（模式识别与智能系统专业论文）jpeg2000标准中的roi编码方法研究.pdf

摘要 擒要 本文深入研究了潦于j p e g 2 0 0 0 静止图像愿缩系统。首先提出了一个在 j p e g 2 0 0 0 标准酶基础上改进的上下文生成方寒，它是基于当瓣位平匿一个系数产 生簸重蘩僚患对当爵位平面其它系数酌上下文不产生影响的这个琢掰。这个方法 在基本不降低压缩质量的前提下，提高了编解码的执行速度，降低了操作复杂度。 其次针对撼予j p e g 2 0 0 0 的r o l 编码，采用u p s c a l i n g 法，提出了四叉树编码和提 舅率失囊麟率豹算法_ i 蕊行图像编码，羹巾季l 滔强叉薅编礞r 0 l 形状信怠，程霭提 升率失真米增加r 。j 的截断字节，达到r o i 编码的蟊的。最后文章提出了一种基 于j p e g 2 0 0 0 的r o i 交互式设计方法，该方法采用鼠标交互式地定义感兴趣区域 的顶点坐标，然后采髑矗线连接算法实瑶区域的封闭设计，接着逆行区域快速填 充算法褥到r 0 l 魏定义，最后通过提升小渡域翁_ r o 掩镤区竣、编码顶点凳栎和 位平面编码实现最终的交互式r o i 编码。 关键嚣：r o l 毒p 嚣g 2 0率失粪 上下文攮黧 e b c o 蕈 a b s t r a c t a 转s 罩r a c t t h i sp a p e ri st h o r o u g ht os t u d yt h es t i l li m a g es y s t e mb a s e d0 nj p e 0 2 0 0 0 f i r s t l y ， a ni m p r o v e ds c h e m eo ff o n n i n gc o n t 。x tb a s e do nj p e ( ) 2 0 0 0i sp f e s 。n t e di nc a s et h a t t 囊es i g 建i 蠡c a n ti n h 弧嚣i o no fae f 嚣c i e n ti n 矗ep f 它s = n | b i l p l a | l od o 芒s n 疆 强e t 担o c o n t e x to ft h eo t h e rc o e m c i e n t si nt h a tb i t - p l a n e s e c o n d l y ，b a s e do nt h er o ic o d i n go f j p e g 2 0 0 0 ，u s i n gt h em e t h o do fu p s c a l i n g ，q u a 】) t r e ec o d i n ga n dd i s t o n i 0 1 1 - r a t e s l o p e ss h 至谯a l g 。r i t h m 甜ep r 。1 ) o s e d ，w 撼c hu s i n gq u a d 溉et 。e o d em e 羲g 毡r c i n f o r m a t i 0 1 1o fr o ia n du s i n 譬d i s t o r t i o n r a t es i o p e ss h i rt oi n c r e a s et h el n l n c a t i o nb y t e o fr 0 1 ，s ot h ep u r p o s eo fc o d i n gr o ll sr e a c h e d f i n a l ly ia nr o ii m e r a c t i v ed e s i g n m e t h o db a s e do nj p e g 2 0 0 0i s 口u lf o r w a 柑，t h em e 枷o du s e si n t e r a c t i v em o u s ct od e 螽n e 像ev e 娃e xe o o 蠢i n 垂e 西i 越e r e 或i 强窖8 r e a ，n d 珏s o 疆em e 氇o do fs 棵a i 黪t i n ec o 撞1 1 e e i n g t or e a l i z et 1 1 ec l o s ed e s i g no fn e l d ，t h e ng e tt h ed e n n a t i o no fr o it h r o u g ht h er n e t h o do f a r e a f a s t 订“i n g ，a t1 a s ti n t e r a c t i v er o ic o d i n gi sr e a l i z e db yi i 赍i n gt h eo r im a s ka r e a 醴w a v e l e td o m a i n ，c o d i 娃gv e n e xe o o 斑l 娃戡ea 列b i l 巾l a l l ee 。d i n g k e yw o r d s ：r o i j p e g 2 0 0 0d i s t o r “o n - r a t ec o h t e x t m o d e ie b c o t 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同t 作的同志刘本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 票雯薹篓冀糊不实之处，本人签名：y 型里盛 本人承担切相关责任。 日期鱼坚旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文 本人签名： 导师签名： 日期塑! ：! 堕 r 期2 1 f ：! 基 邈罾 篇一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 夔饕现代瓣络逶谖辩无线遂试羧零夔飞速发骚，蓬爨瑟然菠零已经褥副了越 来越广泛的应用。与此同时，人们不断追求的离压缩比和尽可能小的图像俺息失 真之间的矛盾也f 1 盏突出。感兴趣区域( r o i ) 编祸处理方法为解决这。矛膊提供 了一耪鸯效豹途径，成为近年柬蹬豫赴理领域的磷窥热点之一。 联会濑侮专家组( j p e g ) 为了燹好遣满足入们在蓠豫压缩镢域筑吾鞫寝籍蒿 求，于2 0 0 0 年1 2 月推出了新一代的静态图像压缩标准j p e g 2 0 0 0 ( i s o1 5 4 4 4 ) i ”。在制定j p e g 2 0 0 0 图像压缩标准的过程中，联合图像专家缎始终将能否灵活有 效建支捺r o 编羁处瀑佟为餐量该繇礁蕊一兮羲甏指标譬 ，为实璎r o 缡码堤婺 了一个馥好的平台，从而推动着r 0 j 编码研究不断丰富、完蓉，应用更深入、广 泛。 委1 2 小渡塑像缡鼹按零 在湖像编码领域，由于小波变换共有描述非平稳信号的独特优点，可将图像 信号分鳃艘不慰空瓣分辩搴、不同灏率特征窍方淘性特征的子图像篷号，这埂子 在失翼缡褥孛综合考虑人豹视觉祷瞧，嗣露遵翻子圈豫豹逐渐浮觋传臻。弱终， 它作用于图像的整体，在有效去隙剿像的全局棚关性的同时，愤量化误麓分散到 整个图像中，避免了j p e g 方法肼】带来的“马舞克”方块效应。所有的这然优势 傻褥枣液图像壤璃裁为一摹孛援育旃途麴藕羁方法，它嚣其餐的赢压缚潜力也噩不 断为备围学者的研究成果所证实熨。近年来涌现媳柬的一些蒺予小波变换的压缩算 法，引，结合特定的鬣化和编码方法，普遍能够在高压缩比下获得比j p e 0 耀为理 想戆压缩性能。其中爨为突基数是髓8 p i r 。提出的态嵌零树编褥v ( e z w ) 疗法饔 s a 强与p e 撕m a n 提出豁基子分屡树集台劳割编褐潮( s p j ) 方法。最近制定拘淘 像编码标凇j p e g 2 0 0 0 3 】就改变了传统j p e g 标准以离散余弦变换( d c t ) 为核 心的变换方法，采用了熊有能量特性更为集中的小波变换方法【 4 l 和以e b c o t ”m 为 菝心弱痨焱缡筠算法。 1 9 8 3 年，b u r t 和a n d e r s o n i i 6 】在图像压缩中酋次引入多分辨率分析。ma 1 1 “1 7 l 是第一个描出多分辨率分析和小波炎换关系的人。d a u b e c h i e s 【1 8 j 深入研究了离散小 演交换并露菠这静，j 、波变换成舞一释滚行酶数学：具。最开始蕊关予小渡分褥鬈 予强豫蕊缩中魏论文秽 s 、挣捌穰好静棒现了，、波麓蕊缩效莱，扶丽穰多学者歼始研 究小波图像压缩算法。菠国f b i 则把小波变换成功地应用于熟指纹数据岸燎统中 j p e g 2 0 0 0 标凇中的r o l 编确方法研究 旺”。通过使用小波滤波嚣和子带分解技术，大量的研究已经发现了小波图像雁缩 懿主要援缮，著怒小波缡妈称羹予繁缡辫1 2 ”。现在豹子露编弱鞠小渡缡璃圭要指 同一个系统，但描述的角度略为不鳓。现在的小波编码器一般分三部分；去相关 的小波变换，量化器和熵编码。 早期的小波编码铡蘩予小波基及篡性质的磺究，u n s e r 吲发现了在图豫缡妈中 其有一定优势的祥条小波。r i o u p 磷究了正交基的平游往在压缩系统中豹羹簧性。 a n t o n i n p l 在研究了消失矩和平滑性之后，指出了平滑性在编码中的地位要比消失 矩更为重骚。v i l l a s e n o r 对所有长度小于3 6 的双爪交小波滤波器进行了系统地研 究，并在实验中绘塞了畿往魏9 ，7 ) 小液墓，9 ，7 ) 小滚藏为磊来小波缡羁算法中袋零 用的小波。e o i f m a n 和w i c k e r h a u s e r i 2 6 j 研究了最佳小波基，提出了接近k l 变换的 小波包变换，小波包变换曾成功应用于美国f b i 的指纹编码中【2 。另外小波变换 时的边爨鲶理也影响到黧像编码懿锻戆，b r i 或a 聃矗孙分捱了对称扩震的缨节阀题， h e r l e y i 2 8 ，2 争i 对在边界保掩正交豹边界滤波器进行了研究。 现在的小波编码器则侧重于子带小波系数的组织和结构表示。一种是利用带 悯的相似性，如采用零树结构的编码算法。零树编码就是表示小波子繁结构的高 效编褐箕法。l e w i s 稻歉n o w l e s 吲第一次佼疆了零礴结稳，这零孛绪稳有效遗撼述了 二维二进小波分解的子带结构。s h a 口i r o f 7 l 则成功地通过零树的鬃会分割来描述小波 系数的重要值和零值，而且码流具有内嵌特性，硝率控制简单。s a i d 和p e a r l n l a n 提出艇s p 算法f 踟刘绘出芬高效魏集合分割蓉瞧，获褥瑟赢麴压缀性熊，成 为小波图像编码算法的通用基准。另一种利用带内相关性，山予小波系数具有能 量集中特性，因此可以在子带内进行系数的分类表示，如c h r y s a d i s 提出的s b h p 算法，l s l a m 提出的s p e c k 算法【3 2 l ，t a u b m a n 撼嫩的高性能e b c o t 算法1 1 5 】等。 还有剩焉，l 、波分解螽窆澜频率待往豹编码算法，麴x i o n g 提出的s f q 编码p “”j ， w i n g e r 提出的s r s f q 编码 3 6 1 等。目前小波图像编码方式更趋向于多元化，比如 c o t r o n e j l 3 7 j 提出了多小波编码，还有s e r v e t 幻i 粥1 提出的基于形态学的小波编粥，以 及裁_ 焉入豹援赞系绫模鍪懿蠢、渡缡秘方法p w 等。 1 3 图像数据编码标准 圈豫编鹳这一经典赡磅究课题，经过5 0 多年瓣磅究已有多莓孛残熟鳃方法，特 剐是所谓的第一代编鹃避是如此。毽图像编码技术真正走向实厢化、产业纯并得 到飞速发展，则是近1 0 年的事，其标志就是国际上集5 0 年来的研究成果制订出 的一系列嘲际标准。同时随蕾多媒体技术的发展以及超大规模集成电路工麓的发 震，使得磷潮趱集成凌嬲、蓬麓更静静圈豫绽羁专羯芯片蔽为哥麓，并逐逮转诧 为各种新产品，从而引来了数字图像通信的黄金时代。其代表性应用就是数码相 第一章绪论 提、数字魄援、会汉瞧程、因特阚、援叛点撵、瞧予商务，以及v c d 、d v d 、霹 视电话等。为了在全世界范围内程谶数据压缩披术的应用，自8 0 年代初到9 0 年 代末，国际标准化组织( i s o ：i n t e h l a “o n a js 招n d a r d j z a t i o no 嶝a n i z a t i o n ) 、围际电 工委员会( i e c ：i n t e r n “o n a le l e c t r o t o c l l n i c a lc o m m i t t e e ) 和因躲电信联盟( 1 t u ： l m e r n a i o n a l 瓷l e e o m m 蛐i e 戤i o n su n i o n ，蓊囊虢逶国际电缀电话咨稳娄员会 c c i t t ) ，开始制订一系列图像数据建议和标准，并成立了联合技术委员会( j t c ： j o i n tt e c l u l i c a lc o m m i t t e e ) ，负责标准化的工作。遮些国际标准的建立集中体现了 图像编弼巍十年魄研究成靛，不仅极大造接动了数据压缩技术麴实矮纯、产监 二， 同时也在一定意义上刺激了信源理论研究的避“步拓展。 目前，众所周知的一些编码标凇有；j p e g 、j b i g 、m p e g 和h 2 6 x 等标准【6 】。 j p e g 标准在1 9 8 6 年，j t c 成立了联合图像专家组一j p e a ( j o i n tp 1 1 0 t o g r a p h i c e x p e 娃g r o u p ) ，逶 予驭瘦弱彩色静走鹜豫编玛弱标准讫工 睾。在比鞍了一系列压 缩算法詹，j p e g 成员在1 9 8 8 年选择了以离散余弦变换( d c t ) 为核心的编码方 法。从1 9 8 8 年到1 9 9 0 年，j p e g 成员继续对算法进行仿真、测试和证明。j p e g 在l 蚴l 每残为国际括准孳寨( d l s ) ，1 9 9 2 年成为闲际标准( 1 s ) 卧4 2 l 。在 鸲5 ， 又推出了适合无损图像压缩的j p l 三g 。l s 标准i 4 3 。随着多媒体和网络技术的发展， j p e g 已不能满足当前市场和应用的需暮，在2 0 0 0 年，j p e g 专家组又制汀了最新 的国际栎凇j p e g 2 0 0 0 。 毒b l g 标难最旱瀚二谴圈豫歪维标准是l 下u 扶1 9 8 0 年开始翻订豹g 3 、g 4 标 准，主娶应用于传真机文件压缩。后柬j t c 成立了联合二值图像组j b l 0 ( j o i n t b i 1 e v e l i r n a g e g r o u p ) ，在1 9 9 4 年制订了二值图像或低精度的坎度图像的无损压缩 国际标壤稻l g ，其性能离予g 3 、g 4 ，蠢量遥台激遘砖输。杰2 0 0 0 年又蠢汀蔌鹣 二值图像标准j b i g 2 删。 m p e g 标准i s o 的活动图像专家组( m o v i n gp j c t u r ee x p e r tg r o u p ) 负资制订 用于数字存储媒介中活动图像及伴誊的编码标准。1 9 9 3 制订了在c d r o m 、硬盘 等媒介1 存储e l f 格式视颓静m p 毯g 标准( 速率小于 5 m b p s ) 。 9 9 5 年制订了 m r e g 2 标准，其比特率扩大到1 0 2 0 m b p s ，支持h d t v 格式。近年来又制订了针 对不同应用的m p e g 4 翘m p e g 7 标凇。 珏。2 6 x 拣准早杰1 9 8 4 年，l 罩0 簸裁订了数字程赣编码标凇 l ，l ，0 。为了逶应 可视电话和会议电视的需要，i t u 的可视电话专家组承担了视频编解码标准的制订 工作，在1 9 9 0 年制订了在i s d n 上传输的h 2 6 i 标准( p x 6 4 k b p s ) 。在1 9 9 5 年和 1 9 9 7 年又分剽推出了逡合低比特章健输的h 2 6 3 秘珏，2 6 3 + 标准，最近又撼如了瑟 的h ，2 6 l 标准。 j p e g 2 0 0 0 标准中的r o i 编码方法研究 1 4r 。l 编码思想及发展 在对图像信息的很多实际应用中，人们往往只是将自己的观察重点集中在图 像的某些特定区域范围内，而对于这贱区域之外的背景部分却不会有太多的信息 需隶。也就是说，人们在处理鹜像僚惑时，出子圭蕊豹应用晷斡不同，馒褥楚令 客观图像的不同区域范潮能够为用户掇供的信息螫之间的眈镶也产生不同。比如， 在观察l e n 8 图像时，我们也许只会关心l e n a 的面容和头发，而不会过分关心l e n a 沾在什么样的背景前。 具体到黠嚣缘豹羔嚣缭窝传输怒理方嚣，我嚣臻是琴望垂己掰感兴趣熬潮缘区 域能够得到相对于背景区域更好的压缩效果，并且能够在传输过程中得到优先的 处理。这类图像应用问题，就是图像处理中的“感兴趣区域( r 0 1 ) ”编码处理问 题。 r o i 编弼处理思想不仅能够满足人们在低比特率条件下对镬要的图像信息实 现高质量，撼至无损恢复的要求，运可以通过与图像压缩算法相结合来很好的解 决通汛过稳中的带宽瓶颤、存储空阿等问题。这些突出的优点使得r o i 编鼹处理 方法袋为了近年寒銎豫处理领域静磷究热点之。 1 5 本文研究内容 本文针对基于j p 嚣g 2 0 0 0 静态强像压绩据准瓣聚o l 缡鹃实凌润遂，深入垂秀究 了j p e g 2 0 0 0 图像标准的编码处理方法，简要分析了现有的各种r o i 编码方法的 特点，并提出了两种有效的r o i 编码实现方法。 全文具髂内容安萎 如下： 第二章蒋先介绍了j p e g 2 0 0 0 静态图像压缩标礁靛特点，绣构和关键技术等， 提出了一种在j p e g 2 0 0 0 标准的基础上改进的上下文生成方案。 第三章介缨了j p e g 2 0 0 0 标准r o l 编码思想，提出了一种蒸于率失真斜率提 势窝区域圜叉褥r o l 缀褥实瑷方法。 第四章给出了一种罄丁- j p e g 2 0 0 0 交互式的的r o l 编码实现方法。 作者在最后对全文谶行了总结，并讨论了r o i 编码方法的谶一步研究思路。 第二章j p e g 2 0 0 0 标准及一种上f 文改进算法 第二章l p 嚣g 2 0 0 标准及一番枣主下文改进算法 2 1j p e g 2 0 0 0 简介 2 。l ，| j p e 裁0 0 舀耱点 因特网的发展和不断扩张的多媒体应用带来了数据压缩方面的一场革命。随 着网络的普及与多媒体概念的深入人心，人们对图像质量、文档尺寸、图像读取 速凄戆要求越柬越高，踅像压臻已经成为数囊逐镄匏一个核心缨成部分。灏我在 图像的压缩舞台上，如o i f 、j p e g 、p n p 等各种图像压缩格式应运而生。最近成 为热点的j p e g 2 0 0 0 f 2j 就是在这种背景下诞生的。该标准是幽联合图像专家组于 盼7 年万始经集提案1 2 j 挺它作为j p e g 标准刚j 豹一个更新按代标准。它的曩标 是进一步改进鹜自g 压缡算法豹性麓，以适应低带宽、高噪声的环境，以及阪疗图 像、电子图书馆、传真、i n t e m e t 网上服务和保安等方面的应用。国际标准化组织 的w g l 小组已于2 0 0 0 年8 月制定了最终的豳际标准化草案( t h ef i n a ld r a r l n 据臻a o n a ls t a 珏d 8 f d ，麓称f d i s ) l 。 j p e 0 2 0 0 0 作为种图像压缩格式，算法是其核心。j p e 0 2 0 0 0 之所以桶对于 现在的j p e g 标准有了很大的技术飞跃，就是因为它放弃了j p e g 所采用的以，寓散 余弦变换( d c t ) 算法为主的区块编码方式，瓣敬鼹以离教小波变换( 蹶s c r e e w a v e l 截静a n s f o r n l ，d w t ) 算法为主的多解轿编码方式。离散小波交换算法是 现代谱分析工具，在能括压缩在内的图像处理与图像分析领域证得到越来趟广泛 的应用。这种算法对于时域或频域的考察都采取局部的方式，所以对于非平稳过 程迄一群十分寿效。，l 、波在信号分援中对毫颓箴分采瘸垂毯翔缝灏遥静时空域上 的取样蚓隔，所以能够像自动调焦样看清远近不同的景物，并放大任意纲节， 是构造图像多分辨率的有力工具。 此终，j p e g 2 o 还将彩色静态蕊嚣采用懿j p e g 编码方式与2 燕塑像暴震鲍 j b i g 编码方式统一起来，成为对应各种图像酾道臻编码方式。 j p e g 2 0 0 0 标准提供了一套新的特征，这些特征对于一些新产品( 如数f i 马相机) 和应用( 如联网) 是非常重要的。它把j p e g 的必种模式( 顺序模式，渐主挠模式， 无损模式和分层模式 集成在一个标准之中。在缡码臻戬交夭豹压缩凄鲞( 色括 无失真压缩) 和最大的图像分辨犟压缩图像，在解码端可以从码流中以任意的图 像质量和分辨率解压图像，最大可达到编码时的图像质量和分辨率。j p e g 2 0 0 0 应 雳煞领域氛疆互联蕊、彩色铸真，努露、扫撬、数字摄像、瀵感、移动遵信、医 疗图像和电子商务等等。它的最主要的特征如下秽。4 j ： 夺高压缩率：由于在离散子波变换算法中，图像可以转换成一系列可更加商效存 j p e g 2 0 0 0 标准中的r o i 编码方法研究 储像素模块的“子波”，因此，j p e g 2 0 0 0 格式的图片压缩比可在现在的，p e g 基础上再提高l o 3 0 ，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑，这一特征 在互联网和遥感等图像传输领域有着广泛的应用。 夺无损压缩和有损压缩的实现：在j p e g 2 0 0 0 中，进行嵌入操作，以无损为图像 质量的上限，能够从一个比特流提取任意质量的图像。在需要无损压缩的情况 下，必须采用带整数值系数的可逆小波变换。若比特流被嵌入，则满足解码比 特量与重建的图像质量成正比关系。例如，压缩某图像，作为具有a 字节的 比特流文件。可从该比特流解码b 字节( b 5 0 ；在幅值精炼逶道中编码鲍 系数交为重簧摊鹩概率是l ；在清蠼通道编鹃豹数器交为整鼹往的橇率怒 0 时系数( 卅，h ) 进行重要性编码。然后先作z c 操作向m q 送( v ? m ，h 】，t5 8 m ， ) ，如果v ? 【州，川= l 则作s c 操作向m q 送 ( 竞【晰，仃】o z ，【删，珂】，七”胁，疗】) ，o 表示异或操作，然后赋值a ? - 1 【小，h 】= l 。 幅值精炼通道的进入条件为该系数已是重要的，但要除去在该位平面的重要 性通道中被确定为重要的系数。也就是当d ? 咖，n 】- l ，则进入幅值精炼通道，在 这通道中调用m r 操作向m q 送( v j p 【聊，h 】，”【卅，”】) a 清理通道中处理的是在重要性传播通道和幅值精炼通道都没有处理到的系 第二章p b g 2 0 0 0 标准及一种上卜文改进算法 1 3 数。它她耀的是巧? f 戢珂】= 8 ，女”f 拼，舛】= o 时系数。存在两种愤况：其一，如果一 条( s 舔豹4 个系数酃有a ? 【掰，搿j = o ，牵“妇，群】_ ，翔巢至多存在一个 v ? 小，h 】= 1 ，则向m q 送( 1 ，1 7 ) ，然后将这4 个系数做r l c 操作，荫则只向 m q 送( o ，1 7 ) ；其二，对于不满足前者，而满足a ? 呻，川= o ， m n 1 = o 的单 夺系数笼搏z e 攘俘囊鹾q 送( v ? 【斌，孵奏圣”融，辨1 ) ，舞票v 夕泐，h l = l 熨袋黉嫠s e 操作向m q 送( 姐卅，川o x ，融，n 】，“”，k 】) ，然后赋值百e m ，斤】= l 。程r l c 操 作中先找到4 个系数中v ? m ， 】= l 的位置，最嚣前的记为r ( 0 r 3 ) ，接着向 m q 送( f r ，2f ，1 8 ) 和( r m o d2 ，1 8 ) ，然后对浚位饕系数骰s c 缀作，秀怼第r + l 3 个系数依次孛# z c 臻俸或s c 攥俸。如果链瑾瀚麓最高位平瑟，郡么清理邋道只褒 第一种情况进行。 当搬三个通道完成履对所有系数如果g ? f 卅，】= l ，则赋假尊? 1 m ，”卜l ，这样 重要信惑褒器懿莺嚣谊惠是位孚疆p 。l 戬翦已经完减扫鬟平瑟瑟产孛鹣囊要信 息，这将用于第p 1 位平面进行扫攒编码。 通道以上的设计，不难发现在的方案中重要。陇扫描的入u 条件 g ? 【m ，n 】= 0 ，蠡“【搬，”0 ；蝠篷糖蒺逶道馥入霹条赣g ? 【m ，h 】= l ；渍理邋遴的灭 口条件a ? 【m ，胛】= o ，泐，疗j = o ，这样将扫播系数分成三个不相容的集合。此时 在清理通道中处理的每个系数的8 邻域重要性均为o ，这样其中的z c 操作使用的 上下文矢量女w f 搬，n 】= o ，s c 擞作使用的上下文矢量女” m ，”】= 9 ，丽且 鑫鹣矜j 。o ，已巍符号或 与g 黪或为萁本囊，所以送入醚q 为( 瓮陋，n l ，9 ) 。 于是在清理通道中的每个操作所使用的上下文矢量其实对应个常数，币是由于 这个特点，在清理通i l 耋中不需要扫描邻域信息而直接使用所对应的固定上下文矢 量，这撵大大节约了扫撼秘c x 诗黪( 查表) 聪翊，提毫系统涟发。在重要瞧遥遵 中用到的c x 为l 8 ，9 一1 3 ；在幅值精炼通道用到的c x 为1 4 1 6 ；清瓒通道中 用到1 7 、1 8 、0 、9 。可以看到本文采用的生成上下文矢量方法与j p e g 2 0 0 0 相比 大大麓纯了在清理道邋中的操作，褥清理通道怒这几个通道疑为复杂的一个，对 渚理通邋的筠纯显褥十分必要。 2 2 2 实验结果和分析 甏稼雄翡j p g 2 0 算洼黎为a ，跫本文撬滋夔算法稳为b ，透过缡程实褒， 对表2 1 中的六幅标准测试图像进行压缩。在对这些5 i 2 x 5 1 2 的2 5 6 级获度图像 先进行3 层c d f 9 7 小波变换，然后分成6 4 x 6 4 的编码块进行独立编码，再采用率 失真优化的方法对每个编码块截断掰篱码流，缀织码滚成文件。表2 。l 中列蹬了难 每箍鹜豫运髑两静方法进行翡s 、1 6 、3 2 倍压缭嚣重建嚣像静蜂值信嗓琵( p s n r ) 值( 单位d b ) 以及b 方法相对a 方法p s n r 的变化( p s n r ) 值。 j p e g 2 0 0 0 标准中的r o l 编码方法研究 褒2 、l 蕊种方法在匿像恢复威摄上蠡奇 g 较 显筑 淤 g o l 曲l l l 鞠a 臻殖n e批嚣l 垂 鞋 p 婶p m 到h f 倍数 a 3 63 3 74 0 0 0 2 4 0 8 1 42 8 9 2 43 7 ，9 8 94 l9 7 l 8b3 6 1 7 23 9 ，9 6 44 0 7 0 22 8 9 0 3 3 7 + 9 2 74 l8 8 7 p s k rm o 1 矗5母祜s 一0 1 2垮。越l国。稻2m 聍8 5 a3 3 0 。93 6 ，9 4 23 6 2 筠2 5 4 2 了3 5 。4 辨3 9 9 8 1 6b3 2 ，8 3 63 6 - 8 5 83 60 9 62 53 1 6 3 s 4 4 63 9 4 3 s p s n ro 1 7 3一o 0 8 40 1 8 0 mi l l一0 。0 5 30 0 6 3 a3 毡3 2 3 3 3 6 0 3 2 0 4 02 2 9 9 43 3 、0 0 83 了0 9 2 3 2 驻3 擐2 鲢3 3 4 9 6j l 嚣? 32 2 卿 3 2 葚2 3 5 ，9 7 s p s n r“o 1 2 fo 1 0 50 1 6 70 0 2 5 0 1 8 401 1 4 l 一二 一转 g1： ： _- f + u ； -_ h + r弋 _h ：，q 扛 矗 已 芷 z 接 ! i! a l g 8 j 一一 ，一 i 1 。i _ 一 ! i 十_ _ * _ 一 o ；“一、k h i *_ l 。 飞： 蛾 嚏； 、 ： i ；： ：! 烹 _ 。一 0 2 0 嚣3 。3 5 81 5 臻5 5 霹鞴，b 0 幅嚣嚣3 。3 54 u 的疆5 5 酗嘶，u 基饕擦藏 拣瓣蛙数 图2 7m a n d r n l ( 左) 、“r p l 翮e ( ) p s n r 随雁缩倍数的曲线 从以上的图表，说嘲b 方案在压缩质量上相对于j p e g 2 0 0 0 标准算法柬说只 畜镘少嚣癸羝，量这静洚懿 羧稳定，露鬻嚣是一个与耘凄算法耀当戆致遴冀法。 把a ，b 两个算法的执行速度上也进行一个比较，表2 2 所示的是两种方法对 每幅图像滕缩时小波变按后的编码耗时( 单位s ) ，所编制的是3 2 位的标准c 语言 程痒，在如s 下运行，e p u 为p 1 1 9 3 3 。盘于绽裂龄其是一个对凝件方案霹赛强性 酶评佶软停，在编程技巧上没有太多注意，所戳遮塑数菹有些绱丈，褪愚参考这 些确切的数据可以表明邋个改进的方察在运行速膨上有一定优势。 l 建缩 淤 g o 毯醢鞋 蝴8矗i f b l g 瞬 h 强疰戎l p 啪e # o o 掰a 貉熬 a 1 1 81 ，1 01 1 0 1 2 7 1 1 609 8 b0 9 4 0 1 8 7o 8 8 1 o l 0 、9 20 7 8 1 6 t 穗2 4融2 3 锺2 20 2 7 出错。鳓 7 a “2 馥3 毒0 掰 之 之 3 1 2 转2 巍4 辩姆耱副加粥弼篮蕊丝嚣强引鲫嚣 琵羹勾勰醉蕊蕊孔玛您 筒p)拦z蚺扯 第二二章j p e g 2 0 0 0 标准及一种上下文改进算法 1 5 2 3 本章小结 在本章中提出了基予j p e g 2 0 结构的改进算法，它的目的怒为了用子硬件实 现，j p e g 2 0 0 0 在硬件设计的复杂性比j p e g 高出很多，如何降低硬件复杂性、提 高执行速度是本章的目的。提出的改i 缝的算法在攥本不降低压缩效果的前提下提 裹了运嚣逮壤瑟降低了搽 睾复杂度，这是在软终魏囊上辍鹣一个方案评 砉。霭要 指出的是，该方案中当小波变换完成盾，编码通邋需要的上下文矢量其实部已经 确定下来，不会因为三个通道顺序或扫描方向的改变而改变，在硬件中可以通过 这一点送行抉速扫攒产生c x 售息缓存供给葵术编鹳器缡璃，这秘垮可臣遘一步提 高硬件处理速度，这个优点已在硬件系统中体现，黼且对于并行的编码通道方案i 6 无需s p p 通道提前扫描。 第三章基予j p e g 2 0 0 0 的一种r o i 算法 i 7 第三章基于嚣纛g 2 0 g 0 的一种r o l 算法 3 1j p e 0 2 0 0 0 标准r o l 编码 在数字圈豫熬缀多实嚣应躅中( 镄磐医学裁镶，遥感溺绘，数字瓷睾喜黪等) ， 人们往往只是对整幅图像中的一个绒几个图像嚣域比较感兴勰。也就是说，这些 人们比较感兴趣的区域较之其余的背景区域能够为用户提供擞彩的信息萤，因而 也就显褥烫加重要。蕊我们通常用到的图像压缭、编码方法往往都是对整幅图像 的均匀楚疆，无法对黼像斡内容加以区分。于是人们希望我蓟一释编码方法，来 实现将用户感兴趣的区域r o i ( r e g i o n 0 f _ i n t e r e s t ) 和背景区域b g ( b a c k g r o u n d ) 区分开，并保证r o i 医域较之背景睡域得到优先的编码处理，从而得到较好的处 理效栗。这羲是建0 l 缡鹂处理方法。 r o i 编码处理思想不仅能够满足人们在低比特率条件下对重要图像信息实现 高质量，藩至无损恢复的要求，还可以通过与图像压缩算法相结合来很好的解决 通谖过程中的带宽瓶臻、存储空问簿闳题。这些突出鼹优点已经饺r o l 缀弼处理 方法成为了近年来图像处理领域的磷究热点之一。 感兴趣区域( r 0 1 ) 技术是j p e g 2 0 0 0 标准的个重要的新特性【4 7 】，标准定义了 两种r o l 技术：最大位移法( m a x s h i nm e t h o d ) 和一般位移法( u p s c a l i n gm e t h o d ) 。 其中，最大位移洼鞍j p 嚣g 2 e o 第一蘧努瑟采缡，一般位移法被第二嫠舅慕缡。这 两种技术都是基于系数缩放的r o i 编码，通过提升r o i 系数的位平面，便r o i 部 分优先编码。 以下将分别赍缓j p g 2 0 0 0r 争攫荐故两穆r o l 编码实现方法。 3 1 1r o i 的模扳生成 为了狭褥具有比图像其它部分鼹好质量的r o l ，同时又保持一定的压缩量， 需要节蛰蠲予鹜景零分信息静簧辕比特。为魏蓄先诗算一个r 0 l 豹搂叛。浚旗援 实际上魑一个比特面，它注明了需鼷熏建该r o i 的所有系数。 为了驻示r o i 模板生成的概念，考查单个r o l ，并且只有一个图像分爨，用 一个二滋髑摸投爰( i ，d 寒分辨在蚕缳城中哪些象豢矮予r 0 l ，遨晕： 聊= ：糯篙籍翟黧裟，而秘帅。， ， 予蹩露对魇毒r o l 懿系数是一令e 特形式躲l 。这弹，如果位置瓴力戆一 个比特为l ，刚震“，) j j 嚣予r o i 。 为了找到r o i 程姆个子带的横板，我们必须对小波变换有了解，首先以9 7 1 8 j p e g 2 0 0 0 标准中的r o i 编码方法研究 提升小波为例进行介绍。 3 。l 。1 1 撬势，l 、波变换 假设输入信号为扛。 ，在j p e g 2 0 0 0 中c d f 9 ，7 提升公式为： 奇偶分裂： 捷舞 ( 3 - 2 ) 预钡0 ：d ? = 秽十口( c ? + c 矗，) 更新：c ? = c ? + 声( d ? + d ? + ) 预测：露= + y ( e 卜e + ；)、 歪掰：c ；：e 艿 + 茎! 三! ! ；l i ! ! ! 兰三l 主( 2 h + i ) ：! ! ! 羔掣+ 二要坚苎二墨羔兰皇：垒塑型 对照9 7 小波的情形，当一维情况时， 懿爨系数岛窝裹颓系数一；或影蛹戮蘸鼍。蕊煎建； ( 3 6 ) f 3 7 ) ( 3 8 ) 低频系数。一q + ，和简频系数巩j 办+ 。影响到的。的重建a 一般缝表示，当簌频系数，：l 飞。j 露筌灏系数为嚏，褂，吱一m 薯将影瞧裂 的置的黧建。 二维情况时， l l 子繁翁区域气m i 妒j 三川辫弼州辨j ) ， h l 子带的区域( 啦m 儿【巾j q ( m 儿( 川m j ) ， 量予带髂区壤三瓯哪扣，：p 王，蛳，z 蓝秘蹬2 ， h h 子带的区域( h 魄棚儿【肌一乒吁 十，【( 川) ，纠) 将影响到的霹。，的重建。 2 2 j p e g 2 0 0 0 标准中的r o i 编码方法研究 3 1 2u p s c a l i n g 编码实现办法 生成在掩码图像信息之后，就可以对各级小波变换系数进行相应的上下移位 操作，来实现对图像的r o i 编码处理。 在使用u p s c a l i n g 算法来实现r o i 编码时，j p e g 2 0 0 0 编码器根据掩码图像信 息，束将各个分辨级内的r o i 图像数据上移s 个位平面，使得这部分数据能够在 随后的熵编码过程中得到优先的处理( 参看图3 6 ) 。相应的，j p e g 2 0 0 0 解码器要 将由熵编码逆过程得到的图像数据进行s 个位平面的下移位恢复。其中，s 的数值 可以根据用户的需要来灵活定义，只要保证数据不被溢出即可。 l l 二二i ( a ) u p s c a i j n g 方法( b ) m a x s h i r 方法 ( 注：m s b 表示最高位平面，瞎b 表示最低何平面，b g 表示背景区域) 剀3 ，6 标准中的两种r o i 编码方法 3 1 3m a x s h m 编码实现方法 在应用u p s c a l i n g 算法来实现对图像的r o i 编码处理时，用户可以根据自己的 实际需要来定义上移位位平面的个数s ，从而实现对r o i 编码效果的灵活控制。 但是，u p s c a l i n g 算法必须要求将j p e g 2 0 0 0 编码器应用的掩码图像信息写入生成 后的码流，并传送到解码端，才可以实现相应的逆处理过程。这不仅增加了码流 的数据量，给图像数据的传输和存储都带来了诸多不便，还要求j p e g 2 0 0 0 解码器 提供相应的存储空间，从而增加了解码器的硬件复杂度和成本。 为较好的解决以上矛盾，j p e g 2 0 0 0 图像标准同时推出了另一种r o i 编码算法： m a x s h i f l 编码算法邺。m a x s h i f t 算法应用的掩码图像信息与u p s c a l i n g 算法完全 致，只是在进行移位处理时有一定区别。 与u p s c a l i n g 算法不同，m a x s h i r 算法在编码端进行上移位处理时，首先对量 化后的所有小波系数进行一次统计，并找到属于背景区域的所有小波系数的最大 值c ，并通过式( 3 9 ) 来得到上移位平面数s ： s ll 0 9 2 ( c m 。) i ( 3 9 ) 应用这样得到的s 来对小波变换系数进行上移位处理后，就可以保证所有属于 第三章基于j p e g 2 0 0 0 的一种r o i 算法 2 3 r o i 区域的非零数据都大于数据背景区域的最大数据。从而实现了r o i 区域和背 景区域数据的完全分离( 参看图3 6 ) 。通过这样的处理，j p e g 2 0 0 0 只需要将s 值 作为参数写入码流即可。相应的，j p e g 2 0 0 0 解码器也只需要根据得到的s 值来对 熵编码逆过程得到的数据进行一个简单的数值比较：当数据大于2 5 时，就可以将 其判定为r o i 区域数据，并进行斗日应的s 个位平面的下移位恢复：彳i 大丁2 。时， 判定为背景区域数据，不对其进行处理。 可见，m a x s h 试算法不必传输掩码图像信息，有利于图像数据的传输和存储， 也有效地降低了解码器的复杂度。当然，这些优越的特性也是通过生成更多的位 平面数据，从而增加约5 左右的多通道数据为代价的【3 3 】。 3 2 种基于率失真优化和四又树的r o i 算法 一般位移法需要额外的形状编码器和解码器，并在解码瑞要重新计算r o i 模 板，增加了计算和存储的复杂度，最大位移法虽然克服了这些缺点，但引入过多 的位平面导致编码效率大大降低，另外，r o i 与背景的完全分离使r o i 与背景区 域重建图像的对比度不可调。针对最大位移法和一般位移法的不足之处，研究者 提出了许多改进的算法| 4 “，主要是通过调节提升因子或是改变r o i 编码的顺序 来提高相应的编码效率，但同时也提高了计算的复杂度。文献【4 4j 通过臼适应调节 r o i 码块的率失真斜率来实现r o i 编码，但r 0 1 只局限于矩形，且不能任意调节 r o i 与背景的对比度。文献提出的基于率失真斜率提升和m a x s h m 的算法适合 任何形状的r o i ，不过由于斜率提升和最大移位的不一致性导致图像在r o i 区显 得不是f + 分平滑。本文根据e b c o t 编码算法的特点，提出用提升率失真斜率 ( d i s t o r t i o n r a t es l o p e s ) 的方法使感兴趣区域优先编码，避免了提升系数导致编码效 率降低的问题。为实现r o i 形状的任意性，我们采用四叉树编码不完全r o i 编码 块的r o i 信息，并采用位移法的系数提升思想对该算法进行了修整，该算法计算 简单、提高了编码效率，另外，通过调节提升因子可实现r o i 与背景区域重建图 像对比度的任意可调。 3 2 1 率失真优化算法 内嵌编码的特点就是码流可以任意截断，而且可以解码出具有一定质量的图 像，而码流的率失真优化策略就是使码流不但在最后码率性能是最优的，而且其 性能在每个截断点处也是最优的。因此率失真优化问题就变为对那些率失真斜率 最大的符号优先编码，对于独立进行比特平面编码的码块采用率失真优化算法可 以获得最后总体码流的内嵌特性。假设有5 个符号a ，b ，c ，d 和e 它们是独立进行 编码的，每个符号将产生一定比特长度的码流，并对减少恢复图像的失真具有一 j p e g 2 0 0 0 标准巾的r o l 编码方法研究 定的贡献。按照符号的顺序编码产生的率失真曲线如图3 7 中的实线所示：如果按 照枣失奏裁率大小赘 彦，游率失囊籀率