多媒体技术之压缩标准
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频谱选择法：DCT系数被以频率高低的顺序排序， 先编码和传送低频带的DCT系数，再进行高频带的 编码和传输，最终达到的效果和基本算法一样
逐次逼近法：先发送DCT系数的最高位，接着再发 送逐次的低位，使DCT系数的精度越来越高
分层模式可以认为使累进传输的一种特殊情况， 它是在累进阶段增加空间分辨率
空间方式（可逆编码）
分为以DCT为基础和以二维空间DPCM为基 础两类。一般不会产生误差，采用熵编码。
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7
Technology of Multimedia Computer
JPEG标准的特点
编码器和解码器参数化（用户可调节） 适用任何一种连续色调的图像 对硬件的要求都很低，不需要专用的DSP芯片 提供了四种工作方式
熵编码的中间格式
由两个符号组成（AC系数） 符号1 ：(行程，尺寸） 符号２ ：(幅值） DC系数 符号1： (尺寸） 符号2：(幅值）
可变长度熵编码
对得到的符号1和符号2序列进行变长编码
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16
Technology of Multimedia Computer
21
Technology of Multimedia Computer
JPEG2000特征及应用
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JPEG 2000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。
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8
Technology of Multimedia Computer
基于DPCM的无失真编码
无失真编码器
源图像数据
预测器
熵编码器 表说明
压缩图像数据 HUFFMAN表
cb ax
选择值 预测 选择值
0 非预测
4
1
a
5
2
b
6
3
c
7
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预测 a+b-c a+(b-c)/2 b+(a-c)/2 (a+b)/2
DCi-1
DCi
…… Blocki-1 Blocki
DIFF=Dci- DCi-1
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……
14
Technology of Multimedia Computer
AC系数的行程编码
其余的63个交流系数（AC）采用行程编码。 从左上方AC01开始沿对角线方向“Z”字行扫描 直到AC77结束，这样可增加行程中0的个数。 用两个字节表示：
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22
Technology of Multimedia Computer
JPEG2000特征及应用
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、移动、滤波和特征提取等操作。
7
43
07
0
两个非0值间连续0 表示下一个非0值
的个数
所需要的比特数
下一个非0实际值
例：对…700000006…进行行程编码
01110011110
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15
Technology of Multimedia Computer
熵编码
分两步进行，先把DC码和行程码转换为中间符 号序列，然后给这些符号赋以变长码字。
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4
Technology of Multimedia Computer
JPEG提出的要求(续)
必须提供渐进编码(由多次扫描得到)，图像解 压时，较粗糙的图像先显示，随后更多图像成 分被解压并补充过来，以提供更精细的图像。 必须提供分层编码(由一次扫描得到) ，图像压 缩为多个分辨率水平，这样低分辨率水平可被 低分辨率目标系统访问，不用解压全分辨率图 像。 必须提供无损压缩选项，图像在解压时能保证 提供所选分辨率下的全部细节。
该标准是由联合摄影专家组于1997年开始征集提案， 把它作为JPEG标准的一个更新换代标准。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。国际标准化组 织的WG1小组已于2000年8月制定了最终的国际标准 化草案（The Final Draft International Standard，简 称FDIS）
9
Technology of Multimedia Computer
基于DCT的有失真压缩编码
8*8块
源图像数据
FDCT
基于DCT的编码过程
编码器
量化器 表说明
熵编码器 表说明
压缩图像数据
解码器
压缩图像数据
熵解码器 逆量化器
解码过程
表说明
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IDCT 表说明
8*8块 源图像数据
10
Technology of Multimedia Computer
离散余弦变换
首先把原始图像分割成8*8的子块 采样精度为P位（二进制），把[0,2P-1]范围的 无符号数变换成[-2p-1,2p-1]范围的有符号数， 作为离散余弦正变换(FDCT)的输入 在输出端经离散余弦逆变换(IDCT)后又得到一 系列8*8子块，需将数值范围[-2p-1,2p-1]变换回 [0,2P-1]来重构图像。
8*8的IDCT的数学定义为：
77
F(u,v)=C(u)C(v)[∑∑f(x,y)*cos(((2x+1)*uπ)/16)* cos(((2y+1)*uπ)/16)]
x=0 y=0
其中：C(u),C(v)=1/1.414 C(u),C(v)=1
当u,v=0 其他
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12
量化处理
详细规定了操作模式、格式转换和这些模式的编码 器/解码器以及实现的具体指导。
描述了符合测试，可确定编码器或解码器的实现是 否符合第一部分的标准细则，以便确保与遵守
JPEG标准系统的互操作性。
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3
Technology of Multimedia Computer
JPEG提出的要求
Baidu Nhomakorabea
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20
Technology of Multimedia Computer
JPEG2000特征及应用
高压缩率
由于在离散子波变换算法中，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。
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5
Technology of Multimedia Computer
JPEG三个层次的定义
基本系统
必须合理地解压缩彩色图像，保持高压缩率并能处 理4位/像素到16位/像素的图像。顺序模式， HUAFFMAN编码，算术编码。
扩展系统
包括了各种编码方式，如长度可变编码、渐进编码 以及分层模式的编码，可适用于各种应用。
感兴趣区域压缩
可以指定图片上感兴趣区域（Region of Interest），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。
特殊无损功能(预测无损编码法)
确保了在图像被压缩的分辨率下，解压缩没有造成 出事源图像中任何细节的损失。
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6
Technology of Multimedia Computer
JPEG算法的两种方式
DCT方式（非可逆编码）
包含基本系统和扩展系统。可采用的算法有： 顺序算法、界进算法、分层算法，根据算法 可压缩比调节在10：1~100：1之间
压缩比和图像的质量
压缩效果（比特/像素）
质量
0.25~0.50 0.50~0.75 0.75~1.5
1.2~2.0
中~好 好~很好
极好 与原始图像分辨不出
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17
Technology of Multimedia Computer
基于DCT的累进操作方式编码
累进模式是将DCT系数按照一定的顺序进行编 码和传输，达到随着解码的进展，图象逐渐清 晰的效果，有下列两种累进方式
Technology of Multimedia Computer
对64个DCT系数进行量化，关键是找到最小量 化失真的量化器。
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，然后四舍五入取整： FQ(u,v)=Integer Round[F(u,v)/Q(u,v)]
Q(u,v)是量化步长，由JPEG提出参考值，作为 编码器的一个输入，取值为1~255。
设计必须将图象质量控制在这样的范围：可视保真度 非常高，同时编码器可以被参数化，允许用户设置压 缩或质量水平。 压缩标准必须可应用于实践中任何一类连续色调数字 源图象，并且不受到维数、颜色、画面长宽比、类、 图像或布景内容、颜色或影调范围的限制。 必须是从完全无损到有损范围内都可以伸缩的，使他 适应不同的存储器、CPU和显示要求。 提供顺序编码。每个图象成分都以单一的从左到右、 从上到下的扫描方式进行编码。
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19
Technology of Multimedia Computer
JPEG2000工作原理
JPEG 2000 与传统 JPEG 最大的不同，在于它放弃了 JPEG 所采用的以离散馀弦转换(Discrete Cosine Transform) 为主的区块编码方式，而改采以小波转换 (Wavelet transform) 为主的多解析编码方式。小波转 换的主要目的是要将图像的频率成分抽取出来。
无损压缩和有损压缩
JPEG2000提供无损和有损两种压缩方式，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。同时JPEG2000提供的是嵌入式码 流，允许从有损到无损的渐进解压。
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11
Technology of Multimedia Computer
离散余弦变换（续）
8*8的FDCT的数学定义为：
77
F(u,v)=C(u)C(v)[∑ ∑f(x,y)*cos(((2x+1)*uπ)/16)* cos(((2y+1)*uπ)/16)]
x=0 y=0
JPEG2000简介
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2
JPEG概述
Technology of Multimedia Computer
JPEG(Joint Photographic Experts Group，联合 图片专家组)是ISO和CCITT联合工作委员会成 立的，专门致力于静止图像压缩。
JPEG是一种静止彩色图象和灰度图像(连续图 像)的压缩标准，它分为两部分：
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18
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JPEG2000简介
随著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 就诞生了。
JPEG 2000 正式名称为 "ISO 15444"
量化的作用是在一定主观保真度图像质量的前 提下，丢掉那些对视觉影响不大的信息，可调 节数据压缩比。
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13
Technology of Multimedia Computer
DC系数的编码
64个系数经量化后，F(0,0)称为DC系数 （直流分量），是64个空域图像采样的 平均值，它反映了每个8*8块的直流成分， 不会发生剧烈的跳变。JPEG对DC系数采 用DPCM（差分编码）单独传送。
Technology of Multimedia Computer
图像、视频压缩标准
Technology of Multimedia Computer
静态图象压缩标准JPEG
JPEG标准的主要内容 JPEG静态图象压缩算法
基于DPCM的无失真编码 基于DCT的有失真压缩编码 基于DCT的累进操作方式编码
逐次逼近法：先发送DCT系数的最高位，接着再发 送逐次的低位，使DCT系数的精度越来越高
分层模式可以认为使累进传输的一种特殊情况， 它是在累进阶段增加空间分辨率
空间方式（可逆编码）
分为以DCT为基础和以二维空间DPCM为基 础两类。一般不会产生误差，采用熵编码。
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Technology of Multimedia Computer
JPEG标准的特点
编码器和解码器参数化（用户可调节） 适用任何一种连续色调的图像 对硬件的要求都很低，不需要专用的DSP芯片 提供了四种工作方式
熵编码的中间格式
由两个符号组成（AC系数） 符号1 ：(行程，尺寸） 符号２ ：(幅值） DC系数 符号1： (尺寸） 符号2：(幅值）
可变长度熵编码
对得到的符号1和符号2序列进行变长编码
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JPEG2000特征及应用
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JPEG 2000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。
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基于DPCM的无失真编码
无失真编码器
源图像数据
预测器
熵编码器 表说明
压缩图像数据 HUFFMAN表
cb ax
选择值 预测 选择值
0 非预测
4
1
a
5
2
b
6
3
c
7
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预测 a+b-c a+(b-c)/2 b+(a-c)/2 (a+b)/2
DCi-1
DCi
…… Blocki-1 Blocki
DIFF=Dci- DCi-1
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……
14
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AC系数的行程编码
其余的63个交流系数（AC）采用行程编码。 从左上方AC01开始沿对角线方向“Z”字行扫描 直到AC77结束，这样可增加行程中0的个数。 用两个字节表示：
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22
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JPEG2000特征及应用
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、移动、滤波和特征提取等操作。
7
43
07
0
两个非0值间连续0 表示下一个非0值
的个数
所需要的比特数
下一个非0实际值
例：对…700000006…进行行程编码
01110011110
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15
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熵编码
分两步进行，先把DC码和行程码转换为中间符 号序列，然后给这些符号赋以变长码字。
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4
Technology of Multimedia Computer
JPEG提出的要求(续)
必须提供渐进编码(由多次扫描得到)，图像解 压时，较粗糙的图像先显示，随后更多图像成 分被解压并补充过来，以提供更精细的图像。 必须提供分层编码(由一次扫描得到) ，图像压 缩为多个分辨率水平，这样低分辨率水平可被 低分辨率目标系统访问，不用解压全分辨率图 像。 必须提供无损压缩选项，图像在解压时能保证 提供所选分辨率下的全部细节。
该标准是由联合摄影专家组于1997年开始征集提案， 把它作为JPEG标准的一个更新换代标准。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。国际标准化组 织的WG1小组已于2000年8月制定了最终的国际标准 化草案（The Final Draft International Standard，简 称FDIS）
9
Technology of Multimedia Computer
基于DCT的有失真压缩编码
8*8块
源图像数据
FDCT
基于DCT的编码过程
编码器
量化器 表说明
熵编码器 表说明
压缩图像数据
解码器
压缩图像数据
熵解码器 逆量化器
解码过程
表说明
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IDCT 表说明
8*8块 源图像数据
10
Technology of Multimedia Computer
离散余弦变换
首先把原始图像分割成8*8的子块 采样精度为P位（二进制），把[0,2P-1]范围的 无符号数变换成[-2p-1,2p-1]范围的有符号数， 作为离散余弦正变换(FDCT)的输入 在输出端经离散余弦逆变换(IDCT)后又得到一 系列8*8子块，需将数值范围[-2p-1,2p-1]变换回 [0,2P-1]来重构图像。
8*8的IDCT的数学定义为：
77
F(u,v)=C(u)C(v)[∑∑f(x,y)*cos(((2x+1)*uπ)/16)* cos(((2y+1)*uπ)/16)]
x=0 y=0
其中：C(u),C(v)=1/1.414 C(u),C(v)=1
当u,v=0 其他
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12
量化处理
详细规定了操作模式、格式转换和这些模式的编码 器/解码器以及实现的具体指导。
描述了符合测试，可确定编码器或解码器的实现是 否符合第一部分的标准细则，以便确保与遵守
JPEG标准系统的互操作性。
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3
Technology of Multimedia Computer
JPEG提出的要求
Baidu Nhomakorabea
西南科技大学计算机学院软件教研室
20
Technology of Multimedia Computer
JPEG2000特征及应用
高压缩率
由于在离散子波变换算法中，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。
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5
Technology of Multimedia Computer
JPEG三个层次的定义
基本系统
必须合理地解压缩彩色图像，保持高压缩率并能处 理4位/像素到16位/像素的图像。顺序模式， HUAFFMAN编码，算术编码。
扩展系统
包括了各种编码方式，如长度可变编码、渐进编码 以及分层模式的编码，可适用于各种应用。
感兴趣区域压缩
可以指定图片上感兴趣区域（Region of Interest），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。
特殊无损功能(预测无损编码法)
确保了在图像被压缩的分辨率下，解压缩没有造成 出事源图像中任何细节的损失。
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6
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JPEG算法的两种方式
DCT方式（非可逆编码）
包含基本系统和扩展系统。可采用的算法有： 顺序算法、界进算法、分层算法，根据算法 可压缩比调节在10：1~100：1之间
压缩比和图像的质量
压缩效果（比特/像素）
质量
0.25~0.50 0.50~0.75 0.75~1.5
1.2~2.0
中~好 好~很好
极好 与原始图像分辨不出
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Technology of Multimedia Computer
基于DCT的累进操作方式编码
累进模式是将DCT系数按照一定的顺序进行编 码和传输，达到随着解码的进展，图象逐渐清 晰的效果，有下列两种累进方式
Technology of Multimedia Computer
对64个DCT系数进行量化，关键是找到最小量 化失真的量化器。
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，然后四舍五入取整： FQ(u,v)=Integer Round[F(u,v)/Q(u,v)]
Q(u,v)是量化步长，由JPEG提出参考值，作为 编码器的一个输入，取值为1~255。
设计必须将图象质量控制在这样的范围：可视保真度 非常高，同时编码器可以被参数化，允许用户设置压 缩或质量水平。 压缩标准必须可应用于实践中任何一类连续色调数字 源图象，并且不受到维数、颜色、画面长宽比、类、 图像或布景内容、颜色或影调范围的限制。 必须是从完全无损到有损范围内都可以伸缩的，使他 适应不同的存储器、CPU和显示要求。 提供顺序编码。每个图象成分都以单一的从左到右、 从上到下的扫描方式进行编码。
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JPEG2000工作原理
JPEG 2000 与传统 JPEG 最大的不同，在于它放弃了 JPEG 所采用的以离散馀弦转换(Discrete Cosine Transform) 为主的区块编码方式，而改采以小波转换 (Wavelet transform) 为主的多解析编码方式。小波转 换的主要目的是要将图像的频率成分抽取出来。
无损压缩和有损压缩
JPEG2000提供无损和有损两种压缩方式，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。同时JPEG2000提供的是嵌入式码 流，允许从有损到无损的渐进解压。
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11
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离散余弦变换（续）
8*8的FDCT的数学定义为：
77
F(u,v)=C(u)C(v)[∑ ∑f(x,y)*cos(((2x+1)*uπ)/16)* cos(((2y+1)*uπ)/16)]
x=0 y=0
JPEG2000简介
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2
JPEG概述
Technology of Multimedia Computer
JPEG(Joint Photographic Experts Group，联合 图片专家组)是ISO和CCITT联合工作委员会成 立的，专门致力于静止图像压缩。
JPEG是一种静止彩色图象和灰度图像(连续图 像)的压缩标准，它分为两部分：
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18
Technology of Multimedia Computer
JPEG2000简介
随著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 就诞生了。
JPEG 2000 正式名称为 "ISO 15444"
量化的作用是在一定主观保真度图像质量的前 提下，丢掉那些对视觉影响不大的信息，可调 节数据压缩比。
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13
Technology of Multimedia Computer
DC系数的编码
64个系数经量化后，F(0,0)称为DC系数 （直流分量），是64个空域图像采样的 平均值，它反映了每个8*8块的直流成分， 不会发生剧烈的跳变。JPEG对DC系数采 用DPCM（差分编码）单独传送。
Technology of Multimedia Computer
图像、视频压缩标准
Technology of Multimedia Computer
静态图象压缩标准JPEG
JPEG标准的主要内容 JPEG静态图象压缩算法
基于DPCM的无失真编码 基于DCT的有失真压缩编码 基于DCT的累进操作方式编码