基于小波技术的图像编码方案

JPEG（联合图像专家组）2000 标准于 2001 年定稿，它使用基于小波技术的最新压缩技术定义了一种新的图像编码方案。其架构可用于许多不同的应用，包括互联网图像分发、安全系统、数码摄影和医学成像。

关于JPEG 2000是什么以及它与其他压缩标准（如MPEG（运动图像专家组）-2，MPEG-4和早期的JPEG相比如何，存在很多混淆。通过与其他压缩标准的简要比较，本文主要旨在强调 JPEG 2000 的一些经常被误解和很少提及的潜在实际好处。

图1.JPEG 2000 应用程序。

应用

闭路电视安全

传输或存储图像信息时，必须采用压缩以保持图像分辨率，同时充分利用有限的信道带宽。如果可以从通道完全恢复原始文件而不会丢失任何信息，则压缩定义为无损;否则，它是有损的。需要标准来确保互操作性。JPEG 2000 是唯一同时提供无损和有损压缩的标准压缩方案。因此，它适用于需要高质量图像的应用程序，尽管存储或传输带宽受到限制。

基于 JPEG 2000 的系统的一个重要功能是能够从单个 JPEG 2000 代码流中提取各种分辨率、组件、感兴趣区域和压缩率。这在任何其他压缩标准中都是不可能的，因为图像大小、比特率和质量必须在编码端指定，而不能在解码端确定或更改。

例如，闭路电视 （CCTV） 安全系统可以通过低带宽网络发送单个 JPEG 2000 代码流来利用此功能。高分辨率图像可以存储在硬盘驱动器 （HDD） 上，而几个较低分辨率的图像显示在显示器上。接收端的操作员可以决定从发送的单个代码流中提取哪些信息。

JPEG 2000 是帧精确的，因为输入的每一帧都包含在压缩格式中。另一方面，MPEG系统通过时间压缩（不会将每个帧编码为完整图像）来减少数据量，因此MPEG压缩不是帧精确的。因此，法律问题限制了在某些安全应用程序中使用 MPEG 压缩。为了解决这个问题，安全系统和设备提供商不得不开发自己的压缩方案，或者使用效率极低的运动JPEG（M-JPEG）压缩标准，以提供包含原始字段的压缩流。他们现在可以将 JPEG 2000 用于新设计。

互联网图像分发

渐进式编码是 JPEG 2000 标准的另一个功能，这意味着比特流可以以这样一种方式进行编码，以便在流的开头包含不太详细的信息，并在流进行时包含更详细的信息。这使其成为互联网/网络应用的理想选择，尤其是大图像和低带宽的应用，因为即使在低速网络或图像数据库中，也可以在解码端立即看到图像。首先显示较低的子带，并随着时间的推移添加更多详细信息。因此，随着时间的推移，图片变得更加清晰和详细，并且不必下载整个图像即可看到。

随着低质量图像立即可用，接收端的用户可以决定是查看完全解码版本的图片，还是通过它并扫描下一张图片。客户端可以查看不同分辨率或质量级别 [压缩率] 的图像，使其适用于任何传输带宽、连接速度或显示设备。此外，JPEG 2000 编码还提供了放大或缩小图像特定区域的选项，或者以不同的分辨率或压缩率显示图像的特定区域。

高清晰度

在极端压缩级别下，JPEG 2000 视频开始模糊，但仍然相当清晰。MPEG或JPEG伪像对眼睛来说更令人不安，图像在高压缩比下明显分解成小块。JPEG 2000 在中高比特率下具有高图像质量，内容包含大量运动、无块伪影和高效率，是数字影院、高清录制系统和高清摄像机设备等高清 （HD） 应用的理想选择。

许多应用程序需要精确的比特率控制，只有 JPEG 2000 才能提供。精确的比特率控制是可能的，因为整个帧或场是一次转换的;然后将其分解为位流或代码块，可以使用下面描述的技术独立处理。在使用DCT的系统中，量化是唯一使用的技术，这使得精确的比特率控制变得困难。为了控制DCT系统中的比特率，必须对信息进行重复的重新处理和重新量化。JPEG 2000 中使用的速率控制算法截断每个比特流以满足特定的目标比特率，并根据需要调整每个代码块数据的截断和重新量化。除了对目标比特率进行编程外，该标准还允许用户指定特定的质量指标。在这种情况下，只要性能不低于特定的峰值信噪比，目标比特率就会变化以满足指定的质量因数。PSNR是图像质量与感知图像质量相当的指示。

JPEG 2000 代码流

给定的输入图像或图像的一部分[tile]被发送到一组小波滤波器，这些滤波器将像素信息转换为小波系数，然后将其分组为几个子带[小波在编码中的使用首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解释]。每个子波段都包含小波系数，用于描述整个原始图像的特定水平和垂直空间频率范围。这意味着较低频率、不太详细的信息包含在第一个转换级别中，而更详细、频率较高的信息包含在较高的转换级别中。为简单起见，此处仅显示两个级别的转换。第一个变换电平产生子带 LH1、HH1、HL1 和 LL1。仅传递子带LL1以进行进一步滤波，生成下一个变换电平并创建子带LH2、HH2、HL2和LL2。

大小相等的代码块（本质上是数据位流）在每个子带内生成。这种细分对于系数建模和编码是必要的，并且是在逐个代码块的基础上完成的。从本质上讲，实际压缩是通过截断和/或重新量化每个代码块中包含的位流来实现的。然后，使用称为后压缩速率控制（PCRC）的技术对这些位流进行最佳截断。

可以独立访问代码块。它们的位流通过每个位平面三次编码进行编码。此过程称为上下文建模，用于分配有关每个系数位的重要性的信息。然后可以根据代码块的重要性对代码块进行分组。在解码方面，可以根据其重要性提取信息，从而首先看到最重要的信息。

JPEG 2000 可以包含用户定义的层数，这些层数由 PCRC 和上下文建模定义。每一层代表一个特定的压缩率，其中压缩率是通过量化、速率失真和上下文建模过程实现的。例如，第 0 层包含来自有损 WT 转换的位流，这些位流被严重截断，不包含编码传递，因此提供最高的压缩率和最低的质量。然后，第 16 层可以包含截断较少并使用更多编码传递的位流，从而提供低压缩和高质量。

图2.ENCODE—小波上的图像转换为子带和分辨率。

切片或图像进一步划分为多个区域。辖区包含许多代码块，用于方便访问图像中的特定区域，以便以不同的方式处理该区域，或仅解码图像的特定区域。JPEG 2000 位流是通过将代码块或区域排列成数据包数组生成的，较低的子带排在最前面。

JPEG 2000 流以主标头开头，其中包含以下信息：未压缩的图像大小、图块大小、组件数、组件位深度、编码样式、转换级别、级数、层数、代码块大小、小波滤波器类型、量化级别等。整个图像数据分组在 LL、HL、LH 和 HH 子带的代码块中，跟在标题后面。数据不包含在标头信息中。此外，目录可以存储在编码端，并允许解码器按需调用特定分辨率，而无需首先解码或下载整个 JPEG 2000 代码流。

图3.解码 - 一个 JPEG 2000 流由多个解码器接收。

DCT 与 WT

JPEG 2000 使用小波变换 （WT） 来减少图片中包含的信息量，而 MPEG 和 JPEG 系统使用离散余弦变换 （DCT）。的确，WT需要比DCT更多的处理能力，但MPEG系统需要的不仅仅是DCT。DCT 或任何类型的傅里叶变换以频率和幅度表示信号，但仅限于单个时刻。WT将信号随时间转换为频率和幅度，因此效率更高。图 4 到 9 对此进行了演示。

为了获得与一次WT通过相同的信息量，必须对每个频率使用DCT;并且这些频率中的每一个都必须在每个时间时刻为每个 8 × 8 像素块进行转换。此外，MPEG系统使用帧间压缩[运动估计]，以进一步减少运动估计的数据量。这需要在外部存储器中存储至少两个完整的字段。计算密集型运动估计过程需要一个非常强大的处理器。时间压缩可用于 JPEG 2000 系统，但它不是 JPEG 2000 标准所固有的。

图4.包含频率 A、B、C 和 D 的输入信号 1。

图5.包含频率 A、B、C 和 D 的输入信号 2。

图6.信号的小波变换 1.

图7.信号的小波变换 2.

图8.信号 1 的傅里叶变换。

图9.信号 2 的傅里叶变换。

JPEG 2000 相对于其他压缩标准的优势

所有 MPEG 标准都很复杂且计算量大。这转化为标清 （SD） 应用程序中广泛的处理延迟和内存要求。当考虑高清 （HD） 格式时，这些因素变得更加成问题，JPEG 2000 变得更加可取。JPEG 2000的另一个优势是标准本身，它允许在许多不同的应用中具有极大的灵活性和控制力。格式方面也有很多通用性：JPEG 2000 支持从每个样本 8 位到每个样本无限位数的任何内容，而 MPEG 仅支持 8 位数据。

JPEG 2000 继续流行，尽管 MPEG-2 是 DVD 和广播应用的既定标准。JPEG 2000在需要通过无线或其他链路高质量存储或传输高清图像的高清应用中也非常受欢迎。

The ADV202

自1990年代初以来，ADI公司在小波压缩研发方面投入了大量资金。1996年，我们率先推出了ADV601小波压缩硬件解决方案。现在，ADI公司于2004年7月发布的最新小波编解码器ADV202是迄今为止市场上唯一的专用JPEG 2000 IC。ADV202是一款完整的单芯片JPEG 2000压缩/解压缩IC，可处理高清视频、标清视频和静止图像。它支持 ISO/IEC15444-1 [JPEG 2000] 图像压缩标准的所有功能[最大移位 ROI 除外]。其获得专利的SURF™（空间超高效递归滤波）技术可实现低功耗、低成本的小波压缩。ADV202包含一个专用的小波变换引擎、三个熵编解码器、一个RISC处理器和板载存储器系统，为ITU等常见视频标准提供无缝接口。R.BT656、SMPTE274M 或 SMPTE296M。它可以创建完全兼容的 JPEG 2000 代码流 [.j2c， .jp2]。它还可以提供原始代码块和属性数据，允许主机处理器完全控制生成和压缩过程。

图 10.ADV202 框图

尽管数字信号处理器（DSP）性能显著提高，但DSP每秒必须执行200亿条指令，才能与标清编码应用中ADV202的性能相匹配。ADV202的三个专用片内熵编解码器可有效用作加速器，负责高吞吐速率。

结论 — JPEG 2000 的展望

使用 JPEG 2000 硬件解决方案的一个主要优点是延迟比任何其他压缩方案都低，例如，这一因素在医疗应用中尤为重要。

一些主要的视频或广播设备制造商已经将JPEG 2000实施到诸如实时编码和解码系统以及视频服务器等高清产品中。

审核编辑：郭婷