第５期 ２０１３年ｌＯ月 微处理机 ＮＯ．５ ＭＩＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳ０ＲＳ Ｏｃｔ．，２０１３ ＪＰＥＧ２０００图像编码综述 张天恩，杜奇才，陈巍，林嘉宇 （国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙４１００７３） 摘要：随着科学技术的不断发展，为保证图像的实时数据传输，传统的ＪＰＥＧ标准开始不能 应运而生。通过阐述ＪＰＥＧ２０００图像压缩编 满足实际应用的需要，新一代静止图像压缩ＪＰＥ 解码的原理，并与传统的ＪＰＥＧ标准比较，分析ＪＰＥＧ２０００的优点和存在的不足，为提高获取图像数 据的实时传输性能提供理论依据。 关键词：ＪＰＥＧ２０００；小波变换；标准 ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—２２７９．２０１３．０５．０１７ 中图分类号：ＴＰ３１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—２２７９（２０１３）０５—００５７—０３ Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ＪＰＥＧ２０００ Ｉｍａｇｅ Ｃｏｄｅｃ ＺＨＡＮＧ Ｔｉａｎ—ｅｎ，ＤＵ Ｑｉ—ｃａｉ，ＣＨＥＮ Ｗｅｉ，ＬＩＮ Ｊｉａ—ｙｕ （Ｃｏｌｌｅｇｅ．ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＤｅｆｅｃｅ ｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＪＰＥＧ ｓｔｎｄａｒｄ ｃａｎ ｎｏｔａ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ．Ｔｈｅ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｓｔｉｌｌ ｉｍａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ＪＰＥＧ２０００ ｃｏｍｅｓ ｉｎｔｏ ｂｅｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＪＰＥＧ２０００ ｉｍａｇｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｃｏｄｅｃ，ｃｏｍｐａｒｅｓ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＪＰＥＧ ｓｔａｎｄａｒｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ＪＰＥＧ２０００ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒｅａｌ－－ｔｉｍｅ Ｉｘａｎｓ－－ ｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＪＰＥＧ２０００；Ｗａｖｅｌｅｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｎｌ；Ｓｔａｎｄａｒｄ １ 引 言 近年来，随着高科技的不断发展，为保证图像的 统运用了离散小波变换和比特平面编码技术 】。 ＪＰＥＧ２０００的编码流程图如图１所示，编码的主要过 程是：首先进行ＤＣ电平位移转换，然后把图像从 ＲＧＢ空间转换到ＹＵＣ空间。对于ＹＵＣ空间的各个 实时数据传输，在保证图像清晰度的前提下，对图像 数据进行压缩后再传输，可以提高图像的数据传输 率。传统的Ｊ－ＰＥＧ标准开始不能满足应用的需要， 新一代静止图像压缩ＪＰＥＧ２０００应运而生。 ＪＰＥＧ２０ｏ０是由国际标准化组织ＩＳＯ和国际电 分量进行离散小波变换，而后对小波变换后的系数 进行量化并将其划分成码块 ．３ Ｊ。最后进行Ｔｉｅｒ—ｌ 编码和Ｔｉｅｒ一２编码，完成比特平面编码，熵编码和 码流组织，最终形成ＪＰＥＧ２ｏ００标准码流－２】。 ＪＰＥＧ２Ｏｏ０的解码流程图如图２所示，它是编码过程 信标准化联盟ｒＩ＇Ｕ—Ｔ于２００１年联合颁布的新一代 图像压缩国际标准ｕ Ｊ。由于它的高压缩率、支持无 损和有损压缩、能实现渐进传输、可对感兴趣区域进 对应各部分的逆运算，算法比较简单，花费时间少。 ２．１ 图像预处理和后处理 图像的预处理包括ＤＣ电平位移和图像颜色的 空间转化。 行编码等优点，而被广泛应用于互联网，移动存储设 备、数码相机、电子出版物、数字图书馆等领域。 ２算法原理 ＪＰＥＧ２０００与传统的ＪＰＥＧ相比，其核心编码系 ＤＣ电平位移，主要是对图像中无符号量加一个 偏移量２ ～，转换成有符号量。变换公式如下： Ｐｏｃ（ｍ，，１）＝Ｐ（ｍ，ｎ）一２ 作者简介：张天恩（１９８４一），男，福建莆田人，工程硕士研究生，主研方向：图像信号处理等。 收稿日期：２０１３—０４—２６ ・５８・ 微处理机 ２０１３拒 其中Ｐ。 （／７／，，ｎ）为ＤＣ电平位移的值，Ｐ（ｍ， ） ０．５８７ 为原图像无符号量，一２ 为平移量。 —０．３３１２６ 图像的颜色空间转换，主要是把图像从ＲＧＢ空 —０．４１８６９ 间转换到ＹＵＣ空间。变换公式如下： 图１ ＪＰＥＧ２０００编码图 ｙ 码流ｌ网 Ｔｉｅｄｌ ｌ网Ｔｉｅｒ２ Ｉｌ闻反量Ｉ ｌ离散小波ｌ Ｉ后ｌ 重 妊菇 从最高有效位平面开始到最低位平面，对每个位平 Ｉ编码Ｉｊｌ编码ＩｊＩ化ｌ Ｉ逆变换ｌ Ｉ处理ｌ 面的系数比特逐个进行熵编码，得到压缩码流。 图２ ＪＰＥＧ２０００解码图 ３ ＪＰＥＧ２００Ｏ的优缺点 ２．２离散小波变换 离散小波变换的目的是把原图像的像素矩阵转 ＪＰＥ 相对于传统的ＪＰＥＧ，有着诸多优越 换成有利于压缩编码的系数矩阵，即对经过预处理 特性，能更好满足不同应用的需求，但是，也存在不 的图像，通过离散小波变换分解成几个子图像，主要 容忽视的缺陷。 使图像中低频区的能量分布（频域内的系数分布） ３．１ ＪＰＥＧ２０００的优点 发生变化，而对于水平、垂直、对角线的高能量较 （１）支持无损压缩和有损压缩。ＪＰＥＧ２０００同 少 一引。Ｑ ｃ； 时能够支持有损和无损压缩两种模式，允许从有损 ２．３量化 邮 到无损的渐进解压。被广泛运用于图像档案和医学 图像等邻域。 Ｒ Ｇ Ｂ 对变换后的系数进行量化是有损压缩中的重要 环节。因为人眼视觉系统对图像分辨率有一定的界 （２）高压缩率。采用离散小波变换替代离散余 限，通过适当的量化减小变换系数的精度，可以在不 弦变换，ＪＰＥＧ２０００相对于传统的ＪＰＥＧ格式图片， 影响图像主观质量的前提下，进一步提高图像的压 在压缩比上提高了１０％至３０％，压缩之后的图像更 缩比 Ｊ。 加细腻平滑，鉴于这一特征，可广泛应用于互联网和 在ＪＰＥＧ２０００中，通过小波变换之后，片分量数 遥感等领域的图像传输。 据变换成子带矩阵，如果对每个子带进行Ｎ级小波 （３）可实现渐进式传输。所谓渐进式传输就是 分解，可以得到（３Ｎ＋１）个子带，每个子带系数都反 先传输图像的大体轮廓，而后再传输图像的细节数 映了图像不同频域的特征。系数量化算法为： 据，实现逐渐提高图像质量的过程。ＪＰＥＧ２０００支持 ｇ （ ）：ｓ （口 （ ））ｌＩ ＩＡＯ Ｉｌ 按比特精确度和分辨率进行传输，同时支持图像质 量、颜色分量及空间位置的渐进解码 。这一特性 ２．４熵编码 被广泛应用于图像文档、打印和互联网访问。 经过离散小波变换和量化之后，片分量数据变 （４）感兴趣区域编码：感兴趣区域编码可以把 换成子带矩阵，每个子带又被分成大小一致的矩形 特定的图像区域编码条件下的优先级比其他图像区 码块，而这些矩形码块被编码成位平面，即比特层。 域设置的高一些，提高感兴趣区域图像的质量 ； ５期 张天恩等：ＪＰＥＧ２０００图像编码综述 ・５９・ 同时，允许用户选择感兴趣区域优先传送，对不感兴 趣的区域后传送，节省网络带宽，提高传送效率。 另外，码流的随机访问和处理、容错机制、开放 一ｄｏｎ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）算法。这种算法必须等到Ｔｉｅｒ一１ 编码完成之后，得到码字后和每个编码通道的失真 参数，即ＭＳＥ（Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅｄ Ｅｒｒｏｒ）值，从而根据率 失真准则来获得最优截断点，因此需要大量的存储 空间和运算量。许多研究者在硬件和软件方面对码 率控制算法进行了优化，提出了多种算法。 ａ）基于ＰｓＮＲ的码率控制算法 的框架结构等都是ＪＰＥＧ２０００优越特性，在这里不 赘述。 一３．２ ＪＰＥＧ２ｏ０Ｏ的缺点 （１）ＪＰＥＧ２０００比ＪＰＥＧ的编码器复杂度更高， 不利于ＪＰＥＧ２０ｏｏ的软件实现。 （２）对于文本图像及合成图像，ＪＰＥＧ２０００与 此算法主要是通过对ＰＳＮＲ与编码通道数之间 的关系来预测在比特平面编码时需要多少个编码通 ＪＰＥＧ—ＬＳ相比，在无损图像压缩性能上还有很多需 要改进的地方。 分析了ＪＰＥＧ２０００的优缺点，不难看出， ＪＰＥＧ２０００虽然与ＪＰＥＧ和ＪＰＥＧ—ＬＳ相比，有着很 多的优越性能，但是仍然存在很大的不足，如果没有 对其性能特别是编码器的复杂程度进行优化的话， 将很难满足实际应用的需要。 ４ ＪＰＥＧ２０００编码优化算法简介 ＪＰＥＧ２０００编码部分的复杂度和运算量主要是 在ＥＢＣＯＴ，这也是ＪＰＥＧ２Ｏｏｏ广泛推广的关键所在， 因此吸引着许多研究者对其进行研究，不断提出新 的、有效的优化算法，大大减少了这部分的运算量和 复杂度。 （１）Ｃｏｎｔｅｘｔ—ｂａｓｅｄ Ｂｉｔ Ｐｌａｎｅ Ｇｏｌｏｍｂ Ｃｏｄｅｒ （ＣＢ—ＢＰＧＣ）算法 此算法主要是根据小波变换的各个子带频率的 分布特性的先验知识提出的一种加速比特平面扫描 算法。此分布特性就是在ＨＬ，ＬＨ，ＨＨ三个子带的 频率系数服从Ｌａｐｌａｃｉａｎ分布。 （２）像素跳过（Ｐｉｘｅｌ Ｓｋｉｐｐｉｎｇ，ＰＳ）算法和多列 跳过（Ｇｒｏｕｐ—ｏｆ—Ｃｏｌｕｍｎ Ｓｋｉｐｐｉｎｇ，ＧＯＣＳ）法 这两种方法主要是对小波变换后的系数进行分 析统计，发现各个比特平面的三种通道编码过程的 分布，在ＭＳＢ（Ｍｏｓｔ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｔ Ｂｉｔ）比特平面只有清 除通道编码过程，随着比特平面的降低，清除通道编 码过程不断减小，幅度细化编码通道不断增加，而重 要性编码通道则有升有降。 （３）码率控制优化算法 ＪＰＥＧ２０００码率控制在ＥＢＣＯＴ中的Ｔｉｅｒ一２编 码阶段，引入ＰＣＲＤ（Ｐｏｓｔ—ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｅ—ｄｉｓｔｏｒ－ 道，从而达到码率控制的目的。这种算法减小了在 Ｔｉｅｒ一２编码中的计算率失真函数斜率，大大减小计 算量和存储空间，并且也达到了较好的编码效果。 ｂ）最小斜率丢弃（Ｍｉｎｉｍａｌ Ｓｌｏｐｅ Ｄｉｓｃａｒｄ，ＭＳＤ） 分析了率失真函数的两个特性，从而确定截断 点。这两个特性是：①率失真函数单调递减；②在码 流中编码通道的斜率值大于所选阈值。 ５结束语 介绍了ＪＰＥＧ２０００的算法原理，重点阐述了 ＪＰＥＧ２ｏ００编解码的压缩过程。分析了ＪＰＥＧ２ｏ０Ｏ的 优缺点，介绍了ＪＰＥＧ２０００编码器的优化算法，指出 ＪＰＥＧ２Ｏｏｏ需要从优化编码器的复杂程度人手，不断 提高ＪＰＥＧ２０００性能，为提高获取图像之后的实时 传输性能提供了理论依据。 参考文献： ［１］龚炜炜．ＪＰＥＧ２０００编解码器的优化［Ｄ］．天津：天津大 学，２００７—１２． ［２］郑启枣．ＪＰＥＧ２０００编解码算法及优化研究［Ｄ］．杭州： 浙江大学，２００７一Ｏ８． ［３］ Ａ．Ｒ．Ｃａｌｄｅｒｂａｎｋ，Ｉ．Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ，Ｗ．Ｓｗｅｌｄｅｎｓ，Ｂ．Ｌ．Ｙｅｏ． ＬｏｓｓｌｅｓｓＩｍａｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｇｅｒ ｔｏ Ｉｎｔｅｇｅｒ Ｗａｖｅｌｅｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ［Ｊ］．Ｐｒｃｏ．ＩＥＥＥ Ｉｍ．Ｃｏｎｆ．Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｓａｎｔａ Ｂａｒｂａｒａ，ＵＳＡ，Ｏｃｔ．１９９７． ［４］苏岱安．ＪＰＥＧ２０００图像压缩的研究［Ｄ］．湖南：湖南大 学，２００７—１２． ［５］孙延奎．小波分析及其应用［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，２００５：１０—２８． ［６］张丁，张明，张瑾，等．一种新的自适应变长码编码算 法［Ｊ］．浙江大学学报，２００６，４０（５）：７８４—７８６． ［７］ 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