第八章__JPEG2000压缩标准简介
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PART 4 ,兼容性; PART 5 ,参考软件; PART 6 ,复合图像文件格式,主要针对印刷和传真应用。 PART 7 , 技术报告, 介绍实现PART1 所需的最小支持环境。
8.2 JPEG 2000的核心编码系统
JPEG2000 图像编码系统基于David Taubman 提出的 EBCOT( Embedded Block Coding with Optimized Truncation) 算法使用小波变换, 采用两层编码策略, 对压 缩位流分层组织。
则： Y R R G G B B
0.587 0.114 R Y 0.299 0. 5 Cb 0.168736 0.331264 G Cr B 0 . 5 0 . 418688 0 . 081312
JPEG 2000的核心编码系统中，定义了两种颜色 变换：
不可逆分量变换ICT，适用有损压缩
可逆分量变换RCT，适用无损压缩
为了便于对变换公式的理解，将前三个颜色分量 的值I0 (x, y)、I1 (x, y)和I2 (x, y)简记为R、G和B， 将变换后的值Y0 (x, y)、Y1 (x, y)和Y2 (x, y)简记为 Y、Cb和Cr或Y、U和V。
一、图像分块与拼接
不需要将图像强制分成8×8的小块。
为了降低对内存的需求和方便压缩域中可能的分块处理， 可以将图像分割成若干互不重叠的矩形块（tile）。
分块的大小任意，可以整个图像是一个块，也可以一个像素是一
个块。 一般分成64×64~1024×1024大小的方块，边缘部分的块可能小一 些，而且不一定是方的。
图像分块的大小会影响重构图像的质量。
一般来说，分块大比分块小的质量要好一些。
在解码过程的后处理中，需要将分块的图像数据，重新无 缝地拼接在一起。
Tiles and Sub-bands
每个分量（components） 分成多个块（tile） 每个块（ tile ）小波变换 后分成多个子带 （subbands）
对具有不同特征(如自然图像、医疗图像、遥感图像等)
的不同类型(如二值、灰度、彩色或者多分量图像) 的 静止图像进行压缩
在低比特率的情况下,获得比目前标准更好的率失真性
能和主观图像质量。
JPEG2000的主要特点
(1) 良好的低比特率压缩性能
这是J PEG2000 最主要的特征。目前的J PEG标准, 对于细节分
支持更多的颜色分量和更大的颜色深度，具有多分辨率表示和渐进 传输功能，
同时支持有损和无损压缩，比JPEG标准的压缩率更高、性能更优 秀。
8.1.1 JPEG2000 的目标
J PEG2000 是新的图像压缩标准, 其目标是：
在一个统一的集成系统中, 允许使用不同的图像模型
(如客户/ 服务器、实时传输、图像库驱动、有限缓冲 和带宽资源等)
第八章 JPEG2000压缩标准简介
8.1 JPEG2000 简介 8.2 JPEG 2000的核心编码系统 8.3 RO I 编码
8.4 JPEG2000与JPEG的比较
参考：David S. Taubman; Michael W. Marcellin ，JPEG2000 图像压缩基础、标准和实践，电子工业出版社，2004
Code Blocks
每个子带（ sub-band）分 成多个码块（code blocks） 每个码块单独编码
二、数据偏移和归一化
JPEG 2000中的DWT也需要图像的样本数据关于0对称分 布 ， 对 B 位 无 符 号 整 数 的 分 量 样 本 值 I (x, y) （0≤I(x,y)<2B），应该先进行中心偏移（又称为直流电平 平移DC level shifting）：
首先对源图像进行离散小波变换,根据变换后的小波系数特点进行
量化。
将量化后的小波系数划分成小的数据单元———码块,对每个码块
进行独立的嵌入式编码。
将得到的所有码块的嵌入式位流,按照率失真最优原则分层组织,形
成不同质量的层。
对每一层, 按照一定的码流格式打包, 输出压缩码流。
解码过程相对比较简单。根据压缩码流中存储的参数, 对应于编码器的各部分,进行逆向操作,输出重构的图像 数据。 JPEG2000 在进行压缩之前, 需要把源图像数据划分成 tile 矩形单元。
(5) 随机获取和处理码流:
由于J PEG2000 采用小波技术,利用其局部分辨特性,在不解压的
情况下,可随机获取某些感兴趣的图像区域(ROI) 的压缩码流, 对压 缩的图像数据进行传输、滤波等操作。
(6) 强的抗误码特性:
在无线通信信道上, 噪声干扰大, 这就希望压缩码流具有较强的容
计算机图形和二值文本的压缩时, 性能变差, 不适用于复合文本压 缩。为了改进这一点,J PEG2000 在同一系统中采用相似的方法, 能够对自然图像、复合文本、医学图像、计算机图形等具有不同 特征、不同类型的图像进行压缩。
(3) 有损和无损压缩:
对于目前的J PEG标准, 在同一个压缩码流中不能同时提供有损
R 2G B Y 4 U RG V BG
逆变换：
U V G Y 4 R U G B V G
8.2.2小波变换
在JPEG 2000的核心编码系统中，对有损压缩采用的是基于 Daubechies 9/7 滤波器之提升实现的不可逆DWT。 对无损压缩采用的则是基于Le Gall 5/3滤波器之提升实现的可逆 DWT。 JPEG 2000标准支持基于卷积(convolution-based)和基于提升 (lifting-based)两种滤波模式。
逆变换： 精确式：
R Y 2(1 R )Cr 2 B (1 B )Cb R (1 R )Cr G Y B Y 2(1 B )Cb
G
近似式：
0 1.402 Y R 1 G 1 0.344136 0.714136 Cb B 1 Cr 1 . 772 0
正变换： 精确式：根据人眼对RGB三种颜色分量的感知特性， 设各颜色的权重为： ，满足 R 0.299, G 0.587, B 0.114
R G B 1
0.5 Cb (B Y ) 1B 0.5 Cr (R Y ) 1R 近似式：
The constituent components of a color image
1）ICT
不 可 逆 分 量 变 换 ICT (Irreversible component transformation)是一种颜色空间的转换，采用了近似的实 数运算，可用在有损的小波压缩中。 将原始的光电颜色空间 RGB ，转换为亮度与色差颜色空 间YCbCr。 在亮度与色差颜色空间中，可以利用人眼对颜色的分辨 率比亮度低的特性，对色差数据进行子采样。 同时，还可以在分量的渐进传送中，优先传输对人眼最 重要的亮度数据。
8.1.2 JPEG 2000标准的组织结构
JPEG2000 标准可分为7大部分:
PART 1 ,J PEG2000 图像编码系统, 是JPEG2000 标准的核
心系统;
PART 2 ,扩展系统,在核心系统上,添加了一些功能;
PART 3 ,运动JPEG2000 ,针对运动图像提出的解决方案;
原始图像数据
JPEG 2000核心编码系统的编解码模块与过程
8.2.1 预处理与后处理
JPEG 2000的核心编码系统的预处理，主要包括 可选的图像分块 数据中心偏移（直流电平平移）、数据的归一化 颜色分量变换
预处理 原始图像数据 图像分块 电平平移 归一化 颜色变换 分块 FDWT
和无损两种压缩,而在J PEG2000 系统中, 通过选择参数, 能够对 图像进行有损和无损两种压缩, 可满足图像质量要求很高的医学 图像、图像库等方面的处理需要。
(4) 按照像素精度或者分辨率进行累进式传输:
累进式图像传输允许图像按照所需的分辨率或象素精度进行重构 ,
用户根据需要,对图像传输进行控制,在获得所需的图像分辨率或 质量要求后,便可终止解码,而不必接收整个图像压缩码流。
量多的灰度图像, 当编码压缩率低于每像素0. 25bit 时,视觉失真大。 为了克服这一点,要求J PEG2000 在低比特率下, 具有良好的率失 真性能, 以适应网络、移动通信等有限带宽的应用需要。
(2) 连续色调和二值图像压缩
目前的J PEG标准对于自然图像具有较好的压缩性能, 但是当用于
将每个tile 看成是小的源图像,进行编解码。 把图像划分成tile ,对每个tile 进行操作,可减少压缩图像所需的
存储量, 并且有利于抽取感兴趣的图像区域
码率控制 压缩图像数据 预处理 FDWT 量化 (a) 编码过程 重构图像 JPEG 2000 码流 后处理 IDWT 反量化 (b) 解码过程 熵解码 处理 码流分解 熵编码 处理 码流组织
在解码的后处理中，需要将归一化和/或平移的数据还原：
I ' ( x, y) 2 B I "( x, y), 则 2 B1 I ' ( x, y) 2 B1
I ( x, y) I ' ( x, y) 2 B1 , 则 0 I ' ( x, y) 2 B
三、颜色变换
8.1 JPEG2000 简介
JPEG 2000是ISO与CCITT/ITU共同成立的联合图像专家组 （JPEG），于2000年底开始推出的一种基于小波变换的静态图像 压缩标准(ISO/IEC 15444-1~12，ITU T.800~808)。 统一了2值图像编码标准JBIG、无损压缩编码标准JPEG-LS以及原 来的JPEG编码标准，
I ' ( x, y) I ( x, y) 2
B 1
, 则 2
B 1
I ' ( x, y) 2
B 1
对无损压缩，因为采用的是整数小波变换，数据偏移后 就可以了。
对有损压缩，因为采用的是实数型离散小波变换，所以还 需要对偏移后的数据进行归一化处理：
I ' ( x, y ) 1 1 I " ( x, y ) , 则 I " ( x, y ) B 2 2 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
错性能。J PEG2000 系统通过设计适当的码流格式和相应的编码 措施, 来减小因解码失败造成的损失。
(7) 固定速率、固定大小、有限的存储空间:
由于处理的图像越来越大, 这为硬件实现以及带宽资源和存储空间
有限的应用提出了问题。JPEG2000 使用分块技术,对每个小块进 行处理,来解决这类问题。
除了上述主要特点外, J PEG2000 还采用开放式结构, 并 对图像安全保护、图像交换等方面做了考虑。 J PEG2000 具有的多种特点使得它具有广泛的应用前景, 目前, 许多著名的图形图像公司如Corel 、Pegasus 等都 开始在新开发的图像工具软件中集成J PEG2000 图像压 缩技术, Microsoft 、Netscape 等浏览器领域的公司也 开始将J PEG2000 新技术集成到下一个版本的浏览器中。 JPEG2000 将在21 世纪图像压缩领域发挥重要作用。
2）RCT
• 可逆分量变换RCT (Reversible component transformation) 也是一种颜色空间的转换，采用了精确的整数运算，可用 在无损的小波压缩中。 • 该变换的背景和优势与ICT的类似，只是现在的亮度与色差 颜色空间改为YUV。
• 它可以看成是ICT的一种整数型简化，目的是为了可以进行 精确的可逆运算。 正变换：
8.2 JPEG 2000的核心编码系统
JPEG2000 图像编码系统基于David Taubman 提出的 EBCOT( Embedded Block Coding with Optimized Truncation) 算法使用小波变换, 采用两层编码策略, 对压 缩位流分层组织。
则： Y R R G G B B
0.587 0.114 R Y 0.299 0. 5 Cb 0.168736 0.331264 G Cr B 0 . 5 0 . 418688 0 . 081312
JPEG 2000的核心编码系统中，定义了两种颜色 变换：
不可逆分量变换ICT，适用有损压缩
可逆分量变换RCT，适用无损压缩
为了便于对变换公式的理解，将前三个颜色分量 的值I0 (x, y)、I1 (x, y)和I2 (x, y)简记为R、G和B， 将变换后的值Y0 (x, y)、Y1 (x, y)和Y2 (x, y)简记为 Y、Cb和Cr或Y、U和V。
一、图像分块与拼接
不需要将图像强制分成8×8的小块。
为了降低对内存的需求和方便压缩域中可能的分块处理， 可以将图像分割成若干互不重叠的矩形块（tile）。
分块的大小任意，可以整个图像是一个块，也可以一个像素是一
个块。 一般分成64×64~1024×1024大小的方块，边缘部分的块可能小一 些，而且不一定是方的。
图像分块的大小会影响重构图像的质量。
一般来说，分块大比分块小的质量要好一些。
在解码过程的后处理中，需要将分块的图像数据，重新无 缝地拼接在一起。
Tiles and Sub-bands
每个分量（components） 分成多个块（tile） 每个块（ tile ）小波变换 后分成多个子带 （subbands）
对具有不同特征(如自然图像、医疗图像、遥感图像等)
的不同类型(如二值、灰度、彩色或者多分量图像) 的 静止图像进行压缩
在低比特率的情况下,获得比目前标准更好的率失真性
能和主观图像质量。
JPEG2000的主要特点
(1) 良好的低比特率压缩性能
这是J PEG2000 最主要的特征。目前的J PEG标准, 对于细节分
支持更多的颜色分量和更大的颜色深度，具有多分辨率表示和渐进 传输功能，
同时支持有损和无损压缩，比JPEG标准的压缩率更高、性能更优 秀。
8.1.1 JPEG2000 的目标
J PEG2000 是新的图像压缩标准, 其目标是：
在一个统一的集成系统中, 允许使用不同的图像模型
(如客户/ 服务器、实时传输、图像库驱动、有限缓冲 和带宽资源等)
第八章 JPEG2000压缩标准简介
8.1 JPEG2000 简介 8.2 JPEG 2000的核心编码系统 8.3 RO I 编码
8.4 JPEG2000与JPEG的比较
参考：David S. Taubman; Michael W. Marcellin ，JPEG2000 图像压缩基础、标准和实践，电子工业出版社，2004
Code Blocks
每个子带（ sub-band）分 成多个码块（code blocks） 每个码块单独编码
二、数据偏移和归一化
JPEG 2000中的DWT也需要图像的样本数据关于0对称分 布 ， 对 B 位 无 符 号 整 数 的 分 量 样 本 值 I (x, y) （0≤I(x,y)<2B），应该先进行中心偏移（又称为直流电平 平移DC level shifting）：
首先对源图像进行离散小波变换,根据变换后的小波系数特点进行
量化。
将量化后的小波系数划分成小的数据单元———码块,对每个码块
进行独立的嵌入式编码。
将得到的所有码块的嵌入式位流,按照率失真最优原则分层组织,形
成不同质量的层。
对每一层, 按照一定的码流格式打包, 输出压缩码流。
解码过程相对比较简单。根据压缩码流中存储的参数, 对应于编码器的各部分,进行逆向操作,输出重构的图像 数据。 JPEG2000 在进行压缩之前, 需要把源图像数据划分成 tile 矩形单元。
(5) 随机获取和处理码流:
由于J PEG2000 采用小波技术,利用其局部分辨特性,在不解压的
情况下,可随机获取某些感兴趣的图像区域(ROI) 的压缩码流, 对压 缩的图像数据进行传输、滤波等操作。
(6) 强的抗误码特性:
在无线通信信道上, 噪声干扰大, 这就希望压缩码流具有较强的容
计算机图形和二值文本的压缩时, 性能变差, 不适用于复合文本压 缩。为了改进这一点,J PEG2000 在同一系统中采用相似的方法, 能够对自然图像、复合文本、医学图像、计算机图形等具有不同 特征、不同类型的图像进行压缩。
(3) 有损和无损压缩:
对于目前的J PEG标准, 在同一个压缩码流中不能同时提供有损
R 2G B Y 4 U RG V BG
逆变换：
U V G Y 4 R U G B V G
8.2.2小波变换
在JPEG 2000的核心编码系统中，对有损压缩采用的是基于 Daubechies 9/7 滤波器之提升实现的不可逆DWT。 对无损压缩采用的则是基于Le Gall 5/3滤波器之提升实现的可逆 DWT。 JPEG 2000标准支持基于卷积(convolution-based)和基于提升 (lifting-based)两种滤波模式。
逆变换： 精确式：
R Y 2(1 R )Cr 2 B (1 B )Cb R (1 R )Cr G Y B Y 2(1 B )Cb
G
近似式：
0 1.402 Y R 1 G 1 0.344136 0.714136 Cb B 1 Cr 1 . 772 0
正变换： 精确式：根据人眼对RGB三种颜色分量的感知特性， 设各颜色的权重为： ，满足 R 0.299, G 0.587, B 0.114
R G B 1
0.5 Cb (B Y ) 1B 0.5 Cr (R Y ) 1R 近似式：
The constituent components of a color image
1）ICT
不 可 逆 分 量 变 换 ICT (Irreversible component transformation)是一种颜色空间的转换，采用了近似的实 数运算，可用在有损的小波压缩中。 将原始的光电颜色空间 RGB ，转换为亮度与色差颜色空 间YCbCr。 在亮度与色差颜色空间中，可以利用人眼对颜色的分辨 率比亮度低的特性，对色差数据进行子采样。 同时，还可以在分量的渐进传送中，优先传输对人眼最 重要的亮度数据。
8.1.2 JPEG 2000标准的组织结构
JPEG2000 标准可分为7大部分:
PART 1 ,J PEG2000 图像编码系统, 是JPEG2000 标准的核
心系统;
PART 2 ,扩展系统,在核心系统上,添加了一些功能;
PART 3 ,运动JPEG2000 ,针对运动图像提出的解决方案;
原始图像数据
JPEG 2000核心编码系统的编解码模块与过程
8.2.1 预处理与后处理
JPEG 2000的核心编码系统的预处理，主要包括 可选的图像分块 数据中心偏移（直流电平平移）、数据的归一化 颜色分量变换
预处理 原始图像数据 图像分块 电平平移 归一化 颜色变换 分块 FDWT
和无损两种压缩,而在J PEG2000 系统中, 通过选择参数, 能够对 图像进行有损和无损两种压缩, 可满足图像质量要求很高的医学 图像、图像库等方面的处理需要。
(4) 按照像素精度或者分辨率进行累进式传输:
累进式图像传输允许图像按照所需的分辨率或象素精度进行重构 ,
用户根据需要,对图像传输进行控制,在获得所需的图像分辨率或 质量要求后,便可终止解码,而不必接收整个图像压缩码流。
量多的灰度图像, 当编码压缩率低于每像素0. 25bit 时,视觉失真大。 为了克服这一点,要求J PEG2000 在低比特率下, 具有良好的率失 真性能, 以适应网络、移动通信等有限带宽的应用需要。
(2) 连续色调和二值图像压缩
目前的J PEG标准对于自然图像具有较好的压缩性能, 但是当用于
将每个tile 看成是小的源图像,进行编解码。 把图像划分成tile ,对每个tile 进行操作,可减少压缩图像所需的
存储量, 并且有利于抽取感兴趣的图像区域
码率控制 压缩图像数据 预处理 FDWT 量化 (a) 编码过程 重构图像 JPEG 2000 码流 后处理 IDWT 反量化 (b) 解码过程 熵解码 处理 码流分解 熵编码 处理 码流组织
在解码的后处理中，需要将归一化和/或平移的数据还原：
I ' ( x, y) 2 B I "( x, y), 则 2 B1 I ' ( x, y) 2 B1
I ( x, y) I ' ( x, y) 2 B1 , 则 0 I ' ( x, y) 2 B
三、颜色变换
8.1 JPEG2000 简介
JPEG 2000是ISO与CCITT/ITU共同成立的联合图像专家组 （JPEG），于2000年底开始推出的一种基于小波变换的静态图像 压缩标准(ISO/IEC 15444-1~12，ITU T.800~808)。 统一了2值图像编码标准JBIG、无损压缩编码标准JPEG-LS以及原 来的JPEG编码标准，
I ' ( x, y) I ( x, y) 2
B 1
, 则 2
B 1
I ' ( x, y) 2
B 1
对无损压缩，因为采用的是整数小波变换，数据偏移后 就可以了。
对有损压缩，因为采用的是实数型离散小波变换，所以还 需要对偏移后的数据进行归一化处理：
I ' ( x, y ) 1 1 I " ( x, y ) , 则 I " ( x, y ) B 2 2 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
错性能。J PEG2000 系统通过设计适当的码流格式和相应的编码 措施, 来减小因解码失败造成的损失。
(7) 固定速率、固定大小、有限的存储空间:
由于处理的图像越来越大, 这为硬件实现以及带宽资源和存储空间
有限的应用提出了问题。JPEG2000 使用分块技术,对每个小块进 行处理,来解决这类问题。
除了上述主要特点外, J PEG2000 还采用开放式结构, 并 对图像安全保护、图像交换等方面做了考虑。 J PEG2000 具有的多种特点使得它具有广泛的应用前景, 目前, 许多著名的图形图像公司如Corel 、Pegasus 等都 开始在新开发的图像工具软件中集成J PEG2000 图像压 缩技术, Microsoft 、Netscape 等浏览器领域的公司也 开始将J PEG2000 新技术集成到下一个版本的浏览器中。 JPEG2000 将在21 世纪图像压缩领域发挥重要作用。
2）RCT
• 可逆分量变换RCT (Reversible component transformation) 也是一种颜色空间的转换，采用了精确的整数运算，可用 在无损的小波压缩中。 • 该变换的背景和优势与ICT的类似，只是现在的亮度与色差 颜色空间改为YUV。
• 它可以看成是ICT的一种整数型简化，目的是为了可以进行 精确的可逆运算。 正变换：