JPEG2000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Joint Photographic Experts Group，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：ISO 10918－1，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bit plain算术编码（MQ coder）。

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）JTC1 SC29标准化小组正式命名为“ISO 15444”。

JPEG2000的基本部分（Part1）已经作为ISO标准公布于世，JPEG2000的Part2和Motion JPEG2000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Final Committee Draft阶段和Committee Draft 1.0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PICTools C++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。

1.1 JPEG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1.2 JPEG-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，context code 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1.3 JPEG2000的新特性开发JPEG2000的初衷是在使用小波转换（WAVELET TRANSFORM）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：⑴ JPEG2000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JPEG2000⑷ 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）1.4 JPEG2000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：⑴ JPEG2000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。

⑵ JPEG2000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。

⑶ JPEG2000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。

⑸ JPEG2000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。

⑹ JPEG2000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。