JPEG图像压缩算法标准剖析.docx

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JPEG图像压缩算法标准剖析

JPEG2000图像压缩算法标准

摘要：

JPEG2000是为适应不断发展的图像压缩应用而出现的新的静止图像压缩标准。

本文介绍了JPEG2000图像编码系统的实现过程,对其中采用的基本算法和关键技术进行了描述，介绍了这一新标准的特点及应用场合，并对其性能进行了分析。

关键词：

JPEG2000；图像压缩；基本原理；感兴趣区域

引言

随着多媒体技术的不断运用，图像压缩要求更高的性能和新的特征。

为了满足静止图像在特殊领域编码的需求，JPEG2000作为一个新的标准处于不断的发展中。

它不仅希望提供优于现行标准的失真率和个人图像压缩性能，而且还可以提供一些现行标准不能有效地实现甚至在很多情况下完全无法实现的功能和特性。

这种新的标准更加注重图像的可伸缩表述。

所以就可以在任意给定的分辨率级别上来提供一个低质量的图像恢复，或者在要求的分辨率和信噪比的情况下提取图像的部分区域。

1.JPEG2000的基本介绍及优势

相信大家对JPEG这种图像格式都非常熟悉，在我们日常所接触的图像中，绝大多数都是JPEG格式的。

JPEG的全称为JointPhotographicExpertsGroup，它是一个在国际标准组织（ISO）下从事静态图像压缩标准制定的委员会，它制定出了第一套国际静态图像压缩标准：

ISO10918－1，俗称JPEG。

由于相对于BMP等格式而言，品质相差无己的JPEG格式能让图像文件“苗条”很多，无论是传送还是保存都非常方便，因此JPEG格式在推出后大受欢迎。

随着网络的发展，JPEG的应用更加广泛，目前网站上80％的图像都采用JPEG格式。

但是，随着多媒体应用领域的快速增长，传统JPEG压缩技术已无法满足人们对数字化多媒体图像资料的要求：

网上JPEG图像只能一行一行地下载，直到全部下载完毕，才可以看到整个图像，如果只对图像的局部感兴趣也只能将整个图片载下来再处理；JPEG格式的图像文件体积仍然嫌大；JPEG格式属于有损压缩，当被压缩的图像上有大片近似颜色时，会出现马赛克现象；同样由于有损压缩的原因，许多对图像质量要求较高的应用JPEG无法胜任。

JPEG2000是为21世纪准备的压缩标准，它采用改进的压缩技术来提供更高的解像度，其伸缩能力可以为一个文件提供从无损到有损的多种画质和解像选择。

JPEG2000被认为是互联网和无线接入应用的理想影像编码解决方案。

“高压缩、低比特速率”是JPEG2000的目标。

在压缩率相同的情况下，JPEG2000的信噪比将比JPEG提高30%左右。

JPEG2000拥有5种层次的编码形式：

彩色静态画面采用的JPEG编码、2值图像采用的JBIG、低压缩率图像采用JPEGLS等，成为应对各种图像的通用编码方式。

在编码算法上，JPEG2000采用离散小波变换（DWT）和bitplain算术编码（MQcoder）。

此外，JPEG2000还能根据用户的线路速度以及利用方式（是在个人电脑上观看还是在PDA上观看），以不同的分辨率及压缩率发送图像。

JPEG2000的制定始于1997年3月，但因为无法很快确定算法，因此耽误了不少时间，直到2000年3月，规定基本编码系统的最终协议草案才出台。

目前JPEG2000已由ISO和IEC（国际电工协会）JTC1SC29标准化小组正式命名为“ISO15444”。

JPEG2000的基本部分（Part1）已经作为ISO标准公布于世，JPEG2000的Part2和MotionJPEG2000的标准化进程也相当顺利，有望在年底实现标准化。

这两部分内容目前已经分别处于FinalCommitteeDraft阶段和CommitteeDraft1.0阶段。

有关专利许可方面的问题也有了相当的进展。

美国神马成像公司已经在PICTools系列开发工具包中集成了JPEG2000图像压缩技术，使各种版本的PICToolsC++编程工具都可以安装支持JPEG2000压缩技术的插件。

虽然JPEG2000有很多优点，但人们担心JPEG2000会重蹈PNG的覆辙。

PNG的最初目标是要取代GIF图像格式，人们曾对此寄予厚望，但结果却不尽如人意。

现在，Web上的图像文件仍然是GIF和JPEG的天下。

因此，JPEG2000能否被业界认可，关键在于它能否成功地使用户们认识到该格式确实具有取代JPEG的魅力，这一切尚需实践证明。

1.1JPEG与JPEG2000的比较

JPEG2000作为JPEG的升级版，其压缩率比JPEG高约30%左右，同时支持有损和无损压缩。

JPEG2000格式有一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图像由朦胧到清晰显示。

此外，JPEG2000还支持所谓的"感兴趣区域"特性，可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。

在有些情况下，图像中只有一小块区域对用户是有用的，对这些区域，采用低压缩比，而感兴趣区域之外采用高压缩比，在保证不丢失重要信息的同时，又能有效地压缩数据量，这就是基于感兴趣区域的编码方案所采取的压缩策略。

其优点在于它结合了接收方对压缩的主观需求，实现了交互式压缩。

而接收方随着观察，常常会有新的要求，可能对新的区域感兴趣，也可能希望某一区域更清晰些。

JPEG2000和JPEG相比优势明显，从无损压缩到有损压缩可以兼容，而JPEG不行，JPEG的有损压缩和无损压缩是完全不同的两种方法。

JPEG2000即可应用于传统的JPEG市场，如扫描仪、数码相机等，又可应用于新兴领域，如网路传输、无线通讯等等。

同时，JPEG2000也存在如下缺点：

JPEG2000的编码计算复杂性明显高于JPEG（JPEG2000的编码时间一般是JPEG的3—4倍），这不利于JPEG2000的软件实现。

对于文本图像及合成图像，JPEG2000的无损图像压缩性能明显劣与JPEG-LS。

JPEG2000的上述缺点，表明它不可能彻底取代JPEG及JPEG-LS，三者之间应该是一种共存的关系。

表

（1）JPEG与JPEG2000的比较

1.2JPEG-DCT和JPEG2000的比较

JPEG2000是一种新的图像压缩算法。

由iso制定。

她也有有损压缩和无损压缩两种。

JPEG2000是基于DWT的。

比JPEG-DCT有很多优越的地方。

DWT编码的时候得到的是连续的码流。

这样可以避免在JPEG-DCT中的块效应。

DWT一种是基于可逆的（5，3）小波，用于无损编码，一种是基于不可逆（9，7）小波，用于有损压缩。

量化系数独立于每一个不同的层。

每一层都是64*64的块。

每一层都做熵编码，contextcode和.bit-plane编码。

我们考虑不同bit流下的两种压缩方式。

在所有的情况下，DWT对图像处理后的效果都要好于DCT。

比如信噪比和图像质量。

信噪比一般高3－6个dB。

结果由fig2可以看出。

在高压缩比的情况下，DCT对图像质量的影响更为严重。

在fig2中可以看出，DWT压缩后的图像比DCT压缩后的图像有更好的视觉效果。

表二JPEG-DCT和JPEG2000的比较

1.3JPEG2000的新特性

　　开发JPEG2000的初衷是在使用小波转换（WAVELETTRANSFORM）为主的解析编码方式的基础上，提供崭新的图象编码系统。

国际标准组织（ISO）将在2000年底最终确定JPEG2000这个图象编码新标准。

内容主要包括6个部分：

　　⑴JPEG2000图象编码系统（核心部分）

　　⑵应用扩展（在核心上扩展更多特性）

　　⑶运动JPEG2000

　　⑷兼容性（即包容性与继承性）

　　⑸参考软件（目前主要为JAVA与C程序）

　　⑹复合图象文件格式（如传真式的服务等）

1.4JPEG2000的优越性

　　那么JPEG2000作为一种新型图象编码系统，跟它的前身JPEG相比，有那些优越性呢？

实际上，JPEG2000的压缩优越性跟它的先进的编码技术是密切相关的。

大体说来分为六个方面：

　　⑴JPEG2000可以方便地实现渐进式传输，这是JPEG2000的重要特征之一。

看到这种特性，我们就会联想到GIF格式的图像可以做到在WEB上实现"渐现"效果。

也就是说，它先传输图像的大体轮廓，然后逐步传输其他数据，不断地提高图像质量。

这样图象就由朦胧到清晰显示出来，从而节约、充分利用有限的带宽。

而传统的JPEG无法做到这一点，只能是从上到下逐行显示。

　　⑵JPEG2000既支持有损压缩，也支持无损压缩方式。

而JPEG只能做到有损压缩，压缩后数据不能还原。

因此JPEG2000在保存不可以丢失原始信息，而又强调较小的图象文档尺寸的情况下能扮演很重要的角色。

　　⑶JPEG2000另外一个非常有趣而又实用的特征，就是它支持对你希望的特定区域进行特别的压缩处理。

你可以指定图像上任意区域的压缩质量，还可以指定哪个部份先进行解压处理。

这在大大降低图象尺寸方面起到很大作用。

　　⑷实际上，JPEG2000作为JPEG家族的继承者，就不能不追求很高的压缩比。

在具有和传统JPEG类似质量的前提下，JPEG2000的压缩率比JPEG高20%-40%左右。

也就是说，假如有一天我们的JPEG图片全部换成JPEG2000编码方式，在同样的网络带宽下，我们的对于图片下载的等待时间将大大缩短。

　　⑸JPEG2000在颜色处理上，具有更优秀的内涵。

与JPEG相比，JPEG2000同样可以用来处理多达256个通道的信息。

而JPEG仅局限于RGB数据。

也就是说，JPEG2000可以用单一的文件格式来描述另外一种色彩模式，比如CMYK模式。

⑹JPEG2000能使基于WEB方式多用途图象简单化。

由于JPEG2000图象文件在它从服务器下载到用户的WEB页面时，能平滑地提供一定数量的分辨率基准，WEB设计师们处理图象的任务就简单了。

例如我们经常会看到一些提供图片欣赏的站点，在一个页面上用缩略图来代理较大的图象。

浏览者只需点击该图象，就可以看到较大分辨率的图象。

不过这样WEB设计师们的任务就在无形中加重了。

因为缩略图与它链接的图象并不是同一个图象，需要另外制作与存储。

而JPEG2000只需要一个图象就可以了。

用户可以自由地放缩、平移、剪切该图象而能得到他们所需要的分辨率与细节。

2.JPEG2000压缩标准的基本原理

JPEG2000的压缩编码和解码的总体流程如图

（1）所示。

在编码过程成中，首先对源图像进行预处理，也就是将源图像分量变换，然后把图像和它的各个成分分解成矩形图像片（tiling）。

对每个图像片数据进行离散小波变换，得到小波系数，然后对小波系数进行量化并组成矩形的编码块（code_block），再对在编码块中的系数“位平面”熵编码，最后形成输出压缩码流。

解码器是编码器的反过程，首先对码流进行解包和熵解码，然后反向量化和离散小波反变换，对反变换的结果进行后期处理合成，得到重构图像数据。

图

（1）JPEG2000的压缩编码和解码的总体流程

   由于解码只是编码的逆过程，这里只详细介绍编码系统的算法流程。

2.1数据预处理

   预处理一般包括三种操作：

区域划分、DC电平位移、分量变换。

（1）图像分片

    分片指的是把源图像分割成相互不重叠的矩形块——图像片，每一个图像片作为一个独立的图像进行压缩编码。

编码中的所有操作都是针对图像片进行的。

图像片是进行变换和编解码的基本单元。

图像的分片降低了对存储空间的要求，并且由于他们重构时也是独立进行的，所以可以用来对图像的特定区域而不是整幅图像进行解码。

当然，图像分片会影响图像质量。

比较小的图像片会比大图像片产生更大的失真。

图像分片在低比特率表示图像的时候所造成的图像失真会更加严重。

（2）DC电平位移

    在对每一图像片进行正向离散小波变换之前，都要进行直流电平位移。

目的是在解码时，能够从有符号的数值中正确恢复重构的无符号样本值。

直流电平位移是对仅有无符号数组成的图像片的像素进行的。

电平位移并不影响图像的质量。

在解码端，在离散小波反变换之后，对重构的图像进行反向直流电平位移。

    （3）分量变换

    JPEG2000支持多分量图像。

不同的分量不需要有相同的比特深度，也不需要都是无符号或有符号数。

对于可恢复（无损）系统，唯一的要求就是每一个输出分量图像的比特深度必须跟相应输入分量图像的比特深度保持一致。

2.2离散小波变换

  不同于传统的DCT变换，小波变换具有对信号进行多分辨率分析和反映信号局部特征的特点。

通过对图像片进行离散小波变换，得到小波系数图像（如图2），而分解的级数视具体情况而定。

小波系数图像由几种子带系数图像组成。

这些子带系数图像描述的是图像片水平和垂直方向的空间频率特性。

不同子带的小波系数反映图像片不同空间分辨率的特性。

通过多级小波分解，小波系数既能表示图像片中局部区域的高频信息（如图像边缘），也能表示图像片中的低频信息（如图像背景）。

这样，即使在低比特律的情况下，我们也能保持较多的图像细节（如边缘）。

另外，下一级分解得到的系数所表示图像在水平和垂直方向的分辨率只有上一级小波系数所表示的图像的一半。

所以，通过对系数图像的不同级数进行解码，就可以得到具有不同空间分辨率（或清晰，或模糊）的图像。

    小波变换因其具有的这种优点被JPEG2000标准所采用。

在编码系统中，对每个图像片进行Mallat塔式小波分解。

经过大量的测试，JPEG2000选用两种小波滤波器：

LeGall5/3滤波器和Daubechies9/7滤波器。

前者可用于有损或无损图像压缩，后者只能用于有损压缩。

    在JPEG2000标准中，小波滤波器可以有2种实现模式：

基于卷积的和基于提升机制的。

而具体实现时，对图像边缘都要进行周期对称延伸，这样可以防止滤波器对图像边缘操作时产生失真。

另外，为了减小变换时所需空间的开销，标准中还应用了基于行的小波变换技术。

图

（2）小波系数图像

2.3量化

由于人类视觉系统对图像的分辨率要求有一定的局限，通过适当的量化减小变换系数的精度，可在不影响图像主观质量的前提下，达到图像压缩的目的。

量化的关键是根据变换后图像的特征、重构图像质量要求等因素设计合理的量化步长。

量化操作是有损的，会产生量化误差。

不过一种情况除外，那就是量化步长是1，并且小波系数都是整数，利用可恢复整数5/3拍小波滤波器进行小波变换得到的结果就符合这种情况。

    在JPEG2000标准中，对每一个子带可以有不同的量化步长。

但是在一个子带中只有一个量化步长。

量化以后，每一个小波系数有2部分来表示：

符号和幅值。

对量化后的小波系数进行编码。

对于无损压缩，量化步长必须是1。

2.4熵编码

图像经过小波变换、量化后，在一定程度上减少了空间和频域上的冗余度，但是这些数据在统计意义上还存在一定的相关性，为此采用熵编码可以消除数据间的统计相关性。

JPEG2000使用EBCOT编码器对每个编码块进行熵编码。

EBCOT的编码过程可分为两个步骤：

（1）嵌入式码块编码

   经小波变换和量化，图片分量矩阵成为整数系数的子带矩阵，每个子带又被划分为大小相同的矩形码块而每个码块将被独立编码，而每个码块又可以分成位平面，即比特层，从最高有效位平面开始逐平面编码直到最低位平面。

对位平面编码时，为了获得细化的嵌入式码块位流，每个位平面又进一步分成子位平面，称为编码通道。

位平面上的每个系数位必须而且只能在其中的一个编码通道上编码。

这三个通道依次为：

重要性传播通道、幅度细化通道、清除通道。

在这3个编码通道上分别进行4种编码操作：

有效性编码、符号编码、幅度细化编码、清除编码。

在清除编码中，根据适当的条件进行游程编码，来减少算术编码时的二进制符号个数。

（2）分层组织码块的嵌入式压缩位流

在第二步编码算法中，采用PCRD率失真优化算法思想，对所有码块的嵌入式压缩位流进行适当的截取，分层组织，形成整个图像的具有质量可分级的压缩码流。

为了更好地应用JPEG2000压缩码流的功能，JPEG2000标准规定了存放压缩位流和解码所需参数的格式，把压缩码流以包（packet）为单元，进行组织，形成最终的压缩码流。

2.5结果

JPEG2000具有支持无损压缩的特点，因此使其在对医学图像进行压缩中显得十分适合。

一般在进行压缩后，文件的大小能够减少2／3，极大的减少数据的保存空间，提高数据传输曩墨，而基于离散余弦变换（DCT）的JPEG标准不支持无损压缩。

图（3）Original（979KB）

图（4）JPEG2000（1.83KB）

3.JPEG2000中的核心技术

3.1 速率控制算法

    JPEG2000通过采用速率控制方法来计算码流的理想截断点，从而获得给定压缩码率下的最佳重构图像质量。

速率控制使用了PCRD率失真优化算法。

率失真优化，即给定整个压缩码流的最大编码速率，找出每个码块压缩位流的适当截断点，在满足的条件下，使重构图像失真最小。

从而使得嵌入式码块编码具有如下特点：

生成的压缩位流可根据需要，被截断成不同长度的位流子集；将所有码块的截断位流组织起来，可重构出一定质量的图像。

3.2离散小波变换

    JPEG2000与传统JPEG最大的不同在于他放弃了JPEG所采用的以离散余弦变换（DCT）为主的区块编码方式，转而采用以小波变换（DWT）为主的多解析编码方式。

    余弦变换是经典的谱分析工具，他考察的是整个时域过程的频域特征或整个频域过程的时域特征，因此对于平稳过程，他有很好的效果，但对于非平稳过程，他却有诸多不足。

在JPEG中，离散余弦变换将图像压缩为8×8的小块，然后依次放入文件中，这种算法*丢弃频率信息实现压缩，因而图像的压缩率越高，频率信息被丢弃的越多。

在极端情况下，JPEG图像只保留了反映图像外貌的基本信息，精细的图像细节都损失了。

小波变换是现代谱分析工具，他既能考察局部时域过程的频域特征，又能考察局部频域过程的时域特征，因此即使对于非平稳过程，处理起来也得心应手。

他能将图像变换为一系列小波系数，这些系数可以被高效压缩和存储，此外，小波的粗略边缘可以更好地表现图像，因为他消除了DCT压缩普遍具有的方块效应。

3.3  渐进传输特性

    现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的，因此只能逐行显示，而采用JPEG2000格式的图像支持渐进传输。

JPEG2000中的渐进传输有2种，按照分辨率的渐进传输和按照质量的渐进传输。

按照质量的渐进传输就是先传输图像轮廓数据，然后再逐步传输细节数据来不断提高图像质量，而按照分辨率的渐进传输则先传输分辨率较低的图像，后一幅图像在前一幅图像的基础上提高其分辨率。

图像的渐进传输使得用户不需要像以前那样等图像全部下载后才决定是否需要，有助于快速地浏览和选择大量图片，从而有效的解决了网络传输的瓶颈问题。

3.4 感兴趣区域压缩

    感兴趣区域压缩JPEG2000另一个极其重要的优点就是ROI（RegionofInterest，即感兴趣区域）。

你可以指定图片上感兴趣区域，然后在压缩时对这些区域指定压缩质量，或在恢复时指定某些区域的解压缩要求。

这是因为子波在空间和频率域上具有局域性（即一个变换系数牵涉到的图像空间范围是局部的），要完全恢复图像中的某个局部，并不需要所有编码都被精确保留，只要对应它的一部分编码没有误差就可以了。

在实际应用中，我们就可以对一幅图像中我们感兴趣的部分采用低压缩比以获取较好的图像效果，而对其他部分采用高压缩比以节省存储空间。

这样就能在保证不丢失重要信息的同时又有效地压缩了数据量，实现了真正的“交互式”压缩，而不仅仅是像原来那样只能对整个图片定义一个压缩比。

结合渐进传输和感兴趣区域压缩这两个特点，我们以后在网络上浏览JPEG2000格式的图片时就可以从传输的码流中解压出逐步清晰的图像，在传输过程中即可判断是否需要；在图像显示的过程中还可以多次指定新的感兴趣区域，编码过程将在已经发送的数据基础上继续编码，而不需要重新开始。

此外，JPEG2000还将彩色静态画面采用的JPEG编码方式、二值图像采用的JBIG（JointBinaryImageGroup）编码方式及低压缩率采用JPEGLS统一起来，成为对应各种图像的通用编码方式。

4.JPEG2000的应用

随着科技的发展，网络已经渗透到每个人的生活之中。

然而，受到网络带宽的限制，高质量的图像由于数据量很大，在网络上的传输延迟很大。

因此，对于使用PC机、笔记本、掌上电脑或PDA,通过Modem接入因特网访问图像数据的用户来说，允许根据需要选择恰当的图像分辨率进行浏览和传输是非常必要的。

目前，支持JPEG2000的软件已经出现，如LuraWaveSmartCompressFreewareforWindows为ACDSee3.0提供JPEG2000LWF格式的外挂插件，这样只要我们安置了这个插件就可以观看和制作采用JPEG2000编码的LWF格式文件。

在不久的将来，JPEG2000无论是在传统的JPEG市场（如数码相机、扫描仪等）还是在新兴应用领域（如网路传输、无线通讯、医疗影像等）都将大有用武之地。

相信在它的正式标准确定之后，现有的JPEG将迅速被其取代。

近年来，离散小波变换在图像处理与图像分析的各个领域中得到了广泛的应用。

这主要因为小波的时频局域化使它在信号分析中具有很大的优势，而且由于它对高频成分采用由粗到细的渐进取样间隔，从而可以放大任意细节。

因此，小波分析被誉为数学上的显微镜，是构造图像多分辨率表示的有力工具。

随着JPEG2000标准的出台，参与开发的企业除了软件供应商外，还有很多制造图像设备的硬件供应商，整个IT业界都看好JPEG2000。

据悉，清华大学微电子研究所正在与美国WIS技术公司合作开发在FPGA中使用的运算器，该运算器将用于JPEG2000设备核心的画质无损/有损过滤器。

国内的一些相机制造商也在积极开发JPEG2000数码相机。

上海海鸥相机公司现在已经达到年产60万部普通百万像素解像JPEG标准数码相机的能力，该公司正在和一些世界顶级的JPEG2000技术芯片供应商争取合作关系。

凤凰光学仪器公司与北京大学遥感所合作，建立了一个数码相机压缩控制芯片及CMOS成像器的开发项目。

国际摄影行业协会负责数码新技术市场开发的工业技术分析员JacquesKauffmann预测，如果中国决定推行JPEG2000标准，那么“他们将会成为全球最先推出基于JPEG2000标准数码相机的国家”。

在军事侦察和气象预报中，由卫星遥感得到的图像必须通过远距离无线信道传输，传输误码的出现不可避免。

JPEG2000编码器特有的码流组织形式是输出码流具有有效抑制误码的能力。

这样，码流通过无线卫星通讯信道发还给地面接收站后，地面接收站在解码过程中可以利用JPEG2000内部的码流组织形式来避免由于传输误码而造成的错误解码。

    此外，在安全确认、身份认证及医学领域，JPEG2000都有着其广泛的应用。

可以预测，在不久的将来，JPEG2000将在以下领域得到广泛的应用：

因特网、移动和便携设备、印刷、扫描（出版物预览）、数码相机、遥感、传真（包括彩色传真和因特网传真）、医学应用、数字图书馆和电子商务等。

5.结论

JPEG2000旨在创建一个新的图像编码系统。

该压缩编码系统的率失真和主观图像质量优于现有的JPEG标准，能够提供对图像的低码率的压缩，并且对压缩码流可进行灵活的处理，如随机获取部分压缩码流、图像的渐进传输、感兴趣区域的实现以及压缩码流较强的容错性能等。

该标准将与