看看JPEG 2000的一些经常被误解和很少被提及的潜在的实际好处

来源：analog 发布时间：2024-01-22

摘要： 看看JPEG 2000的一些经常被误解和很少被提及的潜在的实际好处。

JPEG(联合摄影专家组)2000标准于2001年定稿，定义了一种使用基于小波技术的最先进压缩技术的新图像编码方案。它的架构可用于许多不同的应用程序，包括Internet图像分发、安全系统、数字摄影和医学成像。

关于JPEG 2000是什么以及它如何与其他压缩标准(如MPEG(移动图像专家组)-2、MPEG-4和早期的JPEG)进行比较，存在很多混淆。通过与其他压缩标准的简要比较，本文主要旨在强调JPEG 2000的一些经常被误解和很少被提及的潜在的实际好处。

应用程序

闭路电视安全

在传输或存储图像信息时，必须采用压缩来保持图像分辨率，同时最好地利用有限的信道带宽。如果可以从信道中完全恢复原始数据而不丢失任何信息，则将压缩定义为无损压缩;否则，它是有损的。需要标准来确保互操作性。JPEG 2000是唯一同时提供无损和有损压缩的标准压缩方案。因此，它适用于需要高质量图像的应用程序，尽管存储或传输带宽受到限制。

基于JPEG 2000的系统的一个重要特性是能够从单个JPEG 2000代码流中提取各种分辨率、组件、感兴趣的领域和压缩比。这对于任何其他压缩标准都是不可能的，因为图像大小、比特率和质量必须在编码端指定，而不能在解码端确定或更改。

例如，闭路电视(CCTV)安全系统可以通过在低带宽网络上发送单个JPEG 2000码流来利用这一特性。高分辨率的图像可以存储在硬盘驱动器(HDD)上，而几个低分辨率的图像则显示在监视器上。接收端的操作人员可以决定从发送的单个码流中提取哪些信息。

JPEG 2000是帧精确的，因为输入的每一帧都包含在压缩格式中。另一方面，MPEG系统通过时间压缩(不将每帧编码为完整的图像)减少了数据量，因此MPEG压缩不是帧精确的。由于这个原因，法律问题限制了在某些安全应用程序中使用MPEG压缩。为了解决这个问题，安全系统和设备供应商不得不开发他们自己的压缩方案——或者使用效率极低的运动JPEG (M-JPEG)压缩标准——以便提供包含原始文件的每个字段的压缩流。他们现在可以在新的设计中使用JPEG 2000。

互联网图像分发

渐进式编码是JPEG 2000标准的另一个特性，它意味着可以以这样一种方式对位流进行编码，即在流开始时包含不太详细的信息，随着流的进行而包含更详细的信息。这使其成为Internet/网络应用程序的理想选择，特别是对于大图像和低带宽的应用程序，因为即使使用低速网络或图像数据库，也可以在解码端立即看到图像。首先显示较低的子带，并随着时间的推移添加更多细节。因此，随着时间的推移，图像会变得更清晰、更详细，而且不需要下载整个图像就可以看到。

由于低质量图像立即可用，接收端的用户可以决定是否以完全解码的版本查看图像，或者跳过它并扫描下一张图像。客户端可以以不同的分辨率或质量水平(压缩率)查看图像，使其适合任何传输带宽、连接速度或显示设备。此外，JPEG 2000编码提供了放大或缩小图像特定区域的选项，或者以不同的分辨率或压缩率显示图像的特定区域。

高清晰度

在极端的压缩水平下，JPEG 2000视频开始模糊，但仍然相当可见。MPEG或JPEG伪影对眼睛的干扰要大得多，在高压缩比下，图像明显地被分解成小块。在中高比特率下的高图像质量和包含大量运动的内容，缺乏块伪影和高效率使JPEG 2000成为高清(HD)应用程序的理想选择，例如数字影院、高清录制系统和高清摄像机设备。

许多应用程序需要精确的比特率控制，这只有JPEG 2000可以提供。精确的比特率控制是可能的，因为整个帧或场是一次转换;然后它被分解成比特流或代码块，可以用下面描述的技术独立处理。在使用DCT的系统中，量化是唯一使用的技术，这使得精确的比特率控制变得困难。在DCT系统中，为了控制比特率，必须对信息进行反复的再处理和再量化。JPEG 2000中使用的速率控制算法截断每个比特流以满足特定的目标比特率，并根据需要调整每个码块数据的截断和重新量化。除了对目标比特率进行编程外，该标准还允许用户指定特定的质量度量。在这种情况下，只要性能不低于特定的峰值信噪比，目标比特率将变化以满足指定的质量因子。PSNR是图像质量与感知图像质量相比较的指标。

jpeg2000码流

给定的输入图像或图像的一部分被发送到一组小波滤波器，这些小波滤波器将像素信息转换成小波系数，然后将其分组到几个子带中[小波在编码中的使用在对话30-2(1996)中首次解释]。每个子带包含描述整个原始图像的特定水平和垂直空间频率范围的小波系数。这意味着低频、不太详细的信息包含在第一个转换层中，而更详细、频率更高的信息包含在更高的转换层中。为简单起见，这里只显示了两个级别的转换。第一级变换得到子带LH1、HH1、HL1和LL1。只有子带LL1被传递以进行进一步滤波，生成下一个变换级别并创建子带LH2、HH2、HL2和LL2。

在每个子带内生成大小相等的代码块，本质上是数据的位流。这种分解对于系数建模和编码是必要的，并且是在一个代码块接一个代码块的基础上完成的。实际上，实际的压缩是通过截断和/或重新量化每个代码块中包含的比特流来实现的。然后使用一种称为后压缩率控制(PCRC)的技术对这些比特流进行最佳截断。

代码块可以独立访问。它们的比特流在每个比特平面上用三个编码通道进行编码。这个过程称为上下文建模，用于分配有关每个单独系数位的重要性的信息。然后可以根据它们的重要性对代码块进行分组。在解码端，可以根据信息的重要性提取信息，首先看到最重要的信息。

JPEG 2000可以包含用户定义的层数，这些层由PCRC和上下文建模定义。每一层代表一个特定的压缩率，其中压缩率是通过量化、速率失真和上下文建模过程实现的。例如，第0层包含来自有损WT变换的比特流，这些比特流被严重截断，不包含编码通道，因此提供最高的压缩率和最低的质量。然后，第16层可以包含较少截断的比特流，并使用更多的编码通道，从而提供低压缩和高质量。

瓦片或图像被进一步划分为区域。区域包含许多代码块，用于方便地访问图像中的特定区域，以便以不同的方式处理该区域，或仅解码图像的特定区域。JPEG 2000位流是通过将代码块或区域排列到分组数组中而生成的，其中较低的子带首先出现。

JPEG 2000流从包含如下信息的主标头开始:未压缩图像大小、贴图大小、组件数量、组件位深度、编码风格、转换级别、递进顺序、层数、代码块大小、小波滤波器类型、量化级别等。整个图像数据，在LL, HL, LH和HH子带的代码块中分组，跟随标题。报头信息中不包含数据。此外，可以在编码端存储目录，并允许解码器根据需要调用特定的分辨率，而无需首先解码或下载整个JPEG 2000码流。

DCT对比WT

JPEG 2000使用小波变换(WT)来减少图像中包含的信息量，而MPEG和JPEG系统使用离散余弦变换(DCT)。的确，WT比DCT需要更多的处理能力，但MPEG系统需要的不仅仅是DCT。DCT，或者任何类型的傅里叶变换，都是用频率和幅值来表示信号的——但只在一个瞬间。小波变换将信号随时间转换为频率和幅度，因此效率更高。图4到图9演示了这一点。

为了获得与一次WT传递相同数量的信息，必须对每个频率使用DCT;每个频率必须在每个时间瞬间对每个8 × 8像素块进行变换。此外，MPEG系统使用帧间压缩[运动估计]，以进一步减少用于运动估计的数据量。这需要在外部存储器中存储至少两个完整的字段。计算密集型的运动估计过程需要一个非常强大的处理器。时间压缩可以在JPEG 2000系统中使用，但它不是JPEG 2000标准所固有的。

JPEG 2000优于其他压缩标准的优点

所有的MPEG标准都很复杂，计算量很大。这在标准定义(SD)应用程序中转化为广泛的处理延迟和内存需求。当考虑高清晰度(HD)格式时，这些因素变得更加成问题，JPEG 2000变得更加可取。JPEG 2000的另一个优点是标准本身，它允许在许多不同的应用程序中具有极大的灵活性和控制力。格式也有很多通用性:JPEG 2000支持从每个样本8位到每个样本无限位数的任何数据，而MPEG只支持8位数据。

尽管MPEG-2是DVD和广播应用程序的既定标准，但JPEG 2000仍在继续流行。JPEG 2000在需要高质量存储或通过无线或其他链路传输高清图像的高清应用程序中也非常流行

的ADV202

自20世纪90年代初以来，Devices在小波压缩研发方面投入了大量资金。1996年，我们率先推出了小波压缩硬件解决方案，即ADV601。现在最新的小波编解码器ADV202于2004年7月发布，是迄今为止市场上唯一的专用JPEG 2000 IC。ADV202是一款完整的单片JPEG 2000压缩/解压IC，适用于高清视频、标准清晰度视频和静态图像。它支持ISO/IEC15444-1 [JPEG 2000]图像压缩标准的所有功能[除了Maxshift ROI]。其获得专利的SURF (空间超高效递归滤波)技术实现了低功耗、低成本的基于小波的压缩。ADV202包含一个专用的小波变换引擎、三个熵编解码器、一个RISC处理器和板载存储系统，提供了一个与ITU.R等常见视频标准的无胶接口。BT656、SMPTE274M、SMPTE296M。它可以创建一个完全兼容的JPEG 2000代码流[。j2c, .jp2]。它还可以提供原始代码块和属性数据，从而允许主机处理器完全控制生成和压缩过程。