1、JPEG2000編碼方案和構(gòu)造劃分研究摘要JPEG2000作為一種先進(jìn)的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它的許多特征具有模塊性。本文介紹了JPEG2000的壓縮原理，描繪了壓縮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架，討論了其核心編碼算法。在JPEG2000的壓縮過(guò)程中，需要對(duì)圖像的構(gòu)造逐級(jí)進(jìn)展劃分，還要對(duì)碼流構(gòu)造進(jìn)展分層次組織，以施行圖像的漸進(jìn)性傳輸。構(gòu)造的劃分作為JPEG2000的理論根底，有必要進(jìn)展深化和準(zhǔn)確的研究。關(guān)鍵詞JPEG2000；圖像壓縮；嵌入編碼；算術(shù)編碼；小波變換JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它采用了小波變換、優(yōu)化截?cái)嗲度雺K編碼和高效的碼流組織形式。適用于各種類型的靜止圖像，如二值圖像、灰度圖像和彩色

2、圖像；支持自然圖像、合成圖像、醫(yī)學(xué)圖像和文本。JPEG2000具有如下主要特點(diǎn)：良好的低比特率壓縮性能，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、挪動(dòng)通信等有限帶寬的應(yīng)用；可以根據(jù)圖像質(zhì)量、視覺(jué)感受和分辨率進(jìn)展?jié)u進(jìn)傳輸；既支持無(wú)損又支持有損壓縮；對(duì)碼流的隨機(jī)存取和感興趣區(qū)域(RI)的編碼；具有較強(qiáng)的抗誤碼才能；具有開(kāi)放構(gòu)造，并向下兼容等。2.1根本編碼流程方案JPEG2000的根本編碼流程方案主要有以下6個(gè)局部組成(如圖1)：1預(yù)處理：主要是將源圖像劃分為較小的矩形區(qū)域，稱為拼接塊，作為獨(dú)立的圖像用于壓縮。目的是為了降低壓縮過(guò)程所需的內(nèi)存資源。降低量級(jí)可以使樣本的動(dòng)態(tài)范圍根本關(guān)于零對(duì)稱，使在進(jìn)展離散小波變換后的系數(shù)的動(dòng)態(tài)范

3、圍不會(huì)過(guò)大，有利于編碼。2分量變換：指對(duì)具有多個(gè)分量的圖像先經(jīng)過(guò)某種變換來(lái)降低各分量之間的相關(guān)性。3離散小波變換：針對(duì)每個(gè)拼接塊的每個(gè)分量要進(jìn)展離散小波變換，就是從二維空間到分辨率空間的變換，變換的目的是增加數(shù)據(jù)的冗余度，因此可以大幅進(jìn)步壓縮效率。4量化：就是降低數(shù)據(jù)精度，進(jìn)步壓縮效率，施行有損壓縮。5第一級(jí)編碼：按照位平面的次序經(jīng)過(guò)三個(gè)通道進(jìn)展熵編碼(算術(shù)編碼)。6量二級(jí)編碼：分層打包形成碼流。圖1根本編碼方案圖2.2拼接塊圖像的構(gòu)造劃分2.2.1分辨率、子帶和碼塊源圖像在預(yù)處理階段被劃分為各自獨(dú)立的拼接塊，在針對(duì)每個(gè)拼接塊的每個(gè)分量進(jìn)展離散小波變換時(shí)，假設(shè)進(jìn)展N級(jí)小波分解，那么可有N個(gè)分辨

4、率；每個(gè)分辨率的LH、HL和HH子帶保存，LL子帶繼續(xù)分解，共得到3N+1個(gè)子帶。如圖2是三級(jí)變換的子帶分布情況。每個(gè)子帶又要被劃分為大小一樣的矩形塊，稱為碼塊，碼塊的寬和高都要是2的冪，典型值是3232或6464，每個(gè)碼塊將被獨(dú)立編碼。圖2三級(jí)小波變換的子帶分布圖2.2.2質(zhì)量層、分區(qū)和包分區(qū)(Preint)是一個(gè)邏輯構(gòu)造，是同一分辨率下某空間連續(xù)區(qū)域所有子帶中對(duì)應(yīng)碼塊的集合見(jiàn)圖3。圖中粗實(shí)線為子帶分界，細(xì)實(shí)線為Preint分界。簡(jiǎn)單地說(shuō)，Preint包含3個(gè)具有一樣空間位置的一樣大小的矩形區(qū)域，這3個(gè)矩形區(qū)域分別在某分辨率的LH、HL、HH之中。Preint包含整數(shù)個(gè)碼塊，最少包含3個(gè)碼塊

5、(分別屬于LH、HL、HH)。圖3分區(qū)示意圖按照對(duì)圖像失真的影響程度，對(duì)碼流進(jìn)展裁剪，分類組織，把具有相似失真影響的碼流的集合稱為一個(gè)質(zhì)量層。每個(gè)分區(qū)為每個(gè)層奉獻(xiàn)一個(gè)包，包是碼流組織的根本單位，它包含該分區(qū)中所有碼塊對(duì)該質(zhì)量層的增量奉獻(xiàn)。3.1分量變換模型JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種分量間變換：不可逆分量變換(IT)和可逆分量變換(RT)。IT本質(zhì)上是實(shí)數(shù)到實(shí)數(shù)的，RT本質(zhì)上是整數(shù)到整數(shù)的。這兩種變換都是從RGB顏色空間變換到Y(jié)br顏色空間。分量變換之后，各個(gè)分量之間可以認(rèn)為是獨(dú)立的。不可逆分量變換的公式為：Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.16875R-0.33126

6、G+0.5BV=0.5R-0.41869G-0.08131B可逆分量變換為：Y=(R+2*G+B)/4U=R-GV=B-GG=Y-(Ur+Vr)/4R=U+GB=V+G3.2量化模型JPEG2000使用的是均勻量化。其量化和反量化模型為：y=|x/|*sgn(x)x=(y+r*sgn(y)*其中，稱為步長(zhǎng)，r稱為偏置參數(shù)，通常是1/2，對(duì)于無(wú)損壓縮，量化步長(zhǎng)為1(也可以說(shuō)無(wú)須量化)；對(duì)于有損壓縮，量化步長(zhǎng)與碼率控制有關(guān)。不同的子帶數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍不一樣，因此不同子帶使用不同的步長(zhǎng)。3.3小波變換模型離散小波變換可以是不可逆的小波變換，也可以是可逆的小波變換。不可逆小波變換默認(rèn)使用Daubehie

7、s9/7濾波器實(shí)現(xiàn)，即是有損編碼。可逆變換默認(rèn)使用LeGal5/3濾波器實(shí)現(xiàn)，即是無(wú)損編碼。JPEG2000中使用的是小波的提升算法。5/3小波提升算法模型：Y(2n+1)=X(2n+1)-X(2n)+X(2n+2)/2Y(2n)=X(2n)-Y(2n-1)+X(2n+1)+2/49/7小波提升算法模型，包含四個(gè)步驟：第一次預(yù)測(cè)、第一次更新、第二次預(yù)測(cè)和第二次更新，公式分別為：Y(2n+1)=X(2n+1)-X(2n)+X(2n+2)Y(2n)=X(2n)-Y(2n-1)+Y(2n+1)+2Y(2n+1)=Y(2n+1)-Y(2n)+Y(2n+2)Y(2n)=Y(2n)-Y(2n-1)+Y(2

8、n+1)+2其中：=-1.586134342，=-0.052980118，=0.882911075，=0.4435068523.4塊編碼塊編碼是依位平面由高到低的次序使用三個(gè)編碼過(guò)程而施行的，其流程如圖4所示。編碼過(guò)程P1稱為重要性傳播通道，對(duì)系數(shù)本身重要狀態(tài)為0但它的8個(gè)鄰居系數(shù)至少有一個(gè)重要狀態(tài)已經(jīng)為1的系數(shù)進(jìn)展編碼。編碼過(guò)程P2稱為幅度精煉通道，對(duì)在以前已編碼位平面變?yōu)橹匾南禂?shù)進(jìn)展編碼。編碼過(guò)程P2稱為去除通道，對(duì)在P1和P2中沒(méi)有被編碼的系數(shù)進(jìn)展編碼。所謂重要狀態(tài)，就是其值是一個(gè)二值變量，初始化時(shí)為0，當(dāng)按從高平面到低平面的順序編碼過(guò)程中首次遇到該系數(shù)的第一個(gè)1比特時(shí)變?yōu)?，表示這個(gè)

9、系數(shù)已經(jīng)重要。圖4位平面編碼流程圖經(jīng)過(guò)三個(gè)通道得到的并不是最終的壓縮數(shù)據(jù)碼流，還要使用算術(shù)編碼器進(jìn)展編碼，JPEG2000使用的是基于上下文的自適應(yīng)二進(jìn)制算術(shù)編碼器，其內(nèi)容可參考文獻(xiàn)1，本文不再贅述。3.5碼流組織與質(zhì)量控制3.5.1碼流組織在塊編碼中，把某一個(gè)編碼通道過(guò)程形成的碼流，稱為過(guò)程碼流。最終的碼流是由包構(gòu)成的，一個(gè)數(shù)據(jù)包是由相關(guān)過(guò)程碼流組成的，每個(gè)包隸屬于某個(gè)層。分層打包的準(zhǔn)那么是保證一定碼長(zhǎng)下的失真度最校把分層打包之前的碼流，也就是第一級(jí)編碼形成的碼流，稱為第一級(jí)碼流；第一級(jí)碼流經(jīng)過(guò)第二級(jí)編碼的形成的碼流，稱為第二級(jí)碼流，也就是最終的碼流。顯然，必須確定第一級(jí)碼流的一系列的截?cái)帱c(diǎn)

10、，裁剪形成第二級(jí)碼流。3.5.2率分配率分配率控制是一個(gè)把量化步長(zhǎng)和編碼率賦予不同頻帶的過(guò)程。編碼率指單位樣本的編碼位數(shù)。編碼率越低，壓縮率越高，失真越大；編碼率越高，壓縮率越低，失真越校在某個(gè)碼塊Bi中，每個(gè)編碼通道過(guò)程的端點(diǎn)都是候選截?cái)帱c(diǎn)(z)，必須估算每個(gè)候選截?cái)帱c(diǎn)(z)為止的所有編碼字節(jié)數(shù)，以及在該點(diǎn)處產(chǎn)生的失真。失真-長(zhǎng)度斜率(distrtin-lengthslpe)，定義為：可行截?cái)帱c(diǎn)要求：按照可行截?cái)帱c(diǎn)要求，可行截?cái)帱c(diǎn)恰好在所謂的“凸殼上。如圖5所示。圖5失真-長(zhǎng)度斜率圖3.5.3質(zhì)量層控制把每個(gè)碼塊的具有相似斜率的可行截?cái)帱c(diǎn)搜集到一起，形象地叫“斜率箱，這就是質(zhì)量層的本質(zhì)含義。

11、為此，每個(gè)層有一個(gè)相關(guān)的截?cái)嚅T限，包含在層中的具有的斜率范圍為，如圖6所示。JPEG2000作為靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)字圖像領(lǐng)域得到了廣泛而成功的應(yīng)用。JPEG2000采用小波變換和位平面熵編碼器，可獲得當(dāng)今最先進(jìn)的壓縮性能。目前諸多文獻(xiàn)對(duì)JPEG2000的概念原理的認(rèn)識(shí)不夠全面，本文從總體上闡述了其根本概念、模型與算法，為JPEG2000的進(jìn)一步研究和應(yīng)用提供了根據(jù)。圖6質(zhì)量層控制圖1DavidS.Tauban，ihael.arellin.JPEG2000圖像壓縮基儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和理論.北京：電子工業(yè)出版社，20222劉正光，劉子曉，申旭剛.JPEG2000算法原理及實(shí)現(xiàn)框架J.計(jì)算機(jī)工程，2022，(20)3IS/IEFD1544421：JPEG2000IagedingSyste，2000S4DavidTauban.HighPerfraneSalableIagepressinithEBTJ.IEEETrans.IagePressing.2000，9(7)：1158-11705Arandandua，AirSaid.aveletpressinfedialIagesithSetPartitininginHierarhialTrees.theSPIESypsiunedialIaging，abridge，A，199616J.Li，S.LEi，Rate-