JPEG 2000图像压缩的优势介绍

简介

最终于2001年完成的JPEG（联合图像专家组）2000标准使用基于小波技术的最先进压缩技术定义了一种新的图像编码方案。它的架构适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的比较存在很多困惑例如MPEG（运动图像专家组）-2，MPEG-4和早期的JPEG。通过与其他压缩标准的简要比较，本文主要是为了强调一些经常被误解和很少提到的JPEG 2000潜在成为实际的好处。

应用程序

CCTV安全

发送或存储图像信息时，必须采用压缩来保持图像分辨率，同时充分利用有限的信道带宽。压缩被定义为无损如果从通道完全恢复原件而没有任何信息丢失;否则，它是有损。需要标准来确保互操作性。 JPEG 2000是唯一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的系统的一个重要特征是能够提取各种分辨率，组件，感兴趣的区域和单个JPEG 2000代码流的压缩率。任何其他压缩标准都无法做到这一点，因为必须在编码端指定图像大小，比特率和质量，并且无法在解码端确定或更改。

例如，闭路电视（CCTV）安全系统可以通过在低带宽网络上发送单个JPEG 2000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，而多个低分辨率图像可以显示在监视器上。 接收侧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 帧准确，每一个输入的框架包含在压缩格式中。另一方面，MPEG系统通过时间压缩（不将每个帧编码为完整图像）减少数据量，因此MPEG压缩不是帧精确。因此，法律问题限制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必须开发自己的压缩方案 - 或使用效率极低的动态JPEG （M-JPEG）压缩标准 - 以提供压缩流包含原始的每个字段。他们现在可以将JPEG 2000用于新设计。

Internet图像分发

渐进式编码，JPEG 2000标准的另一个特性，意味着比特流可以编码，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 - 特别是对于大图像和低带宽 - 因为即使使用低速网络或图像数据库，也可以在解码端立即看到图像。首先显示较低的子带，随着时间的推移添加更多细节。因此，随着时间的推移，图像变得更加清晰和细致，并且在可以看到之前不必下载整个图像。

即时可用的低质量图像，接收端的用户也可以决定是以完全解码的版本查看图片，还是通过并扫描下一张图片。客户端可以以不同的分辨率或质量级别[压缩率]查看图像，使其适用于任何传输带宽，连接速度或显示设备。此外，JPEG 2000编码提供了放大或缩小图像特定区域的选项，或以不同的分辨率或压缩率显示图像的特定区域。

高分辨率

在极端压缩级别下，JPEG 2000视频开始模糊，但仍然可以看到。 MPEG或JPEG伪影对眼睛来说更令人不安，图像在高压缩比下可见地分解成小块。中高比特率的高图像质量和包含大量运动，缺少块伪像和高效率的内容使JPEG 2000成为高清（HD）应用的理想选择，如数字电影，高清录制系统和高清摄像设备。

许多应用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，因为整个帧或场一次变换;然后将其分解为可以使用下述技术独立处理的比特流或代码块。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，必须重复地重新处理和重新量化信息。 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，根据需要调整每个代码块数据的截断和重新量化。除了编程目标比特率之外，该标准还允许用户指定特定的质量度量。在这种情况下，只要性能不低于特定峰值信噪比，目标比特率就会变化以满足指定的品质因数。 PSNR表示图像质量与感知图像质量相当。

JPEG 2000 Code Stream

给定的输入图像或图像的一部分[< em> tile ]被发送到一组小波滤波器，它们将像素信息转换为小波系数，然后将其分组为几个子带 [使用小波在编码中的em>首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解释。每个子带包含描述整个原始图像的特定水平和垂直空间频率范围的小波系数。这意味着在第一变换级别中包含较低频率，较不详细的信息，而在较高变换级别中包含较详细的较高频率信息。为简单起见，此处仅显示两个级别的变换。第一变换级别产生子带LH1，HH1，HL1和LL1。仅传递子带LL1用于进一步滤波，生成下一个变换级别并创建子带LH2，HH2，HL2和LL2。

在内部生成相同大小的代码块，其本质上是数据的比特流。每个子带。这种分解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。实质上，通过截断和/或重新量化每个代码块中包含的比特流来实现实际压缩。然后使用称为后压缩率控制（PCRC）的技术对这些比特流进行最佳截断。

可以单独访问代码块。它们的比特流用每个比特平面三个编码通道编码。此过程称为上下文建模，用于分配有关每个单独系数位重要性的信息。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，然后可以根据其重要性提取信息，允许首先看到最重要的信息。

JPEG 2000可以包含用户定义的层数，由PCRC定义和上下文建模。每个层代表特定的压缩率，其中压缩率是从量化，速率 - 失真和上下文建模过程实现的。例如，层0包含来自有损WT变换的比特流，其被严重截断，不包含编码通道，因此提供最高压缩率和最低质量。然后，第16层可以包含较少截断的比特流并使用更多数量的编码通道，从而提供低压缩和高质量。

将图块或图像进一步划分为区域。区域包含许多代码块，并且用于便于访问图像内的特定区域，以便以不同的方式处理该区域，或者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到数据包数组中生成的，其中较低的子带首先出现。

JPEG 2000流以包含以下信息的主标头开始：未压缩的图像大小，瓦片大小，组件数量，组件的位深度，编码样式，变换级别，进展顺序，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，按LL的代码块分组， HL，LH和HH子带遵循标题。数据不包含在标题信息中。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。

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）。确实，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或任何类型的傅立叶变换，以频率和幅度表示信号，但仅在单个时刻表示。 WT随时间将信号转换为频率和幅度，因此更有效。图4到图9说明了这一点。

要获得与一次WT通过相同数量的信息，必须对每个频率使用DCT;并且必须在每个时刻对每个8×8像素块变换这些频率中的每一个。另外，MPEG系统使用帧间压缩[运动估计]以便进一步减少用于运动估计的数据量。这需要在外部存储器中存储至少两个整个字段。计算密集型运动估计过程需要非常强大的处理器。时间压缩可以在JPEG 2000系统中使用，但它不是JPEG 2000标准中固有的。

JPEG 2000优于其他压缩标准

所有MPEG标准都是复杂且计算密集的。这转化为标准清晰度（SD）应用程序中的大量处理延迟和内存要求。当考虑高清（HD）格式时，这些因素变得更加严重，并且JPEG 2000变得更加理想。 JPEG 2000的另一个优势是标准本身，它允许在许多不同的应用程序中提供巨大的灵活性和控制。格式也有很多功能：JPEG 2000支持从每个样本8位到每个样本无限量的位数，而MPEG只支持8位数据。

JPEG 2000继续受欢迎，即使MPEG-2是DVD和广播应用的既定标准。 JPEG 2000在高清应用中也非常流行，需要通过无线或其他链接高质量存储或传输高清图像

ADV202

自20世纪90年代初以来，ADI公司在小波压缩R＆amp; D方面投入了大量资金。我们是第一个在1996年用ADV601引入小波压缩硬件解决方案的公司。现在，ADI最新的小波编解码器ADV202于2004年7月发布，是迄今为止市场上唯一的专用JPEG 2000 IC。 ADV202是完整的单芯片JPEG 2000压缩/解压缩IC，可与高清视频，标清视频和静止图像配合使用。它支持ISO / IEC15444-1 [JPEG 2000]图像压缩标准[Maxshift ROI除外]的所有功能。其专利的SURF™（空间超高效递归滤波）技术可实现低功耗，低成本的基于小波的压缩。 ADV202包含专用小波变换引擎，三个熵编解码器，RISC处理器和板载存储器系统，为常见的视频标准提供无缝接口，如ITU.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，允许主处理器完全控制生成和压缩过程。

即使数字信号处理器（DSP）性能具有DSP显着改善，每秒必须执行200亿条指令，以匹配标准清晰度编码应用中ADV202的性能。作为加速器，ADV202的三个专用片上熵编解码器负责高吞吐率。

结论 - JPEG 2000的Outlook

使用JPEG的一个主要优势例如，2000硬件解决方案的延迟低于任何其他压缩方案，这在医疗应用中尤为重要。

几家主要的视频或广播设备制造商已将JPEG 2000应用于未来的高清产品作为实时编码和解码系统和视频服务器。

数字影院计划（DCI）最近宣布将使用JPEG 2000作为数字电影传输的压缩方法。 ADV202已经在视频网络应用中进入CCTV /安全市场的许多设计。

由于其灵活性和图像压缩质量，ADV202 - 在JPEG 2000下运行 - 可以在几乎所有使用图像或视频压缩的设计中找到它。