JPEG2000 图像压缩标准及其关键算法.doc

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JPEG2000图像压缩标准及其关键算法
周宁汤晓军徐维朴
(西安交通大学人工智能与机器人研究所西安710049)
摘要：JPEG2000是为适应不断发展的图像压缩应用而出现的新的静止图像压缩标准。阐述了JPEG2000图像编码系统的实现过程,对其中采用的基本算法和关键技术进行了描述，介绍了这一新标准的特点及应用场合，并对其性能进行了分析。关键词：JPEG2000;图像压缩；离散小波变换;速率控制；感兴趣区域
1引言随着多媒体应用领域的快速增长和网络的不断发展，传统的JPEG压缩技术已无法满足人们对数字化多媒体图像资料的要求，一种功能更强大、效率更卓越的静止图像压缩标准被提到制定日程上，这就是JPEG2000。JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）是在国际标准化组织(ISO)领导之下制定静态图像压缩标准的委员会，第一套国际静态图像压缩标准ISO10918-1(JPEG)就是该委员会制定的。由于JPEG优良的品质，使他在短短几年内获得了极大的成功，被广泛应用于互联网和数码相机领域，网站上80%的图像都采用了JPEG压缩标准。然而，目前的JPEG静止图像压缩标准,具有中端和高端比特速率上的良好的速率畸变特性，但在低比特率范围内，将会出现很明显的方块效应，其质量变得不可接受。JPEG不能在单一码流中提供有损和无损压缩，并且不能支持大于64×64K的图像压缩。同时，尽管当前的JPEG标准具有重新启动间隔的规定，但当碰到比特差错时图像质量将受到严重的损坏。针对这些问题，自1997年3月起，JPEG图像压缩标准委员会开始着手制定新一代的图像压缩标准以解决上述问题。2000年3月的东京会议，确定了彩色静态图像的新一代编码方式JPEG2000图像压缩标准的编码算法。JPEG2000系统分为下列7个部分：①JPEG2000图像编码系统；②扩充(给①的核心定义添加更多的特征和完善度)；③运动JPEG2000；④一致性；⑤参考软件(目前包含Java和C实现)；⑥复合图像文件格式(用于文件扫描和传真应用程序)；⑦对①的最小支持(技术报告)。①为完全被认可的ISO标准，定义了核心压缩技术和最小文件格式，②～⑥定义压缩和文件格式的扩充。其中，①已经制定完成，其余部分还在制定过程中。本文所讨论的JPEG2000标准就是基于第1部分的。2JPEG2000系统的特点JPEG2000以其特有的优点弥补了现行JPEG标准的不足。离散小波变换算法中，图像可以转换成一系列可更加有效存储像素模块的子带，因此，JPEG2000格式的图像压缩比可在现在的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。也就是说，在网上观看采用JPEG2000压缩的图像时，不仅下载速率比采用JPEG格式的快近30％，而且品质也将更好。对于目前的JPEG标准,在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩,而在JPEG2000系统中,通过选择参数,能够对图像进行有损和无损压缩,可满足图像质量要求很高的医学图像、图像库等方面的处理需要。现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的，因此只能逐行地显示，而采用JPEG2000格式的图像支持渐进传输(ProgressiveTransmission),这就允许图像按照所需的分辨率或像素精度进行重构,用户根据需要,对图像传输进行控制,在获得所需的图像分辨率或质量要求后,便可终止解码,而不必接收整个图像的压缩码流。由于JPEG2000采用小波技术,利用其局部分辨特性,在不解压的情况下,可随机获取某些感兴趣的图像区域（ROI）的压缩码流,对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作。3JPEG2000图像编解码系统本节主要介绍JPEG2000图像编解码系统。其编码器和解码器的框图如图1所示。

在编码器中，首先对源图像进行前期预处理，对处理的结果进行离散小波变换，得到小波系数。然后对小波系数进行量化和熵编码，最后组成标准的输出码流（位流）。解码器是编码器的反过程，首先对码流进行解包和熵解码，然后是反向量化和离散小波反变换，对反变换的结果进行后期处理合成，就得到重构的图像数据。尽管JPEG2000编解码过程与JPEG类似，但是对于每一步的具体实现两者却有非常大的差异。编码过程的一般步骤如下：(1)将有多个颜色分量组成的图像分解成单一颜色分量的图像。分量之间存在一定的相关性，通过分解相关的分量变换，可减少数据间的冗余度，提高压缩效率；(2)分量图像被分解成大小统一的矩形片——图像片。图像片是进行变换和编解码的基本单元；(3)每一个图像片进行小波变换。产生多级系数图像。这些不同级数的系数图像可以重构出不同分辨