JPEG2000中的图像编码方法

JPEG2000中的图像编码方法摘要:JPEG2000作为新一代的静态图像压缩标准，其克服了JPEG标准在高压缩比时重建图像的方块效应，并且实现了许多新的功能，如渐进编解码、从有损压缩到无损压缩以及感兴趣区域编码等。

本文简单介绍了JPEG2000的新特征以及应用领域，重点讲述了JPEG2000 的基本框架及其编解码流程。

关键字: JPEG2000，图像压缩，编码1.引言JPEG（Joint Photographic Experts Group，联合图像专家组）标准是ISO/IEC联合专家组制定的静止图像压缩标准，是适用于连续色调（包括灰度和彩色）静止图像算法的国际标准。

JPEG算法共有四种运行模式：一种是基于空间预测（DPCM）的无损压缩算法，另外三种是基于DCT的有损压缩算法。

随着计算机多媒体技术和网络通讯技术的不断发展，人们需要具有压缩效果更好、支持更多图像格式，能够提供更多新特性的静态图像压缩标准。

基于以上考虑，联合图像专家组从1977年3月开始着手于图像压缩标准的制定，并将其命名为JPEG2000（ISO15444）。

这一标准不仅是对现有JPEG标准的补充，更在于它放弃了JPEG标准中所采用的以离散余弦变换（DCT）为主的区块编码方法，而采用小波变换（Wavelet Transform）为主的多分辨率编码方式。

小波变换理论是近年来应用数学和工程科学中一个迅速发展的新领域，它是继傅立叶变换之后数学上的一项重大突破。

虽然小波变换和傅立叶变换都是线性变换，但是由于小波变换具有时域和频域的双重局域性的特性，使得小波变换比傅立叶变换更灵活，更有利于信号的时频分析。

本文简要介绍了JPEG2000的新特性，重点阐述了该标准的算法流程及其实现步骤。

2.JPEG2000标准简介由于JPEG本身的缺陷，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[1]。

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JPEG2000就诞生了。

它的目标是进一步改进目前压缩算法的性能，以适应低带宽、高噪声的环境，以及医疗图像、电子图书馆、传真、Internet网上服务和保安等方面的应用。

JPEG2000 与传统JPEG 最大的不同，在于它放弃了JPEG 所采用的以离散余弦变换为主的区块编码方式，而采用以小波转换为主的多解析编码方式。

离散子波变换算法是现代谱分析工具，在包括压缩在内的图像处理与图像分析领域正得到越来越广泛的应用。

此外JPEG2000 还将彩色静态画面采用的JPEG编码方式与二值图像采用的JBIG编码方式统一起来，成为对应各种图像的通用编码方式。

简单原理如图1所示。

图1 JPEG2000简单原理图2.1JPEG2000的新特征及其应用领域JPEG2000标准提供了一套新的特征[3][4]，这些特征对于一些新产品（如数码相机）和应用（如互联网）是非常重要的。

它把JPEG的四种模式（顺序模式、渐进模式、无损模式和分层模式）集成在一个标准之中。

在编码端以最大的压缩质量（包括无失真压缩）和最大的图像分辨率压缩图像，在解码端可以从码流中以任意的图像质量和分辨率解压图像，最大可达到编码时的图像质量和分辨率。

JPEG2000应用的领域包括互联网、彩色传真、打印、扫描、数字摄像、遥感、移动通信、医疗图像和电子商务等等。

它的主要特征如下[2][3]：（1）高压缩率：目前的JPEG标准(ISO10918—1)在中高码率下提供了比较好的率失真性能，但是在低码率条件下（比如对于细节丰富的灰度图像使用低于0.25bps的码率），它提供的主观图像质量往往让人无法接受。

而JPEG2000采用的是离散子波变换算法，图像可以转换成一系列可更加有效存储像素模块的“子波”，因此，JPEG2000格式的图片压缩比可在现在的 JPEG 基础上再提高10％~30％，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑，这一特征在互联网和遥感等图像传输领域有着广泛的应用。

JPEG2000将提供低码率下的超级性能，且在码率下降的同时率失真（Rate-Distortion）性能仍能保持最优。

（2）无损压缩和有损压缩：在一个JPEG2000码流中，可以同时存在有损压缩和高性能的无损压缩数据，并且对图像的无损恢复可以利用层进式解码自然得到。

无损压缩在许多领域是必须的，例如医学图像中有时有损压缩是不能忍受的，再如图像档案中为了保存重要的信息较高的图像质量是必然的要求。

由于JPEG2000提供的是嵌入式码流，从而允许从有损到无损的渐进解压。

（3）渐进传输：现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的，因此只能一行一行地显示，而采用JPEG2000 格式的图像支持渐进传输（Progressive Transmission）。

所谓的渐进传输就是先传输图像轮廓数据，然后再逐步传输其他数据来不断提高图像质量。

互联网、打印机和图像文档是这一特性的主要应用场合。

（4）感兴趣区域压缩：可以指定图片上感兴趣区域[5]，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，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。

ROI（Region of Interest）技术分为两类：静态ROI技术[6][1]和动态ROI技术[7]。

静态ROI是在编码时定义的，适应于定向传输、遥感遥测等应用场合。

通常所说的ROI技术就是指这一类型。

动态ROI是在渐进传输的过程中通过编码端和解码端的相互通讯来动态地定义的，适应于远程医学诊断、移动通讯等应用场合[8]。

（5）码流的随机访问和处理：这一特征允许用户在图像中随机地定义感兴趣区域，使得这一区域的的图像质量高于其它图像区域；码流的随机处理允许用户进行旋转、缩放、移动、滤波和特征提取等操作。

（6）有效抑制比特误码：JPEG2000的码流设计可以有效地抑制比特误码。

这是很有必要的，例如在无线等传输误码很高的通信信道中传输图像时，恰当的码流设计可以帮助纠正解码错误，对重建图像质量是非常重要的。

（7）开放的框架结构：为了在不同的图像类型和应用领域优化编码系统，提供一个开放的框架结构在是必须的，在这种开放的结构中编码器只实现核心的工具算法和码流的解析，如果需要解码器可以要求数据源发送未知的工具算法。

2.2JPEG2000的基本框架及其编解码流程JPEG2000的基本编解码流程如图2所示。

图2 JPEG2000编/解码过程JPEG2000编码器首先对原图像数据进行离散小波变换，然后对变换后的小波系数进行量化，接着对量化后的数据熵编码，最后形成输出码流。

解码器是编码器的逆过程，首先对码流进行熵解码，然后解量化和小波反变换，最后生成重建图像数据。

JPEG2000的处理对象不是整幅图像，而是把图像分成若干图像片，对每一个图像片进行独立的编解码操作。

术语“图像片”是指原始图像被分成互不重叠的矩形块，对每一个图像片进行独立的编解码处理。

在对每个图像片进行小波变换之前，通过减去一个相同的数量值对所有的图像片进行水平移位。

编码器的最后使用了算术编码器，在JPEG2000中使用的是MQ编码器，MQ编码器在本质上与JPEG中的QM编码器很相似。

下面对整个JPEG2000的编码过程分别做一个详细的阐述。

（1）预处理预处理步骤为不同类型的图像提供了一个统一的接口，便于后续使用同样的编码器进行处理，这一步是将多种类型的图像压缩加入到统一框架中的关键。

它主要包括直流平移、分量变换、图像分片三个部分。

直流平移的目的是去除图像中的直流分量，使小波变换后的系数的正负取值的概率基本相等，以提高后续的自适应熵编码效率。

分量变换在处理多分量图像（如彩色图像）时，起着去相关的作用。

通过线性变换使输入图像由RGB三个分量转成由亮度和色度组成的Y、Cr、Cb三个分量，减少了RGB之间的相关性。

分片是没有重叠部分的任意大小空间。

编码时在各分量的同一空间位置处进行，每个分片独立压缩，构成了JPEG2000编码处理的基本单位。

对图像进行分片处理，可以降低内存需求，从而使JPEG2000具有处理大图像的能力，同时还能够实现特定区域的编解码。

（2）小波变换经过预处理后，就可以对图像作小波变换了。

与JPEG相比，JPEG2000的最大改进是以小波变换代替了DCT 变换[9]。

小波变换的目的是去除每个子图像内部像素之间的相关性，尽可能的将信息集中到少的变换系数上去，以便接下来的量化步骤有可能将携带信息较少的系数量化成0，因为它们对重建图像的质量影响最小。

（3）量化JPEG2000量化器的一个特殊之处在于它引入了“dead zone ”的概念[10]。

第一部分采用中央有“死区”的均匀量化器，其区间宽度是量化步长的两倍。

对于每个子带b ，首先由用户选择一个基本量化步长Δb ，它可以根据子带的视觉特性或者码率控制的要求决定。

将子带b 的小波系数y b (u ，v)量化为量化系数q b (u ，v)。

q b (u ，v)=sign (y b (u ，v))∗[|y b (u ，v)|∆b] 量化步长Δb 被表示为2Byte （1Byte=8bit ），其中11bit 为尾数μb ，5bit 为指数εb ：∆b =2R b −εb (1+μb 211) 其中，R b 为子带b 的标称动态范围的比特数。

由此保证最大可能的量化步长被限制在输入样值动态范围的两倍左右。

（3） 熵编码为了达到抗干扰和任意水平的逐渐显示，JPEG2000对小波变换系数的量化值按不同的子带分别进行编码。

它把子带分成小的矩形块---编码块（Code Block ），每个编码块单独进行编码。

编码块的大小由编码器设定，它必须是2的整数幂，高不小于 4，总数不大于4096。

对于每个编码块的各比特面分别进行三次扫描：重要性传输、细化以及清除。

对于每次扫描输出，使用MQ 算法进行基于上下文的自适应算术编码。

最后将压缩的各子比特面组织数据包的形式输出。

（4）码流组织JPEG2000的各种渐进传输方式是在最后的码流组织阶段进行选择和实现的，为了明确码流的组织结构，首先明确几个概念及它们之间的相互关系[1]。

层：码流是按照层来组织的，它是对分片上所有码块比特平面上编码通道的分解。

层内包括特定码块的编码通道，其数量随码块的不同而不同。

有些是0，有些则可能是包括该码块的所有编码通道。

分层有一个原则，即随着层数的提高，解码后的图像质量要随着增加。

包：对层的继续分解是包。

包构成了JPEG2000码流的基本单位，它是分片上特定编码数据的组织实体，可以实现数据的随机存取与传输过程中的差错控制。

界：它是与包密切相关的一个概念。

界指某一分辨率下，空间某连续区域在所有子带中对应码块的集合，该组码块是原始图像的某一矩形区域经小波变换后在某一分辨率下的系数，该界包括HL 子带、LH 子带、HH 子带中的各4个码块。