JPEG2022編碼方案和結(jié)構(gòu)劃分研究 3400字

JPEG2022編碼方案和結(jié)構(gòu)劃分研究3400字1JPEG2000是新一代靜止圖像壓縮規(guī)范，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：①良好的低比特率壓縮性能，以適應網(wǎng)絡、移動通信等有限帶寬的應用;②能夠根據(jù)圖像質(zhì)量、視覺感受和分辨率進行漸進傳輸;③既支持無損又支持有損壓縮;④對碼流的隨機存取和感興趣區(qū)域(ROI)的編碼;⑤具有較強的抗誤碼能力;⑥具有開放結(jié)構(gòu)，并向下兼容等。

2JPEG2000根本編碼計劃

2.1根本編碼流程計劃

JPEG2000的根本編碼流程計劃主要有下列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(nèi)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，使在進行離散小波變換后的系數(shù)的動態(tài)范圍不會過大，有利于編碼。(2)分量變換：指對具有多個分量的圖像先經(jīng)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行離散小波變換，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(shù)據(jù)的冗余度，因而可以大幅提高壓縮效率。(4)量化：就是降低數(shù)據(jù)精度，提高壓縮效率，實施有損壓縮。(5)第一級編碼：按照位平面的次序經(jīng)過三個通道進行熵編碼(算術(shù)編碼)。(6)量二級編碼：分層打包形成碼流。

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行離散小波變換時，假設進行N級小波分解，那么可有N個分辨率;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相同的矩形塊，稱為碼塊，碼塊的寬和高都要是2的冪，典型值是32×32或64×64，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(zhì)量層、分區(qū)和包分區(qū)(Precinct)是一個邏輯結(jié)構(gòu)，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匯合(見圖3)。圖中粗實線為子帶分界，細實線為Precinct分界。簡單地說，Precinct包含3個具有相同空間位置的相同大小的矩形區(qū)域，這3個矩形區(qū)域分別在某分辨率的LH、HL、HH之中。Precinct包含整數(shù)個碼塊，最少包含3個碼塊(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，對碼流進行裁剪，分類組織，把具有相似失真影響的碼流的匯合稱為一個質(zhì)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(zhì)量層的增量奉獻。

3編碼模型與算法

3.1分量變換模型

JPEG2000規(guī)范中定義了兩種分量間變換：不可逆分量變換(ICT)和可逆分量變換(RCT)。ICT實質(zhì)上是實數(shù)到實數(shù)的，RCT實質(zhì)上是整數(shù)到整數(shù)的。這兩種變換都是從RGB顏色空間變換到Y(jié)CbCr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-0.33126G+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+G

3.2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/Δ||*sgn(x)x=(y+r*sgn(y))*Δ其中，△稱為步長，r稱為偏置參數(shù)，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(shù)據(jù)的動態(tài)范圍不一樣，因而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Daubechies9/7濾波器實現(xiàn)，即是有損編碼?？赡孀儞Q默認使用LeGal5/3濾波器實現(xiàn)，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)]×αY(2n)=X(2n)-[Y(2n-1)+Y(2n+1)+2]×βY(2n+1)=Y(2n+1)-[Y(2n)+Y(2n+2)]×γY(2n)=Y(2n)-[Y(2n-1)+Y(2n+1)+2]×δ其中：α=-1.586134342，β=-0.052980118，γ=0.882911075，δ=0.443506852

3.4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實施的，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(shù)本身重要狀態(tài)為0但它的8個鄰居系數(shù)至少有一個重要狀態(tài)已經(jīng)為1的系數(shù)進行編碼。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?shù)進行編碼。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(shù)進行編碼。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(shù)的第一個1比特時變?yōu)?，表示這個系數(shù)已經(jīng)重要。圖4位平面編碼流程圖經(jīng)過三個通道得到的并不是最終的壓縮數(shù)據(jù)碼流，還要使用算術(shù)編碼器進行編碼，JPEG2000使用的是基于高低文的自適應二進制算術(shù)編碼器，其內(nèi)容可參考文獻1，本文不再贅述。

3.5碼流組織與質(zhì)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(gòu)成的，一個數(shù)據(jù)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小。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(jīng)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，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(shù)。編碼率越低，壓縮率越高，失真越大;編碼率越高，壓縮率越低，失真越小。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(shù)，以及在該點處產(chǎn)生的失真。失真-長度斜率(distortion-lengthslope)，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(zhì)量層控制

把每個碼塊的具有相似斜率的可行截斷點收集到一起，形象地叫“斜率箱〞，這就是質(zhì)量層的本質(zhì)含義。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。