JOURNALOFGUILINCOLLEGEOFAEROSPACETECHNOLOGY 基础理论探索(总第25期)
JPEG2000压缩编码标准介绍
刘建华Ξ 张昌年
(桂林航天工业高等专科学校 广西桂林 541004)
摘 要 静态数字图像处理是当前信息技术(尤其是多媒体技术)的一个重要组成部分,随着多媒体应用的不断增长,
对多媒体应用技术上的要求也在不断提升。静态数字图像压缩在需要实现新的功能的同时,需要较高的性能。于是,新的编码压缩标准JPEG2000应运而生。
JPEG2000是目前国际上最新的静态图像压缩编码标准,介绍了JPEG2000的应用背景,对该标准的新特
性,包括ROI编码、随机访问技术、渐进传输等进行了探讨。
对JPEG2000与静态图像压缩编码的现有标准进行了分析和比较。
JPEG2000标准;渐进;重要区域关键词
中图分类号:TP311.56
1 引言
像数据编码压缩后形成代码流,通过对代码流的随
JPEG2000压缩编码标准为许多领域,例如远机访问,用户可以对处于压缩状态的图像数据进行程教育和医疗、管道监控、无线网络应用等,提供了访问。这种功能可以很好地解决远程教育和医疗
图像的旋转、特征抽取、缩放等方面的问题。新的解决方案。111 远程教育和医疗应用
112 地下管道监控
地下管道和地铁通道一般距离都比较长,人工目前的远程应用主要集中在远程教育和远程
控制等领域,远程医疗(例如远程控制的外科手术检测无法实现实时性和有效性。较好的监控方法等)是在远程控制领域的一个重要分支。在网络教是,在管道中每隔一段距离安装一个微型摄像机,学和远程医疗应用的图像传输中,对网络的传输速将实时的图像数据传输到监控主机,由主机对数据度和图像的精度要求都很高。而传输速度与需要进行分析,判断故障点。
在这个应用中,大量的图像数据要进行远距离传输的图像的大小一直是一对不可调和的矛盾,这
健壮性、多种图像类型等多是网络教学和远程医疗应用所面临的首要技术问传输,对数据的压缩率、
个方面都有很高的要求。JPEG2000标准中提供了题。
JPEG2000中提供了一种全新的功能:ROI(Re2大图像编码功能和渐进传输功能,能够很好地满足gionofInterest重要区域)编码。这种功能非常适合
这些要求。
JPEG2000标准中提供了两种渐进方式(RSP解决远程应用的图像传输问题。
在远程应用的图像中,有一部分图像区域在图方式和ASP方式),在通道带宽有限而且传输的图像或其组成成分特别重要(ROI),例如在外科手术像很大时很有用,它允许用户在对图像的分辨率或中病人的被操作部位,对这部分区域的精度要求相质量满意时停止图像的传输。对比较高,剩余的部分是背景区域(BackGround),2 JPEG2000的特性这部分区域相对而言不是很重要。在JPEG2000JPEG2000编码压缩系统可以在不同的彩色空中,用户(例如医生)可以随时指定ROI区域,在间描述二元、灰度、调色板颜色、全彩色图像数据。ROI编码中,图像的一部分(ROI)与背景相比可以在JPEG2000编码系统中包含大量压缩方案,允许被更高质量地编码。在传输带宽受限制的情况下,开发者在具体的应用中,在最好的空间或时间上进只对ROI进行编码可以大大地减少传输时间。行折衷。当增加了新需求时,JPEG2000可以扩展,
JPEG2000标准中还提供了随机访问功能。图并平滑地升级。另外,还允许在它的文件格式的元
Ξ刘建华,男,(1972~)湖南衡阳人,桂林航专电子计算机系讲师,华东师范大学计算机科学专业在职硕士研究生。
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数据中包含不限制数量的私有的或表示特殊目的些特征并不都是必须的,有些是可选的。
的信息。下表列出了JPEG2000的一些特征。这
表1 JPEG2000的特性
特性
低比特率性能无损和有损压缩
精确度和分辨率渐进传输随机访问
比特差错的健壮性开放的结构实时编码与JPEG兼容基于内容的描述图像安全性
基于对象的组成、信息嵌入
网络图像传输、遥感
对不允许失真的医学图像的无损存储、渐进或有损的显示和传输
C/S方式的WWW、图像档案、打印
应用或说明
旋转、平移、过滤、特征抽取、缩放无线传输通道
作为系统的内核,其余由用户扩充依据少量的上下文实时编码兼容现有的编码标准图像数据库的检索
图像的水印、商标、印章、指纹、加密等不规则图像的分解、嵌入
3 JPEG2000的关键技术
11ROI编码
ROI(RegionofInterest重要区域)编码是JPEG2000提供的新的功能,ROI是被认为是特别重要
的、在图像或其组成成分中定义的区域。
ROI编码的意思是:图像的一部分(ROI)与背景相比可以被更高质量地编码。在传输带宽受限制的情况下,只对ROI进行编码可以大大地缩短传输时间。ROI编码方法可以大致地体现在两个方面,一是图像以ROI方式存储,二是用户在图像传输的过程中交互地选择ROI,并且只接收图像的这部分数据。
21随机访问技术
提供随机访问功能是JPEG2000标准中定义的一大特性。图像数据编码压缩后形成代码流,通过对代码流的随机访问,用户可以对处于压缩状态的图像数据进行访问。也就是说,图像可以在最小的信息形式(即压缩态)下被访问、操作、编辑、传输以及存储。
由于代码流了提供大量的机制,来定位数据和
抽取数据,以用于转发、存储、显示或编辑的目的。这种机制允许在图像不解码的情况下,对适当的数据进行存储和转发。
由于在JPEG2000标准中,用许多不同的方式分解原始图像数据和已经压缩的数据,因而可从已压缩的代码流中抽取数据,以低分辨率或原始图像的一些区域(例如ROI),来形成一个重构图像。这就使得代码流可以与传输通道、存储设备、显示设备相匹配,而不管原始图像的大小、采样精度等。代码流可以在不解码的情况下被操作。
31RSP方式和ASP方式
在JPEG2000编码压缩标准中,压缩图像时支持不同的渐进方式(或可伸缩性)。一种被称为RSP(分辨率可变的渐进),另一种被称为ASP(精确度可变的渐进)。
在RSP方式下,接收方开始接收到的图像分辨率较小,当接收到更多的比特时,图像将增大到原始图像的大小(通常图像在高度和宽度两个方向同时增大)。
在ASP方式下,接收到的图像一开始就是原始大小,但像素的值是很粗略地近似。当接收到更
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多的比特时,像素值的近似值得到改善。因此,接
收方会发现图像开始的质量很差,在越来越多的比特被接收之后,图像质量越来越高。
RSP方式和ASP方式在通道带宽有限而且传输的图像很大时很有用。它还允许用户在对图像的分辨率(大小)或质量满意时停止图像的传输。
在基本模式中,图像被分成8×8的块,每一块被进行DCT变换,对变换后的块使用统一的标量量化器量化,然后利用Z型扫描来记录,以形成一维量化系数序列。这些系数被使用Huffman编码进行熵编码。对变化后产生的64个DCT系数,为
每个系数在量化表中说明了量化步长,为每个块都
这些方式一般用在WWW应用中。保留同样一份量化表。所有块的DCT系数被独立
对静态图像进行RSP或ASP编码,包括要生地编码。
(2)MPEG成一个这样的比特流:解码器可以根据这个比特流24VTC
得到一个以上的不同分辨率或质量的图像;解码器MPEG24VTC是一种在MPEG24标准中使用可以只解码部分比特流,并利用其生成完整的(但的、将纹理信息编码压缩成虚拟现实三维模型的算质量或分辨率不同的)图像。这就意味着,对于同法。由于在三维模型中纹理与静态图像很相似,因一个比特流,低性能的解码器可以只解码一部分来此MPEG24VTC也可以用于压缩静态图像。MPEG2生成基本质量的图像,而高性能的解码器则可以解4VTC不支持无损编码。
(3)JPEG码更多的比特从而生成更高质量的图像。2LS和PNG
4 JPEG2000与现有标准的比较1 现有静态图像编码标准简介JPEG2LS是最新的ISO/ITU2T标准,用于静态
图像无损编码。除了无损之外,它还提供近乎无损
2LS的复杂度低,然而却提供无损的现有的静态图像编码标准有许多,例如出现得的压缩,JPEG
2LS不支持渐进(伸缩性),较早的JPEG,它是目前得到最广泛使用的最流行高压缩率。不过,JPEG
的静态图像编码标准,应用的领域覆盖从Internet差错恢复或类似的功能。
PNG(PortableNetworkGraphics)比GIF新增加到数字图像等各个方面。MPEG24VisualTexture
调节图、真彩图以及隔行Coding(VTC)和JPEG2LS则是最近出现的编码标了许多特征,支持灰度图、
准,它们使用了新的技术,应用于各种领域。另外扫描等特征,PNG基于预测机制和熵编码,只能提的图像编码标准还有PNG、GIF等。PNG不是正式供无损压缩。
21功能对比的标准,但在Internet应用中日渐流行。
表2描述了不同的压缩编码标准提供的不同
“+”表示“,+”越多,表示在JPEG中定义了四种操作模式:基本模式、功能。凡提供该功能,用
“-”表渐进模式、分层模式和无损模式。基本模式是最流对该功能的支持越强;不提供该功能则用
示。行的一种,只支持有损压缩。
(1)JPEG
表2 功能对比
算法JPEGMPEG24VTCJPEG2LSPNGJPEG2000
无损压缩
+-++++++++++
有损压缩+++++++
+-+++++
伸缩性+++++-++++++
ROI编码
-+--+++
任意形状对象
-++---
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算法JPEGMPEG24VTCJPEG2LSPNGJPEG2000
随机访问
----++
低复杂度+++++
+++++++++++
差错恢复+++++++++++
内嵌比特流
-+--+++
通用性+++++++++++++
说明:情况下,可以解码图像的一部分。MPEG24VTC和
a.JPEG提供的无损压缩只存在于无损模式,JPEG2000一样,可以产生渐进的比特流,而且增加
伸缩性(渐进)只存在于渐进模式。的开销不是很明显。但JPEG2000提供更多的渐
进选项,并且产生的代码流是句法可分析的,即可
c.通用性是指可以有效地对不同类型的图像以被动态的译码器很容易地识别。这些特征在例进行压缩。如数字图书馆等应用中尤为有用,JPEG2000产生
b.MPEG24的ROI编码只基于分块。渐进的比特流的另一个好处是可以提供ROI功能。
JPEG2000对每个子带中的块提供了随机访问综上所述,JPEG2000标准在一个统一而有效的功能(即最小解码),这使得在不解码整个图象的的算法中,提供了丰富的功能。
参考文献
[1] 钟玉琢 多媒体技术 北京:清华大学出版社,1999年[2] PrabhatK.Andleigh&KiranThakrar著,MultimediaSystemDesign,徐光佑 史元春 译多媒体系统设计,PrenticeHall出版公司,电子工业出版社,1998年
短讯一则
广西航空航天学会2002年常务理事扩大会于近日在桂林航天工业高等专科学校召开,学会所属会员单位的理事、常务理事、副理事长或代表共15人参加会议。会议由秘书长蒋年华主持。常务副理事长李肇元代表理事会对学会在2001年中在开展学术交流、科普知识宣传对外交往和日常主要工作等方面进行了总结,并提出了2002年学会工作安排要点。理事长姚洪庆就学会理事会明年换届筹备工作等问题作了讲话。副秘书长陈泽洪汇报了学会2001年的财务收支情况并就开展会员普查登记工作做了说明。与会人员就上述议题进行讨论。大家对学会去年的工作给予了肯定。另外对学会理事会的换届问题,学会开展活动问题也提出了好的建议。
(陈泽洪)
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