（信号与信息处理专业论文）基于jpeg2000的图像编码系统的研究与实现.pdf

摘要 j p e g 2 0 0 0 标准作为j p e g 标准的最新进展，于2 0 0 0 年1 2 月由j p e g ( 联 合图片专家组) 组织制定完成。j p e g 2 0 0 0 采用以离散小波变换( d w t ) 为主的 多解析编码方法，具有许多优良的新特性。目前，许多基于该标准的图像处理软 件已经推出，在硬件设计方面的研究也在逐渐开展。a d v 2 0 2 是美国a d 公司新 近推出的一款单片j p e g 2 0 0 0 编解码芯片，可以实时压缩和解压缩标准清晰度视 频信号( s d t v ) 及高清晰度视频信号( h d t v ) 。 本文首先从总体上对j p e g 2 0 0 0 标准进行介绍，描述该标准的产生背景、组 成部分、特点与应用、编解码基本框架以及所涉及的关键技术。紧接着介绍了 a d v 2 0 2 的主要特点及工作原理，它采用的专利空间超高效递归滤波( s u r f ) 技术使之具有低功耗和低成本的小波压缩，支持最高达6 级的9 7 和5 3 小波变 换，视频接口直接支持i t u r b t 6 5 6 等多种视频格式。然后基于a d v 2 0 2 设计 并实现了j p e g 2 0 0 0 视频编码系统，它采用t m s 3 2 0 v c 3 3 作为系统的主控芯片。 该编码系统将来自电视机或摄像机的单路p a l 制式的s d t v 视频信号，通过 s a a 7 1 1 3a d 转换、a d v 2 0 2 硬件编码，压缩成j 2 c 格式的码流，并由 t m s 3 2 0 v c 3 3 的串口发送到信道，实现s d t v 视频信号的压缩。 试验结果表明本文所设计的视频编码系统可行，可将s d t v 视频信号压缩 成j 2 c 格式的码流输出，且码流速率大小可调，可以满足不同传输速率的要求。 关键词：j p e g 2 0 0 0 ，小波变换，a d v 2 0 2 ，视频编码 a b s t r a c t 潆e g 2 0 0 0 t h es a c o e s s o ro fj p e gs t a n d a r d 。w a sa l s op r o d u c e db yt h ej o i n t p h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( j p e g ) i nd e c e m b e ro f2 0 0 0 j p e g 2 0 0 0a d o p t e dt h e m u l t i r e s o l u t i o ne n c o d i n gm e t h o d sw i 也d i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m ( d w t ) a st h em a i n m e t h o d ，h a v i n gm a n yg o o dn e wc h a r a c t e r i s t i c s c u r r e n t l y ，m a n yi m a g ep r o c e s s i n g s o f t w a r eb a s e do i lj p e g 2 0 0 0h a da l r e a d yb er e l e a s e d t h er e s e a r c hi nt h eh a r d w a r e a s p e c ta l s ow a sa n d e rw a y h l ea d v 2 0 2w a s as i n g l e - c h i pj p e g 2 0 0 0c o m p r e s s i o n a n dd e c o m p r e s s i o ns o l u t i o nt b rs d t va n dh d t v o f a n a l o gd e v i c e s i n c f i r s t t h ej p e g 2 墩瓣s t a n d a r dw a sh l t r o d u c e d 曩saw h o l e , i n c l u d i n gt h e b a c k g r o u n d ，c o n s t i t u t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s ，f r a m e w o r ka n dt h ek e yt e c h n o l o g y s e c o n d ， t h ef e a t u r e sa n dt h e o r yo fo p e r a t i o no fa d v 2 0 2w e r ed e s c r i b e d p a t e n t e ds l r f ( s p a t i a lu l t r a e f f i c i e n tr e c u r s i v ef i l t e r i n 曲t e c h n o l o g ye n a b l e dl o wp o w e ra n dl o wc o s t w a v e l e tb a s ec o m p r e s s i o n i ts u p p o r t e db o t h9 7a n d5 3w a v e l e tt r a n s f o r m sw i t hu p t o6 】e v e l so f t r a n s f o r m v i d e oi n t e r f a c ed i r e e t l ys u p p o r t e dv a r i o u sv i d e of o r m a t ss u c h a si t u r b t 6 5 6 t h e nt h ej p e g 2 0 0 0v i d e ee r i c o d i n gs y s t e mb a s e do na d v 2 0 2w a s d e s i g n e d i nw h i c ht m s 3 2 0 v c 3 3w a st h em a i nc o n t r o lc h i p + l tc o u l dt r a n s f o r mt h e p a lf o n n a ts t a n d a r dd e f i n i t i o nv i d e os i g n a lf r o mt e l e v i s i o no rc r l n c o r d e ri n t o j p e g 2 0 0 0v i d e oc o d es t r e a m ，a n dt h e nt h es t r e a mw a ss e n tt ot h ec h a r m e lb yt h e s e r i a l * p o r to f t m s 3 2 0 v c 3 3 。 t h er e s u l to f e x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ev i d e oe n c o d i n gs y s t e mw a sg o o d i tc o u l dc o m p r e s st h es t a n d a r dd e f i n i t i o nv i d e os i g n a li n t ot h ec o d es t r e a mo f j 2 c f o r m a t t h ev e l o c i t yo f t h ec o d es l r e a n lw a sa d j u s t a b l e ，a n di tc o b i ds a r i s f yt h er e q u e s t o f d i 船r e n tt r a n s m i s s i o nr a t e 。 k e y w o 撼s ：j p e g 2 0 0 0 , w a v e l e t t r a n s t b r m ，a d v 2 0 2 ，v i d e oe n c o d i n g 壁i ：i ：釜兰至：耋：! 鳖 至= 耋鳖篓 第一章绪论 1 。1 视频信号压缩的必要性朔可行性 近十几年来数据、语酱和多媒体业务的需求在不断增加，同时人们封这些业 务驻势震量窥缀务海容秘期望超越泉越赛。为了骞效游止菇号在傣翰帮存赭过程 引入噪声和导致波形畸变，模拟信母( 如话啬、音频、豳像和视频信号) 一般都 先进褥采样和数字纯，然爱再进行存储、转蟪蠲接收耋建。但这些数字纯铸号( 尤 其是视频信号) 的数据量极大，表t 1 所示为常见视颧储号来经压缩时的数据量。 表1 - t 常见揽糍信号未经压缩时的数据曩 i t u - r 6 0 i 7 2 0 5 7 62 51 6 1 6 5 9 m b p s 营通电视 e d t v 9 6 0 3 视觉冗余；人类的视觉系统对于图像的感知是非均匀和非线性的，特别 建视觉系统并不燕瓣于强豫辩任柯交记帮能惑辩和察觉。我稍对予图像 的编码和孵码处理时尽管由于数据的压缩而使图像发生丁一定变化，如 瀑这些交倔不能被援爨系统察觉的话，我们俯汰建圈像怒宠驽瓣鼓是足 够好的。这样的冗杂，我们称之为视髓冗余。 这些冗余的存在就为我们进行视频数据的压缩提供了可能，因此产生了各种 各样静褫频编码方法和褫颧编码标稚。 1 。2 耄溺熬褪频绩璃拣准 税额图像压缕编码技术霉娃追溯刘1 9 4 8 年提出熬魄援信号数字诧，到今天 已经有5 0 多年的历史了。1 9 8 0 年以来，国际标准化组缫( i s o ) 、国际电工委员 会( i e c ) 和国际电信联盟( i 耵j ) 下属的国际电报电话咨询蚕鼹会( c c h t ) 陆续完袋了各种酪豫与视频数据珏缩与逶信抟标准和建议，每一个盈像毯缩标准 的制定，都针对它的最合道的应用目标。 珏蕊l 是最早爨现的税频编码檬准，它蓠次使瘸了运动 媸预溪l 编玛+ ， 变换的方法，其输出码率魁6 4 k b p s 的艇数倍( 1 - 3 0 ) 。h 2 6 1 主鞭是针对i s d n 的会议电视和可撬电话等成用制定的，通过缓冲器控镥4 产生恒定的输出码率。 与h 2 6 1 不阍，m p e g - 1 标准不燕针对通信领域的双商应用，而是为了满足 视频存储媒体( 如v c d ) 的应用。该标准在典型的运动补偿预测编码( m c p c ) 援黎涟鹫确上，巍蹋了半致紊熬双彝预瓣技术，霹提供受好熬编鹅囊量帮聚裹豹 压缩比，其主要应用目标为在l m b p s 1 5 m b p s 的情况下，提供2 5 帧c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) v h s 质量的图像。 m p e g 。l 不能提供分缎图像编筠，也不能在丢包率商的情况下应用，也不能 处理隔行扫描的问题，且图像质量达不到电视质量。因此在m p e g 一1 视频的基础 2 强北l 业大学硬士学位论文 第鸯绪论 上，专门针对数字电视制定了m p e g 2 标准。m p e g 2 保留了m p e g 1 的基本技 术，并针对分场的图像格式，使用了帧、场联合的编码结构，能够更好的支持高 分辨率的图像和麓质量的齑频编码。露标码率在3 m b p s 3 5 m b p s 的传输速率条 牟 下，提供目前广播级t v 直到h d t v 的图像编码，同时能够提供质量、时问、空 瓣等多耪可姊臻拣貔( 分缀) 壤鹑撬式。m p e g - 2 不缘m p e g - 1 只是用于静态存 储媒体，而是把皮用目标扩展到单向通道的视频广播领域，如卫星数字电视和有 线电视信号。 h 2 6 3 是r r u _ t 在1 9 9 5 年公布的用于低码率声像服务的压缩标准，是对 h 2 6 1 的发展和掘离。h 2 6 3 建议主鼹应用于会议电视、可视电话等低码率业务， 其有灵活翡输入蠲缘捂式，支持s q c i f ( 1 2 8 9 6 ) 、q c i f ( 1 7 6 x1 4 4 ) 、c i f ( 3 5 2 2 8 8 ) 、4 c i f 和1 6 c i f 蕊种标准化网像格式。其整体结构基本上延续了常规视 频编码系统憋模式，在缀码上，零q 掰帧闻预测减小时间霹余度，聪用变换编码减 小空间冗余度，传输上采用可变长编码技术，解码恢复中应用遮动补偿。为提高 预测无确性和压缩比等性能，它还提供四个可选技术颈：不受限运动矢擞，p b 颧，辔黧预测帮赫于语法静算术编筠。其差捂控潮功能霹对骚采糟蔚蠹鳓镄实魂， 也可由其它协议实现。 出予公用露疆网和羌绫隧络上的抟辕速率仍然缀露隈，嚣鼓误羁事蒜，上述 标准仍不能满足涟类高压缩效率和商误码率信道容错能力的应用要求。l r u - t 推 出了h 2 6 3 + 、h 2 6 3 + + 、h 2 6 l 标准。这些压缩标准在提高编码压缩效率的同时， 增强了对商误确率信道静容错能力，而且郝燕通过选磺静形式妻；现静，献两麓够 兼容本标准的早期版本。 与h 2 6 3 系梦鞠对蔽，m p e g - 4 标准避裁够支持稻率低予6 4 k b p s 豹撬频应 用，同时它还能够支持广播级的视频应用。m p e g - 4 予1 9 9 8 年1 1 月公布，它不 仅是赞对一定比特率下的瓣频、音频编码，受加注重多媒体系娆的交互挫和灵活 性。这个标准主蒙应用予掰视电话、可视电予鄙件等，对传输速率要求较低，在 4 8 0 0 6 4 0 0 0 b i t s s 之间，分辨率为1 7 6 1 4 4 ，m p e g - 4 利用很窄的带宽，通过帧 重建技术、数据疆缩技术，鲮隶稠簸少豹数攥获褥最德懿壅豫瘊蓬。m p e g - 4 诧 m p e g 2 的应用更广泛，最终希望建立一种能被多媒体传输、多媒体存储、多媒 葵检索等废鼹领域普遍采纳的绞一豹多媒体数据格式。出予辑耍覆盖的成用范固 如此广阔，同时，应用率身的要求叉如此不同，因此，m p e g - 4 不同予过去的 m p e g - 2 或h 2 6 x 系列橼准，其压缩方法不蒋是限定的某神算法，而是可以根据 不同的应用，避彳亍系统裁赘，选取不丽翡算法。 h 2 6 4 a v c 标准是i t u t 的v c e g ( 秘频编码专家组) 和i s o i e c 下属的 3 她i 朗业火学硕士学位论文 第一章缝论 m p e g ( 运动图像专家组) 联合开发的一个新的数字视频编码标准，定位于覆盖 整个视频应用领域，包括：低码率魄无线应用、标准清糍度和高清晰度的电视广 播应用、i n t e r n e t 士的视频流应用、传输高清晰度的d v d 视频班艇应用于数码相 机的高质量视频应用等。它采用帧内_ i 贞测、去块效应滤波器、整数变换等新技术， 遗一步撬离了压缩教率，魏浸麓性巍葶i l 交互瞧。 1 ，3 论文的鸷爨秘意义 对睡前常甩视频编码标撩的研究发理，它们无一倒步 的都利用了帧瓣钼关性 的差异泉提高编码效率。所谓帧闻福关性是指在时间上相邻的两幅图像之间只有 一点细微的差异，即意味着两幅图像极尽相似。帧间相关性在运动图像压缁方面 对提高蕊辖效率 鬻毒效，这是一个誊实。对蕊缩效率蕊援嚣 么程度主赘蔽赖 于应用目的和现实状况。如果只看某一个内容，而且为了看它却受到网速的很大 限制时，其压缩效率就会十分受到重视。因此，在这静愤况下，裁皂然会袋用姣 问相关性的图像舔缩。可燕，当需要对某一内容进行编辑，而且，存储器密量很 充足，且网速很快时则没有必要采用帧问相关性。 乖j 翔嫉闯稿美睡豹图像雄缩，其谯煮除与疆臻效攀糖关靛长姓之努t 潮对还 有很多缺点，晟大的问题就是已被压缩的图像数据连到一起的结构，在被压缩的 图像数撼中，要将扶任意一点到另外的廷意患之阕的强像检索蹬亲菲霉藤颊。 也就是说，不能像营通使用的3 5 r a m 胶片那样，简单的抽出从某帧到另外一帧。 这是因为菜一帧对其帧的前一帧有影响，其前一帧又对篡更前帧有影响， 形成这耱连锁形式。当在被疆缩翡图像数据串抽出菜一帧筮橡对，由予该麓像经 过解码后不具备足够的信息，从而也就达不到完美的画质。 最_ i 爰敬来，黢着硬盘等数字存罐系统帮毙鹈络技本骢发震，鞠数字存镰系统 实现大容量化，以及采用波分艇用技术( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ，币来用帧闻相关性的运动图像存储系统也逐渐其舔了实用爨义。 j p e g 2 0 0 0 标准作为j p e g 标准的最新迸麓，正式名称为”l s o 1 5 4 4 4 ”，同 样是由j p e g ( j o i n t p h o t o g r a p h i c e x p e l s g r o u p ，联合图片专家组) 组织礅责制 定，予2 0 0 0 年1 2 弱裁定宠疲。在j p e g 2 0 0 0 标准中，与j p e g 豹名称一移浮翻 c o m p r e s s i o na n dc o d i n go fc o n t i n u o u s t o n es t i l li m a g e 不同，取名为图像编码系 统( i m a g ec o d i n gs y g | e m ) 这样一令潜有普遗髓熊名称。遮么说，对予j p e g 2 0 0 0 来说，静止图像( s t i l lh 玎a g e ) 的提法已经过时了。当然，这是因为m o t i o nj p e g 2 0 0 0 已加入到j p e g 2 0 0 0 标准中第3 部分。 4 溉l b 【业犬学硬士学位论文第一章缝论 j p e g 2 0 0 0 标准放弃了j p e g 所采用的以d c t ( 离散余弦变换) 为盎的区块 编码方戏，而改用以离散小波变换( d w t ) 为主的多解析编码方法。d w t 打破 了传统d c t 的硒限性，并戬变纯弱部格式赢褥了数字显微镜酶美誉，宅在商频 部分使用短窗，低频部分使用长窗，如同变拣镜头一样，既能者清森林( 图像概 装) ，又缝著溃撼本( 霉豫或詹号缨节) 。在趣歪缭霉祷援下，袋臻j p e g 2 0 0 0 没 有采用j p e g 时的马赛克现象，但猩边缘会出现飞蚊效应( m o s q u i t oe f f e c t ) 。对 手同样的图像，采用j p e g 2 0 0 0 在5 0 ：l 的压缩比时获得的图像质量与采爆j p e g 时3 0 ：1 韵霰量箍不多。在同样质熬前提下，j p e g 2 0 0 0 眈j p e g 攘缩比商如l o o o 。j p e g 2 0 0 0 宥一些非常有吸引力的新特性，例如： ( 1 ) 筑舅豹低位速率往麓：蜀平滑蘧避渡蜀更糕耱经速攀。 ( 2 ) 嵌入式码流：j p e g 2 0 0 0 提供了“嵌入式”粥流功能。例如，在码流中 加入曼多的位逐渐提高翻像质量。 ( 3 ) 更好的容错性# j p e g 2 0 0 0 中增加了一系列容错特性。 ( 4 ) 有损和无损压缩：j p e g 2 0 0 0 可同时支持有损和无损雁缩。 ( 5 ) 感兴趣嚣( r o i ，r e g i o n o f i n t e r e s t ) 特往；麓户霹瑗瓣銎豫中簿兴趣嚣 域指定特定的压缩质量。 ( 6 ) 开藏式免费结麴：j p e g 2 0 0 0 标撼躲第l 部分对经辩人嚣免费，不嚣要 交纳使用费或版权费。 j p e g 2 0 0 0 独立压缩每一帧，所以传输锩误只影响一峻，蕊不会传播剥楣继 的图像中。因为没有采蔫梭瀚编码，所以端捌端静等德霹阉幕常低。这一点在许 多应用中是很重要的，例如在无线娱乐应用中，当控制器移动时显示器上的人物 璺矮遗速镀密爱斑，这是蒸宅豹蕊壤标准嚣法实瑷涎。嗣类静疆缭簿凌方案，镶 如m p e g 2 和其它基于时间域的腻缩方案，都是把多帧作为组来压缩，某一帧 的传输镬误通掌会影响该缀中的其它大多数帧，从聪蹲致令人潍娃接受的视频质 量下降。j p e g 2 0 0 0 还能窳现适合消费类价靛的实对疆缩h d t v 视频，菇成本只 是其宅技术的几分之。 蠡麸j p e g 2 0 0 0 标壤公毒之嚣超，入稻藏开始了瓣宅蠹萼辩究。嚣兹，诲多基 于该标准的图像处理软件已经推出，在互联网上可以查到的脊k a k a d us o f t w a r e k d us h o w ，m o r g a n 。m j p e g 2 0 0 0 。c o d e c ，i m a g ep o w e rj p e g2 0 0 0c , o d e e ，l u r a w a v e s m a r t c o m p r e s sf r e e w a mf o rw i n d o w s 等。猩硬件设计方面的研究也在迸渐开展， 文献 6 7 1 1 8 都是这方面的研究，然而这螳研究工作= 捧没有取得实际的应用。胄 消惑称2 0 0 5 年8 冀鑫= l 清华大举电子工程系帮徽电子学磷究新莛鞫研到魏 “j p e g 2 0 0 0 编码芯片t t t j 2 k ”专用芯片1 谯北京通过了技术成果鉴定，其主要按 磺北土：啦大学硕士学位论交第一章蜷诧 术和性能指标已选到国际同揽产品的先进水平，这的确是个令人鼓舞的消息。 美围a d 公司一直是耩于小波变换技术襁频压缩研发的倡母卷，并予2 0 0 4 年推出了能实时聪缩和解挺缩高质鬣运动图像和静止数字图像的j p e g 2 0 0 0 编解 码芯片a d v 2 0 2 。日本国家广播公司n h k 已成功运用a d v 2 0 2 芯片于其最新高 清蠹麦电_ 褫( h d t v ) 率。a d 公司鞠p u l s e l i n k 公司开发密盈界首获翔予无线 娱乐应用和数字视频录像桃的实时 - t d 无线视频传输解决方案。然而通过落阅相 关文献，我 f 】发残毽魂对a d v 2 0 2 的磺究还缀少，露熊本文对a d v 2 0 2 瓣研究 在国内具有领先意义。 1 4 本文研究内容和缭构安捺 奉麓论文获撬频信号援缨豹必簧牲帮霹行往谈起，嚣先分辑了g l 蓠鬻舔鑫萼程 频编码标准，在此基础上提出了基于j p e g 2 0 0 0 视频编码的应用范围及优点，并 且戳美隔a d 公司摧出的j p e g 2 0 0 0 编解秘芯片a d v 2 0 2 为核心设计了一个 j p e g 2 0 0 0 视频编码系统，分别给出了系统的硬件设计和软件设计过程，并对试 验结果进行了分析和讨论。 第一章：分据了视额稽号压缩豹必要性翔可行性，结舍现考视频压缩标准绘 出选择j p e g 2 0 0 0 作为视频编码标准的理由，给出本论文的背景和意义。 第二毒：然惑俸主黠i p e g 2 0 0 0 标准进行套鳃，籀述该振毽瓣产生骛最、缝 成部分、特点与应用、编解码基本框架以及所涉及豹关键技术。 第三! 章；介绍本系统的核心芯片a d v 2 0 2 ，并论述纂予a d v 2 0 2 的j p e g 2 0 0 0 视频编码系统的硬件设计。 第四章：介绍了基于a d v 2 0 2 的j p e g 2 0 0 0 视频编码系统的软件设计。 篱氮章：绘瘩系统嚣调试步骤，势对软硬份调试过穗孛出瑗鹣蠹霉露进行努辑。 最后对试验结果进行分析，得出了系统的试验结论，并对试验的完整性迸步设 想。 第六章：对全文作一憩结，并对毕业设计过程中酌收获和体会进行憨结。 6 璧! ! 圭些查茎璧圭耋篓兰兰 堑三耋! ：兰：! ! ! 堡茎 筹二章j p e g 2 0 0 0 摄述 2 ij p e g 2 0 0 0 的产生背景 j p e g 全名为j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r t sg r o u p ( 联合匿片专家组) ，是一个 在国际括准缝织( i s o ) 下获事静态翔豫嚣鳐括准裁定熬委曼会。它手2 9 整纪 8 0 年代末9 0 年代初制定了篇一套国际静止图像压缩标准：i s o1 0 9 1 8 1 ，即通常 所酷的j p e g 。它旗子离散余弦变换( d c t ) ，冀法复杂度低，压缩性能较好，在 短短几年内获得了极大的成功，礞前潮站上酉分之八十的凋豫都采用了j p e g 压 缩标准。然而，随藩个人计算机处理速度的飞速增长，以及多媒体应用领域的激 增，往翔数字嚣德逶行信塞交换的嚣求不断璎获，对墅缀压缩技术据氆7 蔓褰豹 要求。j p e g 标准逐渐显示出它的不足，例如：低比特率压缩性能不高：不能在 隧一个愿绩玛藏中同时提供缀好的窍损压缩霸无损压缩；单一的解匿壤体系结 构；抗谖码性能不够强大；不擅长对计算机绘制图形的编码压缩：对复台文档压 缩性能不佳等。间时，基予小波变换的图像压缩算法f 1 髓成熟，为新压缩标准的 锎定提供了解决方案。霞藏，更高匿缩率鞋袋更多薪功麓豹新往静态鹫撩压缩 技术j p e g2 0 0 0 就应运而生了。j p e g2 0 0 0 藏式名称为i s o1 5 4 4 4 ，同样是由 j p e g 缌织受贲刳定。 2 2j p e g 2 0 0 0 的组成部分 j p e g 2 0 0 0 标准的制定分为第1 部分至第6 部分和第8 部分楚第l1 部分。其 中，表2 - 衙判酌第1 部分至第6 部分筵予l s 纯酴覆或萁最螽阶段。第1 部分 相当予以最低限艘级别实现j p e g 2 0 0 0 追加功能的基线编码系统( 核心系统) 。 e 莛撬褰数攥戆嚣换蛙，第2 邦势受热重视撬蘸牲蕤，是了提羯压壤特瞧耪压缩 特殊的数据类型，扩展了熬线系统的功能。从第1 部分和第2 部分所扩展的功能 要能使爨化器采用格式码爨化，而强用户可以定义小波变换滤波器。j p e g 2 0 0 0 虽然是针对静止鞫像的编码方式，髓可以假设运动鞠像为一连审静止圈像( 顿) 的序列，为了用j p e g 2 0 0 0 压缩各圈像帧而扩展的规定就是第3 部分。这被称为 7 积- 工业大学硕士学位论文第二章j p e g 2 0 0 0 蜒述 m o f i o n j p e g 2 0 0 0 。第4 部分以后不是图像压缩算法的规定。第4 部分是关于标 准依据性的信息。第5 部分是参考软件的规定。第6 部分是以字字警和图的混合图 像为对象的代璃格式规定。其余的第8 部分至第“部分包括关于安全人枫对话 协议、对三维立体图像的编码应用，以及无线应用的规定。 袭2 lj p e g 2 0 0 0 标准辩各舔分 部分标题 目的 l棱心编强系缓援定了实袋爨蔷j p e g 2 0 0 0 功基零帮势( 核心) 抟c o d e c 2 扩展规定了为应用核心编码系统无法对应的功能扩展 3m o r i o n j p e 0 2 0 0 0揽定了鞋帧内编码形式将j p e g 2 0 0 0 餍丁运动露像压缩的扩展 4 依据性测试规定了用于依据性测试柏规程 5 参考软件提供实现标准参考的样本软件 6 溉台髫像文释格式瓣定了瑕强澎文字滢台瀚像为对蒙韵代码格式 2 。3j p e g 2 0 0 0 戆特煮与痉是 j p e g 2 0 0 0 燕毅的图缘压缭拣礁，其曩糍楚在一个统一驰集蔽系统中，在不 同的应用环境下，对不同特征、不问类型的静止图像进行压缩，在低比特率的情 况下，获得比目前标准更好的率失冀性能和主观图像质蹙。具体米说，j p e g 2 0 0 0 主要有以下特点： 良好的低比特率压缩性能：这是j p e g 2 0 0 0 最彘要的特征。在网络带宽 受到稷大蔽翻麴猿况下，必须甄投低婚事压缩潮檬。强靛懿j p e g 标准， 对于细节分量多的灰度图像，当压缩码率低于0 , 2 5 b p p 时，视觉失真大。 嚣j p e g 2 0 0 0 在低 e 褥速率下性能优予目前o r p e g 标准，能不牺牲速率 畸变范嗣的性能就可实现低比特速率性能的明显改善，潮此能适j 蒽窄带 网络、移动通信等带宽有限的应用需要。 奄损帮尧擐压缩：在p e g 2 0 0 0 系统中，哥戬通过选择参数，毒廷壤实际 需要，谯同一个压缩码流中同时提供有损和无损两种压缩。这可以满足 匿像厦鬣要求很藩艴医学鲻像、匿像蓐等方露的处理震爨。 按照象索精度或者分辨率进行渐进传输：所谓的渐进传输就是先传输图 像轮廓数据，然后辫逐步传输其他数据来不断提高图像质量( 也就是不断 建囱国像中插入像素敬不断提高图像豹分瓣率) 。这特性龛许强豫按爨 所需的分辨率或象索精度进行重构。用户根据需要，对闺像传输进行控 s 秘靶工虢天举颤卜学钕论文 第二章j p e g 2 0 0 0 概述 制，在获得所需豹图像分辨率或质量要求后，便可终j t 解码，而不必接 收解褥熬个图像熬燕嬉鹚流。 连续包调瀚橡帮= 蘧图豫静篷攘：强穆静j p e g 标准对于蠡然鹈像鬃舂 较好的压缩性能，假用于计鳟机图形期二值文本压缩时，性能变蒺。 j p e g 2 0 0 0 可以健弼襁似的资源在个标准缡 g 系统中实现对遣续媳调 图像和二值图像的琏缩，并且对每个彩色分璧，都能使用可变动态范 溺( 弛l 1 6 b i t ) 进行疆缩和解匿缩。 随祝涛潮鞠楚理罐缩鹃流：国于j p e g 2 0 0 0 采掰球渡技术，耐搿其周帮 分辨特性，兔诲用户在图像中宠义感兴趣区域( r e g i o n o f i n t e r e s t ，r o i ) ， 在疆缩妈瀛中标识r o i 。用户不仅霹l 三l 使用魄蹦像其德部分小褥多的失 冀度对该区域解压缩，而且可以在厦缩情况下对陵区域进行翻转、缩放、 剪切、滤波等处理。 强的抗误码性能：潮像数据往往在不糊的通信信道上蒋输。在无线通讯 僚遵上，噪声干挽灾，霹嚣鼗隧掘茅【l 莲茨牲抟位错误。i n t e m e t 避绩盎于 佟辕堵塞弼霹熊丢失数据。遮就蓑塑媾辕数蕊壤褥流蒸簿较强瓣容糖性 能。j p e g 2 0 0 0 系统通过采取限制错误扩散、在位流中鼹入同步标识等 措施，提蕊码流的键壮性，减小强解娼失败造成的l 要像失真。 围定速率、固定大小、存储空间有限的应用环境：由予处理的图像越来 越丈，这黻割了硬梅实瓒毯凝带宽资源和存储空闺有限静瘟瘸需簧。 j p e g 2 0 0 0 采焉分块技术等采簿狭落装阏遐。 旗予内容的描述：j p e g 2 0 0 0 在对图像的码滤健输时，抛供额辨的关于 翻像走容的描述绩息，通过这个特性，就可鞋方便建嶷关予罂豫内容约 数据库检索，从而使得图像检索在甄联网搜索中成为可能。另一方面， 这个特性对于一个校丈容擞静圈像数攥痒的维护鞠检索来说，也楚必不 可少的。 嚣放的攥絮结梅：为了在不阉的图像类型和废髑领域饯拢编码羝统，提 供一个嚣放的糕架臻构是必须嚣。在遮静野皴戆缝构中编弼爨只实现竣 心的工县算法和褐流的解析，如果需要解码器可以要求数据源发送来知 的工其冀法。 豫上述主要特点穸卜，j p e g 2 0 0 0 述提供与m p e g 4 的接口，辩在图像安全保 护、交按等方稳佟了考纛，强与j p e g 耩准兼容。 奎予其鸯鼓上特点，j p e g 2 0 0 0 褒鞠缘艇臻上戆卓越性辘不仅弥替了j p e g 标准在许多领域的不足，丽且还可开拓以前的嘲像压缩采曾涉及的应用市场和领 9 援靶一1 、监大学砸l ：学捉论文 第二章j p e g 2 0 0 0 概逮 域，具有广阔的应用前景，广泛应用于以下领城： 图像的低比特率传输：出于j p e g 2 0 0 0 的压缩跳高，低 e 特率下的图像 传输效槊好，适用于网络图像传输、移动通信以及其他传输带宽受限的 应用。 莲学銎豫魏无损庸搂匿缩；对于当翡靛疆学鬻豫鲣理蘑富，逶常只鼗使 用无损压缩，以谶免引起所需观测的器官部位的图像失真，因此医学图 像压缩比不赢。j p e g 2 0 0 0 可在同一个压缩鹞滚中提供无损和鸯擐两秘 压缩处理，通过对所要观测的图像部分进行无损压缩，萁他菲相芙部分 进行有损压缩，可在保证图像质量的同时，提商压缩比。 客户壤务器应臻：密于j p e g 2 0 0 0 袋孀了e 转c o t 嵌入式羁映编褐算法 思想，因而可根据网络带宽、显示设备的大小对图像进行质量和分辨率 疆配，褥烈最佳的鳃玛效鬃。 数字国书馆：随着计算机和网络的普及，数字图书馆越来越受到人们的 喜爱。采用j p e g 2 0 0 0 进行渐进式图像传输，便予读者网上浏览。 数字摄影：j p e 0 2 0 0 0 支静蕊像获焉损妥有趱酌压缩，露潋辗穗需要， 灵活处理图像质量。 鸯予j p e g 2 0 0 0 拣准第3 部分m o t i o n - j p e g 2 0 0 0 其毒亵绦囊蜒嚣缘袋薰，强 的抗误码率，将在以下领域也取得广泛的应用： 电视监控：由予m o t i o n - j p e g 2 0 0 0 的离压缩特性和消除了方块效废以及 可以对视频醒像加 = ；窭释，从而使褥可以在巯控领域使用 m o t i o n j p e g 2 0 0 0 。它良好的注释特性和满意的视频图像质量，必将使 褥m o t i o n - j p e g 2 0 0 0 在鼗控锾蠛占蠢巨大豹啦场。 电视会议：由于m o t i o n - j p e g 2 0 0 0 可以提供在低比特率时的高质照的视 频图像，健得在网络拥接的情况下，仍然可以在用户端褥到满意的视频 图像，这个特性将使m o t i o n - j p e g 2 0 0 0 在电视套议领域褥到广泛的应用。 数码摄像：由于j p e g 2 0 0 0 图像文件县有很商的压缩率，视频图像文件 使用m o t i o n - j p e g 2 0 0 0 褥其占有稷小静空间，这就解凌了在数鹳摄豫领 域要求拍摄时间长与相机存储空问小的矛盾。所以，m o t i o n j p e g 2 0 0 0 壤在数鹞摄像镊域墨大存哥为。 此外，j p e g 2 0 0 0 也可应用于彩色传真、打印、捆描、遥麟、移动通信、和 电子商务等方面的数据压缩。 0 西- i tt 业大学硕l ：学妊论文 第拳j p e g 2 0 0 0 概述 2 4d p e g 2 0 0 0 编解碣的基本框架和实现 j p e g 2 0 0 0 编解码的结构框图如图2 。1 所示，在编码过程中，对原始图像数 据进行离散小波变换，然屠对变换焉的小波颓数进行量化，接羲对量化艨的数据 熵编弼等，最搿生成压缩图像数搦。在解码过程中，作为编码过程的反过程，首 先对压缩码流进行熵解码，然后进行解量化和离散小波反变换，最后重建图像数 据。 匿2 一lj p e g 2 0 0 0 编码和解码的结构框图 褒j p e g 2 0 0 0 编簿弼串，嚣毒豹圈像区域分量( 惫瑟萁宅与区域葙哭静续梅) 均依据一个高分辨率的参考栅格( r e f e r e n c eg r i d ) 而定义，图2 - 2 为定义参考栅 格的不同参数的示意图。 ( 0 ，y s i z - 1 ) 强2 。2j p e g 2 0 0 0 瓣参考援搀承蔫蕈 参考栅格憋一个数据点的矩形格点区域，其数据点的下标范嘲为( o ，o ) 到 1 曲- i ll 业大学硕士学位论文第二章j p e g 2 0 0 0 概述 ( x s i z 一1 ，y s i z 1 ) 。图像区域是定义在根据维数参数( x s i z ，y s i z ) 以及( x o s i z ，y o s i z ) 描述的参考栅格之上。通常在参考栅格上的图像区域由它位于( x o s i z y o s i z ) 的左 上方栅点和位于( x s i z 1 ，y s i z 。1 ) 的右下方栅点定义。 第i 个分量的采样点是参考栅格上( x r s i z ( i ) ，y r s i z ( i ) ) 的整数倍，其中x r s i z ( i ) ， y r s i z ( i ) 表示分量i 的采样间隔参数。只有这些落入图像区域内的采样才真正属 于该图像分量。这样，分量i 的采样被映射到一个矩形图像分量域，其左上方的 采样点坐标为( 。o ，y o ) ，右下方的采样点坐标为( 1 l - 1 ，y l 一1 ) ，这里： lx o s i z7 x s i zff y o s i z fl g s i z f x 0 2 i 丽l 铲i 面1 虬2 l 面i i y l2 i 丽丽1 于是，分量i 的维数为： ( 宽，高) = ( 五一x 0 ，y l y o ) j p e g 2 0 0 0 的处理对象不是整幅图像，而是把图像分成若干图像片( i m a g e t i l e s ) ，对每一个图像片进行独立的编解码操作。术语“图像片”( t i l e ) 是指原始 图像被分成互不重叠的矩形块，对每一个图像片进行独立的编解码处理。在对每 个图像片进行小波变换之前，通过减去一个相同的数量值对所有的图像片进行水 平移位，对于多分量图像还需进行分量变换，如图2 3 所示。 口困囝亟亟匦塑圃 ln +牛 水平 牛+ + n 位移 l批ll _ _ 。 分量 n赶一 午 变换 图2 3j p e g 2 0 0 0 图像片水平位移、分割、d w t 变换示意图 小波变化后虽然变换系数的个数没有减少，但信息的分布却发生了很大的变 化，大部分能量集中在少数的小波系数中，而量化则可以减少大量幅度很小的系 数所携带的能量，从而提高整体压缩效果。量化主要是针对有损压缩进行的，无 损压缩不做量化( 即量化步长为1 ) 。 经过上述变化以后的图像数据在一定程度上减少了空域和频域上的冗余度， 但这些数据在统计意义上仍存在一定的相关性，为此采用熵编码来进步消除数 据问的统计相关。j p e g 2 0 0 0 中所采用的熵编码器为m q 算术编码器。 2 积- t 工业( 学硬士学位论文第二章j p e g 2 0 0 0 概逮 整个j p e g 2 0 0 0 的编码过程可概括如下： 通过直流平移去掉图像片中的直流分量( 可娥) 。 通过分擞变换将鞠像变换剃合遥的彩色空闻( 可选) 。 对每个图像片进行离散小波变换。 对势簿蕊麓小波系数遴牙曩仡莠缝藏楚形懿编码块( c o d e - b l o c k ) 。 对在编码块中的系数“位平面”熵编码( 即m q 算术编码) 。 为使码濂具有容镄性，在码流中添烟相应的标识德( m a r k e r ) 。 用可选的文件格式来描述髑像和它的各个成分的意义。 2 ，5j p e g 2 0 0 0 豹关键羧术 在上述编繇遘程孛，j p e g 2 0 0 0 采翔了多耱接术，本节瓣其串主要静关键技 术，如小波变换技术，艇缩码流的可分级技术，感措趣区域( r o i ，r e g i o no f i n t e r e s t ) 处理，弼流随机卷取技术，抗误码技术等进行豌单舟绍。 2 5 。1 小波变换技术 所谓小波变换其实磺就是将信号向一系y u d , 波基上进行投影，j p e g 2 0 0 0 与 j p e g 的本质区别就在于j p e g 2 0 0 0 采用小波变换进钳图像压绒。 不同于传统的变换，小波变换典有对信譬进行多分辨分析相反硖信母局部特 征的优点。通过“变尺度”和“平移”运算，小波变换在空域和频域上为图像提 供大小可交匏滔动蜜叠，在不同的哭褒主对辫像进学分辑，获敬强豫在甭网空壤 和频域上的局部特征。多级小波分解后，小波系数在f 瞧近两级之间存在位鬣相关， 透过多分辨表示，对位置绩怠编碣，可反映豳像的部分边缘傣惑，在僳谜匿缩毙 的基础上，使羹构的图像具有较好的主观质鬣，可避免j p e g 标准困采用d c t 变换霄i i 造成的方块效应。 藏舞，对鬻豫信号避括多毅枣波分解，可褥舞不褥空阔势辨窭鹊翻像遥近， 使得压缩码流具有空间分辨率可分级的特性。这一特点允许压孀码流在不同的分 辨率躺 暮 器上瓣鹣、显示。 在j p e g 2 0 0 0 的编码系统中，每个t i l e 进行m a l l a t 塔式小波分解。经过大量 的测试，j p e g 2 0 0 0 选用两种滤波器：l cg a l l ( 5 ，3 ) 滤波器帮d a u b e c h i e s ( 9 ，7 ) 滤波 器。前一种滤波器是定点运算，可翔于有损或无损萄像压缩；箔种是浮点运算， 只能用于有损聪缩。 1 3 西北工业火学硕士学位论文 第二章j p e g 2 0 0 0 概述 小波分解j p e g 2 0 0 0 推荐采用提升小波变换快速算法。提升小波变换的优点 在于速度快、运算复杂度低、所需的存储空间少，而且，得到的小波系数与使用 传统小波变换结果相同。一级f 向提升小波变换的具体过程如图2 4 所示。首先 对二维图像数据进行列方向与行方向上的维滤波，然后把滤波后的数据进行解 交织，得到相应的l l ，h l ，l h 和h h 小波系数子带。与正向提升小波变换过 程相反，反向提升小波变换则先把l l ，h l ，l h 和h h 子带交织成一个二二维矩 阵，然后进行行方向和列方向上的反向一维提升小波变换，得到图像数据。 图2 - 4 提升小波变换示意圈 2 5 2 压缩码流的可分级性 图像的可分级压缩编码是指通过压缩可获取多于一个质量级或分辨率级的 图像。j p e g 2 0 0 0 采用的e b c o t ( e m b e d d e d b l o c k c o d i n g w i t h o p t i m a l t r u n c a t i o n ) 算法所具有的分层组织形式，以及小波变换的多分辨率特性，使压缩码流在解码 时，只需解码一部分码流子集，便可重构出一定质量或分辨率的图像。其中每个 码流子集表示对源图像在某一分辨率或质量上的有效压缩。可分级压缩码流的优 点之一是可以提高码流的容错性。 压缩码流可分级性有两种：质量可分级和分辨率可分级。 质量可分级性，也称信噪比( s n r ) 可分