JPEG2000

目錄
·概況
·算法
·硬件實(shí)現(xiàn)
·中國將領(lǐng)先世界





概況
　　著多媒體技術(shù)的不斷運(yùn)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(lǐng)域編碼的需求，JPEG2000作為一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)處于不斷的發(fā)展中。它不僅希望提供優(yōu)于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的失真率和個(gè)人圖像壓縮性能，而且還可以提供一些現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)不能有效地實(shí)現(xiàn)甚至在很多情況下完全無法實(shí)現(xiàn)的功能和特性。這種新的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)低質(zhì)量的圖像恢復(fù)，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(shè)計(jì)成可以滿足各類應(yīng)用需求的標(biāo)準(zhǔn)，包括國際互聯(lián)網(wǎng)、彩色傳真、印刷、掃描、數(shù)字?jǐn)z影、遙感、移動(dòng)通訊應(yīng)用、醫(yī)用影像、數(shù)字圖書庫和電子商務(wù)等。

　　JEPG的標(biāo)準(zhǔn)文件格式：.jp2

　　JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)提供了一組特征功能，這些功能對于很多高端新興技術(shù)應(yīng)用來說非常重要。該標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)式傳輸。

　　感興趣域編碼

　　隨機(jī)碼流訪問和處理

　　開放性體系

　　……

　　一個(gè)經(jīng)典的JPEG2000編碼運(yùn)算法則包含三個(gè)部分：小波變換、畫布坐標(biāo)系統(tǒng)、EBCOT編碼。

　　原始圖像數(shù)據(jù)（例如.bmp位圖）首先進(jìn)行畫布坐標(biāo)標(biāo)定，然后在畫布坐標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)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(gè)步驟可以互換。在畫布坐標(biāo)系統(tǒng)預(yù)處理之后，就是進(jìn)入JPEG2000的核心階段之一：離散小波分析（DWT）。小波分析被直接運(yùn)用于各個(gè)片，這樣每個(gè)片區(qū)域都被DWT分析，形成不同的分辨率級別，每個(gè)分辨率級別中含有四個(gè)子帶，這樣就為JPEG2000的分辨率遞進(jìn)的功能提供了可能。在這之后，就進(jìn)入了JPEG2000的第二個(gè)核心階段: 嵌入式優(yōu)化截?cái)嗑幋a（EBCOT）。首先將各個(gè)子帶進(jìn)行EBCOT的預(yù)處理過程：量化。量化對圖像有損壓縮負(fù)責(zé)，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(yù)處理過后，進(jìn)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(gòu)指定分辨率級、保真度、感興趣區(qū)域和其他特點(diǎn)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(chǎn)生的子帶系數(shù)進(jìn)行量化和編碼的方法。它的基本思想是把每一個(gè)子帶的小波變換系數(shù)分成獨(dú)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(diǎn)包括：

　　每一個(gè)子邊帶分割成一個(gè)塊集

　　一個(gè)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(dú)立編碼

　　后處理操作確定范圍，每個(gè)塊的位流按照此范圍進(jìn)行截?cái)?

　　最后的位流由“層（layers）”的一個(gè)集合組成

　　在這些操作中，塊編碼是一個(gè)重要步驟。塊編碼的原因是：

　　利用圖像中塊到塊之間統(tǒng)計(jì)上的局部變化

　　對應(yīng)用需要隨機(jī)訪問圖像提供支持

　　減少硬件實(shí)現(xiàn)壓縮或解壓縮引擎時(shí)的存儲器消耗

　　允許并行實(shí)現(xiàn)

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

　　據(jù)悉，清華大學(xué)微電子研究所正在與美國WIS技術(shù)公司合作開發(fā)在FPGA中使用的運(yùn)算器，該運(yùn)算器將用于JPEG2000設(shè)備核心的畫質(zhì)無損/有損過濾器。國內(nèi)的一些相機(jī)制造商也在積極開發(fā)JPEG2000數(shù)碼相機(jī)。上海海鷗相機(jī)公司現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到年產(chǎn)60萬部普通百萬像素解像JPEG標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼相機(jī)的能力，該公司正在和一些世界頂級的JPEG2000技術(shù)芯片供應(yīng)商爭取合作關(guān)系。鳳凰光學(xué)儀器公司與北京大學(xué)遙感所合作，建立了一個(gè)數(shù)碼相機(jī)壓縮控制芯片及CMOS成像器的開發(fā)項(xiàng)目。

　　國際攝影行業(yè)協(xié)會負(fù)責(zé)數(shù)碼新技術(shù)市場開發(fā)的工業(yè)技術(shù)分析員Jacques Kauffmann預(yù)測，如果中國決定推行JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)，那么“他們將會成為全球最先推出基于JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)數(shù)碼相機(jī)的國家”。

• 通信詞典解釋