圖像壓縮與JPEG2000

王樹亮，王巧英

(江蘇理工學院 計算機工程學院，江蘇 常州 213001;2.江蘇理工學院 衛生所，江蘇 常州 213001)

1 JPEG及其主要優缺點

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

在JPEG出臺前，對大量高質量圖像的存儲量的要求一直是圖像得以廣泛應用的障礙。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用之間進行圖像交換的標準算法。JPEG對于上述問題提供了一種高質量，同時也是非常實用和簡潔的解決辦法。JPEG靜止圖像壓縮標準在許多不同的領域得到了廣泛的應用。它采用的DCT變換編碼和熵編碼，具有適中的計算復雜性，易于硬件實現，由于它在保證圖像質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圖像的傳輸。通過對JPEG標準的深入研究，可以了解圖像壓縮方面的許多原理和知識，并且可以靈活應用到自己研究項目或軟件開發中。

由JPEG壓縮方法而節省的數據是大量的。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，非常高質量的JPEG格式為155K，而標準的JPEG格式則僅為58K，當在顯示器上觀看時，58K的JPEG同GIF的質量相同，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，幾乎看不出什么區別。事實表明JPEG方法對于大多數類型的圖像均能取得比較滿意的編碼壓縮結果。

盡管基于分塊DCT變換編碼的JPEG圖像壓縮技術已得到了廣泛的應用，然而在低比特率壓縮時，這種編碼的一個主要缺點是產生方塊效應，嚴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性，從而造成塊邊緣的不連續性。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的比特率，加重編碼和解碼的負擔;第二類是后處理技術，即對解碼圖像進行增強或圖像恢復等處理。一般地，較多采用的是第二類。現有的后處理方法主要包括各種結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到減少方塊效應的效果。但是，簡單的低通濾波會導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的算法應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能有效地減少方塊效應和保留圖像的重要邊緣，并且具有計算復雜性較小的優點。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在第一級小波分解的高頻分量，并且有明顯的結構性質，即在第一級小波分解的高頻分量顯現明顯的塊狀效應，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，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，可以有效減少表現為高頻噪聲的塊狀效應。

2 JPEG2000的產生背景

現在隨著多媒體和網絡的發展，圖像壓縮技術的應用范圍越來越廣，人們對圖像質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)。現在的壓縮標準JPEG在中等或高比特率下能夠提供非常好的圖像質量，但在小于0.25bpp的低比特率下，對于具有復雜細節的圖像，失真變得無法接受。

(2)無損壓縮和有損壓縮。現在的靜止圖像壓縮標準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。現在的JPEG算法不允許圖像尺寸大于64 000×64 000。

(4)在噪聲環境中傳輸。現在的JPEG雖然規定了重起間隔(restart intervals)，但是一旦遇到誤碼，圖像質量將受到嚴重損害。

(5)對計算機合成的圖像進行壓縮編碼。現在的JPEG是為壓縮連續色調的自然圖像優化設計的，對于計算機產生的人工圖像壓縮性能不佳。

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

面對這些新的要求，傳統的JPEG顯得力不從心，于是新的圖像壓縮標準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，現在逐步向 ISO國際標準邁進。

3 JPEG2000

隨著多媒體應用領域的激增，特別是計算機網絡的發展，傳統JPEG壓縮技術已經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JPEG2000就誕生了。顧名思義，JPEG2000是為21世紀準備的壓縮標準，正式名稱為“ISO 15444”，同樣是由JPEG組織負責制定。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，由于數字照相機廠商們施加壓力，規定基本編碼系統的最終協議草案提前出臺，因而不用改名為JPEG2001了。目前，它的總體框架已經完成，剩下的工作只是它的細節。由于其功能強大，效率卓越，受到計算機界人士的廣泛關注。

JPEG2000相對于以往的JPEG標準有一個很大的飛躍。之所以這樣說，是因為它有許多原先的標準所不可比擬的優點。JPEG2000的主要優點和特點有:

(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的影像質量明顯優于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而發生失真，也就是的人們所說的馬賽克現象非常嚴重。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，甚至會很明顯。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)。在實際應用中，有一些重要的圖像，如衛星遙感圖像、醫學圖像、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典方法－預測法已經發展成熟，并且作為一個標準寫入了JPEG2000中。

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

(4)JPEG2000能實現漸進傳輸(Progressive Transmission)，這是JPEG2000的一個非常重要的特征。它先傳輸圖像的輪廓，然后逐步傳輸數據，不斷提高圖象質量，讓圖像由朦朧到清晰顯示，以滿足用戶的需要。而不必是象現在的JPEG一樣，由上到下慢慢顯示。這在網絡傳輸中有著重大的意義。隨著網絡用戶飛速增長，狹窄的帶寬成為網絡進一步發展的瓶頸。當網上傳輸的速度很慢時，下載一個圖片的耗時便不能讓人忍受。在大多數情況下，你需要等到出現整個圖像之后，才能決定是否需要這個圖像。如果你干等了半天之后，發覺所傳輸的圖像不是你想要的，那么可以想象你的憤恨了，盡管能通過改進硬件和網絡來提高帶寬，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，你也可以根據你的需要和帶寬，決定你下載的圖像質量的好壞，從而動態控制數據量的大小。

(5)JPEG2000另一個極其重要的優點就是ROI(Region of Interest，即感興趣區域)。可以任意指定感興趣區域，在這些區域，可以指定特定的壓縮質量，或在恢復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域對用戶是有用的，對這些區域采用低壓縮比，而感興趣區域之外采用高壓縮比，既能保證不丟失重要信息，又能有效地壓縮數據量，這就是基于感興趣區域的編碼方案所采取的壓縮策略。基于感興趣區域的壓縮方法的優點，在于它結合了接受方對壓縮的主觀要求，實現了交互式壓縮。而接受方隨著觀察，常常會有更新的要求，可能對新的區域感興趣，也可能希望某一區域更清晰些。

(6)JPEG2000還考慮了人的視覺特性，增加了視覺權重和掩膜，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，對于平穩過程有很好的效果，但是對于非平穩過程，它的不足是顯而易見的。小波變換是現代譜分析工具，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的圖像處理與圖像分析的各個領域中得到了廣泛應用。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良的性質，而且由于它對高頻成分采用由粗到細漸進的時空域上的取樣間隔，從而能像物理上自動調焦看清遠近不同景物一樣放大任意細節。因此，小波分析被譽為數學上的顯微鏡，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。

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

一般講，JPEG2000的應用領域可概括分成兩部分，一為傳統的JPEG市場，像打印機，掃描儀，數碼相機等;一為新興應用領域，像網絡傳輸，無線通訊，醫療圖像等。目前對JPEG2000熱情最大的是那些數字照相機廠商。由此可見，JPEG2000和JPEG相比優勢明顯，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.