリティを下げると、グラデーションが荒くなり、色数が減っていきます。

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JPEG は 8x8 のブロック2に分割してそれぞれに対して圧縮処理を行います。そのため、圧縮による劣化はブロック単位で変わる事になり、ブロックの境界で劣化が目立つ事になります。これがブロックノイズとなって現れます。

JPEG(2倍拡大) 4倍に拡大 8x8で線を追加

上の例でいうと、細かい劣化の目立つブロック(薄い赤い部分)と目立たないブロック(青い部分)の境界(赤い部分)で劣化が目立ちます。

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JPEG は各ブロックに離散コサイン変換という変換を施した形式で保存しています。

例として「A」という文字の32x32(つまり4x4ブロック)の画像を離散コサイン変換します。

変換前 変換後の64パターン 左上からブレンドするとこうなる

ポイントとしては、以下のようになります。

  • 変換すると64種類のパターンに分解される
  • 64種類のパターンをブレンド3するとちゃんと元の画像になる

ところで、離散コサイン変換を行うだけでは画像の劣化は起きません4。しかし、JPEG ではさらに各パラメーターの値を近似値に丸めるため、それによって品質が劣化します。これを「量子化」と呼びます。

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実はこの数字によってどのような近似を行うかはソフトウェア毎に異なります5。なので、同じ品質の数値でもソフトウェアによっては劣化の仕方が変わります。

高周波のパターンが人間には判別しづらい事がわかっているので、多くのソフトウェアでは左上よりも右下を優先的に近似をします。

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量子化によって情報を落としている事が JPEG の画質劣化の主な原因ですが、JPEG の画質に関しては YCbCr という色の表現方法を採用している事も関係しています。

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先ほどのモスキートノイズの画像を拡大してみます。

画像は白と赤しか使ってないにもかかわらず、うっすらと青いノイズが見えるのではないでしょうか。これは一般的な RGB ではなく YCbCr で表現している事から発生するものです。

YCbCr では色を輝度(Y)と二軸の色差で表現します。

元画像 輝度と色差

JPEG では Y/Cb/Cr それぞれの成分に対してブロック分割し、圧縮を行います。そのため、圧縮に伴う歪みは「輝度の歪み」と「色差の歪み」という形で発生します

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JPEG では上で説明した量子化による情報の切り落としの他に、色差の情報を落とす事があります。

例を挙げてみます。以下は品質を100の状態でPNGからJPEGに変換したものです。

元画像(png) q=100

最高品質にしたのにもかかわらず、緑と紫のチェックがグレー6になってしまいました。ストライプの部分もぼんやりと色がついているもののほぼグレーです。

7

4:4:4(間引かない) 4:2:0 4:2:2

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元画像(png) q=20(4:4:4) q=20(4:2:2) q=20(4:2:0)

  1. JPEG への変換は ImageMagick 7.0.9-8 を使用しています。 ↩︎

  2. 8x8 以外のサイズに指定する事も可能です。 Soundtrack★Robbery UK Open Decca Mono オリ

  3. グレーより明るい色でブレンドするとより明るくなり、暗い色でブレンドするとより暗くなる、といったブレンドになっています。 ↩︎

  4. 実際には丸め誤差で小さな劣化が発生します。 ✨新品同様✨ルイヴィトン ヴィクトリーヌ アンプラント ジャイアント バイカラー

  5. Independent JPEG Group という団体により作られた方法が一般的ですが、例えば Adobe 製品はこれとは別の独自の量子化ロジックを使っているようです。 ↩︎

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  7. ImageMagick のデフォルト エルメスカーディガン


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ルームクリップのアプリケーションエンジニア。

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みなさんこんにちわ。 ルームクリップ株式会社CTOの平山です。 残暑が厳しい日々ですね。

昨日の9日、表題の通り日本テレビ「今夜くらべてみました」でルームクリップが紹介されました。 ありがたい話です。

いつだってユーザさんに触れてもらうのは大変に喜ばしいことですが、 大きな衆目を集めるシーンでの言及となると、ちょっぴり特別な興奮がありますね。

これが「エンジニアとして」、となるとなおさらです。

というつもりでしたが、、、

結果として、今回はもっと興奮しておくべきでした。

TVは、

「今夜くらべてみました」という番組は、

私の想像のはるか上空を飛び、ずいぶん時間がたちこのブログを書いている今ですら、おおきな影響を及ぼし続けております。

中には「え、こんなの当たり前でしょ、むしろなんでやってなかったの?」ってものもあるかと思います。

わかっております。不安にならずとも皆様の手厳しいご意見は、これ以上ないくらい私の脳幹をえぐっています。

ただ、時には包み隠さないことも大事です。

以下、専門的な話になりますが公開できる限りにおいて、障害の経緯を共有させていただきます。

簡単に言ってしまうと下記のようなことが起きました。

  • TV局から連絡を受けて流入トラフィックを推計した
    • 余裕で外れた
  • 単一障害点はスケールアップで大丈夫だろうと高をくくった
    • 余裕で外れてそいつのせいで全部落ちた
  • 分散しまくればなんだって耐えうるだろうと甘く構えた
    • ネットワークリソースについて忘れてて分散できず落ちた
  • 対策範囲なんてアプリケーションサーバとDBくらいだろ、って思った
    • バックエンド色々マイクロ化したため対策ポイントが増えててんやわんやになって気分が落ちた

それでは、一つ一つ見ていきましょう。

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大事になるのは瞬間最大風速req/secなので、秒単位で平坦にならすのではなく、適当にピーク分布を積算して出すのがまぁ妥当かと思われます。

今回わたしが見誤ったのは、「その時間帯に検索する人の割合」でした。 番組の性質上、検索やサービス起動を促す作りになっていて(これは本当にすばらしい!)、思った以上のリクエストが発生しました。数値でいうと2倍程度見誤りました。

でも、2倍です。

皆様、「危険だな」と思ったら妥当な計算のあと、「2倍」しましょう。

ちなみに私は、放送直前に「チュートリアル徳井さんがサービス名を発話するかも」という情報を追加で得ました。(このあたりの連絡網を強化することも必須ですね!)

この時点で実はかなり迷いました。今の対策が不十分である可能性がよぎっていたのです。

・・・皆さん、虫の知らせがやってきたら迷わず「最大値の2倍」にしましょう。

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ところで、RoomClipはiOS、Android、ブラウザ向けにサービスを展開しており、そのバックエンドとして概ね下記のようなクラウドサービスを利用しています。

  • アプリケーションサーバ/ストレージサーバとしてAWS
    • EC2、ECSを併用
    • DBはAurora
  • 画像配信/変換サーバとしてさくらインターネット
  • 検索サーバとしてElastic Cloud

共有リソースに対するAPIアクセス、が多発するような状態と言えるでしょう。

だが、そのAPIの呼び出し部分が悪かった。

一部のページにおいて、APIのレスポンスをタイムアウトせず待つ、帰ってこなければExceptionを投げエラー終了する、というコードになっていました。

運命共同体コードです。

ぞっとしますね。

本当に反省しています。

皆さん、モノリシックなシステムをDDD的思想でもって妥当な範囲でバラしたく気持ちはわかります。

しかし、いつでも想定しておいてください。

来週、あなたのサービスについてチュートリアル徳井さんが言及するかも知れないことを。

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さて、異常を察知して直ちにリソースの水平スケールをアップした我々ですが、そこで地団駄を踏むことになります。

インスタンス・コンテナが全く増えません。

サブネットの設定なんてそうそう変更しないので、すっかり忘れておりました。 皆さんもそらで言えますか?あなたのサブネットは第何オクテットまでマスクしていますか?

例えばnlimit、inode、エフェメラルポート、帯域制限、もちろんHDD容量。そして今回忘れてならないIP。

これは激痛で、リカバリの速度がだいぶ遅れた原因の一つとなってしまいます。

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ウェブ商品の説明 ご覧いただきありがとうございます。なにわ男子大橋和也くん担降りのためお譲りします。うちわ以外の全てのグッズは新品未使用ですが素人保管のためご理解

先に触れたマイクロ化の流れもそうですが、BFFなども積極的に導入した結果、スケール対象となるインスタンスの塊は結構増えておりました。

端的にALBの数が多いんですね。

とにかくウォームアップなんていらない!というのは大正義です。

非常に長くなってしまいましたが、簡単にまとめますと、今回の障害の大きな原因はやはり単一障害点の対策不備になります。

これ以外にも気づけなかった問題は多々ありますが、本ブログではひとまず猛省しつつ「速報」という形での共有とさせていただきたいと思います。

そして、本ブログを読んで、 「しかたない、、わたしがなんとかしてあげよう」と思うエンジニアの方、ぜひ遊びに来てください!

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