静态图象压缩标准JPEG
JPEG及JPEG2000剖析
图3 两维DCT变换方法
2.3 量化
为了达到压缩数据的目的，DCT系数需做量化。量化 是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化，这是一个 多到一映射的过程。量化的目的是减小非0系数的幅度 以及增加0值系数的数目，将信号幅值由连续量变成离 散量,在一定的主观保真的前提下，丢掉那些对视觉效 果影响不大的信息。量化是图像质量下降的最主要原 因。 对于有损压缩算法，JPEG算法使用如图4所示的均匀 量化器进行量化，量化步距是量化表的元素，它由系 数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。
注意：JPEG文件中量化表中的64个值是按z字形顺序排列的
量化的计算公式： 量化值(i,j)＝[T(i,j)／量化矩阵(i,j)] 在解码过程中，逆量化公式为： T(i,j)＝量化值(i,j)量化矩阵(i,j) 效果图
图5 经量化后，源图像（左）与IDCT运算后得到的图像 （右）会产生一定的失真，失真程度视量化等级而定。
（ 1 ） 使 用 正 向 离 散 余 弦 变 换 （ Forward Discrete Cosine （2）使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于 人的视觉系统是最佳的。
Transform，FDCT）把空间域表示的图变换成频率域表示的图。
（3）使用哈夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。
尺寸分类（符号1 ） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
码长 2 3 3 3 3 3 4 5 6 7 8 9 00 010 011 100 101 110 1110 11110 111110 1111110 11111110 111111110
码字
亮度DC系数表
JPEG2000静态图像压缩标准
1
第一章 绪论
第一章
绪论
随着现代网络通讯和无线通讯技术的飞速发展，图像压缩技术已经得到了越 来越广泛的应用。与此同时，人们不断追求的高压缩比和尽可能小的图像信息失 真之间的矛盾也日益突出。感兴趣区域（ROI）编码处理方法为解决这一矛盾提 供了一种有效的途径，成为近年来图像处理领域的研究热点之一。 联合图像专家组 （JPEG） 为了更好地满足人们在图像压缩领域的各种应用需 求，于 2000 年 12 月推出了新一代 的静态图像压缩标准——JPEG2000（ ISO 15444）[1]。在制定 JPEG2000 图像压缩标准的过程中，联合图像专家组始终将 能否灵活有效地支持 ROI 编码处理作为衡量该标准的一个重要指标[2]，为实现 ROI 编码提供了一个良好的平台，从而推动着 ROI 编码研究不断丰富、完善， 应用更深入、广泛。
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摘要
感兴趣区域（ ROI ）图像编码处理，是联合图像专家组（ JPEG）新推出的 JPEG2000 静态图像压缩标准中提供的一种新特性。该编码处理方法可以将用户 感兴趣的图像区域（ROI）与背景区域区别开来，并实现对前者优先、优质的编 码操作。 本文主要研究基于 JPEG2000 图像标准的感兴趣区域图像编码的应用算法， 具体工作如下：
第五章 FOVEAL SHIFT 编码方法………..………..….…………...……………..33
静态图像压缩JPEG2000标准
4) JPEG2000能方便的实现对码流的随机存取与处理，保证位错误的鲁棒性。
5) JPEG2000支持所谓的感兴趣区域特性，你可以任意指定图像上你感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部份先解压缩，这样我们就可以很方便的突出图片中的重点进行浏览。
(3)JPEG2000图片的压缩
目前有很多公司、机构提供了JPEG2000的压缩工具及编解码器。主要有LuraWave SmartCompress Freeware for Windows、Elecard Wavelet Image Compressor等。其中以LuraTech的LuraWave SmartCompress 及相应编码器生成的LuraWave（lwf）格式最有名。
2. JPEG2000标准
随着多媒体应用领域的激增，传统JPEG压缩技术已无法满足人们对多媒体图像资料的要求。因此，更高压缩率以及更多新功能的新一代静态图像压缩技术 JPEG 2000 随之诞生。
JPEG2000标准同样由JPEG 组织负责制定。自1997年3月开始筹划，于2000年3月出台。其标准号为ISO 15444。
(1)JPEG标准的组成部分
JPEG标准包括基于DPCM（差分脉冲编码调制）的无损压缩编码，基于DCT（离散余弦变换）和Fuffman编码的有损压缩算法两个部分。前者不会产生失真，但压缩比很小；后一种算法进行图像压缩信息虽有损失，但压缩比可以很大，例如压缩20倍左右时，人眼基本上看不出失真。目前我们对JPEG标准的应用主要是步骤
JPEG算法操作可分成以下三个基本步骤：
1) 通过离散余弦变换（DCT）去除数据冗余。
2) 使用量化表对DCT系数进行量化，量化表是根据人类视觉系统和压缩图像类型的特点进行优化的量化系数矩阵。
静态JPEG图像压缩标准
基于DCT的顺序编码模式
缺省的量化方式
36
基于DCT的顺序编码模式
缺省的量化方式
37
基于DCT的顺序编码模式
DC系数和AC系数的编码方式
DCT变换后，能量集中在左上角。 由于两个相邻的8×8子块的DC系数相差很小，
采用DPCM对直流(DC)系数单独编码。 其它63个元素是交流(AC)系数，采用行程编码。 问题: 如何排列这63个系数？
数据压缩的分类
1、按照压缩内容 分为音频数据压缩、静态图像数据压缩、视频数据压
缩和其他数据文件压缩等四种类型。 2、按照压缩方式
分为对称压缩和非对称压缩两种类型。
3、按照压缩效果 分为有损压缩与无损压缩两种类型。普通数据文件，
一般采用无损压缩，对于冗余度较小的图像，需要采用 有损压缩。
4、按照算法思想
• JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视觉系统的特 性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视觉的 冗余信息和数据本身的冗余信息。压缩编码大致分 成以下3个步骤：
1. 正向离散余弦变换(Forward Discrete Cosine Transform, FDCT) 把空间域表示的图像变换成频率域表示的图像。
处理数组 （数据压缩）
存放到数组 （seek、get）
原理
JPEG背景
JPEG(Joint Photographic Experts Group) 由 ISO和IEC两个组织机构联合组成的一个图像专家小 组 负责制定静态的数字图像数据 压缩编码标准
JPEG 标准 该专家组开发的算法称为JPEG算法 JPEG 已经成为国际上通用图像的标准
对于YUV图像: 对于ＹＵＶ采用不同的分辨率, 对每个不同分量的可以采用不同的量化参数和 熵编码表。
2023军队文职公开招聘笔试《艺术设计》备考真题库及答案
2023军队文职公开招聘笔试《艺术设计》备考真题库及答案学校:________ 班级:________ 姓名:________ 考号:________一、单选题(45题)1.静态图像压缩标准JPEG2000中使用的是（）算法A.离散余弦变换B.K-L变换C.离散正弦变换D.离散小波变换2. 在艺术的本质问题上，提出“美是生活”观点的是( )A.黑格尔B.普洛丁C.车尔尼雪夫斯基D.柏拉图3.主要应用在现代包装设计、商业美术设计、书籍装帧设计中的是（）。
A.新古典组合字体B.手写组合字体C.透视组合字体D.雕刻组合字体4.在Flash中，（）是指图形物体的位臵、大小及透明度发生变化。
A.形状补间动画B.动作补间动画C.逐帧动画D.引导动画5.在中国美学史上，自然美开始作为独立的审美形态出现在( )A.先秦B.秦汉C.魏晋D.隋唐6.以下关于摄像头的说法中，正确的是（）。
A.摄像头与计算机相连，所以只有数字摄像头B.摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类C.摄像头就是摄像用的，所以只有模拟摄像头D.摄像头并不区分数字的和模拟的，是一样的7.一幅256×256的图像，若灰度级数为16，则存储它所需的比特数是：（）A.256KB.512KC.1MD.2M8.（）被视为德国现代设计之父。
A.沃尔特·提格B.安迪·沃霍尔C.彼得·贝伦斯D.阿尔托9.西方园林是以法国为代表的欧洲园林，最早形成于公元前5世纪的（）A.古罗马B.古希腊C.古埃及D.文艺复兴时期10.在Authorware中，如果希望使用任意形状的响应区域来响应用户的操作，应使用（）响应类型。
A.按钮响应B.热对象响应C.目标区响应D.热区域响应11.在Authorware中，当用声音图标中的音乐做为背景音时，其执行方式需设为（）。
A.返回B.等待直到完成C.同时D.以上选项都不对12.功能是实用性产品设计的核心……用、经济、美观”的功能设计三原则。
jpeg压缩编码标准
JPEG压缩编码标准是国际标准化组织（ISO）和CCITT联合制定的静态图像的压缩编码标准。
它主要采用预测编码、离散余弦变换以及熵编码的联合编码方式，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩格式。
JPEG压缩编码标准是面向连续色调静止图像的压缩编码标准，具有较高的压缩比，是目前静态图像中压缩比最高的。
它能够将图像压缩在很小的储存空间，一定程度上会造成图像数据的损伤。
JPEG压缩编码标准有多种类型，包括标准JPEG格式、渐进式JPEG格式和JPEG2000格式。
其中，标准JPEG格式在网页下载时只能由上而下依序显示图像，直到图像资料全部下载完毕，才能看到图像全貌；渐进式JPEG格式在网页下载时，先呈现出图像的粗略外观后，再慢慢地呈现出完整的内容；JPEG2000格式是新一代的影像压缩法，压缩品质更高，并可改善在无线传输时，常因信号不稳造成马赛克现象及位置错乱的情况，改善传输的品质。
总之，JPEG压缩编码标准是一种广泛应用于图像处理领域的压缩编码标准，具有较高的压缩比和多种类型，能够满足不同应用场景的需求。
静态图像压缩标准
静态图像压缩标准静态图像压缩是数字图像处理中的重要技术，它可以减小图像文件的大小，从而节省存储空间和传输带宽。
在图像处理、网页设计、移动应用等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍静态图像压缩的标准，包括JPEG、PNG和GIF等常见的压缩格式，以及它们的特点和应用场景。
JPEG压缩是最常见的图像压缩格式之一，它采用了一种有损压缩的算法，可以在一定程度上减小图像文件的大小，同时保持较高的图像质量。
JPEG压缩适用于照片、真彩色图像等复杂图像的压缩，但对于简单的图像或者带有文本、线条的图像，JPEG的压缩效果并不理想。
此外，JPEG压缩的图像文件在多次编辑和保存后会出现压缩失真的问题，因此在需要频繁编辑的图像上不宜使用JPEG格式。
PNG压缩是一种无损压缩的格式，它可以保持图像的原始质量，适用于简单图像、带有透明通道的图像以及需要频繁编辑的图像。
PNG格式的图像文件通常比JPEG格式的大，但在保持图像质量的同时，可以减小文件大小。
因此，PNG格式适用于需要保持图像质量的场景，比如网页设计、图像编辑等领域。
GIF压缩是一种特殊的压缩格式，它主要用于动画图像的压缩。
GIF格式采用了一种无损压缩的算法，可以将多幅图像合成为一个GIF动画文件。
GIF格式的图像文件通常比JPEG和PNG格式的小，适用于网页动画、表情包等场景。
除了上述几种常见的压缩格式外，还有一些新兴的压缩算法和格式，比如WebP、HEIC等，它们在一定程度上优化了图像压缩的效果和文件大小。
在选择图像压缩格式时，需要根据具体的应用场景和要求来进行选择，以达到最佳的压缩效果。
总的来说，静态图像压缩标准包括了JPEG、PNG、GIF等常见的压缩格式，它们各自有着不同的特点和适用场景。
在实际应用中，需要根据具体的需求来选择合适的压缩格式，以达到最佳的压缩效果和图像质量。
希望本文能够对静态图像压缩标准有所帮助，谢谢阅读！。
图像处理之JPEG编码原理
上表中，Y 表示亮度，U 和 V 分别表示色差，是构成彩色的两个分量。 YUV 表示法的意 义在于其亮度信号(Y)和色度信号(U、V)相互独立，由 Y 信号分量构成的灰度图像与用 U、V 信号构成的另两幅单色图像之间没有关联。因此可以对这些单色图分别进行编码。仅使用亮 度信息时可以构成我们平时见到的黑白灰度图像。 由于所有的显示器最终都只能以像素方式显示图像， 所以无论任何色彩空间的图像信息 在进行显示时都必须转换到 RGB 空间，也就是还原 RGB 分量。 在显像管方式的电视机中，考虑了人眼的视觉特性和阴极射线管(CRT)的非线性特性之 后，RGB 和 YUV 的对应关系用下面关系式近似表示为：
0.114 R Y 0.299 0.587 U = − 0.147 − 0.289 0.436 G 0 . 615 0 . 515 0 . 100 V − − B
即： Y=0.3R+0.59G+0.11B U=B-Y V=R-Y 计算机所使用的数字域色彩空间与电视所使用的模拟色彩空间不同，它们的分量使用 Y、Cr 和 Cb 来表示，与 RGB 空间的转换关系如下：
图 1 重构误差与分块大小之间的关系
可以看出，从重构误差来说， DCT 比 DFT 和 WHT 的效果要好。DCT 优于 DFT 的另一个原 因是由于 DFT 的边缘振铃（ Gibbs 现象使相邻图像分块之间的边界变得可见）小，减少了边 缘效应。再者， DCT 的固有周期比 DFT 长一倍，边界不间断。如下图的比较。
2)
DFT、WHT、DCT 的基是固定的，与输入无关。在与输入无关的各种变换中，非正弦变换 （如 WHT）最容易实现，正弦变换（如 DFT 和 DCT）的信息压缩能力更接近最佳的 KLT 方 法。DFT 是复空间的正交变换（系数是复数），DCT 是欧式空间的正交变换（系数是实数）， 因此 DFT 的系数比 DCT 多一倍。不过实数的 DFT 的系数是共扼对称的， 实际所需的存储空间 与 DCT 相同。 图像压缩的质量不但与所使用的变换方式有关，还和分块大小有关。最常采用的分块尺 寸为 8×8 和 16×16。下图显示了以不同分块方式进行变换所产生的图像重构误差。下图是 在首先计算分块变换后，截取 75%的系数，然后对得到的数组进行反变换来重构图像所得到 的数据。
JPEG及JPEG2000精讲
依次类推，可以得到这个8*8的子块经压缩后最后的数据流为01111， 1101101，000，000，000，111000，1010 （31位）
新一代静态图像压缩标准---JPEG2000
1. JPEG2000概述
JPEG编码的最后一个步骤是把各种标记代码和编码后 的图像数据组成一帧一帧的数据，这样做的目的是为 了便于传输、存储和译码器进行译码，这样组织的数 据通常称为JPEG位数据流。
举例：
1）假设量化后得到Q数组: 2） Z字形扫描后得1*64的数组 15，0，-2，-1，-1，-1，0，0，-1， 55个0
2
i0
16
图3 两维DCT变换方法
2.3 量化
为了达到压缩数据的目的，DCT系数需做量化。量化 是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化，这是一个 多到一映射的过程。量化的目的是减小非0系数的幅度 以及增加0值系数的数目，将信号幅值由连续量变成离 散量,在一定的主观保真的前提下，丢掉那些对视觉效 果影响不大的信息。量化是图像质量下降的最主要原 因。
a .熵编码的中间符号表示 DC系数：
符号1 符号2 （尺寸）（幅值）
“尺寸”表示DC差值的幅值编码所需的比特数，由于计算 机中将负数存为反码或补码的形式，当幅值DIFF为负数时， DIFF的有效位数为（-DIFF）的有效位数。 AC系数：
符号1 符号2 （行程，尺寸）（幅值）
“行程”表示“Z”形扫描时所遇到前后两个非零AC系数之 间连续0 的个数；“尺寸”是后一个非零AC系数的幅值表示所 需要的比特数。
在计算二维的DCT变换时，也可使用下面的两个计算式进行 简化，把二维的DCT变换变成一维的DCT变换，如图3所示 为二维DCT变换方法。
静态图像压缩标准
静态图像压缩标准静态图像压缩是指通过某种算法或技术对图像文件进行处理，以减小文件的体积，同时尽量保持图像质量的技术。
在数字图像处理领域，静态图像压缩是一项非常重要的技术，它涉及到图像文件的存储、传输和显示等方面。
本文将介绍静态图像压缩的标准，包括常见的压缩算法、压缩标准以及其应用。
一、静态图像压缩的基本原理。
静态图像压缩的基本原理是利用图像中的冗余信息和人眼对图像的感知特性，通过一定的算法将图像文件的体积减小，同时尽量保持图像质量。
常见的静态图像压缩算法包括JPEG、PNG、GIF等，它们都采用了不同的压缩原理和方法。
二、静态图像压缩的标准。
1. JPEG压缩标准。
JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一种广泛应用的图像压缩标准，它采用了基于DCT（Discrete Cosine Transform）的压缩算法。
JPEG压缩标准在保持图像质量的同时，能够将图像文件的体积减小到较小的程度，适合用于存储和传输静态图像文件。
2. PNG压缩标准。
PNG（Portable Network Graphics）是一种无损压缩的图像格式，它采用了DEFLATE压缩算法。
相比于JPEG，PNG能够更好地保持图像的质量，但文件体积通常会更大一些。
PNG格式适合用于对图像质量要求较高的场景，如图像编辑和网页设计等领域。
3. GIF压缩标准。
GIF（Graphics Interchange Format）是一种支持动画的图像格式，它采用了LZW压缩算法。
GIF格式在保持图像质量的同时，能够实现较高的压缩比，适合用于制作简单的动画和图标等场景。
三、静态图像压缩标准的应用。
静态图像压缩标准在各个领域都有着广泛的应用。
在数字摄影、图像编辑和网页设计等领域，人们经常会用到JPEG和PNG格式的图像文件。
而在制作简单动画和图标时，GIF格式也是一种常见的选择。
总结。
静态图像压缩标准是数字图像处理领域中的重要技术，它通过一定的算法和方法，能够将图像文件的体积减小，同时尽量保持图像质量。
JPEG图像数据格式简明分析
总结
总的来说，JPEG图像数据格式凭借其高压缩比、兼容性强和适用范围广等优 点，成为图像处理、数字摄影、网络传输和科学数据可视化等领域的首选格式。 然而，我们也应意识到其存在的损失细节和速度较慢等缺点。未来，随着技术的 不断发展和新的图像格式的出现，JPEG可能会面临挑战。但就目前而言，JPEG仍 然是图像处理和存储领域的重要支柱。
3、离散余弦变换：接下来，图像数据将经过离散余弦变换（DCT）。DCT将 图像的像素值从空间域转换到频域，使得图像的能量集中在一些低频区域。
4、量化和编码：在完成DCT后，JPEG算法对DCT系数进行量化，将它们转换 为更小的值。然后对这些值进行编码，以产生最终的压缩数据。编码过程中使用 的哈夫曼编码（Huffman Coding）是一种无损压缩技术，它可以根据数据的统计 特性来生成更短的编码。
%读取原始图像
%将原始图像转换为灰度图像
%对灰度图像进行DCT变换
%设定量化表
quantization_table = [16 11 10 16 24 40 51 61;
12 12 14 19 26 58 60 55;
14 13 16 24 40 57 69 56;
14 17 22 29 51 87 80 62;
参考内容
JPEG静态图像压缩算法是一种重要的数字图像处理技术，它通过去除图像中 的冗余信息来减小图像的文件大小，从而方便了图像的存储和传输。JPEG算法采 用了一种基于离散余弦变换（DCT）的压缩方法，将图像数据转化为一种更有效 的表示形式，从而实现了图像的压缩。
JPEG算法主要由以下几个步骤构成：
组成结构
JPEG图像数据格式的组成结构包括三个主要部分：头部、图像部分和尾部。 头部包含关于图像的一些基本信息，如文件号、量化表、色彩空间等。图像部分 是实际的图像数据，包括经DCT变换和量化的像素值。尾部包含一些附加信息， 如压缩方法、图像大小等。
静态图像的国际压缩标准JPEG
一个被放大的 8×8个像素的 子块
表示图像灰度 （或颜色）的矩 阵
经过离散余弦变 换后的频率系数 矩阵T
如果P矩阵中所有的值都是一样的，将对应一幅只包含一种颜 色没有任何变化的图像。这时所有的AC系数对应余弦函数的 和，它们将相互消去，所有的AC系数都为0。
JPEG推荐的量化表
JPEG使用的颜色是YCrCb 格式。Y分量代表了 亮度信息，CrCb 分量代表了色差信息。相比 而言，Y分量更重要一些。可以对Y采用细量化， 对CrCb 采用粗量化，可进一步提高压缩比。 所以量化表通常有两张，一张是针对Y的，一 张是针对CrCb 的.
JPEG基本算法的量化表是从广泛的实验中得出 来的。
构图像中的每个样本值数据要加上128。
This transformation must be carried out 64 times per data unit. The result is 64 coefficients. DCT对一 个8×8的矩阵Ｐ进行处理，得到一个8×8的频率系 数矩阵。
格式
The encoded data stream has a fixed interchange format
- encoded image data - the chosen parameters - tables of the coding process.
简化的中间格式 标准的非简化格式
- a maximum of four components can be encoded using the interleaved mode.
- Each MCU can contain at most ten data units.
静态图象压缩标准JPEG
图片1 图片1 Bmp 格式（900K） 格式（900K
图片2 图片2 JPEG格式（40K JPEG格式（40K）
你能分辨哪一幅是Bmp格式，哪一幅是JPEG格式吗？ 你能分辨哪一幅是Bmp格式，哪一幅是JPEG格式吗？
为什么会有如此大的差距呢？
JPEG采用了图象压缩的技术 采用了图象压缩的技术 采用了图象压缩
(3).量化处理 (3).量化处理
输入： 输入：对FDCT输出的DCT系数进行量化处 理 关键：找最小量化失真（误差）的量化器。 关键 作用：在一定主观保真度图象质量前提下， 作用 丢掉那些对视觉影响不大的信息，通过量化 可调节数据压缩比。 输出：DC系数（直流）和AC系数（交流）
JPEG采用线性均匀量化器，定义 为对64个DCT系数除以量化步长，再四舍 五入取整。 F (u,v) = Integer Round [F(u,v) / Q(u,v)] Q(u,v)：量化器步长，是量化表的元素。
本节重点内容
JPEG标准的基本系统中压缩过程有哪几 步，以及各步的工作原理是什么？
2.3.1 JPEG标准的主要内容 JPEG标准的主要内容
JPEG标准选定ADCT作为静态图象压缩 的标准化算法 本标准有两大分类。
第一类方式以DCT为基础 缺点：含有量化过程、非可逆 优点：变换系数较少，还原质量高 第二类方式以二维空间DPCM为基础 缺点：压缩率低 优点：可完全复原
(4).熵编码 (4).熵编码
为了进一步压缩数据，需对DC码和AC行 程编码的码字再做基于统计特性的熵编 码。 JPEG建议的熵编码是Huffman编码和自 适应二进制编码。 输入：DC码和AC行程编码的码字。 输出：压缩后的数据。
熵编码可分成两步进行 （1）先把DC码和形成编码转换成中间符 号序列。 （2）然后给这些符号赋予变长码字。
静态图像压缩标准JPEG
02
JPEG压缩算法原理
离散余弦变换（DCT）
离散余弦变换（DCT）是一种将图像从空间域变换到频域的算法，通过将图像分解 为余弦函数的和，实现图像数据的压缩。
DCT将图像分为8x8的块，对每个块进行DCT变换，将每个像素点的灰度值转换 为一系列余弦函数的系数，保留主要的低频分量，去除次要的细节分量，达到压 缩的目的。
2
JPEG压缩算法能够有效地去除图像中的冗余信息， 减小图像文件大小，同时保持较高的图像质量。
3
在数字相机中，JPEG压缩技术广泛应用于各种型 号和品牌的相机中，成为存储图像的默认格式之 一。
网络传输中的JPEG图像压缩
01
在网络传输中，由于带宽限制 和传输效率的需求，需要对图 像进行压缩以减小传输时间和 数据量。
逐行采样（Progressive mode）
图像从粗糙到精细的顺序进行采样，先输出低分辨率的图像，然后逐渐增加分辨率。
顺序采样（Sequential mode）
图像按照像素的顺序逐行进行采样，每一行都采样一次。
分层采样（Tiled mode）
将图像分成若干个小的区域，每个区域独立进行采样。
量化表（Quantization Table）
静态图像压缩标准JPEG
• JPEG标准概述 • JPEG压缩算法原理 • JPEG标准的主要技术参数 • JPEG标准与其他图像压缩标准的比较 • JPEG标准的应用案例
01
JPEG标准概述
JPEG标准的发展历程
01
02
03
1986年
JPEG标准第一版发布，支 持基本压缩算法。
第11章 静态图像压缩标准JPEG
DCT变换频率域的理解
多媒体技术基础与应用
JPEG的量化
DCT变换的作用是使空间域的能量重新分布， 降低图像的相关性。DCT变换本身并不能达到数 据压缩的作用，而要实现图像压缩，就要选择适 当的比特分配方案和量化方法。 量化的作用是在保证主观图像质量的前提下， 丢掉那些对视觉效果影响不大的信息。量化是一 种降低精度的过程，所以是有损的。
多媒体技术基础与应用
RG体技术基础与应用
各分量的采样
颜色空间的转换后，然后进行各分量的采样，其
目的是使采集到的图像数据有所减少。也就是减 少色度的成份（称为"缩减采样"或"色度采样"。 在JPEG上这种缩减取样的比例可以是4:4:4（无 缩减取样），4:2:2（即Y取4个8×8的宏块， CbCr各取2个8×8的宏块）。
相邻的子块DC系数的差值可用公式 表示为：
多媒体技术基础与应用
交流系数（AC）编码与Z形扫描
频率矩阵中有63个元素是交流(AC)系 数，可采用行程编码进行压缩。需要考虑 的问题是：这63个系数应该按照怎么样的 顺序排列？为了保证低频分量先出现，高 频分量后出现，这63个元素采用了“之” 字型(Zig-Zag)的排列方法，称之为Z形扫描。
多媒体技术基础与应用
JPEG2000图像不同压缩示例
多媒体技术基础与应用
支持“感兴趣区域”
多媒体技术基础与应用
多媒体技术基础与应用
熵编码
量化仅生成了DCT系数的一种有效的离 散表示，实际传输前，还须对其进行比特 流编码，产生用于传输的数字比特流。简 单的编码方法是采用定长码，即每个量化 值以同样数目的比特表示，但这种方法的 效率较低。而采用熵编码可以提高编码效 率。熵编码中使用较多的一种是霍夫曼编 码。
JPEG图像压缩算法及其实现
JPEG图像压缩算法及其实现⼀、JEPG压缩算法（标准）(⼀)JPEG压缩标准JPEG(Joint Photographic Experts Group)是⼀个由ISO/IEC JTC1/SC2/WG8和CCITT VIII/NIC于1986年底联合组成的⼀个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准。
迄今为⽌，该组织已经指定了3个静⽌图像编码标准，分别为JPEG、JPEG-LS和JPEG2000。
这个专家组于1991年前后指定完毕第⼀个静⽌图像压缩标准JPEG标准，并且成为国际上通⽤的标准。
JPEG标准是⼀个适⽤范围很⼴的静态图像数据压缩标准，既可⽤于灰度图像⼜可⽤于彩⾊图像。
JPEG专家组开发了两种基本的静⽌图像压缩算法，⼀种是采⽤以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform, DCT)为基础的有损压缩算法，另⼀种是采⽤以预测技术为基础的⽆损压缩算法。
使⽤⽆损压缩算法时，其压缩⽐⽐较低，但可保证图像不失真。
使⽤有损压缩算法时，其算法实现较为复杂，但其压缩⽐⼤，按25：1压缩后还原得到的图像与原始图像相⽐较，⾮图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了⼴泛的应⽤。
JPEG有4种⼯作模式，分别为顺序编码，渐近编码，⽆失真编码和分层编码，他们有各⾃的应⽤场合，其中基于顺序编码⼯作模式的JPEG压缩系统也称为基本系统，该系统采⽤单遍扫描完成⼀个图像分量的编码，扫描次序从左到右、从上到下，基本系统要求图像像素的各个⾊彩分量都是8bit，并可通过量化线性地改变DCT系统的量化结果来调整图像质量和压缩⽐。
下⾯介绍图像压缩采⽤基于DCT的顺序模式有损压缩算法，该算法下的JPEG压缩为基本系统。
(⼆)JPEG压缩基本系统编码器JPEG压缩是有损压缩，它利⽤了⼈的视觉系统的特性，将量化和⽆损压缩编码相结合来去掉视觉的冗余信息和数据本⾝的冗余信息。
基于基本系统的JPEG压缩编码器框图如图1所⽰，该编码器是对单个图像分量的处理，对于多个分量的图像，则⾸先应将图像多分量按照⼀定顺序和⽐例组成若⼲个最⼩压缩单元（MCU），然后同样按该编码器对每个MCU各个分量进⾏独⽴编码处理，最终图像压缩数据将由多个MCU压缩数据组成。
基于JPEG标准的静态图像压缩算法研究
随 着 多 媒 体 技 术 的发 展 ， 态 图像 的应 用 更 广 泛 ， 静 但存 在 数 据量 过 于 庞大 的问 题 。例 如 ， 张 Ａ （ １ ｍｘ ９ ｍ） 一 ４ ２０ｍ ２ ７ｍ 幅 面 的 照 片 ， 用 中 等分 辨 率 （０ ｐ） 若 ３ ０ｄ ｉ的扫 描 仪 按 真 彩 色 扫 描 ， 数 据 量共 有 （０ ｘ １／ ．） （０ ｘ９ ／５ ） 像 素 ， 其 ３０ ２０２ ４ ｘ ３０ ２ ７２ ． 个 ５ ４ 每
ｈ ｖ ｒ ｉ ｅ ｐ ｅ ｄ ａ ｐ ｉａｉ ｎ ｉ ｈ ｉｉ ｌ ａ ｒ ｎ ｈ ｅｗｏ ｋ ａ ｅ ａｍｏｅ ｗ ｄ ｓ ｒａ ｐ ｌ ｔ ｎ ｔ ｅ ｄｇ ｔ ｍｅ ａ ａ ｄ ｔ ｅ ｎ ｔ ｒ ． ｃ ｏ ａｃ
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像信 息 会 给存 储器 的存 储 容 量 、 信 干线 信 道 的 带 宽 以及 计 通 算 机 的处理 速 度 增加 极 大 压 力 。 因此 ， 必须 压 缩 图 像 。 文 提 本
国际图像压缩标准JPEG
亮度分量DC系数举例
亮度DC系数举例 编码步骤 DC(0,0)0 DC系数值 DC差值 中间符号 熵和幅度编码 150 150 (8,150) (111110,10010110) DC(0,0)1 155 5 (3,5) (100,101) DC(0,0)2 149 -6 (3,-6) (100,001) DC(0,0)3 152 3 (2,3) DC(0,0)4 144 -8 (4,-8)
3.1.2 JPEG2000简介
基于Internet的多媒体应用给图像编码提出了新的 要求. 2000年12月公布JPEG 2000标准(ISO 15444), 其目标是在高压缩率情况下保证图像传输质量。 JPEG中采用DCT变换考察整个时域过程的频域 特征或整个频域过程的时域特征。JPEG2000采用 以小波变换为主的多分辨率编码方式。 JPEG2000统一了面向静态图像和二值图像的编码 方式, 是既支持低比率压缩又支持高比率压缩的通 用编码方式。
需在量化器的输出与熵编码的输入之间,增加一个 足以存储量化后DCT系数的缓冲区,对缓冲区中存 储的DCT系数多次扫描, 分批编码。 两种累进方式： 频谱选择法 扫描中只对64个DCT变换系数中 某些频带的系数进行编码、传送, 随后对其它频 带编码、传送, 直到全部系数传送完毕为止。 按位逼近法 沿着DCT量化系数有效位方向分段 累进编码。如第1次扫描只取最高有效位的n位 编码、传送, 然后对其余位进行编码、传送。
JPEG 标准是一个适用范围广泛的通用标准。 它不仅仅适于静态图像的压缩，电视图像序列的帧 内图像的压缩编码也常常采用 JPEG 压缩标准。
3.1.1 JPEG标准
JPEG：离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，DCT) JPEG2000：小波变换(Wavelet Transform)
静态图像压缩标准JPEG
其余63个交流系数采用行程编码，使用Z字
形扫描方式可以增加连续零系数的个数，也就是
增加零值的游程长度。图1-9为Z字形扫描轨迹图。 从左上方AC01开始，沿对角线方向，直到AC77 扫描结束。63个AC系数行程编码的码字，可用2 个字节来表示，如图1-10所示。
1.2 JPEG压缩基本处理算法
图1-9 Z字形扫描
经过DCT变换后，DCT系数间的相关性
已经显现出来，即左上角的系数值大，而右下
角的系数值小，为数据压缩创造了必要条件。
但这种相关性还不是十分明显，要最终实现数
据压缩，还需要进一步降低非零系数的幅值，
增加零值系数的数量，从而进一步提高F矩阵的 相关性。为此还要对变换后的DCT系数进行量 化，来减少表示每个DCT系数所使用的位数， 另外可以增加零值系数，提高压缩比。
1.2 JPEG压缩基本处理算法
表1-1 亮度量化表
表1-2 色度量化表
1.2 JPEG压缩基本处理算法
对DCT系数的量化是基于限失真编码理
论进行的，量化是造成图像质量下降的最主要
的原因。其作用是在一定的主观保真度图像质
量的前提下，丢掉那些对视觉效果影响不大的
信息，失真度在人的视觉所能接受的容限之内。
专家组开发的算法称为JPEG算法，并于1991年
正式成为国际标准，编号为ISO/IEC10918，现
常称为JPEG标准。JPEG是一个使用范围很广
的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像
又可用于彩色图像。
1.1 JPEG压缩算法简介
JPEG的目的是为了给出一个连续色调图像的压
缩方法使之满足以下要求：
1.2 JPEG压缩基本处理算法
4.DC系数差值编码和AC系数的行程编码
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2.基于DCT的有失真压缩编码 （重点）
包括两种不同的系统，基本系统和增强 系统，增强系统是基本系统的扩充。 基于DCT编码器的工作原理框图见图2.9 。
编码器 源图象数 据（8*8）
FDCT
量化器
熵编码器
压缩图 象数据
表说明
表说明
图2.9
基于DCT编码过程
基于DCT的有失真压缩编码 五个步骤：
直流分量DC （1）.64个变换系数经量化后，坐标 u=v=0 的 F(0,0) 称 DC 系数，即直流分 量。是64个空域图象采样值的平均值。 （2）.JPEG的量化后的DC系数采用 DPCM编码，即对DIFF=DC i –DC i-1编码。 如图：教材29页，图2.11。 （3）.采用这种编码方式的原因：相 邻8*8块之间DC系数有较强相关性。
(4).熵编码
为了进一步压缩数据，需对DC码和AC行 程编码的码字再做基于统计特性的熵编 码。 JPEG建议的熵编码是Huffman编码和自 适应二进制编码。 输入：DC码和AC行程编码的码字。 输出：压缩后的数据。
熵编码可分成两步进行
（1）先把DC码和形பைடு நூலகம்编码转换成中间符 号序列。
交流分量 其余63个交流系数（AC）采用行程编 码。（Z字型扫描）可增加行程中连续0 的个数。 如图：
AC01 DC ●●●●●●●● ●●●●●●●● ●●●●●●●● ●●●●●●●● ●●●●●●●● ●●●●●●●● ●●●●●●●● ●●●●●●●●
AC77
例2.3 假设AC系数扫描结果中包含 “…,3,0,0,0,0,0,12,0,0,0…”数据，则对它 的行程编码的结果为“…,(5,4),(12),…”, 其中(5,4)占用一个字节存放，(12)占用4 位存放。
1. 原始图象分割成8*8子块 2.离散余弦变换 3.量化处理 4. DC系数的编码和AC系数的行程编 码 5.熵编码
(1).分成8*8子块
原始图象顺序分割成8*8子块 （共64小块，其中每一块可以作为一个整 体对待）
(2).离散余弦变换
离散余弦正变换 （FDCT） 采样精度为P位（二进制），把[0,2p-1] 范围的无符号数变成[-2p-1,2p-1]的有符 号数，作为离散余弦正变换(forward DCT,FDCT)的输入 输出：经FDCT后输出64个基信号的幅 值，即DCT系数。
(3).量化处理
输入：对FDCT输出的DCT系数进行量化处 理 关键：找最小量化失真（误差）的量化器。 作用：在一定主观保真度图象质量前提下， 丢掉那些对视觉影响不大的信息，通过量化 可调节数据压缩比。 输出：DC系数（直流）和AC系数（交流）
JPEG采用线性均匀量化器，定义 为对64个DCT系数除以量化步长，再四舍 五入取整。 F (u,v) = Integer Round [F(u,v) / Q(u,v)] Q(u,v)：量化器步长，是量化表的元素。
Q
量化表 量化表系数随DCT系数的位置和彩色 分量不同有不同的值，尺寸为8*8，与64 个变换系数一一对应。
例子参见教材P28表2.2和2.3表。
(3).DC系数的编码和AC系数的 行程编码
输入：量化后的DC系数和AC系数。
输出：经DPCM编码后的DC系数，和经 行程编码后的AC系数。
JPEG定义两种相互独立的基本压缩算法。
1.一种是基于DCT的有失真压缩算法。 2.另一种是基于空间线性预测技术 (DPCM)的无失真压缩算法。
1.基于DPCM的无失真编码
为了满足无失真压缩的需要， JPEG 选择的一种简单的预测编码方式。 优点：硬件容易实现，图象重建质量好 缺点：压缩比太低（2：1）
4.基于DCT的分层操作方式
用于： 在必须使用低分辨率的设备来存取或观 察高分辨率图象的应用中，这种方式 非常有效。
课后作业
1。教材第69页，第5题 2。思考：JPEG还有哪些可以改进的地方？
The End
谢谢大家！
(5).压缩比和图象质量
压缩效果（比特/象素） 0.25~0.50 0.50~0.75 0.75~1.5 1.2~2.0 质量 中~好 好~很好 极~好 与原始图象分不出
3.基于DCT的累进操作方式编 码
以累进的方式对图像进行多次的扫描压 缩。
两种累进方式
（1）.频谱选择法 一次扫描中只对64个DCT变换系数中 某些频带的系数进行编码。 （2）.按位逼近法 沿着DCT量化系数有效位方向分段累 进编码。
（2）然后给这些符号赋予变长码字。
（1）.熵编码的中间格式 符号1：（行程，尺寸） 符号2：（幅值） 行程：前后两个非零AC系数之间连续0 的个数 尺寸：后一个非零AC系数幅值编码所需 比特数 幅值：用以表示非零AC系数的幅值。范 围：
直流分量DC也有类似于AC系数的编码格 式： 符号1：（尺寸） 符号2：（幅值） 尺寸：DC差值的幅值编码所需比特数。 幅值：DC的幅值，范围：
（2）可变长度熵编码 将63个AC系数表示为符号1和符号2的 序列，其中行程长度超过15时，有多个 符号1，块结束（EOB）时仅有以个符号 1(0,0)。 可变长度熵编码就是对上述序列进行 变长编码。
五个步骤的关系
前一个步骤的输出是下一个步骤的输入。 过程： 原始图象 分成8*8块 DCT系数 量化后的DCT系数 编码的DC系数和行程编码的AC系数 熵编码
2.3 静态图象压缩标准JPEG
主讲人：黄一华
看下面这两幅图片：
图片1 Bmp 格式（900K）
图片2 JPEG格式（40K）
你能分辨哪一幅是Bmp格式，哪一幅是JPEG格式吗？
为什么会有如此大的差距呢？
JPEG采用了图象压缩的技术
本节重点内容
JPEG标准的基本系统中压缩过程有哪几 步，以及各步的工作原理是什么？
2.3.1 JPEG标准的主要内容
JPEG标准选定ADCT作为静态图象压缩 的标准化算法 本标准有两大分类。
第一类方式以DCT为基础 缺点：含有量化过程、非可逆 优点：变换系数较少，还原质量高 第二类方式以二维空间DPCM为基础 缺点：压缩率低 优点：可完全复原
2.3.2 JPEG静态图象压缩算法