jpeg2000 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其關(guān)鍵算法

1、均是精品，歡迎下載學(xué)習(xí)?。?！歡迎下載百度文庫(kù)資源資料均是本人搜集JPEG2000JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其關(guān)鍵算法圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)及其關(guān)鍵算法周寧湯曉軍徐維樸(西安交通大學(xué)人工智能與機(jī)器人研究所西安710049)摘要：要：JPEG2000是為適應(yīng)不斷發(fā)展的圖像壓縮應(yīng)用而出現(xiàn)的新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。闡述了JPEG2000圖像編碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)其中采用的基本算法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了描述，介紹了這一新標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，并對(duì)其性能進(jìn)行了分析

2、。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：JPEG2000圖像壓縮；離散小波變換速率控制；感興趣區(qū)域1引言引言隨著多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的快速增長(zhǎng)和網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的JPEG壓縮技術(shù)已無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)數(shù)字化多媒體圖像資料的要求，一種功能更強(qiáng)大、效率更卓越的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)被提到制定日程上，這就是JPEG2000。JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）是在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)領(lǐng)導(dǎo)之下制定靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的委員會(huì)，第一套國(guó)際

3、靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)ISO109181(JPEG)就是該委員會(huì)制定的。由于JPEG優(yōu)良的品質(zhì)，使他在短短幾年內(nèi)獲得了極大的成功，被廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域，網(wǎng)站上80%的圖像都采用了JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)。然而，目前的JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)具有中端和高端比特速率上的良好的速率畸變特性，但在低比特率范圍內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)很明顯的方塊效應(yīng)，其質(zhì)量變得不可接受。JPEG不能在單一碼流中提供有損和無(wú)損壓縮，并且不能支持大于6464K的圖像壓縮。同時(shí)，盡

4、管當(dāng)前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)具有重新啟動(dòng)間隔的規(guī)定，但當(dāng)碰到比特差錯(cuò)時(shí)圖像質(zhì)量將受到嚴(yán)重的損壞。針對(duì)這些問(wèn)題，自1997年3月起，JPEG圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)開(kāi)始著手制定新一代的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)以解決上述問(wèn)題。2000年3月的東京會(huì)議，確定了彩色靜態(tài)圖像的新一代編碼方式JPEG2000圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的編碼算法。JPEG2000系統(tǒng)分為下列7個(gè)部分：①JPEG2000圖像編碼系統(tǒng)；②擴(kuò)充(給①的核心定義添加更多的特征和完善度)；③運(yùn)動(dòng)JPEG2

5、000；④一致性；⑤參考軟件(目前包含Java和C實(shí)現(xiàn))；⑥復(fù)合圖像文件格式(用于文件掃描和傳真應(yīng)用程序)；⑦對(duì)①的最小支持(技術(shù)報(bào)告)。①為完全被認(rèn)可的ISO標(biāo)準(zhǔn)，定義了核心壓縮技術(shù)和最小文件格式，②～⑥定義壓縮和文件格式的擴(kuò)充。其中，①已經(jīng)制定完成，其余部分還在制定過(guò)程中。本文所討論的JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)就是基于第1部分的。2JPEG2000JPEG2000系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn)JPEG2000以其特有的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了現(xiàn)行JP

6、EG標(biāo)準(zhǔn)的不足。離散小波變換算法中，圖像可以轉(zhuǎn)換成一系列可更加有效存儲(chǔ)像素模塊的子帶，因此，JPEG2000格式的圖像壓縮比可在現(xiàn)在的JPEG基礎(chǔ)上再提高10％～30％，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)膩平滑。也就是說(shuō)，在網(wǎng)上觀看采用JPEG2000壓縮的圖像時(shí)，不僅下載速率比采用JPEG格式的快近30％，而且品質(zhì)也將更好。對(duì)于目前的JPEG標(biāo)準(zhǔn)在同一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無(wú)損壓縮而在JPEG2000系統(tǒng)中通過(guò)選擇參數(shù)能夠?qū)D像進(jìn)行有

7、損和無(wú)損壓縮可滿(mǎn)足圖像質(zhì)量要求很高的醫(yī)學(xué)圖像、圖像庫(kù)等方面的處理需要?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的JPEG圖像下載時(shí)是按“塊”傳輸?shù)?，因此只能逐行地顯示，而采用JPEG2000格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸(ProgressiveTransmission)這就允許圖像按照所需的分辨率或像素精度進(jìn)行重構(gòu)用戶(hù)根據(jù)需要對(duì)圖像傳輸進(jìn)行控制在獲得所需的圖像分辨率或質(zhì)量要求后便可終止解碼而不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG2000采用小波技術(shù)利用其局部分辨特性在不解

8、壓的情況JPEG2000支持多分量圖像。不同的分量不需要有相同的比特深度，也不需要都是無(wú)符號(hào)或有符號(hào)數(shù)。對(duì)于可恢復(fù)（無(wú)損）系統(tǒng)，唯一的要求就是每一個(gè)輸出分量圖像的比特深度必須跟相應(yīng)輸入分量圖像的比特深度保持一致。3.23.2核心處理核心處理(1)小波變換不同于傳統(tǒng)的DCT變換，小波變換具有對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析和反映信號(hào)局部特征的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)圖像片進(jìn)行離散小波變換，得到小波系數(shù)圖像，而分解的級(jí)數(shù)視具體情況而定。小波系數(shù)圖像由幾種子

9、帶系數(shù)圖像組成。這些子帶系數(shù)圖像描述的是圖像片水平和垂直方向的空間頻率特性。不同子帶的小波系數(shù)反映圖像片不同空間分辨率的特性。通過(guò)多級(jí)小波分解，小波系數(shù)既能表示圖像片中局部區(qū)域的高頻信息（如圖像邊緣），也能表示圖像片中的低頻信息（如圖像背景）。這樣，即使在低比特律的情況下，我們也能保持較多的圖像細(xì)節(jié)（如邊緣）。另外，下一級(jí)分解得到的系數(shù)所表示圖像在水平和垂直方向的分辨率只有上一級(jí)小波系數(shù)所表示的圖像的一半。所以，通過(guò)對(duì)系數(shù)圖像的不同級(jí)數(shù)

10、進(jìn)行解碼，就可以得到具有不同空間分辨率（或清晰，或模糊）的圖像。小波變換因其具有的這種優(yōu)點(diǎn)被JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)所采用。在編碼系統(tǒng)中，對(duì)每個(gè)圖像片進(jìn)行Mallat塔式小波分解。經(jīng)過(guò)大量的測(cè)試，JPEG2000選用兩種小波濾波器：LeGall53濾波器和Daubechies97濾波器。前者可用于有損或無(wú)損圖像壓縮，后者只能用于有損壓縮。在JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中，小波濾波器可以有2種實(shí)現(xiàn)模式：基于卷積的和基于提升機(jī)制的。而具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)

11、圖像邊緣都要進(jìn)行周期對(duì)稱(chēng)延伸，這樣可以防止濾波器對(duì)圖像邊緣操作時(shí)產(chǎn)生失真。另外，為了減小變換時(shí)所需空間的開(kāi)銷(xiāo)，標(biāo)準(zhǔn)中還應(yīng)用了基于行的小波變換技術(shù)。(2)量化由于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)圖像的分辨率要求有一定的局限，通過(guò)適當(dāng)?shù)牧炕瘻p小變換系數(shù)的精度，可在不影響圖像主觀質(zhì)量的前提下，達(dá)到圖像壓縮的目的。量化的關(guān)鍵是根據(jù)變換后圖像的特征、重構(gòu)圖像質(zhì)量要求等因素設(shè)計(jì)合理的量化步長(zhǎng)。量化操作是有損的，會(huì)產(chǎn)生量化誤差。不過(guò)一種情況除外，那就是量化步長(zhǎng)是1

12、，并且小波系數(shù)都是整數(shù)，利用可恢復(fù)整數(shù)53拍小波濾波器進(jìn)行小波變換得到的結(jié)果就符合這種情況。在JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)每一個(gè)子帶可以有不同的量化步長(zhǎng)。但是在一個(gè)子帶中只有一個(gè)量化步長(zhǎng)。量化以后，每一個(gè)小波系數(shù)有2部分來(lái)表示：符號(hào)和幅值。對(duì)量化后的小波系數(shù)進(jìn)行編碼。對(duì)于無(wú)損壓縮，量化步長(zhǎng)必須是1。(3)熵編碼圖像經(jīng)過(guò)變換、量化后，在一定程度上減少了空域和頻域上的冗余度，但是這些數(shù)據(jù)在統(tǒng)計(jì)意義上還存在一定的相關(guān)性，為此采用熵編碼來(lái)消

13、除數(shù)據(jù)間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)。將量化后的子帶系數(shù)劃分成小的矩形單元——碼塊（codeblock）。如圖2所示，采用兩層編碼策略，首先使用基于上下文的算術(shù)編碼器，每個(gè)碼塊進(jìn)行獨(dú)立的嵌入式碼塊編碼，得到碼塊的嵌入式壓縮位流。然后，根據(jù)率失真優(yōu)化原則，采用PCRD（PostCompressionRateDisttion）優(yōu)化算法思想，將所有碼塊的壓縮位流適當(dāng)截取，組織成具有不同質(zhì)量級(jí)的壓縮位流層。每一層上的壓縮位流連同其前面的所有層的壓縮位流，可重構(gòu)

14、出一定質(zhì)量的圖像。在分層組織壓縮位流時(shí)，須對(duì)每個(gè)碼塊在每一層上的貢獻(xiàn)信息進(jìn)行編碼，即對(duì)碼塊位流在該層的截?cái)帱c(diǎn)信息等編碼。由于圖像采用小波變換，整個(gè)圖像壓縮碼流具有分辨率可分級(jí)性，從而，壓縮碼流可同時(shí)具有質(zhì)量上和分辨率上的可分級(jí)性。由于對(duì)碼塊進(jìn)行獨(dú)立編碼，因此，可根據(jù)需要，隨機(jī)獲取并解碼相應(yīng)的碼塊壓縮位流，重構(gòu)出所需的圖像區(qū)域。①第一層編碼算法與傳統(tǒng)的依次對(duì)每個(gè)系數(shù)進(jìn)行算術(shù)熵編碼不同，JPEG2000編碼系統(tǒng)把碼塊中的量化系數(shù)組織成若干

15、個(gè)位平面，從最高有效位平面（MSB）開(kāi)始，依次對(duì)每個(gè)位平面上的小波系數(shù)位進(jìn)行算術(shù)編碼。第一層編碼可以看作2部分：上下文的生成（CF）和算術(shù)編碼器（AE）。在上下文的生成中，以一定的順序掃描碼塊中的所有位。在碼塊的每個(gè)位平面上，從左上角系數(shù)開(kāi)始，從左到右，從上到下進(jìn)行掃描，并為每一位生成一個(gè)上下文。算術(shù)編碼器根據(jù)生成的上下文，對(duì)每一位進(jìn)行編碼。在量化后，小波系數(shù)被轉(zhuǎn)換為符號(hào)振幅模式。在從MSB到LSB編碼時(shí)，當(dāng)遇到第一個(gè)為1的比特時(shí)，這