簡(jiǎn)介

最終于2001年完成的JPEG（聯(lián)合圖像專家組）2000標(biāo)準(zhǔn)使用基于小波技術(shù)的最先進(jìn)壓縮技術(shù)定義了一種新的圖像編碼方案。它的架構(gòu)適用于許多不同的應(yīng)用，包括互聯(lián)網(wǎng)圖像分發(fā)，安全系統(tǒng)，數(shù)碼攝影和醫(yī)學(xué)成像。

關(guān)于JPEG 2000是什么以及它與其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)的比較存在很多困惑例如MPEG（運(yùn)動(dòng)圖像專家組）-2，MPEG-4和早期的JPEG。通過(guò)與其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)要比較，本文主要是為了強(qiáng)調(diào)一些經(jīng)常被誤解和很少提到的JPEG 2000潛在成為實(shí)際的好處。

應(yīng)用程序

CCTV安全

發(fā)送或存儲(chǔ)圖像信息時(shí)，必須采用壓縮來(lái)保持圖像分辨率，同時(shí)充分利用有限的信道帶寬。壓縮被定義為無(wú)損如果從通道完全恢復(fù)原件而沒(méi)有任何信息丟失;否則，它是有損。需要標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保互操作性。 JPEG 2000是唯一提供無(wú)損和有損壓縮的標(biāo)準(zhǔn)壓縮方案。因此，它適用于需要高質(zhì)量圖像的應(yīng)用程序，盡管存儲(chǔ)或傳輸帶寬受到限制。

基于JPEG 2000的系統(tǒng)的一個(gè)重要特征是能夠提取各種分辨率，組件，感興趣的區(qū)域和單個(gè)JPEG 2000代碼流的壓縮率。任何其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)都無(wú)法做到這一點(diǎn)，因?yàn)楸仨氃诰幋a端指定圖像大小，比特率和質(zhì)量，并且無(wú)法在解碼端確定或更改。

例如，閉路電視（CCTV）安全系統(tǒng)可以通過(guò)在低帶寬網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送單個(gè)JPEG 2000碼流來(lái)利用此功能。高分辨率圖像可以存儲(chǔ)在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（HDD）上，而多個(gè)低分辨率圖像可以顯示在監(jiān)視器上。 接收側(cè)的操作員可以決定從發(fā)送的單個(gè)代碼流中提取哪些信息。

JPEG 2000 幀準(zhǔn)確，每一個(gè)輸入的框架包含在壓縮格式中。另一方面，MPEG系統(tǒng)通過(guò)時(shí)間壓縮（不將每個(gè)幀編碼為完整圖像）減少數(shù)據(jù)量，因此MPEG壓縮不是幀精確。因此，法律問(wèn)題限制在某些安全應(yīng)用程序中使用MPEG壓縮。為了解決這個(gè)問(wèn)題，安全系統(tǒng)和設(shè)備提供商必須開(kāi)發(fā)自己的壓縮方案 - 或使用效率極低的動(dòng)態(tài)JPEG （M-JPEG）壓縮標(biāo)準(zhǔn) - 以提供壓縮流包含原始的每個(gè)字段。他們現(xiàn)在可以將JPEG 2000用于新設(shè)計(jì)。

Internet圖像分發(fā)

漸進(jìn)式編碼，JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)特性，意味著比特流可以編碼，以便在流的開(kāi)頭包含不太詳細(xì)的信息，并在流進(jìn)行時(shí)包含更詳細(xì)的信息。這使其成為互聯(lián)網(wǎng)/網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的理想選擇 - 特別是對(duì)于大圖像和低帶寬 - 因?yàn)榧词故褂玫退倬W(wǎng)絡(luò)或圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以在解碼端立即看到圖像。首先顯示較低的子帶，隨著時(shí)間的推移添加更多細(xì)節(jié)。因此，隨著時(shí)間的推移，圖像變得更加清晰和細(xì)致，并且在可以看到之前不必下載整個(gè)圖像。

即時(shí)可用的低質(zhì)量圖像，接收端的用戶也可以決定是以完全解碼的版本查看圖片，還是通過(guò)并掃描下一張圖片。客戶端可以以不同的分辨率或質(zhì)量級(jí)別[壓縮率]查看圖像，使其適用于任何傳輸帶寬，連接速度或顯示設(shè)備。此外，JPEG 2000編碼提供了放大或縮小圖像特定區(qū)域的選項(xiàng)，或以不同的分辨率或壓縮率顯示圖像的特定區(qū)域。

高分辨率

在極端壓縮級(jí)別下，JPEG 2000視頻開(kāi)始模糊，但仍然可以看到。 MPEG或JPEG偽影對(duì)眼睛來(lái)說(shuō)更令人不安，圖像在高壓縮比下可見(jiàn)地分解成小塊。中高比特率的高圖像質(zhì)量和包含大量運(yùn)動(dòng)，缺少塊偽像和高效率的內(nèi)容使JPEG 2000成為高清（HD）應(yīng)用的理想選擇，如數(shù)字電影，高清錄制系統(tǒng)和高清攝像設(shè)備。

許多應(yīng)用需要精確的比特率控制，只有JPEG 2000才能提供。精確的比特率控制是可能的，因?yàn)檎麄€(gè)幀或場(chǎng)一次變換;然后將其分解為可以使用下述技術(shù)獨(dú)立處理的比特流或代碼塊。在使用DCT的系統(tǒng)中，量化是唯一使用的技術(shù)，這使得精確的比特率控制變得困難。為了控制DCT系統(tǒng)中的比特率，必須重復(fù)地重新處理和重新量化信息。 JPEG 2000中使用的速率控制算法截?cái)嗝總€(gè)比特流以滿足特定的目標(biāo)比特率，根據(jù)需要調(diào)整每個(gè)代碼塊數(shù)據(jù)的截?cái)嗪椭匦铝炕３?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/1315/" target="_blank">編程目標(biāo)比特率之外，該標(biāo)準(zhǔn)還允許用戶指定特定的質(zhì)量度量。在這種情況下，只要性能不低于特定峰值信噪比，目標(biāo)比特率就會(huì)變化以滿足指定的品質(zhì)因數(shù)。 PSNR表示圖像質(zhì)量與感知圖像質(zhì)量相當(dāng)。

JPEG 2000 Code Stream

給定的輸入圖像或圖像的一部分[< em> tile ]被發(fā)送到一組小波濾波器，它們將像素信息轉(zhuǎn)換為小波系數(shù)，然后將其分組為幾個(gè)子帶 [使用小波在編碼中的em>首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解釋。每個(gè)子帶包含描述整個(gè)原始圖像的特定水平和垂直空間頻率范圍的小波系數(shù)。這意味著在第一變換級(jí)別中包含較低頻率，較不詳細(xì)的信息，而在較高變換級(jí)別中包含較詳細(xì)的較高頻率信息。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處僅顯示兩個(gè)級(jí)別的變換。第一變換級(jí)別產(chǎn)生子帶LH1，HH1，HL1和LL1。僅傳遞子帶LL1用于進(jìn)一步濾波，生成下一個(gè)變換級(jí)別并創(chuàng)建子帶LH2，HH2，HL2和LL2。

在內(nèi)部生成相同大小的代碼塊，其本質(zhì)上是數(shù)據(jù)的比特流。每個(gè)子帶。這種分解對(duì)于系數(shù)建模和編碼是必要的，并且是在逐個(gè)代碼塊的基礎(chǔ)上完成的。實(shí)質(zhì)上，通過(guò)截?cái)嗪?或重新量化每個(gè)代碼塊中包含的比特流來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際壓縮。然后使用稱為后壓縮率控制（PCRC）的技術(shù)對(duì)這些比特流進(jìn)行最佳截?cái)唷?/p>

可以單獨(dú)訪問(wèn)代碼塊。它們的比特流用每個(gè)比特平面三個(gè)編碼通道編碼。此過(guò)程稱為上下文建模，用于分配有關(guān)每個(gè)單獨(dú)系數(shù)位重要性的信息。然后可以根據(jù)代碼塊的重要性對(duì)代碼塊進(jìn)行分組。在解碼方面，然后可以根據(jù)其重要性提取信息，允許首先看到最重要的信息。

JPEG 2000可以包含用戶定義的層數(shù)，由PCRC定義和上下文建模。每個(gè)層代表特定的壓縮率，其中壓縮率是從量化，速率 - 失真和上下文建模過(guò)程實(shí)現(xiàn)的。例如，層0包含來(lái)自有損WT變換的比特流，其被嚴(yán)重截?cái)啵话幋a通道，因此提供最高壓縮率和最低質(zhì)量。然后，第16層可以包含較少截?cái)嗟谋忍亓鞑⑹褂酶鄶?shù)量的編碼通道，從而提供低壓縮和高質(zhì)量。

將圖塊或圖像進(jìn)一步劃分為區(qū)域。區(qū)域包含許多代碼塊，并且用于便于訪問(wèn)圖像內(nèi)的特定區(qū)域，以便以不同的方式處理該區(qū)域，或者僅解碼圖像的特定區(qū)域。 JPEG 2000位流是通過(guò)將代碼塊或區(qū)域排列到數(shù)據(jù)包數(shù)組中生成的，其中較低的子帶首先出現(xiàn)。

JPEG 2000流以包含以下信息的主標(biāo)頭開(kāi)始：未壓縮的圖像大小，瓦片大小，組件數(shù)量，組件的位深度，編碼樣式，變換級(jí)別，進(jìn)展順序，層數(shù)，代碼塊大小，小波濾波器類(lèi)型，量化級(jí)別等。整個(gè)圖像數(shù)據(jù)，按LL的代碼塊分組， HL，LH和HH子帶遵循標(biāo)題。數(shù)據(jù)不包含在標(biāo)題信息中。此外，目錄可以存儲(chǔ)在編碼端，并允許解碼器按需調(diào)用特定分辨率，而無(wú)需首先解碼或下載整個(gè)JPEG 2000代碼流。

DCT與WT

JPEG 2000使用小波變換（WT）來(lái)減少圖片中包含的信息量，而MPEG和JPEG系統(tǒng)使用離散余弦變換（DCT）。確實(shí)，WT需要比DCT更多的處理能力，但MPEG系統(tǒng)需要的不僅僅是DCT。 DCT或任何類(lèi)型的傅立葉變換，以頻率和幅度表示信號(hào)，但僅在單個(gè)時(shí)刻表示。 WT隨時(shí)間將信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率和幅度，因此更有效。圖4到圖9說(shuō)明了這一點(diǎn)。

要獲得與一次WT通過(guò)相同數(shù)量的信息，必須對(duì)每個(gè)頻率使用DCT;并且必須在每個(gè)時(shí)刻對(duì)每個(gè)8×8像素塊變換這些頻率中的每一個(gè)。另外，MPEG系統(tǒng)使用幀間壓縮[運(yùn)動(dòng)估計(jì)]以便進(jìn)一步減少用于運(yùn)動(dòng)估計(jì)的數(shù)據(jù)量。這需要在外部存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)至少兩個(gè)整個(gè)字段。計(jì)算密集型運(yùn)動(dòng)估計(jì)過(guò)程需要非常強(qiáng)大的處理器。時(shí)間壓縮可以在JPEG 2000系統(tǒng)中使用，但它不是JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)中固有的。

JPEG 2000優(yōu)于其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)

所有MPEG標(biāo)準(zhǔn)都是復(fù)雜且計(jì)算密集的。這轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SD）應(yīng)用程序中的大量處理延遲和內(nèi)存要求。當(dāng)考慮高清（HD）格式時(shí)，這些因素變得更加嚴(yán)重，并且JPEG 2000變得更加理想。 JPEG 2000的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是標(biāo)準(zhǔn)本身，它允許在許多不同的應(yīng)用程序中提供巨大的靈活性和控制。格式也有很多功能：JPEG 2000支持從每個(gè)樣本8位到每個(gè)樣本無(wú)限量的位數(shù)，而MPEG只支持8位數(shù)據(jù)。

JPEG 2000繼續(xù)受歡迎，即使MPEG-2是DVD和廣播應(yīng)用的既定標(biāo)準(zhǔn)。 JPEG 2000在高清應(yīng)用中也非常流行，需要通過(guò)無(wú)線或其他鏈接高質(zhì)量存儲(chǔ)或傳輸高清圖像

ADV202

自20世紀(jì)90年代初以來(lái)，ADI公司在小波壓縮R＆amp; D方面投入了大量資金。我們是第一個(gè)在1996年用ADV601引入小波壓縮硬件解決方案的公司。現(xiàn)在，ADI最新的小波編解碼器ADV202于2004年7月發(fā)布，是迄今為止市場(chǎng)上唯一的專用JPEG 2000 IC。 ADV202是完整的單芯片JPEG 2000壓縮/解壓縮IC，可與高清視頻，標(biāo)清視頻和靜止圖像配合使用。它支持ISO / IEC15444-1 [JPEG 2000]圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)[Maxshift ROI除外]的所有功能。其專利的SURF?（空間超高效遞歸濾波）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低功耗，低成本的基于小波的壓縮。 ADV202包含專用小波變換引擎，三個(gè)熵編解碼器，RISC處理器和板載存儲(chǔ)器系統(tǒng)，為常見(jiàn)的視頻標(biāo)準(zhǔn)提供無(wú)縫接口，如ITU.R.BT656，SMPTE274M或SMPTE296M。它可以創(chuàng)建完全兼容的JPEG 2000代碼流[.j2c，.jp2]。它還可以提供原始代碼塊和屬性數(shù)據(jù)，允許主處理器完全控制生成和壓縮過(guò)程。

即使數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）性能具有DSP顯著改善，每秒必須執(zhí)行200億條指令，以匹配標(biāo)準(zhǔn)清晰度編碼應(yīng)用中ADV202的性能。作為加速器，ADV202的三個(gè)專用片上熵編解碼器負(fù)責(zé)高吞吐率。

結(jié)論 - JPEG 2000的Outlook

使用JPEG的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)例如，2000硬件解決方案的延遲低于任何其他壓縮方案，這在醫(yī)療應(yīng)用中尤為重要。

幾家主要的視頻或廣播設(shè)備制造商已將JPEG 2000應(yīng)用于未來(lái)的高清產(chǎn)品作為實(shí)時(shí)編碼和解碼系統(tǒng)和視頻服務(wù)器。

數(shù)字影院計(jì)劃（DCI）最近宣布將使用JPEG 2000作為數(shù)字電影傳輸?shù)膲嚎s方法。 ADV202已經(jīng)在視頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進(jìn)入CCTV /安全市場(chǎng)的許多設(shè)計(jì)。

由于其靈活性和圖像壓縮質(zhì)量，ADV202 - 在JPEG 2000下運(yùn)行 - 可以在幾乎所有使用圖像或視頻壓縮的設(shè)計(jì)中找到它。