JPEG2000編碼方案和結構劃分研究

1、JPEG2000編碼方案和構造劃分研究摘要JPEG2000作為一種先進的靜止圖像壓縮標準，它的許多特征具有模塊性。本文介紹了JPEG2000的壓縮原理，描繪了壓縮系統(tǒng)的實現框架，討論了其核心編碼算法。在JPEG2000的壓縮過程中，需要對圖像的構造逐級進展劃分，還要對碼流構造進展分層次組織，以施行圖像的漸進性傳輸。構造的劃分作為JPEG2000的理論根底，有必要進展深化和準確的研究。關鍵詞JPEG2000；圖像壓縮；嵌入編碼；算術編碼；小波變換JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮標準，它采用了小波變換、優(yōu)化截斷嵌入塊編碼和高效的碼流組織形式。適用于各種類型的靜止圖像，如二值圖像、灰度圖像和彩色

2、圖像；支持自然圖像、合成圖像、醫(yī)學圖像和文本。JPEG2000具有如下主要特點：良好的低比特率壓縮性能，以適應網絡、挪動通信等有限帶寬的應用；可以根據圖像質量、視覺感受和分辨率進展?jié)u進傳輸；既支持無損又支持有損壓縮；對碼流的隨機存取和感興趣區(qū)域(RI)的編碼；具有較強的抗誤碼才能；具有開放構造，并向下兼容等。2.1根本編碼流程方案JPEG2000的根本編碼流程方案主要有以下6個局部組成(如圖1)：1預處理：主要是將源圖像劃分為較小的矩形區(qū)域，稱為拼接塊，作為獨立的圖像用于壓縮。目的是為了降低壓縮過程所需的內存資源。降低量級可以使樣本的動態(tài)范圍根本關于零對稱，使在進展離散小波變換后的系數的動態(tài)范

3、圍不會過大，有利于編碼。2分量變換：指對具有多個分量的圖像先經過某種變換來降低各分量之間的相關性。3離散小波變換：針對每個拼接塊的每個分量要進展離散小波變換，就是從二維空間到分辨率空間的變換，變換的目的是增加數據的冗余度，因此可以大幅進步壓縮效率。4量化：就是降低數據精度，進步壓縮效率，施行有損壓縮。5第一級編碼：按照位平面的次序經過三個通道進展熵編碼(算術編碼)。6量二級編碼：分層打包形成碼流。圖1根本編碼方案圖2.2拼接塊圖像的構造劃分2.2.1分辨率、子帶和碼塊源圖像在預處理階段被劃分為各自獨立的拼接塊，在針對每個拼接塊的每個分量進展離散小波變換時，假設進展N級小波分解，那么可有N個分辨

4、率；每個分辨率的LH、HL和HH子帶保存，LL子帶繼續(xù)分解，共得到3N+1個子帶。如圖2是三級變換的子帶分布情況。每個子帶又要被劃分為大小一樣的矩形塊，稱為碼塊，碼塊的寬和高都要是2的冪，典型值是3232或6464，每個碼塊將被獨立編碼。圖2三級小波變換的子帶分布圖2.2.2質量層、分區(qū)和包分區(qū)(Preint)是一個邏輯構造，是同一分辨率下某空間連續(xù)區(qū)域所有子帶中對應碼塊的集合見圖3。圖中粗實線為子帶分界，細實線為Preint分界。簡單地說，Preint包含3個具有一樣空間位置的一樣大小的矩形區(qū)域，這3個矩形區(qū)域分別在某分辨率的LH、HL、HH之中。Preint包含整數個碼塊，最少包含3個碼塊

5、(分別屬于LH、HL、HH)。圖3分區(qū)示意圖按照對圖像失真的影響程度，對碼流進展裁剪，分類組織，把具有相似失真影響的碼流的集合稱為一個質量層。每個分區(qū)為每個層奉獻一個包，包是碼流組織的根本單位，它包含該分區(qū)中所有碼塊對該質量層的增量奉獻。3.1分量變換模型JPEG2000標準中定義了兩種分量間變換：不可逆分量變換(IT)和可逆分量變換(RT)。IT本質上是實數到實數的，RT本質上是整數到整數的。這兩種變換都是從RGB顏色空間變換到Ybr顏色空間。分量變換之后，各個分量之間可以認為是獨立的。不可逆分量變換的公式為：Y=0.299R+0.587G+0.114BU=-0.16875R-0.33126

6、G+0.5BV=0.5R-0.41869G-0.08131B可逆分量變換為：Y=(R+2*G+B)/4U=R-GV=B-GG=Y-(Ur+Vr)/4R=U+GB=V+G3.2量化模型JPEG2000使用的是均勻量化。其量化和反量化模型為：y=|x/|*sgn(x)x=(y+r*sgn(y)*其中，稱為步長，r稱為偏置參數，通常是1/2，對于無損壓縮，量化步長為1(也可以說無須量化)；對于有損壓縮，量化步長與碼率控制有關。不同的子帶數據的動態(tài)范圍不一樣，因此不同子帶使用不同的步長。3.3小波變換模型離散小波變換可以是不可逆的小波變換，也可以是可逆的小波變換。不可逆小波變換默認使用Daubehie

7、s9/7濾波器實現，即是有損編碼?？赡孀儞Q默認使用LeGal5/3濾波器實現，即是無損編碼。JPEG2000中使用的是小波的提升算法。5/3小波提升算法模型：Y(2n+1)=X(2n+1)-X(2n)+X(2n+2)/2Y(2n)=X(2n)-Y(2n-1)+X(2n+1)+2/49/7小波提升算法模型，包含四個步驟：第一次預測、第一次更新、第二次預測和第二次更新，公式分別為：Y(2n+1)=X(2n+1)-X(2n)+X(2n+2)Y(2n)=X(2n)-Y(2n-1)+Y(2n+1)+2Y(2n+1)=Y(2n+1)-Y(2n)+Y(2n+2)Y(2n)=Y(2n)-Y(2n-1)+Y(2

8、n+1)+2其中：=-1.586134342，=-0.052980118，=0.882911075，=0.4435068523.4塊編碼塊編碼是依位平面由高到低的次序使用三個編碼過程而施行的，其流程如圖4所示。編碼過程P1稱為重要性傳播通道，對系數本身重要狀態(tài)為0但它的8個鄰居系數至少有一個重要狀態(tài)已經為1的系數進展編碼。編碼過程P2稱為幅度精煉通道，對在以前已編碼位平面變?yōu)橹匾南禂颠M展編碼。編碼過程P2稱為去除通道，對在P1和P2中沒有被編碼的系數進展編碼。所謂重要狀態(tài)，就是其值是一個二值變量，初始化時為0，當按從高平面到低平面的順序編碼過程中首次遇到該系數的第一個1比特時變?yōu)?，表示這個

9、系數已經重要。圖4位平面編碼流程圖經過三個通道得到的并不是最終的壓縮數據碼流，還要使用算術編碼器進展編碼，JPEG2000使用的是基于上下文的自適應二進制算術編碼器，其內容可參考文獻1，本文不再贅述。3.5碼流組織與質量控制3.5.1碼流組織在塊編碼中，把某一個編碼通道過程形成的碼流，稱為過程碼流。最終的碼流是由包構成的，一個數據包是由相關過程碼流組成的，每個包隸屬于某個層。分層打包的準那么是保證一定碼長下的失真度最校把分層打包之前的碼流，也就是第一級編碼形成的碼流，稱為第一級碼流；第一級碼流經過第二級編碼的形成的碼流，稱為第二級碼流，也就是最終的碼流。顯然，必須確定第一級碼流的一系列的截斷點

10、，裁剪形成第二級碼流。3.5.2率分配率分配率控制是一個把量化步長和編碼率賦予不同頻帶的過程。編碼率指單位樣本的編碼位數。編碼率越低，壓縮率越高，失真越大；編碼率越高，壓縮率越低，失真越校在某個碼塊Bi中，每個編碼通道過程的端點都是候選截斷點(z)，必須估算每個候選截斷點(z)為止的所有編碼字節(jié)數，以及在該點處產生的失真。失真-長度斜率(distrtin-lengthslpe)，定義為：可行截斷點要求：按照可行截斷點要求，可行截斷點恰好在所謂的“凸殼上。如圖5所示。圖5失真-長度斜率圖3.5.3質量層控制把每個碼塊的具有相似斜率的可行截斷點搜集到一起，形象地叫“斜率箱，這就是質量層的本質含義。

11、為此，每個層有一個相關的截斷門限，包含在層中的具有的斜率范圍為，如圖6所示。JPEG2000作為靜態(tài)圖像壓縮標準，在數字圖像領域得到了廣泛而成功的應用。JPEG2000采用小波變換和位平面熵編碼器，可獲得當今最先進的壓縮性能。目前諸多文獻對JPEG2000的概念原理的認識不夠全面，本文從總體上闡述了其根本概念、模型與算法，為JPEG2000的進一步研究和應用提供了根據。圖6質量層控制圖1DavidS.Tauban，ihael.arellin.JPEG2000圖像壓縮基儲標準和理論.北京：電子工業(yè)出版社，20222劉正光，劉子曉，申旭剛.JPEG2000算法原理及實現框架J.計算機工程，2022，(20)3IS/IEFD1544421：JPEG2000IagedingSyste，2000S4DavidTauban.HighPerfraneSalableIagepressinithEBTJ.IEEETrans.IagePressing.2000，9(7)：1158-11705Arandandua，AirSaid.aveletpressinfedialIagesithSetPartitininginHierarhialTrees.theSPIESypsiunedialIaging，abridge，A，199616J.Li，S.LEi，Rate-