２０１５年第４期 文章编号：１００９—２５５２（２０１５）０４—０１３７—０４ ＤＯＩ：１０．１３２７４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｈｄｚｊ．２０１５．０４．０３６ ＪＰＥＧ２０００标准研究及其与ＪＰＥＧ标准比较 陈 鑫 （南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京２１００４４） 摘要：随着多媒体技术和网络技术的飞速发展，ＪＰＥＧ标准已经无法满足人类的要求，于是产 生了新一代静态图像压缩技术一ＪＰＥＧ２ｏ００。ＪＰＥＧ２０００编码系统由预处理、离散小波变换 （ＤＷＴ）、量化和熵编码组成，其采用了ＤＷＴ和优化截取嵌入块编码（ＥＢＣＯＴ）算法，具有 ＪＰＥＧ标准无法比拟的优势。介绍了ＪＰＥＧ２０００编码系统的组成、优点以及与ＪＰＥＧ的对比。实验 证明，相同压缩率下，ＪＰＥＧ２０００压缩比ＪＰＥＧ获得了更好的图像质量。 关键词：ＪＰＥＧ标准；ＪＰＥＧ２０００标准；编码系统；图像质量 中图分类号：ＴＰ３９１．４１ 文献标识码：Ａ ＪＰＥＧ２０００ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ＪＰＥＧ ｓｔａｎｄａｒｄ ＣＨＥＮ Ｘｉｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＮａＭｉｎｇ ２１０￣４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪＰＥＧ ｓｔａｎｄａｒｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｕｎａｂｌｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｈｕｍａｎｉｔｙ，ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｉｍａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ＪＰＥＧ２０００ ｈａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．ＪＰＥＧ２０００ ｃｏｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ｑｕａｎｔｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｔｒｏｐｙ ｃｏｄｉｎｇ，ＪＰＥＧ２０００ ｓｔａｎｄａｒｄ ｅｍｐｌｏｙｓ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｂｌｏｃｋ ｃｏｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｒｕｎｃａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｉｔ ｈａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｏｍｐａｒａｂｌｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｖｅｒ ＪＰＥＧ ｓｔａｎｄａｒｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＪＰＥＧ２０００ ｃｏｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ， ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＪＰＥＧ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ， ＪＰＥＧ２０００ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ＪＰＥＧ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＪＰＥＧ ｓｔａｎｄａｒｄ；ＪＰＥＧ２０００ ｓｔａｎｄａｒｄ；ｃｏｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ ０ 引言 近几十年来，由于多媒体技术的发展，出现了一 系列静态图像压缩标准。其中，ＪＰＥＧ标准具有优良 的品质，是目前应用最成功的压缩标准，网站上的大 提供了一些新特征：良好的低比特率压缩性能、支持 无损压缩和有损压缩、渐进传输、支持感兴趣区域 （Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ＲＯＩ） 编码、良好的容错性、码 流的随机访问等 Ｊ。ＪＰＥＧ２０００标准的这些优越特 部分图像都采用了该标准。但是，随着多媒体技术 和网络技术的飞速发展，人们对图像的压缩性能、应 性使它具有广泛的应用，尤其在无线通信、医学图 像 Ｊ、遥感图像等领域有着不可限量的前景。 用范围等方面的要求进一步提高，传统的ＪＰＥＧ标 准已不能满足人们的需要。 为了弥补ＪＰＥＧ标准的不足，ＪＰＥＧ专家委员会 本文介绍了ＪＰＥＧ２０００编码系统的组成，分析 了ＪＰＥＧ２０００标准相比ＪＰＥＧ标准具有的几大优势。 通过实验，将图像分别进行ＪＰＥＧ压缩与ＪＰＥＧ２０００ 制定出新一代静态图像压缩标准－－ＪＰＥＧ２０００标 准 。ＪＰＥＧ２０００标准采用了ＤＷＴ和ＥＢＣＯＴ算 收稿日期：２０１４—０４—２１ 法两项新技术，具有ＪＰＥＧ标准无法比拟的优势，它 作者简介：陈鑫（１９８９一），男，硕士研究生，研究方向为图像处理。 压缩，得到ＪＰＥＧ２０００标准在压缩性能上优越于 ＪＰＥＧ标准。 图像数据首先进行预处理、ＤＷＴ，然后量化变换后 的ＤＷＴ系数进行熵编码，最后将熵编码后的数据 组织为压缩码流输出。解码是编码的逆过程，图２ 为ＪＰＥＧ２０００解码系统。 １ ＪＰＥＧ２０００编码系统 ＪＰＥＧ２０００编码系统主要由预处理、ＤＷＴ、量化、 ＥＢＣＯＴ熵编码等模块组成 。如图１所示，原始 图１ ＪＰＥＧ２０００编码系统 —＿．１ 解嚣Ｈ 码ｒ＿＿— 解码ｒ＿— 反量化反 反向小变换波 ——重构 后处理 图２ ＪＰＥＧ２０００解码系统 压缩… 频系数和低频系数，尽可能使图像能量集中在低频 区，这样就达到压缩图像的目的。在压缩性能方面， 尤其是在高压缩率下，ＤＷＴ要远优于ＤＣＴ，压缩后 的图像避免了ＤＣＴ造成的马赛克失真。 ＪＰＥＧ２０００标准定义了整数小波变换（５／３）和 浮点小波变换（９／７）。５／３小波变换是可逆的，可用 于无损压缩的图像和有损压缩的图像。９／７小波变 换是不可逆的，仅能适用于有损压缩的图像。 将图像进行二维一次小波分解会产生四个子 带：水平高通垂直高通子带（ＨＨ）、水平高通垂直低 通子带（ＨＬ）、水平低通垂直高通子带（ＬＨ）和水平 低通垂直低通子带（ＬＬ）。因为图像的大部分能量 集中于低频分量中，所以有必要将子带ＬＬ以迭代 的方式继续分解，从而提高编码效率。图３为二维 Ｙ＝０．２９９Ｒ＋０．５８７Ｇ＋０．１１４ 三次小波分解示意图。 （１） 原始图像 ＯＩ工 １Ｉ ｛ １ＨＨ １Ｉ Ｈ ｌＨＨ ｛Ｃ ＝一０．１６８７５Ｒ一０．３３１２６Ｇ＋０．５Ｂ Ｃ．＝０．５Ｒ一０．４１８６９Ｇ一０．０１８１３１Ｂ １Ｉ工 １ＨＬ ２Ｉ工ｌ２ＨＬ １ＨＬ ２ＩＭＩ２ＨＨ Ｙ：ｆ １，Ｒ：Ｒ—Ｇ，Ｖ：Ｂ—Ｇ … 图３二维三次小波分解 １．３量化 式中，［∞］为取小于等于的最大整数。 １．２离散小波变换 、 量化是将小波变换后的子带系数的精度进行调 整，其目的是进一步提高压缩效率。ＪＰＥＧ２０００编码 器采用的是带有“死区”的均匀量化器，死区宽 度是量化步长的两倍。设子带ｂ的小波系数为 ａ （ｕ， ），量化系数为ｑ （ ， ），它们满足下式： ｑ６（“， ）＝ｓｉｇｎ（ａ６（Ｕ， ））・ｌ ｌ ａ６（Ｍ， ）／△６ ｌ Ｊ （３） ＪＰＥＧ标准采用了离散余弦变换（ＤＣＴ），而 ＪＰＥＧ２０００标准摒弃了ＤＣＴ，采用的是ＤＷＴ，这是 ＪＰＥＧ２０００标准与ＪＰＥＧ标准的最大区别。ＤＷＴ把 图像变换为大小、方向以及位置都不相同的分量，将 源图像的数据从时域变换到频域，然后分别处理高 一１３８一 ３ ２ ３ ２ ８ ２ ６ 当然，这一方案仍然存在一些不足。第一，重定 ２ ４ ２ ２ ２ 向之后的设备不允许同步访问，因为设备的重定向 ＩＰ网络云终端 ＜＼一服务器上的云桌面 是在操作系统底层完成的，设备的原始功能被重定 向了。第二，ＵＳＢ设备重定向方案受网络干扰严重， 诸如网络延迟或者不稳定等因素会显著影响重定向 －ＵＳＢ核心驱动 ＵＳＢ主控制器 ＵＳＢ核心驱动 ＵＳＢ主控制器驱动 虚拟主控制接 设备的使用。第三，目前该方案仅仅在局域网络中 取得了不错的用户体验。 ４ 结束语 未来，随着ＵＳＢ设备重定向机制中网络锁机制 图５ ＵＳＢ设备重定向性能测试实验环境 云终端待测试的ＵＳＢ设备选用台电骑士ｕ盘，容量 为８Ｇ，接口标准为ＵＳＢ３．０，同时兼容ＵＳＢ２．０，测试 结果如图６所示。 的应用，相信对远程重定向设备的同步访问将得以 实现 Ｊ。同时，随着近年来网络技术的迅速发展， 网络环境也日趋稳定，类似网络延迟或网络断开等 问题也将得到有效的改善。此外，通过不断提高和 改善ＵＳＢ设备技术，使之能高效地支持无线网络和 广域网等各种网络环境。 参考文献： ［１］刘鹏．云计算［Ｍ］．北京：北京电子工业出版社，２０１０． ［２］Ｂｅｒｒｙｍａｎ Ａ，Ｃａｌｙａｍ Ｐ，Ｌａｉ Ａ，ｅｔ ａｌ，ＶＤ Ｂｅｎｃｈ：Ａ Ｂｅｎｅｈｍａｒｋｉｎｇ Ｔｏｏｌｋｉｔ ｆｏｒ Ｔｈｉｎ—ｃｌｉｅｎｔ ｂａｓｅｄ Ｖｉｒｔｕａｌ ｄｅｓｋｔｏｐ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ ＣｌｏｕｄＣｏｍ（２０１０）． ［３］ＺＨＯＵ Ｙｉ－ｍｉｎ，Ｇｕｏ Ｈｕｉ，ｈｕｉ．Ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＵＳＢ ｄｅｖｉｃｅ ｒｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｖｅｒ ＩＰ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｄｅｓｋｔｏｐ ｃｌｏｕｄ ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．Ａｄｖａｎｃｅｓ ｌ０Ｍ ５ＯＭ １００Ｍ ５００Ｍ １Ｇ ５Ｇ ｉｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０１２． 图６不Ｉ司五端桌面系统Ｕ盈读写速度实验数据 ［４］Ｈｉｒｏｆｕｃｈｉ Ｔ，Ｋａｗａｉ Ｅ，Ｆｕｊｉｋａｗａ Ｋ，ｅｔ ａ１．ＵＳＢ／ＩＰ—ａ Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｂｕｓ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ Ｓｈａｒｉｎｇ ｏｖｅｒ ＩＰ Ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｚ］．ｈ ＵＳＥＮＩＸ， ３．３结果及讨论 ２００５Ｄ． 实验表明，在基于云的虚拟桌面系统中，通过 ＩＰ网络拓展外围总线的ＵＳＢ设备重定向的方案是 可行的。实验中，重定向ＵＳＢ设备的所有功能支持 ［５］Ｚｈａｎｇ Ｌ，Ｚｈｏｕ Ｑ．ＣＣＯＡ：Ｃｌｏｕｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｏｐｅｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ［ｃ］∥ Ｗｅｂ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，２００９．ＩＣＷＳ ２００９．ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ，２００９：６０７—６１６． 不同的操作系统，如Ｌｉｎｕｘ操作系统和Ｗｉｎｄｏｗｓ ７操 作系统可以通过该机制实现ＵＳＢ设备的重定向，重 ［６］ＳＰＩＣＥ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥ｓｐｉｃｅ－ｓｐａｃｅ．ｏｒ＃． ［７］Ｌｉｎｕｘ Ｄｅｖｉｃｅ Ｄｒｉｖｅｒ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｍｏｄｕｌｅｓ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：∥Ｏ８． ｉｎｆ．ｔｕ—ｄｒｅｓｄｅｎ．ｄｅ／～ｃｈｌ２／ｄｏｃ／ｄｄｅｌｉｎｕｘ／ｍｏｄｕｌｅｓ．ｈｔｍ１． —定向之后的设备Ｉ／Ｏ访问稳定。 （上接第１４０贞） 责任编辑：张荣香 ［３］杜伟娜，孙军．新一代静止图像编码系统－－ＪＰＥＧ２０００［Ｊ］．电路 与系统学报，２００２，１３（３）：７３—７６． 性能指标已远远优于其它压缩标准。本文详细介绍 了ＪＰＥＧ２ｏ００编码系统的各个组成模块，从主要特 性和压缩性能两方面将ＪＰＥＧ２ｏ００标准与ＪＰＥＧ标 准作了比较。从实验结果得知，ＪＰＥＧ２０００标准的压 缩性能已明显超过ＪＰＥＧ标准。可以预测， ［４］孙武，王有利．ＪＰＥＧ２０００感兴趣区域编码技术浅析［Ｊ］．计算机 工程与应用，２００３，３９（２４）：７Ｏ一７４ ［５］小野定康，铃木纯司．ＪＰＥＧ２０００技术［Ｍ］．北京：科学出版社， ２００４． ［６］徐磊．ＪＰＥＧ２０００压缩技术及其在医学图像压缩中的应用［Ｄ］． 南京：南京航空航天大学，２００６． ［７］Ｃｈｒｉｓｔｏｐｏｕｌｏｓ Ｃ，Ｓｋｏｄｒａｓ Ａ，Ｅｂｒａｈｉｍｉ Ｔ．Ｔｈｅ ＪＰＥＧ２０００ ｓｔｉｌｌ ｉｍａｇｅ ｃｏｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ：ａｎ ｏｖｅｒｖｉｅｗ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，１４６（４）：１１０３—１１２７． ＪＰＥＧ２０Ｏ０标准将取代ＪＰＥＧ标准在图像处理等领 域中发挥出重要作用。 参考文献： ［１］Ｌｉａｎ Ｃｈｕｎｇ－ｊｒ，Ｃｈｅｎ Ｋｕａｎ—ｆｕ，Ｃｈｅｎ Ｈｏｎｇ－ｈｕｉ。ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｂｌｏｃｋ—Ｃｏｄｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅ ｆｏｒ ＥＢＣＯＴ ｉｎ ［８］Ｙｕ Ｗｅｉ，Ｓｕｎ Ｆａｎｇ—ｉｒｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒａｔｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＪＰＥＧ２０００ 『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏ— ＪＰＥＧ２０００［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｆｏｒ Ｖｉｄｅｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１３（３）：２１９—２３０． ｌｏｇｙ，２００６，１６（５）：５７７—５８９． ［２］Ｄａｖｉｄ Ｓ．Ｔａｕｂｍａｎ，Ｍｉｃｈａｅｌ Ｗ．Ｍａｒｃｅｌｌｉｎ．ＪＰＥＧ２０００图像压缩基 础、标准和实践［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４． ［９］张振平．ＪＰＥＧ２０００码率控制算法研究［Ｄ］．上海：上海交通大 学出版社，２００７． 责任编辑：肖滨 １４４一
