JPEG2000

目錄
·概況
·算法
·硬件實現(xiàn)
·中國將領先世界





概況
　　著多媒體技術的不斷運用，圖像壓縮要求更高的性能和新的特征。為了滿足靜止圖像在特殊領域編碼的需求，JPEG2000作為一個新的標準處于不斷的發(fā)展中。它不僅希望提供優(yōu)于現(xiàn)行標準的失真率和個人圖像壓縮性能，而且還可以提供一些現(xiàn)行標準不能有效地實現(xiàn)甚至在很多情況下完全無法實現(xiàn)的功能和特性。這種新的標準更加注重圖像的可伸縮表述。所以就可以在任意給定的分辨率級別上來提供一個低質量的圖像恢復，或者在要求的分辨率和信噪比的情況下提取圖像的部分區(qū)域�？梢宰⒁獾絁PEG2000可以被設計成可以滿足各類應用需求的標準，包括國際互聯(lián)網、彩色傳真、印刷、掃描、數(shù)字攝影、遙感、移動通訊應用、醫(yī)用影像、數(shù)字圖書庫和電子商務等。

　　JEPG的標準文件格式：.jp2

　　JPEG2000標準提供了一組特征功能，這些功能對于很多高端新興技術應用來說非常重要。該標準所擁有的一些最為重要的特征如下所列：

　　卓越的低比特率性能

　　無損和有損壓縮之間良好兼容。

　　象素精度和分辨率的漸進式傳輸。

　　感興趣域編碼

　　隨機碼流訪問和處理

　　開放性體系

　　……

　　一個經典的JPEG2000編碼運算法則包含三個部分：小波變換、畫布坐標系統(tǒng)、EBCOT編碼。

　　原始圖像數(shù)據(jù)（例如.bmp位圖）首先進行畫布坐標標定，然后在畫布坐標的基礎上進行劃分：第一步先劃分為不同的分量（component）,第二步將畫布區(qū)域劃分為大小相同的矩形“片”（tile），這兩個步驟可以互換。在畫布坐標系統(tǒng)預處理之后，就是進入JPEG2000的核心階段之一：離散小波分析（DWT）。小波分析被直接運用于各個片，這樣每個片區(qū)域都被DWT分析，形成不同的分辨率級別，每個分辨率級別中含有四個子帶，這樣就為JPEG2000的分辨率遞進的功能提供了可能。在這之后，就進入了JPEG2000的第二個核心階段: 嵌入式優(yōu)化截斷編碼（EBCOT）。首先將各個子帶進行EBCOT的預處理過程：量化。量化對圖像有損壓縮負責，而此過程可有可無，用戶可以自由選擇，因而JPEG2000對有損和無損壓縮兼容。預處理過后，進入EBCOT的核心編碼階段，該階段分為兩次，一次編碼主要是碼塊劃分和熵編碼，二次編碼主要是分層打包的過程。最后，碼流將會以封包流（pack-stream）的形式傳輸，包的主頭描述了原始圖像和不同的分解及編碼類型以便查找、提取、解碼和重構指定分辨率級、保真度、感興趣區(qū)域和其他特點的圖像部分。
算法
　　由David Taubman提出,來自The University of New South Wales, Sydney, Australia.

　　EBCOT算法是一種對小波變換產生的子帶系數(shù)進行量化和編碼的方法。它的基本思想是把每一個子帶的小波變換系數(shù)分成獨立編碼的碼塊(code-block)，并且對所有的碼塊使用完全相同的編碼算法。

　　EBCOT編碼算法要點包括：

　　每一個子邊帶分割成一個塊集

　　一個子邊帶中的所有塊有相同的大�。ㄔ趫D像邊界的塊可能例外）

　　塊被獨立編碼

　　后處理操作確定范圍，每個塊的位流按照此范圍進行截斷

　　最后的位流由“層（layers）”的一個集合組成

　　在這些操作中，塊編碼是一個重要步驟。塊編碼的原因是：

　　利用圖像中塊到塊之間統(tǒng)計上的局部變化

　　對應用需要隨機訪問圖像提供支持

　　減少硬件實現(xiàn)壓縮或解壓縮引擎時的存儲器消耗

　　允許并行實現(xiàn)

　　JPEG 2000中采用的小波變換只支持二值分解。
硬件實現(xiàn)
　　離散小波變換（ DWT ）和具有優(yōu)化截斷的嵌入塊編碼（ ebcot ）這兩個算法計算和存儲密集，因此需要專門的硬件，以執(zhí)行運算復雜的部分，應用在許多嵌入式系統(tǒng)中。因此，需要一個徹底的算法研究來找到JPEG2000編碼標準的一個高效的硬件實現(xiàn)。通過運行和分析，我們發(fā)現(xiàn)DWT和ebcot功能是運算周期中最關鍵的模塊。而一些研究已經開始針對DWT的硬件實現(xiàn)， ebcot算法相對較新，也最小限度地研究硬件實現(xiàn)。我們的協(xié)處理體系結構，決定了1級的ebcot是最適合這種硬件實現(xiàn)，因為它具有高度的計算復雜度和相對簡單的模塊化特性。伴隨主機處理器上一些現(xiàn)有的軟件，它提供了一個完整的JPEG2000壓縮的解決辦法。我們提出一個協(xié)處理結構，作為JPEG2000標準。這涉及到用專用硬件來代替ebcot 1級編碼器的軟件實現(xiàn)。硬件實現(xiàn)主要包括兩部分：系數(shù)位建模和算術熵編碼。這兩個模塊之間的接口是通過一個FIFO（先進先出）緩沖區(qū)實現(xiàn)。硬件結構已在VHDL上實現(xiàn)并且性能也得到評估。
中國將領先世界
　　隨著JPEG2000標準的出臺，參與開發(fā)的企業(yè)除了軟件供應商外，還有很多制造圖像設備的硬件供應商，整個IT業(yè)界都看好JPEG2000。

　　據(jù)悉，清華大學微電子研究所正在與美國WIS技術公司合作開發(fā)在FPGA中使用的運算器，該運算器將用于JPEG2000設備核心的畫質無損/有損過濾器。國內的一些相機制造商也在積極開發(fā)JPEG2000數(shù)碼相機。上海海鷗相機公司現(xiàn)在已經達到年產60萬部普通百萬像素解像JPEG標準數(shù)碼相機的能力，該公司正在和一些世界頂級的JPEG2000技術芯片供應商爭取合作關系。鳳凰光學儀器公司與北京大學遙感所合作，建立了一個數(shù)碼相機壓縮控制芯片及CMOS成像器的開發(fā)項目。

　　國際攝影行業(yè)協(xié)會負責數(shù)碼新技術市場開發(fā)的工業(yè)技術分析員Jacques Kauffmann預測，如果中國決定推行JPEG2000標準，那么“他們將會成為全球最先推出基于JPEG2000標準數(shù)碼相機的國家”。

• 通信詞典解釋