（信号与信息处理专业论文）基于spiht的snr和空间混合可分级编码研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 小波分析是当前应用数学和工程学科中一个迅速发展的新领域，由于小波变换 的多分辨率特性非常适于图像编码，产生了许多很有意义的编码器。其中嵌入式编 码是一种新的编码方式，它可以提供某种程度上的可分级，也就是随着接收比特的 增多，渐进地恢复图像。嵌入式编码可以应用于网络、无线传输以及图像浏览等领 域。为了满足目标比特率或者空间分辨率，通过监视编码的一些参数，嵌入式的编 码器可以在任何一点终止编码。同样解码器可以在任何一点截断比特流，重构图像。 本文针对仅支持s n r 可分级的s p i h t ( s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s 多级树集 合分裂) 算法进行研究，提出了一种很有意义的嵌入式编码器。该编码器除了可以 支持s n r 可分级，还可以支持空间分辨率可分级。并在此基础上，简化集合分割策 略，提高编码速度。 本文的主要工作内容有： 针对图像编码的应用介绍了嵌入式小波图像编码的关键技术，分析了小波变换 后系数的分布特点，为后面的编码算法提供先验知识，指导编码。 为了满足i n t e m e t 与网络技术的需求，提出了一种可以根据不同用户的带宽和计 算能力提供最优服务的嵌入式图像编码算法，该算法可以同时支持s n r 可分级和空 间分辨率可分级。通过对现有的s p i h t 算法编码后比特流进行分析，改进算法采用 延迟和多级集合的办法将较高子带里的节点后处理，按照重要性的不同以不同子带 不同比特平面的形式输出系数。最后，本文针对集合分割策略作更进一步的改进， 降低了编码时间。 本文的创新点是： 提出一种基于s p i h t 算法的多分辨率编码算法，该算法可以同时支持s n r 可分级和空间分辨率可分级，并且保留了原有的压缩效率和复杂度低的特性。 引入了一种简化零树集合定义及修改分割排序策略的新算法，去掉了原 s p i h t 算法中的l i p 集合列表，简化集合内部关系，提高了编码的速度。 在许多改进和创新下，这种嵌入式图像编码算法相比于各种流行的小波编码器， 取得了很好的性能，有了较大的突破。与一些流行的性能优越的小波编码器相比， 文中的这种新算法在网络上有很好的应用前景。 关键词：小波变换，嵌入式编码，s p i h t 算法，图像可分级编码，零树 重庆邮电大学硕士论文 a b s a 。a c t a b s t r a c t w a v e l e tt h e o r yh a sb e e nat o p i co fr e s e a r c hi na p p l i c a t i o nm a t ha n de n g i n e e r i n g s c i e n c e at y p i c a la p p l i c a t i o no fw a v e l e ti si ni m a g ec o m p r e s s i o n , a n dt h e r ea r eaf e w s i g n i f i c a t i v ew a v e l e ti m a g ec o d e c e m b e d d e di m a g ec o d i n gi san e w c o d i n gm e t h o d a n dc a np r o v i d et h e p o s s i b i l i t y t o p r o g r e s s i v e l yr e c o n s t r u c t b e t t e ra n db e r t e r r e p r o d u c t i o n so ft h ei m a g ea sm o r ea n dm o r eo ft h ec o d i n gi 眦g # b i t - s t r e a mi s r e c e i v e d e m b e d d e di m a g ec o d i n gi se s p e c i a l l yf i tf o rt h ec h a n g e f u le n v i r o n m e n t , s u c ha si n t e r a c t w i r e l e s st r a n s m i s s i o n i m a g eb r o w s ee t c t h eo u t p u tb i t - s t r e a mo ft h e e m b e d d e dc o d ec a nb et r u n c a t e da n dr e c o n s t r u c ti m a g ef o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n st o a c h i e v ev a 响g d e g r e e so fs c a l a b i l i t ya n dd i f f e r e n tt a r g e tb i tr a t e so rr e s o l u t i o n a f t e r r e s e a r c ht h es p i h t ( s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a l t r e e s ) a l g o r i t h mw h i c hc a n s u p p o r to n l yf u l ls n rs c a l a b i l i t y , t h i sd i s s e r t a t i o ns u g g e s t sas i g n i f i c a t i v ee m b e d d e d i m a g ec o d i n g i tc a ns u p p o r tb e t hs n ra n ds p a t i a ls e a l a b i l i t yf e a t u r e t h e ni ti s i m p r o v e da n dp a r t i t i o n - s o r t i n gi sr e v i s e dt oi m p r o v et h ea l g o r i t h me f f i c i e n c y t h em a i nw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w ： t h ek e yt e c h n o l o g yi ne m b e d d e dw a v e l e tc o d i n gi si n t r o d u c e da c c o r d i n gt o r e q u i r e m e n t o fi m a g ec o m p r e s s i o n t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e ra n d d e g r e eo f c o r r e l a t i o no f s i g ni si no r d e rt op r o v i d et r a n s c e n d e n t a lk n o w l e d g ef u rl a t e r c o d i n g t os a t i s f yr e q u i r eo fi m e m e ta n dn e t w o r k , a ne m b e d d e di n l a g ec o m p r e s s i o ni s p r e s e n t e dt oo f f e ro p t i m a l l ys e r v i c ev a r i o u su s e r sa c c o r d i n gt ot h e i rb a n d w i d t ha n d c o m p u t i n gc a p a b i l i t i e s i tc a l ls u p p o r tb o t hs n ra n ds p a t i a ls e a l a b i l i t yf e a t u r e a f t e r r e s e a r c ho u t p u tb i t - s t r e a mo fs p i h ta l g o r i t h m ，t h i sd i s s e r t a t i o nm o d i f yt h es p i h t a l g o r i t h mt op o s t p o n ep r o c e s s i n go ft h ef m e rs u b b a n da n dt oo u t p u tc o e f f i c i e n t a c c o r d i n gt ot h e i rs i g n i f i c a t i o nd e p e n d e n c yo nt h ew a v e l e ts u b b a n d sa n db i t - p l a t e b r i n gd e l a ya n dp a r t i t i o ns e t s a tl a s t ，t h ep a r t i t i o n - s o r t i n gs t r a t e g yi sr e v i s e dw h i c h c a ni m p r o v et h ea l g o r i t h me f f i c i e n c y ，t h em a i ni n n o v a t i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o na l es u m m a r i z e da sf o f l o w ： p r o p o s i n gt om u l t i - r e s o l u t i o ne n c o d i n gb a s e do ns p i h ta l g o r i t h m i tc a n s u p p o ab o t hs n ra n ds p a t i a ls c a l a b i l i t yf e a t u r e ，w h i l ek e e p i n gi t sc o m p r e s s i o n e f f i c i e n c ya n dl o wc o m p l e x i t y i n t r o d u c i n ga ne f f i c i e n ti m a g ec o d i n gb a s e do nn e wz e r o t r e es e ta n d p a r t i t i o n s o r t i n gs t r a t e g y i nt h en e wc o d i n g ，s p i h t sl i ps e ti sd e l e t e dw h i c hc a n i m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c y 1 1 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h ep r o p o s i n ge m b e d d e di m a g ec o d e rh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a ns o m ep o p u l a r w a v e l e ti m a g ec o d e rd u et os o m ea b o v e - c i t e di m p r o v e m e n ta ni n n o v a t i o n c o m p a r e d w i mt h ec o d e r s t h cp r o p o s i n gc o d e rc a na p p l yo nn e t w o r kb e t t e r k e y w o r d s ：w a v e l e tt r a n s f o r m ，e m b e d d e di m a g ec o d i n g ，s p i h ta l g o r i t h m ，s c a l a b l e i m a g ec o d i n g ，z e r o 仃e e 1 l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽邮电太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：掀畸 签字日期：删年月彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废鳗电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查 阅和借阅。本人授权重鏖壑皇i 盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 狄咛 签字日期：刎5 年i 月日 导师签名：彳召 签字日期：二c r u 许6 ，月g - 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 图像编码，即图像压缩，就是在保证一定重构质量的前提下，通过去除图像 中的各种冗余，以尽量少的比特数来表征图像信息。图像一般分为静态图像和动 态图像两类，两者采用的编码技术在很大程度上是相同的。因此，静态图像编码 技术的研究进展，对于动态图像编码技术一般都有很大的借鉴。本文的研究将集 中于静态图像的编码技术，以后在文中出现图像编码技术，除非特别指明，均指 静态图像编码技术。 图像编码技术已经研究发展了很长的时间。传统的图像编码是以香农信息论 为出发点，用统计概率模型来描述信源。编码实体是象素或象素块，以消除数据 相关冗余为目的，由此产生的j p e g l l l l 2 1 1 3 1 、m p e g 1 2 1 1 3 1 、m p e g 2 1 2 1 1 3 1 、h 2 6 1 2 1 3 1 及h 2 5 3 1 2 1 1 3 1 等编码国际标准己经获得了很大的成功。新一代基于内容的图像编码 方法，充分考虑了信息接收者的主观特性、图像信息的具体含义和重要程度，以 消除图像内容冗余为目的，是目前一个较为活跃的研究领域，例如分形图像编码、 人工神经网络编码、小波图像编码【2 1 等等。 许多图像编码技术仅集中在对图像数据的有效压缩上，这些系统的主要目的 是优化给定比特率的图像质量【4 j 。然而随着i n t e m e t 与网络技术的发展，人们不仅 要求图像编码有较好的压缩效果，同时要求它能适应于网络传输。事实上，图像 经过压缩后数据量虽然大大地减少，但是随着i n t e r n e t 用户数的急剧增加，网络拥 塞是在所难免的。而大多数用户并不都要求图像高分辨率高质量，而是只希望知 道其概要信息，即以较快的速度浏览更多的图像。除非对某一图像特别感兴趣才 提高其分辨率或者质量。为此，人们提出了图像可分级编码1 5 1 1 6 1 1 7 1 a 1 1 9 1 的思想。图像 可分级编码能使一个比特流在多级网络上灵活地根据不同用户的带宽和计算能力 为他们提供图像渐进传输以及图像数据库浏览等服务，从而使不同网络接入带宽 和处理能力的用户可以很容易地相互通信。同时还可以节省图像数据库中因需要 存储不同数据库图像所占用的存储空间。图像可分级编码已经成为现在和今后图 像编码的重要目标之一。 图像可分级编码是指图像编码后比特流的部分( 或子集) 可以产生对该图像 一个有用的表示。与传统编码不同，它不是按照图像数据的空间位置传输，而是 先传输图像的概貌，然后逐渐精细化，直到传输完所有细节信息。图像的可分级 编码通常有三种情况，即s n r ( s i g n a lt on o i s er a t i o 信噪比) 可分级( 或称为数 率可分级) 编码、空间分辨率可分级编码和r o i ( r e g i o no f i n t e r e s t 感兴趣区域) 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 可分级编码。s n r 可分级就是随着接收的实际图像比特数的增多，重构图像的质 量逐步改善。当s n r 可分级时，用户可根据带宽或系统能力的具体情况从压缩比 特流的开始端来截取一段比特流进行解码，获得相应信噪比下的重构图像。空间 分辨率可分级就是随着接收的实际图像比特数的增多，重构图像的分辨率从低到 高的增加。当全部图像比特数接收完时，重构图像与原始图像同样大小。空间分 辨率越高，图像尺寸越大。r o i 可分级编码就是随着接收的实际图像比特数的增 多，重构的图像中感兴趣区域的质量逐步改善。r o i 可分级就是指允许图像的某 一部分( 即感兴趣区域) 以更好的质量被编码。 嵌入式编码( e m b e d d e dc o d i n g ) 就是一种图像可分级算法。其编码器将待编 码的比特流按照小波系数( 或集合) 的重要性进行排序，根据目标速率或失真度 的大小要求随时结束编码。同样，对于给定速率，解码器也能够随时结束解码， 就可以得到相应比特流截断处的目标速率的重构图像。其中，1 9 9 3 年j m s h a p i r o 首先基于不同尺度之间空间系数分组为树型和尺度间有效预测零系数的思想提出 了嵌入式零树小波( e z w i t 0 1 ：e m b e d d e d z e r o t r e e w a v e l e t ) 编码算法。1 9 9 6 年，s a i d 和p e a r l m a n 基于小波系数的零树结构的特性，引入了变换域系数的连续渐进传输 和集合分割排序算法，提出了多级树集合分裂( s p i h t 1 1 ：s e tp a r t i t i o n i n gi n h i e r a r c h i c a lt r e e s ) 算法。s p i h t 算法采用了有效的空间方向树结构和比特平面编 码方法，能获得编码效率很高的嵌入式比特流，有利于图像的渐进传输。该算法 以零树集合及其分割排序为基础，不仅结构简单、无需任何训练、支持多速率， 丽且具有较高的信噪比和较好的图像复原质量，总体性能优于s h a p i r o 提出的e z w 算法，被认为是目前国际上较先进的方法之一。 本课题就是在上述背景下，拟对基于s p i h t 算法的s n r 和空间混合可分级编 码方法进行一些深入的研究。 1 2 论文所做的工作 本文的工作主要是在s p i h t 算法的基础上，针对s p r i t 算法仅支持s n r 可 分级，不能支持空间分辨率可分级的问题，通过对现有的s p i h t 算法进行分析， 采用延迟和多级集合的办法提出一种基于s p i h t 算法的s n r 和空间混合可分级编 码算法，该算法将较高的子带里节点后处理，按照系数或集合重要性的不同以不 同子带不同比特平面的形式输出比特流，保留了原有的压缩效率和复杂度低的特 性。然后针对s p i h t 算法使用三个集合列表以存储待编码量化的小波系数和采用 了较为复杂的集合分割策略，在前述改进方法的基础上作了更进一步的改进，重 新定义了集合列表，并引入了一种较为简单的集合分割策略，实验结果表明该算 法减小了计算量，提高了编码速度。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 论文的安排 本文的章节安排是这样的： 第一章是绪论部分，简述图像编码技术的发展，主要介绍了图像的可分级编 码，以及嵌入式零树小波编码技术。 第二章叙述了图像编码的基础知识，包括图像编码性能的评价标准以及目前 主要的图像编码国际标准。 第三章讲述了小波变换的理论基础，然后介绍了小波图像编码框图和小波图 像编码的关键技术：小波基的选取、图像边界的延拓以及小波系数的量化。 第四章解释了嵌入式小波零树图像编码，介绍了非嵌入式编码与嵌入式编码 的区别。主要分析了嵌入式小波零树编码e z w 及其改进算法s p i h t ，并进行了比 较。 第五章针对s p i h t 算法的不足，将s p i h t 算法首先改进为可以同时支持s n r 可分级和空间分辨率可分级的嵌入式图像编码，并在此基础上，又引入了一种改 进集合分割策略的方案。对两次的改进都进行了实验仿真，分析了实验结果。 第六章是对全文进行总结并指出不足之处和今后的研究方向。 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 第二章图像编码概述 图像编码就是在保证重构图像一定质量的前提下，以尽量少的比特数来表示 图像信息。第一代图像编码技术是以香农信息论为出发点，用统计概率模型来描 述信源，编码实体是象索或象素块，以消除图像数据相关冗余为目的，以显示器 为图像系统的最后环节。静止图像压缩标准j p e g 的制定及其对多媒体产业的巨大 影响有力地证明了第一代图像编码技术的巨大成功。但是，第一代图像编码技术 并未考虑到信息接收者的主观特性、图像信息的具体含义和重要程度等，只是力 图去除数据冗余，这是一种低层次的编码技术。第二代编码技术则以去除图像内 容冗余为目的，考虑人眼作为信息接收者的特性，是目前一个比较活跃的大有前 途的研究领域。 2 1 图像编码的评价标准 2 1 1 图像编码质量的评价 通常的图像编码都是失真编码，这就需要有一个对重构图像质量进行评价的 标准 3 1 0 2 1 ，希望在传输速率尽量低的前提下能尽量保证重构的图像具有较高的图像 质量，这对图像编码方法的发展具有很好的指导意义。图像质量的含义主要包含 了两层意义：一是重构图像的失真度，即重构图像与原图像的偏离程度；二是图 像的可读性，即人们能从图像中获得的信息。一般情况下，人眼是图像信息的接 收者，但由于目前对人的视觉系统的理解还很有限，还不能对图像的失真度和可 读性做定量描述，所以在图像质量评价方法上，除了主观的评价方法外，还需要 客观的评价方法。 主观评价方法是评价者直接对一幅图像进行观察，从感觉上去度量其失真程 度，给出质量评价分数，对所有评价者给出的分数进行加权平均，所得结果即为 主观评价结果，有两种尺度：绝对尺度和相对尺度，如表2 1 所示。 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 表2 1 主观评价方法尺度 级别 绝对测量尺度相对测量尺度 l很好最好的 2较好高于平均水平 3一般平均水平 4较差低于平均水平 5很差 最差的 这种评价结果必然符合人的视觉感受，相对于客观评价方法是可靠的，但它 使用起来不方便，一方面不能用数学模型对其进行描述，不能直接用于图像编码 过程中的质量评价和控制，另一方面，主观评价容易受到评价者的主观因素影响， 如年龄、教育程度和性格等，所以大多数情况下还是以客观评价方法对图像质量 进行评价。 所谓客观评价方法，就是定义一个数学公式，然后对待评价的图像进行运算， 得到一个唯一的数字量作为测度结果，通常用于评价图像的失真度。常用的有均 方误差( m s e ) 和峰值信噪比( p s n r ) 。均方误差的定义为： 脚2 击i - 0 j 。l ，小f ( f ，硝 式中，m ，n 为图像的宽和高；( f ，_ ，) 为原始图像的灰度值；厂( f ，_ ，) 为重构 图像的灰度值。 一= l o l o g l o f 错1 其中b 表示原始图像的象素比特数，p s n r 的单位是分贝( d b ) 。 应该注意的足，m s e 和p s n r 是从总体上反映原始图像和重构图像的差别， 并不能反映局部。有时候同样的信噪比，视觉效果还是会有一定的差异，这主要 是由于误差的均匀程度造成的。一般来讲，误差均匀时视觉效果好，反之视觉效 果不好。大多数情况下，都可以用p s n r 对图像质量进行评价，但有时其结果可 能与主观评价结果不相符。 2 1 2 图像编码效率的评价 对于一个图像编码方法，可以用冗余度、编码效率和压缩比来衡量信源特性 和编解码性能。设原始图像的平均码长为云，熵为h ( s ) ，压缩后图像的平均码长 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 为t ，则定义： 冗髓r = 南一， 编码效率：，7 = t t ( s ) ；丢i 压缩比：c 。= 云z - m 其中，日 ) = 一只l o g ：最，只为象素点灰度概率。图像的编码效率通常用 i = l 压缩比来衡量，压缩比越高，图像压缩越大，效率越高，反之亦然。 此外，还需要考虑算法的复杂度，包括时间复杂度和空间复杂度，在实时应 用和硬件设计时尤其重要。 2 2 主要的图像编码国际标准 近十几年来，图像编码技术得到了迅速发展和广泛应用，并且日益成熟，其 标志就是几个关于图像编码的国际标准的制定，即国际标准化组织i s o 和国际电 工委员会i e c 关于静止图像的编码标准j p e g 和j p e g 2 0 0 0 【l3 1 、关于活动图像编码 标准m p e g x 系列和国际电信联盟i t u t 关于可视电话会议电视的视频编码标准 h 2 6 x 系列。这些图像编码标准融合了各种性能优良的图像编码方法，代表了目前 图像编码的发展水平。 2 2 1j p e g j p e g ( j o i n tp h o t o g r a p h i ce x p e r tg r o u p ) 是i s o i e c 联合图像专家组制定的静 止图像编码标准，是适用于连续色调( 包括灰度和彩色) 静止图像压缩的国际标 准。 目前，j p e g 标准被广泛用于t e l e m a t i c 业务图像通信终端，连续色调的可视 图文；采用帧内编码传送活动图像，亦称m j p e g ，即m o t i o nj p e g ；多媒体应用 以及广播电视后期制作等。 j p e g 算法共有四种运行模式，其中一种是基于空间预测( d p c m ) 的无损压 缩算法，另外三种是基于d c t ( 离散余弦变换) 的有损压缩算法。 ( 1 ) 无损压缩算法，可以保证无失真的重构原始图像。 ( 2 ) 基于d c t 的顺序模式，按从上到下，从左到右的顺序对图像进行编码， 重庆邮电大学硕士论文 第二章图像编码概述 称为基本系统。 ( 3 ) 基于d c t 的渐进模式，指对一幅图像按由无损到有损进行编码。 ( 4 ) 分层模式，以各种分辨率对图像进行编码，可以根据不同的要求，获得不 同分辨率的图像。 这些模式中的基本系统( 顺序模式) 是各个j p e g 都必须支持的模式，它提供 了适合大多数应用场合的简单高效的图像编码方案。增强系统( 递进模式、分层 模式) 是基本系统的扩充或增强，在增强系统中必须包括基本系统。 2 2 2j p e g 2 0 0 0 j p e g 2 0 0 0 是新的图像压缩标准，其目标是在一个统一的集成系统中，允许使 用不同的图像模型( 如客户，服务器、实时传输、图像库驱动、有限缓冲和带宽资 源等) ，对具有不同特征( 如自然图像、计算机图形、医疗图像、遥感图像以及复 合文本等) 的不同类型( 如二值、灰度、彩色或者多分量图像) 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真性能和主观图像质量。 j p e g 2 0 0 0 具有如下主要特点： ( 1 ) 良好的低比特率压缩性能。 ( 2 ) 连续色调和二值图像压缩。 ( 3 ) 有损和无损压缩。 ( 4 ) 按照象素精度或者分辨率进行渐进传输。 ( 5 ) 随机获取和处理比特流。 ( 6 ) 强的抗误码特性。 ( 7 ) 固定速率、固定大小、有限的存储空间。 除了上述主要特点之外，j p e g 2 0 0 0 还采用开放式结构，并对图像安全保护、 图像交换等方面做了考虑。j p e g 2 0 0 0 具有的多种特点使得它具有广泛的应用前景， 目前许多著名的图形图像公司在新开发的图像工具软件中集成j p e g 2 0 0 0 图像压 缩技术。m s 和n e t s c a p e 等浏览器领域的公司也开始将j p e g 2 0 0 0 新技术集成 到下一个版本的浏览器中。j p e g 2 0 0 0 将在2 l 世纪图像压缩领域发挥重要作用。 与以往的j p e g 标准相比，j p e g 2 0 0 0 有了一个很大的飞跃，它有许多原来的 标准所不可比拟的优点。j p e g 2 0 0 0 与传统的j p e g 晟大的不同，在于它放弃了j p e g 所采用的以d c t 为主的分块编码方式，而改为以小波变换为主的多分辨率编码方 式。 首先，j p e g 2 0 0 0 能实现无损压缩( 1 0 s s l e s sc o m p r e s s i o n ) 。在实际应用中，有 些重要的图像，如卫星遥感图像、医学图像、文物照片等，通常需要进行无损 压缩。对图像进行无损编码的经典方法预测法已经发展成熟，并作为一个标 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 准写入了j p e 0 2 0 0 0 中。 j p e g 2 0 0 0 还有一个很好的优点就是误码鲁棒性( r o b u s t n e s st ob i te r r o r ) 好。 因此使用j p e g 2 0 0 0 的系统稳定性好，运行平稳，抗干扰性好，易于操作。 j p e 0 2 0 0 0 能实现渐进传输( p r o g r e s s i v et r a n s m i s s i o n ) ，这是j p e g 2 0 0 0 的一个 极其重要的特征。它可以先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像 质量，以满足用户的需要，这在网络传输中具有非常重大的意义。使用j p e g 2 0 0 0 下载一个图片，用户可先看到这个图片的轮廓或缩影，然后再决定是否下载它。 而且，下载它时可以根据用户需要和带宽来决定下载图像质量的好坏，从而控制 数据量的大小。 j p e g 2 0 0 0 的另一个极其重要的优点就是感兴趣区域( r o i ，r e g i o no f i n t e r e s t ) 特性。用户在处理的图像中可以指定感兴趣区域，对这些区域进行压缩时可以指 定特定的压缩质量，或在重构时指定特定的解压缩要求，这给人们带来了极大的 方便。在有些情况下，图像中只有一小块区域对用户是有用的，对这些区域采用 低压缩比，而感兴趣之外采用高压缩比。在保证不丢失重要信息的同时，又能有 效地压缩数据量，这就是基于感兴趣区域的编码方案所采取的压缩策略。基于感 兴趣区域的压缩方法的优点，在于它结合了接收方对压缩的主观要求，实现了交 互式压缩。 ， 结合j p e g 2 0 0 0 渐进传输和感兴趣区域两大优点，人们可以解决许多原来难以 解决的问题。比如在远程医疗诊断中，数字医学图像的传输和存储，给图像压缩 提出了新的要求。一方面，医学图像的数据量往往大过普通图像很多倍，在有效 利用通信带宽和节约存储空间的意义上，有损压缩是更被期望采用的。然而，另 一方面，对医学图像的任何处理，都会潜在地给诊断结果带来影响，比如，如何 决定哪些信息可以被压缩，哪些又不可以被压缩。基于感兴趣区域的图像压缩能 够在编码过程中结合观察者的主观判断，因而被认为是最有希望解决这一问题的 途径。有了j p e g 2 0 0 0 ，就可以提出一种对医学图像的感兴趣区域进行交互式传输 编码的方案。首先对图像进行最基本的压缩，然后根据图像接收者要求的感兴趣 区域，以及这些区域解码重构后要达到的视觉质量，对感兴趣区域进行特定压缩 率的编码。由于j p e g 2 0 0 0 渐进式压缩特点，远端不必等待所有的数据都传到，即 可从传输的比特流中解压出逐步清晰的图像：用户在观察过程中可以多次指定新 的感兴趣区，编码过程在已经发送的数据基础上继续编码，而不必重新开始。 j p e g 2 0 0 0 标准还充分考虑了人眼视觉特性，增加了视觉权重和掩膜，这样在 不损害视觉效果的情况下，可以大大提高压缩效率。 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 2 2 3m p e g 系列 m p e g 的另一个名称是国际标准化组织( i s o ) 和国际电工委员会( i e c ) 的 共同委员会( j t c ) 第2 9 分委会( s c ) 第1 l 工作组( w g ) ，简称 l s 伽e c ，j t c l ，s c 2 9 ，w g l l ，成立于1 9 8 8 年，任务是开发活动图像及其声音的数字 编码标准。 m p e g 是活动图像专家组( m o v i n gp i c t u r ee x p o r t sc r o u p ) 的缩写，于1 9 8 8 年成立，是为数字视频，音频制定压缩标准的专家组，目前已拥有3 0 0 多名成员， 包括i b m 、s u n 、b b c 、n e c 、i n t e l 、a t & t 等世界知名公司。m p e g 组织最初 得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种标准，随后扩充为“及其伴随的 音频”及其组合编码。后来针对不同的应用需求，解除了“用于数字存储媒体” 的限制，成为现在制定“活动图像和音频编码”标准的组织。m p e g 组织制定的 各个标准都有不同的目标和应用，目前已提出m p e g 1 、m p e g 2 、m p e g - 4 、 m p e g 7 和m p e g 2 1 标准，下面对它们作简单介绑1 4 1 。 1 m p e g 1 标准 m p e g - 1 标准于1 9 9 3 年8 月公布，编号为i s o f i e c l l l 7 2 。用于传输1 5 m b p s 数据传输率的数字存储媒体运动图像及其伴音的编码。 该标准从颁布的那一刻起就取得一连串的成功，如v c d 和m p 3 的大量使用 等等。 2 m p e g 2 标准 m p e g - 2 于1 9 9 4 年推出，以实现视频音频服务与应用互操作的可能性。 m p e g 一2 标准是针对标准数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系 统层的详细规定，编码速率从3 g b s 1 0 0 g b s ，标准的正式规范在i s o f l e c l 3 8 1 8 中。 m p e g 2 标准的成功之处是开发了通用的压缩编码方法，是一种以“档次” ( p r o f i l e ) 和“等级”( 1 e v e l ) 为基础的规范化全系统，可满足不同图像分辨率及 有关的存储成本和处理速度的需要。因此，m p e g - 2 标准能广泛应用于卫星广播业 务( b s s ) 、电缆电视( c a t v ) 、数字电视地面广播( d t t b ，包括美国的用于h d t v 的g a 系统和欧洲的d v b 等) 、点播电视( v o d ) 、数字声音广播( d a b ) 、多媒 体终端、网络数据库业务、双工通信等众多领域。 3 m p e g - 4 标准 运动图像专家组m p e g 于1 9 9 9 年2 月正式公布了m p e g - 4 1 1 5 i ( i s o i e c l 4 4 9 6 ) 标准第一版本，于2 0 0 0 年年初正式成为国际标准。m p e g - 4 与m p e g 1 和m p e g 2 有很大的不同。m p e g - 4 标准同以前标准的最显著的差别在于它是采用基于对象的 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 编码理念，即在编码时将一幅景物分成若干在时间和空间上相互联系的视频音频 对象，分别编码后，再经过复用传输到接收端，然后再对不同的对象分别解码， 从而组合成所需要的视频和音频。 与m p e g - 1 、m p e g 2 相比，m p e g - 4 具有如下独特的优点： ( 1 ) 基于内容的交互性 ( 2 1 高效的压缩性 f 3 ) 通用的访问性 m p e g - 4 主要应用领域有：因特网多媒体应用；广播电视：交互式视频游戏； 实时可视通信；交互式存储媒体应用：演播室技术及电视后期制作：采用面部动 画技术的虚拟会议；多媒体邮件：移动通信条件下的多媒体应用；远程视频监控； 通过a t m 网络等进行的远程数据库业务等。 4 m p e g 7 标准 m p e g 7 标准，正式名称视多媒体内容描述接口，2 0 0 1 年7 月形成，m p e g 7 标准为各类多媒体信息提供一种标准化的描述，这种描述将与内容本身有关，允 许快速和有效的查询用户感兴趣的资料。该标准于1 9 9 8 年1 0 月提出，m p e g 7 的目标是支持多种音频和视觉的描述，包括自由文本、维时空结构、统计信息、 客观属性、主观属性、生产属性和组合信息。对于视觉信息，描述将包括颜色、 视频对象、纹理、草图、形状、体积、空间关系、运动及变形等；根据信息的抽 象层次，提供一种描述多媒体材料的方法以便表示不同层次上的用户对信息的需 求：支持数据管理的灵活性、数据资源的全球化和互操作性。 5 m p e g - 2 1 标准 m p e g 2 l 标准，正式名称是多媒体框架，m p e g 委员会于1 9 9 9 年1 0 月提出， 2 0 0 0 年6 月第5 2 次大会上正式被批准制定，制定m p e g - 2 1 标准的目的是： ( 1 ) 将不同的协议、标准、技术等有机地融合在一起： ( 2 ) 制定新的标准； ( 3 ) 将这些不同的标准集成在一起。 m p e g 2 1 标准其实就是一些关键技术的集成，通过这种集成环境就对全球数 字媒体资源进行透明和增强管理，实现内容描述、创建、发布、使用、识别、收 费管理、产权保护、用户隐私权保护、终端和网络资源抽取、事件报告等功能。 任何与m p e g - 2 1 多媒体框架标准环境交换或使用m p e g - 2 1 数字项实体的个人或 团体都可以看作是用户。从纯技术角度来看，m p e g - 2 1 对于“内容供应商”和“消 费者”没有任何区别。 重庆邮电大学硕士论文第二章图像编码概述 2 2 4h 2 6 x 系列 主要包括会议电视h 2 6 1 建议、甚低速率通信的视频编码h 2 6 3 建议以及新 的数字视频编码标准h 2 6 4 等三个国际标准【1 4 】。 h 2 6 1 是i t u t ( 国际标准化组织电讯标准化分部) 制定的国际上第一个视频 压缩标准，主要用于电视电话和会议电视，以满足i s d n 日益发展的需要。该标准 于1 9 9 0 年1 2 月获得批准。h 2 6 1 标准的名称为“视听业务速率为p x 6 4 k b s 的视 频编译码”，又称为p 6 4 k b s 标准( p = l ，2 ，3 0 ) 。h 2 6 1 视频压缩算法的核心是 运动估值预测和d c t 编码，其许多技术( 包括视频数据格式、运动估算与补偿、 d c t 变换、量化和熵编码) 都被后来的m p e g 1 和m p e g 2 所借鉴和采用。 h 2 6 3 是i t u t 的关于低于6 4 k b s 比特率的窄带通道视频编码建议，其目的 是能在现有的电话网上传输活动图像。由于h 2 6 3 是面向低速信道的，所以必须 在帧频和图像失真之间做出选择。h 2 6 3 是在h 2 6 1 建议的基础上发展起来的，它 采用半象素的分辨率进行运动补偿，而且，h 2 6 3 还提供了4 种可协商选择的编码 方法：无限制范围的运动矢量、基于语法的算法编码方法、先进预测和p b 帧。 h 2 6 3 建议草案于1 9 9 5 年1 1 月完成。 h 2 6 4 标准，h 2 6 4 是i t u t 的v c e g ( v i d e oc o d ee x p e r tg r o u p 视频编码专 家组) 和m p e g ( 活动图像编码专家组) 的联合视频组( j v t ：j o i n t v i d e o t e a m ) 开发的一个