主流静止图像压缩标准JPEG

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• 超大图像: 不分片的话, JPEG不能压缩大于 64x64K的图像.
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为什么需要新图像压缩标准? (续)
• 单解压缩架构: JPEG 有44中模式,许多都跟应 用有关,大部分JPEG解码器都用不着.
• 噪声环境下传输:在传输过程中遭受比特错误时, JPEG解压图像质量会显著下降.
• 计算机生成的图形: JPEG是针对自然图像优化 的,在计算机图形上表现不好.
• 对行列采用高通滤波器和低通滤 波器进行滤波,然后以2为因子 下采样 (维持采样率).
• 把瓦片划分为子带. 单个瓦片相 关的所有信息 (索引,位置, 辖区等) 集中到一起放入一个名为包的连 续数据流中.
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码块, 辖区和包
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小波变换
Two filtering modes两种滤波模式: ▪ Convolution based基于卷积:对两个滤波器模板和一维信号
• 复合文档: JPEG 不能压缩二值(文本)图像.
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JPEG2000 – 目标
• 在一个统一的架构下, 编码标准可以 用于多种类型的静止图像(灰阶, 彩色, ...) 用于具有不同特性的图像(自然图像,科学图像,…) 用于不同成像模型(客户/服务器,实时图像,…)
• 该编码标准的设计目标: 低比特率应用中,率失真性能和主观图像质量优于 已有的标准.
JPEG2000
• 新一代静止图像压缩标准
内容:
1. 为什么需要新图像压缩标准? 2. JPEG2000 3. 例子 4. 小结
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为什么需要新图像压缩标准?
• 低比特率压缩: 高压缩比(对细节丰富的图像比 特率低于0.25bpp,即压缩比大于64)时,JPEG 算法引起的失真太大,让人不能接受
• 无损压缩和有损压缩: 需要在同一个码流中既 能提供有损压缩,也能提供无损压缩
3. 辖区Precincts: 限制包头错误影响较小的图像区域.
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预处理 – 分片
• 所有的操作,包括分量混合, 小波变换,量化和熵编码都 是以图像瓦片为单位独立进 行的.
• 分片对图像质量的影响反映 在主观和客观两方面 • 较小的分片会引起更多 的片间视觉硬伤
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预处理 (续)
3. 分量变换: • 把数据从RGB 映射到YCrCb (Y, Cr, Cb有更好的统计独立性,压缩
• 任何情况下都可以只定 位、提取和解压所要图 像产品对应的数据而不 用解压整个图像.
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感兴趣区编码 (ROI)
• ROI编码就是部分图像区域以高于其余部分(背景)的质量 进行编码 .并且跟ROI相关的信息会放在背景信息之前.
• 2种方法: 缩放法和最大平移法
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感兴趣区编码 (ROI) –缩放法
1. 计算小波变换 2. 推导ROI模板, 标示ROI重构(最多无损
重构)所需的系数集 3. 量化小波系数 4. 位于ROI区域之外的系数缩小一个特
定的倍数 5. 得到的系数逐步进行熵编码(先编码
MSB位平面) 6. ROI的缩放值和坐标加入到码流之中.
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感兴趣区编码 (ROI) – 最大平移法
• 先生成ROI模板(位图)描述哪些量化的变换系数需要以较好的 质量编码.
• ROI模板之外的量化变换系数(背景系数)缩小,使得跟ROI有关 的比特放在了较高的位平面并在背景编码之前编码.
• 选择缩放值S: S max(Mb) ,这里Mb 是背景系数缩小之后当 前分量所有码块所有背景系数中的最大幅值所包含的位平面 的个数,所有移位后的ROI系数的LSB都在背景系数的MSB(非 零)之上.
• 整个图像压缩完成后,后处理过程检索所有的压缩块, 确定每个块的嵌入式比特流应该截短到何种程度才 能获得设定的目标比特率.
• 理想的截断策略是在达到目标比特率时失真度最小. • 各个码块的压缩是独立进行的,因此可以使用任何比
特率截断策略.
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比特流组织
• 比特流组织过程中,来自特定位平面编码通道的压缩数据打 包放进比特流中.
著的(=1),就编码该比特. • 若该比特此Baidu Nhomakorabea是1,其显著性标志置1,而符号位被编码.
2. 幅值细化通道:
编码已是显著的且在显著性传播通道没被编码的那些样本 值.
3. 清除通道:
• 编码那些被前两个通道忽略掉的比特(非显著性比特). 是MSB位 平面的首个编码通道.
编码是由MQ编码器完成的,它是一种低
系数比特建模(续)
• 对码块中的每个位平面,采用一种特殊的码块扫描模式 进行三轮编码通道扫描.
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3 轮通道扫描
• 位平面的每个系数比特只在三个编码通道中的一个进 行编码: 1. 显著性传播通道 2. 幅值细化通道 3. 清除通道
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3 轮通道扫描
1. 显著性传播通道: • 若某比特是非显著的(=0) ,而其八个邻居中至少有一个是显
体错误的复合
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码块数据的保护
1. 段符号Segmentation symbols: 每个位平面编码结束时加 入特定的符号序列.如果解码得到的序列有错,那么可以 断定发生了错误,至少最近的位平面被损坏了.
2. Regular predictable termination常规可预测终止:使用一种 特殊的算法(可预测终止) 在每个编码通道结束时终止算术 编码器.解码器重复这种终止处理,如果在末端没有找到相 同的无用比特,错误就可能发生在最近的编码通道(至少是 这样).
3. 同时混用两种机制, 不过会轻微降低压缩效率.
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包头的保护
1. SOP 重同步标记: 可在每个包之前加上带序列索引的 SOP标记. 如果包头之前没有找到带正确序列索引的 SOP标记,那么就可以确定发生了错误. 在这种情况下, 在码流中搜索下一个未损坏的包并继续解码过程.
2. PPM/PPT 标记: 包头内容可以移到码流的主导头或标 题头中,并通过具有较低错误率的信道传输.
复杂度的熵编码器.
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质量层组织
• 从每个码块得到的比特流组织到质量层中. 质量层是一个瓦片 的某些连续位平面编码通道的集合. 每个码块都能为一个质量 层贡献数量不定的编码通道,但并非所有的编码通道分配到一 个质量层.图像质量随着解码质量层的数量增加而提高.
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比特率控制
• 码率控制 是为达到目标比特率而适时截断码流的 过程.
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新特性:
与以前的压缩算法相比, JPEG2000有哪些新新特 性???
1. 一次压缩,多方式解压缩 2. 感兴趣区域编码 3. 渐进性 4. 容错性
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JPEG2000 – 应用领域
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一次压缩,多方式解压
• 就JPEG2000算法而言,压缩器决定了可用的最高分辨率和最 好图像质量.
• 只解压图像的某个区域或者某个分量(如彩色图像的灰阶分 量)实现随机访问也是可能的.这可通过改变图像质量和分辨 率来实现.
• 接着,形成的这些包以一种顺序方式被复接到一起,形成码流.
• 编码每个辖区生 成一个包,这个 包可能是空包. 包由包头和压缩 数据组成.
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比特流组织
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比特流组织(续)
• 有5种方法来安排包的顺序,称为渐进性,这里的位置指的是辖 区号:
质量: 质量层, 分辨率, 分量, 位置 分辨率 1:分辨率,质量层,分量,位置 分辨率 2:分辨率,位置,分量,质量层 位置:位置,分量,分辨率,质量层 分量:分量,位置,分辨率,质量层
和编码样式以便使用想要的分辨率、保真度、ROI区域 和其他特性定位、提取、解码和重构图像
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预处理
1. 图像分片: • 图像所需的内存可能会远远超出编解码器所能提供的内
存空间 • 原始图像划分为空间上不重叠的矩形块(瓦片)可以独立
压缩
2. DC电平平移: •编解码器期望其输入样本数据的规范动态范围的中心点接 近0,即(0 -- 255 -> -128 -- 128) •如果样本值是无符号类型,样本的规范动态范围需要通过 从每个样本值减去一个偏移量来调整( 2 P-1 , P 是分量的精 度)
小波变换
• Symmetric extension对称延拓: 为保证信号两个边界进行正常的滤波运算,对边界上已有的 信号样本进行延拓,使得该样本在空间上与滤波器模板的系 数对应
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DWT (例子)
JPEG2000 采用多级离散小 波变换.支持0到32级. 对自然图像来说,一般使用4 到8级DWT变换就足够了.
而不是整个分量图像的特性. • 各个子带系数量化后,重组成码块的矩形数组.
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JPEG2000 – 概述 (续)
• 对一个码块中系数的位平面(即码块内的所有系数具有 相同显著性的比特)进行熵编码.
• 特定的兴趣区域可以比背景高的重构质量编码,即支 持ROI编码.
• 允许向编码比特流中加入一些标记以便容错恢复. • 码流起始处有主导头,用来有描述原始图像、各种分解
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JPEG2000 编码器解码器框图
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JPEG2000 – 概述
• 源图像分解成分量(最多256个) • 图像分量(可选)分成矩形瓦片.分量瓦片是原始图像和重构图
像的基本单元. • 小波变换应用到每个分量瓦片上.分量瓦片分解成不同的分
辨率层级. • 分解级由系数子带组成,描述了分量瓦片的频率局域特性,
性能更好); 用来降低分量间的相关性,提高编码效率.有可逆和 不可逆两种.
前向可逆分量变换
反向可逆分量变换
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预处理 – 分量变换
• 分量变换改进了压缩性能,使 得可以采用视觉相关的量化方 法:
• 不可逆分量变换(ICT): ▪ 浮点数Floating point ▪ 与不可逆小波变换(浮点9/7 小波)一起使用
• 排序是按照重要性从高到低进行的.码流中的渐进顺序任意修 改也是可能的.
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码流组织 (示意图)
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解码(解压缩)
• 解码基本上是编码的反过程:
• 解码器按照导头中声明的进度顺序解析接收码流. 包中的系 数接着被解码和反量化,然后是进行ICT逆变换
• 在不可逆变换压缩的情况下,解压缩导致数据的丢失,重构图像 与原始图像不会完全相同.
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量化
• 使用带死区的均匀量化器对小波系数进行量化.对每个子带b, 一个基本量化步长Δb用来量化该子带的所有系数:
• Example: 假定量化步长为10 而编码器输入值为21.82, 那么量化索引 值可如下确定:
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系数比特建模
• 应用二维离散变换产生了不同的子带,每个子带关联 了若干小波系数.
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分辨率可伸缩性
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分辨率可伸缩性
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分辨率可伸缩性
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分辨率伸缩性
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质量可伸缩性
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质量可伸缩性
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质量可伸缩性
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容错性
▪ 数据错误的影响: 1. 错误在包数据体中: 某些码块的算术编码数据损坏
=> 严重失真. 2. 错误在包数据头中: 可能解出错误的数据体长度,
码块数据可能分给了错误的码块=>整个失去同步. 3. 字节缺失 (比如网络包丢失): 包数据头错误和数据
• 优点: ROI形状可以是任意的,解码器无需知晓形状信息.
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ROI – 例子
原始图像,指定了ROI
解压后图像,ROI完全恢复
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可伸缩性和比特流解析
• 可伸缩性的2种重要模式: ▪ 分辨率/空间 ▪ 质量(SNR)
• 比特流解析 ▪ 空间伸缩性和质量伸缩 性的组合. ▪ 先按空间伸缩性渐进到 给定的分辨率层次,然后 在更高的层次上改变为 按照SNR渐进.
• 可逆分量变换 (RCT) : ▪ 整数逼近Integer approximation ▪ 与可逆小波变换(整数5/3小 波)一起使用
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ICT (例子)
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小波变换
• 浮点9/7 小波滤波器用于有损压缩 ▪ 低比特率下性能好 ▪ 高实现复杂度,尤其是硬件实现
• 整数5/3小波滤波器用于无损压缩 ▪ 整数算术,实现复杂度低
执行一系列的点积.
▪ Lifting based基于提升:.顺序执行简单的滤波运算,信 号的奇数号样本值被偶数号样本值的加权和所更新, 反之亦然,这个过程交替进L行os.sless 1D DWT
Lossy 1D DWT
P 和 U 代表预测和更新.
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= 1.586, = 0.052, = 0.882, = 0.443, K = 1.230
• 子带内这些系数被重组为矩形块,称为码块.
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系数比特建模(续)
• 从MSBP(最高位平面)到LSBP (最低位平面),对码块逐 个位平面进行编码(若某些MSB位平面不含1,则至少含 一个1的位平面设为顶层位平面,被跳过的位平面个数 会编码到导头中)
36
=
51
MSB-plane
LSB-p2l1ane
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