基于小波技術(shù)的圖像編碼方案

JPEG（聯(lián)合圖像專家組）2000 標(biāo)準(zhǔn)于 2001 年定稿，它使用基于小波技術(shù)的最新壓縮技術(shù)定義了一種新的圖像編碼方案。其架構(gòu)可用于許多不同的應(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)（如MPEG（運(yùn)動(dòng)圖像專家組）-2，MPEG-4和早期的JPEG相比如何，存在很多混淆。通過與其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)的簡要比較，本文主要旨在強(qiáng)調(diào) JPEG 2000 的一些經(jīng)常被誤解和很少提及的潛在實(shí)際好處。

圖1.JPEG 2000 應(yīng)用程序。

應(yīng)用

閉路電視安全

傳輸或存儲圖像信息時(shí)，必須采用壓縮以保持圖像分辨率，同時(shí)充分利用有限的信道帶寬。如果可以從通道完全恢復(fù)原始文件而不會丟失任何信息，則壓縮定義為無損;否則，它是有損的。需要標(biāo)準(zhǔn)來確保互操作性。JPEG 2000 是唯一同時(shí)提供無損和有損壓縮的標(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，盡管存儲或傳輸帶寬受到限制。

基于 JPEG 2000 的系統(tǒng)的一個(gè)重要功能是能夠從單個(gè) JPEG 2000 代碼流中提取各種分辨率、組件、感興趣區(qū)域和壓縮率。這在任何其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)中都是不可能的，因?yàn)閳D像大小、比特率和質(zhì)量必須在編碼端指定，而不能在解碼端確定或更改。

例如，閉路電視 （CCTV） 安全系統(tǒng)可以通過低帶寬網(wǎng)絡(luò)發(fā)送單個(gè) JPEG 2000 代碼流來利用此功能。高分辨率圖像可以存儲在硬盤驅(qū)動(dòng)器 （HDD） 上，而幾個(gè)較低分辨率的圖像顯示在顯示器上。接收端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 是幀精確的，因?yàn)檩斎氲拿恳粠及趬嚎s格式中。另一方面，MPEG系統(tǒng)通過時(shí)間壓縮（不會將每個(gè)幀編碼為完整圖像）來減少數(shù)據(jù)量，因此MPEG壓縮不是幀精確的。因此，法律問題限制了在某些安全應(yīng)用程序中使用 MPEG 壓縮。為了解決這個(gè)問題，安全系統(tǒng)和設(shè)備提供商不得不開發(fā)自己的壓縮方案，或者使用效率極低的運(yùn)動(dòng)JPEG（M-JPEG）壓縮標(biāo)準(zhǔn)，以提供包含原始字段的壓縮流。他們現(xiàn)在可以將 JPEG 2000 用于新設(shè)計(jì)。

互聯(lián)網(wǎng)圖像分發(fā)

漸進(jìn)式編碼是 JPEG 2000 標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)功能，這意味著比特流可以以這樣一種方式進(jìn)行編碼，以便在流的開頭包含不太詳細(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，尤其是大圖像和低帶寬的應(yīng)用，因?yàn)榧词乖诘退倬W(wǎng)絡(luò)或圖像數(shù)據(jù)庫中，也可以在解碼端立即看到圖像。首先顯示較低的子帶，并隨著時(shí)間的推移添加更多詳細(xì)信息。因此，隨著時(shí)間的推移，圖片變得更加清晰和詳細(xì)，并且不必下載整個(gè)圖像即可看到。

隨著低質(zhì)量圖像立即可用，接收端的用戶可以決定是查看完全解碼版本的圖片，還是通過它并掃描下一張圖片?？蛻舳丝梢圆榭床煌直媛驶蛸|(zhì)量級別 [壓縮率] 的圖像，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 編碼還提供了放大或縮小圖像特定區(qū)域的選項(xiàng)，或者以不同的分辨率或壓縮率顯示圖像的特定區(qū)域。

高清晰度

在極端壓縮級別下，JPEG 2000 視頻開始模糊，但仍然相當(dāng)清晰。MPEG或JPEG偽像對眼睛來說更令人不安，圖像在高壓縮比下明顯分解成小塊。JPEG 2000 在中高比特率下具有高圖像質(zhì)量，內(nèi)容包含大量運(yùn)動(dòng)、無塊偽影和高效率，是數(shù)字影院、高清錄制系統(tǒng)和高清攝像機(jī)設(shè)備等高清 （HD） 應(yīng)用的理想選擇。

許多應(yīng)用程序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)幀或場是一次轉(zhuǎn)換的;然后將其分解為位流或代碼塊，可以使用下面描述的技術(shù)獨(dú)立處理。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，必須對信息進(jìn)行重復(fù)的重新處理和重新量化。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，并根據(jù)需要調(diào)整每個(gè)代碼塊數(shù)據(jù)的截?cái)嗪椭匦铝炕?。除了對目?biāo)比特率進(jìn)行編程外，該標(biāo)準(zhǔn)還允許用戶指定特定的質(zhì)量指標(biāo)。在這種情況下，只要性能不低于特定的峰值信噪比，目標(biāo)比特率就會變化以滿足指定的質(zhì)量因數(shù)。PSNR是圖像質(zhì)量與感知圖像質(zhì)量相當(dāng)?shù)闹甘尽?/p>

JPEG 2000 代碼流

給定的輸入圖像或圖像的一部分[tile]被發(fā)送到一組小波濾波器，這些濾波器將像素信息轉(zhuǎn)換為小波系數(shù)，然后將其分組為幾個(gè)子帶[小波在編碼中的使用首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解釋]。每個(gè)子波段都包含小波系數(shù)，用于描述整個(gè)原始圖像的特定水平和垂直空間頻率范圍。這意味著較低頻率、不太詳細(xì)的信息包含在第一個(gè)轉(zhuǎn)換級別中，而更詳細(xì)、頻率較高的信息包含在較高的轉(zhuǎn)換級別中。為簡單起見，此處僅顯示兩個(gè)級別的轉(zhuǎn)換。第一個(gè)變換電平產(chǎn)生子帶 LH1、HH1、HL1 和 LL1。僅傳遞子帶LL1以進(jìn)行進(jìn)一步濾波，生成下一個(gè)變換電平并創(chuàng)建子帶LH2、HH2、HL2和LL2。

大小相等的代碼塊（本質(zhì)上是數(shù)據(jù)位流）在每個(gè)子帶內(nèi)生成。這種細(xì)分對于系數(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。從本質(zhì)上講，實(shí)際壓縮是通過截?cái)嗪?或重新量化每個(gè)代碼塊中包含的位流來實(shí)現(xiàn)的。然后，使用稱為后壓縮速率控制（PCRC）的技術(shù)對這些位流進(jìn)行最佳截?cái)唷?/p>

可以獨(dú)立訪問代碼塊。它們的位流通過每個(gè)位平面三次編碼進(jìn)行編碼。此過程稱為上下文建模，用于分配有關(guān)每個(gè)系數(shù)位的重要性的信息。然后可以根據(jù)代碼塊的重要性對代碼塊進(jìn)行分組。在解碼方面，可以根據(jù)其重要性提取信息，從而首先看到最重要的信息。

JPEG 2000 可以包含用戶定義的層數(shù)，這些層數(shù)由 PCRC 和上下文建模定義。每一層代表一個(gè)特定的壓縮率，其中壓縮率是通過量化、速率失真和上下文建模過程實(shí)現(xiàn)的。例如，第 0 層包含來自有損 WT 轉(zhuǎn)換的位流，這些位流被嚴(yán)重截?cái)?，不包含編碼傳遞，因此提供最高的壓縮率和最低的質(zhì)量。然后，第 16 層可以包含截?cái)噍^少并使用更多編碼傳遞的位流，從而提供低壓縮和高質(zhì)量。

圖2.ENCODE—小波上的圖像轉(zhuǎn)換為子帶和分辨率。

切片或圖像進(jìn)一步劃分為多個(gè)區(qū)域。轄區(qū)包含許多代碼塊，用于方便訪問圖像中的特定區(qū)域，以便以不同的方式處理該區(qū)域，或僅解碼圖像的特定區(qū)域。JPEG 2000 位流是通過將代碼塊或區(qū)域排列成數(shù)據(jù)包數(shù)組生成的，較低的子帶排在最前面。

JPEG 2000 流以主標(biāo)頭開頭，其中包含以下信息：未壓縮的圖像大小、圖塊大小、組件數(shù)、組件位深度、編碼樣式、轉(zhuǎn)換級別、級數(shù)、層數(shù)、代碼塊大小、小波濾波器類型、量化級別等。整個(gè)圖像數(shù)據(jù)分組在 LL、HL、LH 和 HH 子帶的代碼塊中，跟在標(biāo)題后面。數(shù)據(jù)不包含在標(biāo)頭信息中。此外，目錄可以存儲在編碼端，并允許解碼器按需調(diào)用特定分辨率，而無需首先解碼或下載整個(gè) JPEG 2000 代碼流。

圖3.解碼 - 一個(gè) JPEG 2000 流由多個(gè)解碼器接收。

DCT 與 WT

JPEG 2000 使用小波變換 （WT） 來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）。的確，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 或任何類型的傅里葉變換以頻率和幅度表示信號，但僅限于單個(gè)時(shí)刻。WT將信號隨時(shí)間轉(zhuǎn)換為頻率和幅度，因此效率更高。圖 4 到 9 對此進(jìn)行了演示。

為了獲得與一次WT通過相同的信息量，必須對每個(gè)頻率使用DCT;并且這些頻率中的每一個(gè)都必須在每個(gè)時(shí)間時(shí)刻為每個(gè) 8 × 8 像素塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。此外，MPEG系統(tǒng)使用幀間壓縮[運(yùn)動(dòng)估計(jì)]，以進(jìn)一步減少運(yùn)動(dòng)估計(jì)的數(shù)據(jù)量。這需要在外部存儲器中存儲至少兩個(gè)完整的字段。計(jì)算密集型運(yùn)動(dòng)估計(jì)過程需要一個(gè)非常強(qiáng)大的處理器。時(shí)間壓縮可用于 JPEG 2000 系統(tǒng)，但它不是 JPEG 2000 標(biāo)準(zhǔn)所固有的。

圖4.包含頻率 A、B、C 和 D 的輸入信號 1。

圖5.包含頻率 A、B、C 和 D 的輸入信號 2。

圖6.信號的小波變換 1.

圖7.信號的小波變換 2.

圖8.信號 1 的傅里葉變換。

圖9.信號 2 的傅里葉變換。

JPEG 2000 相對于其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢

所有 MPEG 標(biāo)準(zhǔn)都很復(fù)雜且計(jì)算量大。這轉(zhuǎn)化為標(biāo)清 （SD） 應(yīng)用程序中廣泛的處理延遲和內(nèi)存要求。當(dāng)考慮高清 （HD） 格式時(shí)，這些因素變得更加成問題，JPEG 2000 變得更加可取。JPEG 2000的另一個(gè)優(yōu)勢是標(biāo)準(zhǔn)本身，它允許在許多不同的應(yīng)用中具有極大的靈活性和控制力。格式方面也有很多通用性：JPEG 2000 支持從每個(gè)樣本 8 位到每個(gè)樣本無限位數(shù)的任何內(nèi)容，而 MPEG 僅支持 8 位數(shù)據(jù)。

JPEG 2000 繼續(xù)流行，盡管 MPEG-2 是 DVD 和廣播應(yīng)用的既定標(biāo)準(zhǔn)。JPEG 2000在需要通過無線或其他鏈路高質(zhì)量存儲或傳輸高清圖像的高清應(yīng)用中也非常受歡迎。

The ADV202

自1990年代初以來，ADI公司在小波壓縮研發(fā)方面投入了大量資金。1996年，我們率先推出了ADV601小波壓縮硬件解決方案。現(xiàn)在，ADI公司于2004年7月發(fā)布的最新小波編解碼器ADV202是迄今為止市場上唯一的專用JPEG 2000 IC。ADV202是一款完整的單芯片JPEG 2000壓縮/解壓縮IC，可處理高清視頻、標(biāo)清視頻和靜止圖像。它支持 ISO/IEC15444-1 [JPEG 2000] 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)的所有功能[最大移位 ROI 除外]。其獲得專利的SURF?（空間超高效遞歸濾波）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本的小波壓縮。ADV202包含一個(gè)專用的小波變換引擎、三個(gè)熵編解碼器、一個(gè)RISC處理器和板載存儲器系統(tǒng)，為ITU等常見視頻標(biāo)準(zhǔn)提供無縫接口。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)，允許主機(jī)處理器完全控制生成和壓縮過程。

圖 10.ADV202 框圖

盡管數(shù)字信號處理器（DSP）性能顯著提高，但DSP每秒必須執(zhí)行200億條指令，才能與標(biāo)清編碼應(yīng)用中ADV202的性能相匹配。ADV202的三個(gè)專用片內(nèi)熵編解碼器可有效用作加速器，負(fù)責(zé)高吞吐速率。

結(jié)論 — JPEG 2000 的展望

使用 JPEG 2000 硬件解決方案的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是延遲比任何其他壓縮方案都低，例如，這一因素在醫(yī)療應(yīng)用中尤為重要。

一些主要的視頻或廣播設(shè)備制造商已經(jīng)將JPEG 2000實(shí)施到諸如實(shí)時(shí)編碼和解碼系統(tǒng)以及視頻服務(wù)器等高清產(chǎn)品中。

審核編輯：郭婷