簡介

最終于2001年完成的JPEG（聯(lián)合圖像專家組）2000標(biāo)準(zhǔn)使用基于小波技術(shù)的最先進(jìn)壓縮技術(shù)定義了一種新的圖像編碼方案。它的架構(gòu)適用于許多不同的應(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)的比較存在很多困惑例如MPEG（運(yùn)動圖像專家組）-2，MPEG-4和早期的JPEG。通過與其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)的簡要比較，本文主要是為了強(qiáng)調(diào)一些經(jīng)常被誤解和很少提到的JPEG 2000潛在成為實際的好處。

應(yīng)用程序

CCTV安全

發(fā)送或存儲圖像信息時，必須采用壓縮來保持圖像分辨率，同時充分利用有限的信道帶寬。壓縮被定義為無損如果從通道完全恢復(fù)原件而沒有任何信息丟失;否則，它是有損。需要標(biāo)準(zhǔn)來確保互操作性。 JPEG 2000是唯一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)的一個重要特征是能夠提取各種分辨率，組件，感興趣的區(qū)域和單個JPEG 2000代碼流的壓縮率。任何其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)都無法做到這一點，因為必須在編碼端指定圖像大小，比特率和質(zhì)量，并且無法在解碼端確定或更改。

例如，閉路電視（CCTV）安全系統(tǒng)可以通過在低帶寬網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送單個JPEG 2000碼流來利用此功能。高分辨率圖像可以存儲在硬盤驅(qū)動器（HDD）上，而多個低分辨率圖像可以顯示在監(jiān)視器上。 接收側(cè)的操作員可以決定從發(fā)送的單個代碼流中提取哪些信息。

JPEG 2000 幀準(zhǔn)確，每一個輸入的框架包含在壓縮格式中。另一方面，MPEG系統(tǒng)通過時間壓縮（不將每個幀編碼為完整圖像）減少數(shù)據(jù)量，因此MPEG壓縮不是幀精確。因此，法律問題限制在某些安全應(yīng)用程序中使用MPEG壓縮。為了解決這個問題，安全系統(tǒng)和設(shè)備提供商必須開發(fā)自己的壓縮方案 - 或使用效率極低的動態(tài)JPEG （M-JPEG）壓縮標(biāo)準(zhǔn) - 以提供壓縮流包含原始的每個字段。他們現(xiàn)在可以將JPEG 2000用于新設(shè)計。

Internet圖像分發(fā)

漸進(jìn)式編碼，JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)的另一個特性，意味著比特流可以編碼，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 - 特別是對于大圖像和低帶寬 - 因為即使使用低速網(wǎng)絡(luò)或圖像數(shù)據(jù)庫，也可以在解碼端立即看到圖像。首先顯示較低的子帶，隨著時間的推移添加更多細(xì)節(jié)。因此，隨著時間的推移，圖像變得更加清晰和細(xì)致，并且在可以看到之前不必下載整個圖像。

即時可用的低質(zhì)量圖像，接收端的用戶也可以決定是以完全解碼的版本查看圖片，還是通過并掃描下一張圖片。客戶端可以以不同的分辨率或質(zhì)量級別[壓縮率]查看圖像，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編碼提供了放大或縮小圖像特定區(qū)域的選項，或以不同的分辨率或壓縮率顯示圖像的特定區(qū)域。

高分辨率

在極端壓縮級別下，JPEG 2000視頻開始模糊，但仍然可以看到。 MPEG或JPEG偽影對眼睛來說更令人不安，圖像在高壓縮比下可見地分解成小塊。中高比特率的高圖像質(zhì)量和包含大量運(yùn)動，缺少塊偽像和高效率的內(nèi)容使JPEG 2000成為高清（HD）應(yīng)用的理想選擇，如數(shù)字電影，高清錄制系統(tǒng)和高清攝像設(shè)備。

許多應(yīng)用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，因為整個幀或場一次變換;然后將其分解為可以使用下述技術(shù)獨(dú)立處理的比特流或代碼塊。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，必須重復(fù)地重新處理和重新量化信息。 JPEG 2000中使用的速率控制算法截斷每個比特流以滿足特定的目標(biāo)比特率，根據(jù)需要調(diào)整每個代碼塊數(shù)據(jù)的截斷和重新量化。除了編程目標(biāo)比特率之外，該標(biāo)準(zhǔn)還允許用戶指定特定的質(zhì)量度量。在這種情況下，只要性能不低于特定峰值信噪比，目標(biāo)比特率就會變化以滿足指定的品質(zhì)因數(shù)。 PSNR表示圖像質(zhì)量與感知圖像質(zhì)量相當(dāng)。

JPEG 2000 Code Stream

給定的輸入圖像或圖像的一部分[< em> tile ]被發(fā)送到一組小波濾波器，它們將像素信息轉(zhuǎn)換為小波系數(shù)，然后將其分組為幾個子帶 [使用小波在編碼中的em>首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解釋。每個子帶包含描述整個原始圖像的特定水平和垂直空間頻率范圍的小波系數(shù)。這意味著在第一變換級別中包含較低頻率，較不詳細(xì)的信息，而在較高變換級別中包含較詳細(xì)的較高頻率信息。為簡單起見，此處僅顯示兩個級別的變換。第一變換級別產(chǎn)生子帶LH1，HH1，HL1和LL1。僅傳遞子帶LL1用于進(jìn)一步濾波，生成下一個變換級別并創(chuàng)建子帶LH2，HH2，HL2和LL2。

在內(nèi)部生成相同大小的代碼塊，其本質(zhì)上是數(shù)據(jù)的比特流。每個子帶。這種分解對于系數(shù)建模和編碼是必要的，并且是在逐個代碼塊的基礎(chǔ)上完成的。實質(zhì)上，通過截斷和/或重新量化每個代碼塊中包含的比特流來實現(xiàn)實際壓縮。然后使用稱為后壓縮率控制（PCRC）的技術(shù)對這些比特流進(jìn)行最佳截斷。

可以單獨(dú)訪問代碼塊。它們的比特流用每個比特平面三個編碼通道編碼。此過程稱為上下文建模，用于分配有關(guān)每個單獨(dú)系數(shù)位重要性的信息。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，然后可以根據(jù)其重要性提取信息，允許首先看到最重要的信息。

JPEG 2000可以包含用戶定義的層數(shù)，由PCRC定義和上下文建模。每個層代表特定的壓縮率，其中壓縮率是從量化，速率 - 失真和上下文建模過程實現(xiàn)的。例如，層0包含來自有損WT變換的比特流，其被嚴(yán)重截斷，不包含編碼通道，因此提供最高壓縮率和最低質(zhì)量。然后，第16層可以包含較少截斷的比特流并使用更多數(shù)量的編碼通道，從而提供低壓縮和高質(zhì)量。

將圖塊或圖像進(jìn)一步劃分為區(qū)域。區(qū)域包含許多代碼塊，并且用于便于訪問圖像內(nèi)的特定區(qū)域，以便以不同的方式處理該區(qū)域，或者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)域排列到數(shù)據(jù)包數(shù)組中生成的，其中較低的子帶首先出現(xiàn)。

JPEG 2000流以包含以下信息的主標(biāo)頭開始：未壓縮的圖像大小，瓦片大小，組件數(shù)量，組件的位深度，編碼樣式，變換級別，進(jìn)展順序，層數(shù)，代碼塊大小，小波濾波器類型，量化級別等。整個圖像數(shù)據(jù)，按LL的代碼塊分組， HL，LH和HH子帶遵循標(biāo)題。數(shù)據(jù)不包含在標(biāo)題信息中。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JPEG 2000代碼流。

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）。確實，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或任何類型的傅立葉變換，以頻率和幅度表示信號，但僅在單個時刻表示。 WT隨時間將信號轉(zhuǎn)換為頻率和幅度，因此更有效。圖4到圖9說明了這一點。

要獲得與一次WT通過相同數(shù)量的信息，必須對每個頻率使用DCT;并且必須在每個時刻對每個8×8像素塊變換這些頻率中的每一個。另外，MPEG系統(tǒng)使用幀間壓縮[運(yùn)動估計]以便進(jìn)一步減少用于運(yùn)動估計的數(shù)據(jù)量。這需要在外部存儲器中存儲至少兩個整個字段。計算密集型運(yùn)動估計過程需要非常強(qiáng)大的處理器。時間壓縮可以在JPEG 2000系統(tǒng)中使用，但它不是JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)中固有的。

JPEG 2000優(yōu)于其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)

所有MPEG標(biāo)準(zhǔn)都是復(fù)雜且計算密集的。這轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)清晰度（SD）應(yīng)用程序中的大量處理延遲和內(nèi)存要求。當(dāng)考慮高清（HD）格式時，這些因素變得更加嚴(yán)重，并且JPEG 2000變得更加理想。 JPEG 2000的另一個優(yōu)勢是標(biāo)準(zhǔn)本身，它允許在許多不同的應(yīng)用程序中提供巨大的靈活性和控制。格式也有很多功能：JPEG 2000支持從每個樣本8位到每個樣本無限量的位數(shù)，而MPEG只支持8位數(shù)據(jù)。

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

ADV202

自20世紀(jì)90年代初以來，ADI公司在小波壓縮R＆amp; D方面投入了大量資金。我們是第一個在1996年用ADV601引入小波壓縮硬件解決方案的公司。現(xiàn)在，ADI最新的小波編解碼器ADV202于2004年7月發(fā)布，是迄今為止市場上唯一的專用JPEG 2000 IC。 ADV202是完整的單芯片JPEG 2000壓縮/解壓縮IC，可與高清視頻，標(biāo)清視頻和靜止圖像配合使用。它支持ISO / IEC15444-1 [JPEG 2000]圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)[Maxshift ROI除外]的所有功能。其專利的SURF?（空間超高效遞歸濾波）技術(shù)可實現(xiàn)低功耗，低成本的基于小波的壓縮。 ADV202包含專用小波變換引擎，三個熵編解碼器，RISC處理器和板載存儲器系統(tǒng)，為常見的視頻標(biāo)準(zhǔn)提供無縫接口，如ITU.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)，允許主處理器完全控制生成和壓縮過程。

即使數(shù)字信號處理器（DSP）性能具有DSP顯著改善，每秒必須執(zhí)行200億條指令，以匹配標(biāo)準(zhǔn)清晰度編碼應(yīng)用中ADV202的性能。作為加速器，ADV202的三個專用片上熵編解碼器負(fù)責(zé)高吞吐率。

結(jié)論 - JPEG 2000的Outlook

使用JPEG的一個主要優(yōu)勢例如，2000硬件解決方案的延遲低于任何其他壓縮方案，這在醫(yī)療應(yīng)用中尤為重要。

幾家主要的視頻或廣播設(shè)備制造商已將JPEG 2000應(yīng)用于未來的高清產(chǎn)品作為實時編碼和解碼系統(tǒng)和視頻服務(wù)器。

數(shù)字影院計劃（DCI）最近宣布將使用JPEG 2000作為數(shù)字電影傳輸?shù)膲嚎s方法。 ADV202已經(jīng)在視頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進(jìn)入CCTV /安全市場的許多設(shè)計。

由于其靈活性和圖像壓縮質(zhì)量，ADV202 - 在JPEG 2000下運(yùn)行 - 可以在幾乎所有使用圖像或視頻壓縮的設(shè)計中找到它。