圖像壓縮與JPEG2000

王樹亮，王巧英

(江蘇理工學(xué)院 計算機工程學(xué)院，江蘇 常州 213001;2.江蘇理工學(xué)院 衛(wèi)生所，江蘇 常州 213001)

1 JPEG及其主要優(yōu)缺點

JPEG是Joint Picture Expert Group的縮寫，即聯(lián)合圖像專家組。JPEG2000是由ISO/IEC JTCISC29標(biāo)準(zhǔn)化小組負(fù)責(zé)制定的。ISO是我們所熟悉的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standard Organization)。而IEC是國際電工協(xié)會(International Electrotechnical Committee)，它是一個負(fù)責(zé)電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的委員會。實際上，有許多工程師既是ISO的成員，又是IEC的成員。因此，它們的很多標(biāo)準(zhǔn)是一樣的。而JTCI就是它們的領(lǐng)導(dǎo)小組。其中的SC29負(fù)責(zé)JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)的制定。SC29分WG1、WG11、WG12三個小組。WG1負(fù)責(zé)JBIG(Joint Binary Image Group即二值圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn))和JPEG標(biāo)準(zhǔn)的制定;WG11負(fù)責(zé)MPEG(Move Picture Expert Group即運動圖像專家組)標(biāo)準(zhǔn)的制定;WG12負(fù)責(zé)MHEG(Multimedia Hypertext Expert Group即多媒體超文本專家組)標(biāo)準(zhǔn)的制定[1]。

在JPEG出臺前，對大量高質(zhì)量圖像的存儲量的要求一直是圖像得以廣泛應(yīng)用的障礙。問題不在于缺乏圖像壓縮算法，而是缺乏一種允許在不同的應(yīng)用之間進行圖像交換的標(biāo)準(zhǔn)算法。JPEG對于上述問題提供了一種高質(zhì)量，同時也是非常實用和簡潔的解決辦法。JPEG靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)在許多不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它采用的DCT變換編碼和熵編碼，具有適中的計算復(fù)雜性，易于硬件實現(xiàn)，由于它在保證圖像質(zhì)量的前提下能提供較高的壓縮比，通過使用專用壓縮芯片，JPEG甚至可以用于較高波特率下連續(xù)圖像的傳輸。通過對JPEG標(biāo)準(zhǔn)的深入研究，可以了解圖像壓縮方面的許多原理和知識，并且可以靈活應(yīng)用到自己研究項目或軟件開發(fā)中。

由JPEG壓縮方法而節(jié)省的數(shù)據(jù)是大量的。例如，一幅727×525的真彩色圖像，其原始的每個像素24位格式占用1 145K，GIF格式是240K，非常高質(zhì)量的JPEG格式為155K，而標(biāo)準(zhǔn)的JPEG格式則僅為58K，當(dāng)在顯示器上觀看時，58K的JPEG同GIF的質(zhì)量相同，155K的JPEG比起256色要好得多。JPEG重建后的真彩色圖像與使用一個像素一個像素存儲的原始圖片相比，幾乎看不出什么區(qū)別。事實表明JPEG方法對于大多數(shù)類型的圖像均能取得比較滿意的編碼壓縮結(jié)果。

盡管基于分塊DCT變換編碼的JPEG圖像壓縮技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用，然而在低比特率壓縮時，這種編碼的一個主要缺點是產(chǎn)生方塊效應(yīng)，嚴(yán)重影響解碼圖像的視覺效果。其主要原因是低比特率壓縮的粗量化過程在各個方塊內(nèi)引起高頻量化誤差，各子塊獨立編碼而沒有考慮塊間的相關(guān)性，從而造成塊邊緣的不連續(xù)性。此外，由于舍去了圖像的高頻信息，因而編碼圖像的邊緣難以很好地保持，例如圖像中有文字的地方，這樣的失真就顯得很明顯。目前去除方塊效應(yīng)的方法可分為兩類:第一類是在編碼部分采用重疊分塊的方案，但這會提高圖像傳輸?shù)谋忍芈?，加重編碼和解碼的負(fù)擔(dān);第二類是后處理技術(shù)，即對解碼圖像進行增強或圖像恢復(fù)等處理。一般地，較多采用的是第二類?，F(xiàn)有的后處理方法主要包括各種結(jié)合邊緣檢測和增強的空間濾波算法，基于凸集投影(POCS)的迭代算法、約束最小平方算法(CLS)和圖像最大后驗概率(MAP)估計等。這些方法一般都可以達(dá)到減少方塊效應(yīng)的效果。但是，簡單的低通濾波會導(dǎo)致對圖像邊緣和紋理的過度平滑，而各種圖像估計的迭代算法則有計算量過大的缺點[2－3]。

一個好的去除方塊效應(yīng)的算法應(yīng)該在平滑人為方塊邊緣的同時能夠保留原圖像的邊緣，為此必須進行有效的邊緣檢測和邊緣增強。初步研究表明，基于小波變換的低比特率壓縮圖像的后處理技術(shù)能有效地減少方塊效應(yīng)和保留圖像的重要邊緣，并且具有計算復(fù)雜性較小的優(yōu)點。圖像小波變換具有多分辨率的特性和時頻局部化特性，它在兼顧圖像噪聲平滑和圖像邊緣檢測方面表現(xiàn)出良好的性能，因此，十分適合解決JPEG壓縮圖像的去方塊問題。實驗表明JPEG圖像的高頻量化噪聲主要表現(xiàn)在第一級小波分解的高頻分量，并且有明顯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，即在第一級小波分解的高頻分量顯現(xiàn)明顯的塊狀效應(yīng)，而在第二級小波分解的高頻部分和低頻部分中則幾乎沒有表現(xiàn)，因此，對第一級小波分解的高頻分量方塊邊緣及其鄰域的像素進行平滑，可以有效減少表現(xiàn)為高頻噪聲的塊狀效應(yīng)。

2 JPEG2000的產(chǎn)生背景

現(xiàn)在隨著多媒體和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，圖像壓縮技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣，人們對圖像質(zhì)量和圖像功能的要求越來越高，這些變化要求壓縮編碼算法具有高效率性、靈活性和互換性。例如:

(1)低比特率壓縮(0.1bit/像素)?，F(xiàn)在的壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG在中等或高比特率下能夠提供非常好的圖像質(zhì)量，但在小于0.25bpp的低比特率下，對于具有復(fù)雜細(xì)節(jié)的圖像，失真變得無法接受。

(2)無損壓縮和有損壓縮?，F(xiàn)在的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)沒有一個能在單一碼流中提供很好的有損壓縮和無損壓縮。

(3)大尺寸圖像?，F(xiàn)在的JPEG算法不允許圖像尺寸大于64 000×64 000。

(4)在噪聲環(huán)境中傳輸?，F(xiàn)在的JPEG雖然規(guī)定了重起間隔(restart intervals)，但是一旦遇到誤碼，圖像質(zhì)量將受到嚴(yán)重?fù)p害。

(5)對計算機合成的圖像進行壓縮編碼?，F(xiàn)在的JPEG是為壓縮連續(xù)色調(diào)的自然圖像優(yōu)化設(shè)計的，對于計算機產(chǎn)生的人工圖像壓縮性能不佳。

(6)復(fù)合文檔。對于包含自然圖像、計算機圖形、黑白二值文字的復(fù)合文檔，現(xiàn)在的JPEG壓縮性能很差。

面對這些新的要求，傳統(tǒng)的JPEG顯得力不從心，于是新的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG2000在此要求下逐漸醞釀出臺，JPEG2000的研究工作始于1996年，在2000年3月，JPEG2000第一部分的委員會最后草案(Final Committee Draft)ISO/IEC FCD15444 －1 －2000(V1.0，16 March 2000)正式提出，現(xiàn)在逐步向 ISO國際標(biāo)準(zhǔn)邁進。

3 JPEG2000

隨著多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的激增，特別是計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，傳統(tǒng)JPEG壓縮技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們對多媒體圖像資料的要求。因此，具有更高壓縮率以及更多新功能的新一代靜止圖像壓縮技術(shù)JPEG2000就誕生了。顧名思義，JPEG2000是為21世紀(jì)準(zhǔn)備的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，正式名稱為“ISO 15444”，同樣是由JPEG組織負(fù)責(zé)制定。自1997年3月開始籌劃，但在開始兩年間，在算法選取問題上耽誤了不少時間，人們普遍預(yù)計要到2000年12月JPEG2000才能制定完成，但在2000年3月的東京的一個會議上，由于數(shù)字照相機廠商們施加壓力，規(guī)定基本編碼系統(tǒng)的最終協(xié)議草案提前出臺，因而不用改名為JPEG2001了。目前，它的總體框架已經(jīng)完成，剩下的工作只是它的細(xì)節(jié)。由于其功能強大，效率卓越，受到計算機界人士的廣泛關(guān)注。

JPEG2000相對于以往的JPEG標(biāo)準(zhǔn)有一個很大的飛躍。之所以這樣說，是因為它有許多原先的標(biāo)準(zhǔn)所不可比擬的優(yōu)點。JPEG2000的主要優(yōu)點和特點有:

(1)JPEG2000作為JPEG的升級版，高壓縮(低碼率)是其目的，其壓縮率比JPEG高約30%。反之，在壓縮率相同的情況下，JPEG2000的影像質(zhì)量明顯優(yōu)于JPEG。JPEG最大的缺點是，在高壓縮率下所處理的圖像由于前面所述的方塊效應(yīng)而發(fā)生失真，也就是的人們所說的馬賽克現(xiàn)象非常嚴(yán)重。而用JPEG2000進行處理就基本看不到馬賽克，圖像中景物的輪廓能比較清晰的表現(xiàn)出來。在低壓縮率下，雖然JPEG壓縮的圖像馬賽克小了很多，但還不能完全清除，甚至?xí)苊黠@。而JPEG2000用一半的壓縮率來壓縮的影像依然比JPEG的圖像清晰。

(2)JPEG2000同時支持有損壓縮(Lossy Compression)和無損壓縮(Loseless Compression)。在實際應(yīng)用中，有一些重要的圖像，如衛(wèi)星遙感圖像、醫(yī)學(xué)圖像、文物照片等，通常需要進行無損壓縮。對圖像進行無損編碼的經(jīng)典方法－預(yù)測法已經(jīng)發(fā)展成熟，并且作為一個標(biāo)準(zhǔn)寫入了JPEG2000中。

(3)JPEG2000有一個很好的優(yōu)點就是誤差穩(wěn)定性好(Robustness to Bit Error)。因此，使用JPEG2000的系統(tǒng)穩(wěn)定性好，運行平穩(wěn)，抗干擾性好，易于操作。

(4)JPEG2000能實現(xiàn)漸進傳輸(Progressive Transmission)，這是JPEG2000的一個非常重要的特征。它先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數(shù)據(jù)，不斷提高圖象質(zhì)量，讓圖像由朦朧到清晰顯示，以滿足用戶的需要。而不必是象現(xiàn)在的JPEG一樣，由上到下慢慢顯示。這在網(wǎng)絡(luò)傳輸中有著重大的意義。隨著網(wǎng)絡(luò)用戶飛速增長，狹窄的帶寬成為網(wǎng)絡(luò)進一步發(fā)展的瓶頸。當(dāng)網(wǎng)上傳輸?shù)乃俣群苈龝r，下載一個圖片的耗時便不能讓人忍受。在大多數(shù)情況下，你需要等到出現(xiàn)整個圖像之后，才能決定是否需要這個圖像。如果你干等了半天之后，發(fā)覺所傳輸?shù)膱D像不是你想要的，那么可以想象你的憤恨了，盡管能通過改進硬件和網(wǎng)絡(luò)來提高帶寬，但是這種改進畢竟有一個極限，而且需要一個很長的過程。有了JPEG2000后，這個問題就可以得到解決了。當(dāng)你下載一個圖片時，你馬上可以看到這個圖片的輪廓或這個圖片的縮像，然后你就可決定是否下載他了。而且，在你決定下載的情況下，你也可以根據(jù)你的需要和帶寬，決定你下載的圖像質(zhì)量的好壞，從而動態(tài)控制數(shù)據(jù)量的大小。

(5)JPEG2000另一個極其重要的優(yōu)點就是ROI(Region of Interest，即感興趣區(qū)域)?？梢匀我庵付ǜ信d趣區(qū)域，在這些區(qū)域，可以指定特定的壓縮質(zhì)量，或在恢復(fù)時指定特定的解壓縮要求。例如，可以選擇指定的部分解壓縮。這給人們帶來很大的方便。因此，在有些情況下，圖像中只有一小塊區(qū)域?qū)τ脩羰怯杏玫?，對這些區(qū)域采用低壓縮比，而感興趣區(qū)域之外采用高壓縮比，既能保證不丟失重要信息，又能有效地壓縮數(shù)據(jù)量，這就是基于感興趣區(qū)域的編碼方案所采取的壓縮策略?；诟信d趣區(qū)域的壓縮方法的優(yōu)點，在于它結(jié)合了接受方對壓縮的主觀要求，實現(xiàn)了交互式壓縮。而接受方隨著觀察，常常會有更新的要求，可能對新的區(qū)域感興趣，也可能希望某一區(qū)域更清晰些。

(6)JPEG2000還考慮了人的視覺特性，增加了視覺權(quán)重和掩膜，這樣在不損害視覺效果的情況下，大大提高了效率。

(7)JPEG2000與傳統(tǒng)JPEG最大的不同在于它放棄了JPEG所采用的以離散余弦變換為主的區(qū)塊編碼方式，而改采用以小波變換為主的多解析編碼方式。小波變換的主要目的是要將圖像的頻率成分按子帶抽取出來。余弦變換是經(jīng)典譜分析的工具，它考察的是整個時域過程的頻域特征，或者整個頻域過程的時域特征，因此，對于平穩(wěn)過程有很好的效果，但是對于非平穩(wěn)過程，它的不足是顯而易見的。小波變換是現(xiàn)代譜分析工具，它既能考察局部時域過程的頻域特征，又能考察局部頻域過程，因此，即使對于非平穩(wěn)過程，它也是強有力的工具。

近年來離散小波變換在包括壓縮在內(nèi)的圖像處理與圖像分析的各個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。這主要是因為小波的時頻局域化使它在信號分析中有著優(yōu)良的性質(zhì)，而且由于它對高頻成分采用由粗到細(xì)漸進的時空域上的取樣間隔，從而能像物理上自動調(diào)焦看清遠(yuǎn)近不同景物一樣放大任意細(xì)節(jié)。因此，小波分析被譽為數(shù)學(xué)上的顯微鏡，是均等圖像多分辨率表示的有力工具，它的快速算法又使它如虎添翼，它的多分辨率分析提供了進行漸進式壓縮的基礎(chǔ)。

小波在空間和頻域上的局域性，是統(tǒng)計意義上的局域性。這里所說的局域性，指的是一個變換系數(shù)，實際牽涉到的圖像空間范圍是局部的。因而，要完全恢復(fù)圖像中的某個局部，并不需要所有的編碼都被精確保留，只需要對應(yīng)于它的一部分編碼沒有誤差就可以了，所以能實現(xiàn)無損壓縮和感興趣區(qū)域壓縮。

一般講，JPEG2000的應(yīng)用領(lǐng)域可概括分成兩部分，一為傳統(tǒng)的JPEG市場，像打印機，掃描儀，數(shù)碼相機等;一為新興應(yīng)用領(lǐng)域，像網(wǎng)絡(luò)傳輸，無線通訊，醫(yī)療圖像等。目前對JPEG2000熱情最大的是那些數(shù)字照相機廠商。由此可見，JPEG2000和JPEG相比優(yōu)勢明顯，且向下兼容，取代JPEG格式將是必然趨勢。

[1]Christopulos C，Ebrahimi T，Skodras A.The upcoming JPEG2010 standard[A].In:Proceedings of invited tutorial to the 11th Portuguese coference on Pattern Recognition(RECPAD2000)，Porto，Portugal，2000:359 －368.

[2]Rabbani M，Joshi R.An overview of the JPEG2000 stiff image compression standard[J].Signal Procession:Image Communication ，2002，17(1):3 －48.

[3]Taubman D.High performance scalable image compression with EBCOT[J].IEEE Transaction on Image proceeding.2011，9(7):1 158－1 170.