JPEG图像编码标准-PPT

JPEG

JPEG图像编码标准本节主要介绍JPEG图像压缩编码算法(DCT变换算法)、图像数据文件格式(JFIF，JPEGFileInterchangeFormat)。最后，对JPEG2000进行一个简单的介绍。§3.4内容提要2023/1/151JPEG内容提纲3.4.1JPEG标准与JPEG图像3.4.2JPEG图像格式3.4.3JPEG图像压缩编码算法3.4.4JPEG2000简介参考文献2023/1/152AboutJPEGJPEG与JPEG图像一、ISO/IECJPEG(JointPhotographicExpertsGroup)简介二、关于JPEG图像A、参考文献§3.4.12023/1/153一.关于JPEGJPEG:JointPhotographicExpertsGroup由ISO与IEC于1986年联合成立的一个专家委员会(WG1)，其宪章(charter)是：其中的“Joint”还有与ITU联合的意思在过去的十几年中，该委员会制定了一系列的静态连续色调图像压缩编码标准(如：有损、无损及接近无损等编码标准)，并于1996年开始制定JPEG2000标准。“Digitalcompressionandcodingofcontinuous-tonestillimages”2023/1/154第三章图形、图像与视频处理技术关于JPEG(cont.)已经发布的标准有：ISO/IEC10918-1|ITU-TRec.T.81:RequirementsandguidelinesISO/IEC10918-2|ITU-TRec.T.83:CompliancetestingISO/IEC10918-3|ITU-TRec.T.84:ExtensionsISO/IEC10918-4|ITU-TRec.T.86:RegistrationofJPEGParameters,Profiles,Tags,ColorSpaces,APPnMarkers,CompressionTypes,andRegistrationAuthorities(REGAUT)DIS14495-1|ITU-TDraftRec.T.87:LosslessandNear-LosslessCompressionofContinuous-ToneStillImages–BaselineJPEG2000标准(草案)ISO/IECFCD15444-1:2000|

ITU-TRec.T.8002023/1/155第三章图形、图像与视频处理技术二.关于JPEG图像压缩编码算法主要有：基于离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)的有损压缩(lossycompression)算法。该算法还包括熵编码(Entropy

Coding),霍夫曼编码(Huffmancoding)等算法。基于预测的无损数据压缩算法。算法所处理的图像为静态连续色调(stillcontinuous-tone)的彩色或灰度(grayscale)图像。压缩算法与彩色空间无关，颜色变换不包括在算法中。编码模型有：顺序(Sequentialencoding)、累进(Progressiveencoding)、无损(Losslessencoding)、层次(Hierarchicalencoding)编码模型。2023/1/156第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式(一)JPEG图像格式简介(二)JFIF(JPEGFileInterchangeFormat，即

JPEG图像文件交换格式)(三)JFIF格式图像数据分析§3.4.2JPEG1001012023/1/157（一）JPEG图像格式简介JPEG图像为静止连续色调(stillcontinuous-tone)图像，有广泛的用途。如：数码相机、Webpageimages、MPEG的帧内图像(I图像)、…JPEG委员会在制定JPEG标准时，定义了许多标记(marker)来区分和识别图像数据及其相关的信息。但是，到目前为止，关于JPEG文件交换格式明确定义的详细说明，在相关的“规范”或“建议”(如ITUT.81)中没有见到。目前使用的格式为JFIFv1.02和TIFFJPEG等，其中前者的使用比较广泛，大多数应用程序均加以支持，其他格式比较复杂。2023/1/158第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)JPEG文件使用的颜色空间为1982年推荐的电视图像数字化标准CCIR601(现为ITU-RBT.601)。在这个色彩空间中，每个分量、每个像素的电平规定为255级，用8位代码表示。颜色转换

从RGB转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：

Y=256×E'y

Cb=256×[E'Cb]+128

Cr=256×[E'Cr]+128

其中亮度电平E'y和色差电平E'Cb和E'Cb分别是CCIR601定义的参数。由于E'y的范围是0～1，E'Cb和E'Cb的范围是-0.5～+0.5，因此Y,Cb和Cr的最大值必须要到255。于是RGB和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算。2023/1/159第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)颜色转换从RGB转换成YCbCrYCbCr(256级)分量可直接从用8位表示的RGB分量计算得到：

Y=0.299R+0.587G+0.114B

Cb=-0.1687R-0.3313G+0.5B+128

Cr=0.5R-0.4187G-0.0813B+128需要注意的是：不是所有图像文件格式都按照R0，G0，B0，…，Rn，Gn，Bn的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成JFIF文件时需要首先验证RGB的次序。2023/1/1510第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)颜色转换从YCbCr

转换成RGBRGB分量可直接从YCbCr(256级)分量计算得到：

R=Y+1.402(Cr-128)

G=Y-0.34414(Cb-128)-0.71414(Cr-128)

B=Y+1.772(Cb-128)在JFIF文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。这就是说JFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本。2023/1/1511第三章图形、图像与视频处理技术RGBYCbCrRGBYCbCr2023/1/1512第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)JPEG的主要标记(marker)下面为其中的8个主要标记标记名标记值含义SOI0xD8图像开始APP00xE0JFIF应用数据块APPn0xE1-0xEF其他的应用数据块(n,1～15)DQT0xDB量化表SOF00xC0帧开始DHT0xC4霍夫曼(Huffman)表SOS0xDA扫描线开始EOI0xD9图像结束2023/1/1513第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：JPEG定义的标记列表Symbol(符号)CodeAssignment(标记代码)Description(说明)StartOfFramemarkers,non-hierarchicalHuffmancodingSOF00xFFC0BaselineDCTSOF10xFFC1ExtendedsequentialDCTSOF20xFFC2ProgressiveDCTSOF30xFFC3Spatial(sequential)losslessStartOfFramemarkers,hierarchicalHuffmancodingSOF50xFFC5DifferentialsequentialDCTSOF60xFFC6DifferentialprogressiveDCTSOF70xFFC7Differentialspatiallossless2023/1/1514第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：JPEG定义的标记列表(续)StartOfFramemarkers,hierarchicalarithmeticcodingSOF130xFFCDDifferentialsequentialDCTSOF140xFFCEDifferentialprogressiveDCTSOF150xFFCFDifferentialspatialLosslessHuffmantablespecificationDHT0xFFC4DefineHuffmantable(s)arithmeticcodingconditioningspecificationDAC0xFFCCDefinearithmeticconditioningtableRestartintervalterminationRSTm0xFFD0～0xFFD7Restartwithmodulo8counterm2023/1/1515第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：JPEG定义的标记列表(续)OthermarkerSOI0xFFD8StartofimageEOI0xFFD9EndofimageSOS0xFFDAStartofscanDQT0xFFDBDefinequantizationtable(s)DNL0xFFDCDefinenumberoflinesDRI0xFFDDDefinerestartintervalDHP0xFFDEDefinehierarchicalprogressionEXP0xFFDFExpandreferenceimage(s)APPn0xFFE0～0xFFEFReservedforapplicationuseJPGn0xFFF0～0xFFFDReservedforJPEGextensionCOM0xFFFECommentReservedmarkersTEM0xFF01FortemporaryuseinarithmeticcodingRES0xFF02～0xFFBFReserved2023/1/1516第三章图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：APP0域的详细结构偏移长度内容块的名称说明02byte0xFFD8(StartofImage,SOI)图像开始22byte0xFFE0APP0(JFIFapplicationsegment)JFIF应用数据块42bytes

lengthofAPP0blockAPP0块的长度65bytes

"JFIF"+"0"识别APP0标记111byte

<Majorversion>主要版本号(如版本1.02中的1)121byte

<Minorversion>次要版本号(如版本1.02中的02)131byte

<UnitsfortheXandYdensities>X和Y的密度单位units=0：无单位units=1：点数/英寸units=2：点数/厘米142bytes

<Xdensity>水平方向像素密度162bytes

<Ydensity>垂直方向像素密度181byte

<Xthumbnail>缩略图水平像素数目191byte

<Ythumbnail>缩略图垂直像素数目

3n

<ThumbnailRGBbitmap>缩略RGB位图(n为缩略图的像素数)

OptionalJFIFextensionAPP0markersegment(s)任选的JFIF扩展APP0标记段

……

……

2byte0xFFD9(EOI)end-of-file图像文件结束标记2023/1/1517第三章图形、图像与视频处理技术（二）JFIF文件格式JFIF:JPEGFileInterchangeFormat(JPEG文件交换格式)该格式由EricHamilton于1992年提出，已经成为事实上(defacto)的JPEG图像文件交换格式标准。该格式直接使用JPEG专家组为JPEG图像定义的诸多标记(marker)。JPEG的每个标记都由两个字节组成，前一个字节的值固定为0xFF(JPEG文件的字节是按正序(bigendian)排列的)。每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节

(fillbyte)。2023/1/1518第三章图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JFIF特性：使用JPEG压缩算法使用JPEG交换格式的图像数据压缩表示法PC或Mac或Unix工作站均兼容标准的颜色空间:一个或三个颜色分量。(对于三个颜色分量，采用YCbCr(CCIR601-256级)规范)APP0标记用于指定计量单位制、X,Y像素的密度以及缩略图的细节APP0标记同样用于指定JFIF的扩展方法APP0标记还用于指定其他与应用相关的信息2023/1/1519第三章图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分组成(1)图像开始SOI(StartofImage)标记(2)APP0标记(Marker)①APP0长度(length)②标识符(identifier)③版本号(version)④X和Y的密度单位

(units=0：无单位；units=1：点数/英寸；units=2：点数/厘米)⑤X方向像素密度(Xdensity)⑥Y方向像素密度(Ydensity)⑦缩略图水平像素数目(thumbnailhorizontalpixels)⑧缩略图垂直像素数目(thumbnailverticalpixels)⑨缩略图RGB位图(thumbnailRGBbitmap)(3)APPn标记(Markers)，其中n=1～15(任选)①APPn长度(length)②由于详细信息(applicationspecificinformation)2023/1/1520第三章图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分组成(续)(4)一个或者多个量化表DQT(definequantizationtable)①量化表长度(quantizationtablelength)②量化表数目(quantizationtablenumber)③量化表(quantizationtable)(5)帧图像开始SOF0(StartofFrame)①帧开始长度(startofframelength)②精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数

(bitsperpixelpercolorcomponent)③图像高度(imageheight)④图像宽度(imagewidth)⑤颜色分量数(numberofcolorcomponents)⑥对每个颜色分量(foreachcomponent)ID

垂直方向的样本因子(verticalsamplefactor)

水平方向的样本因子(horizontalsamplefactor)

量化表号(quantizationtable#)2023/1/1521第三章图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分组成(续)(6)一个或者多个霍夫曼表DHT(DefineHuffmanTable)①霍夫曼表的长度(Huffmantablelength)②类型、AC或者DC(Type,ACorDC)③索引(Index)④位表(bitstable)⑤值表(valuetable)(7)扫描开始SOS(StartofScan)①扫描开始长度(startofscanlength)②颜色分量数(numberofcolorcomponents)③每个颜色分量

ID

交流系数表号(ACtable#)

直流系数表号(DCtable#)④压缩图像数据(compressedimagedata)(8)图像结束EOI(EndofImage)2023/1/1522第三章图形、图像与视频处理技术（三）JFIF格式图像数据分析一个16×16像素图像(JFIF格式)数据sampleimage(16×16Pixels)markerblocks:000000~0001e0文件类型标识2023/1/1523第三章图形、图像与视频处理技术JFIF格式图像数据分析(cont.)一个16×16像素图像(JFIF格式)数据blocks:0001f0~000350originalBitmapimagesampleimage(16×16Pixels)2023/1/1524第三章图形、图像与视频处理技术参考文献GregoryK.Wallace.TheJPEGStillPictureCompressionStandard.CommunicationsoftheACM.1991,34(4):30~44.StillPictureInterchangeFileFormat(SPIFF)EricHamilton.JPEGFileInterchangeFormat,Version1.02.1992.ITURecommendationT.81:INFORMATIONTECHNOLOGY–DIGITALCOMPRESSIONANDCODINGOFCONTINUOUS-TONESTILLIMAGES–REQUIREMENTSANDGUIDELINES.JPEGimagecompressionFAQ,part1&2.

/faqs/jpeg-faq/A.Skodras,C.Christopoulos,andT.Ebrahimi.JEPG2000StillImageCompressionStandard.IEEESignalProcessingMagazine,2001.2023/1/1525第三章图形、图像与视频处理技术JPEG

JPEG图像压缩编码

JPEG图像压缩编码算法概要

JPEG图像压缩编码算法的主要步骤

基于DCT的算法举例基于DCT的扩展编码(累进、分层编码)§3.4.32023/1/1526算法概要JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法：以离散余弦变换(DiscreteCosineTransform，DCT)为基础的有损压缩算法以预测技术为基础的无损压缩算法算法的特点JPEG有损压缩算法利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。JPEG算法与彩色空间无关，因此“RGB到YUV变换”和“YUV到RGB变换”不包含在JPEG算法中。JPEG算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如RGB,YCbCr和CMYK。1.2023/1/1527第三章图形、图像与视频处理技术算法概要(cont.)压缩编码大致分成三个步骤：使用正向离散余弦变换(forwarddiscretecosinetransform，FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的图。使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。2023/1/1528第三章图形、图像与视频处理技术算法概要(cont.)JPEG压缩编码-解压缩算法框图2023/1/1529第三章图形、图像与视频处理技术主要计算步骤JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：正向离散余弦变换(FDCT)量化(quantization)Z字形编码(zigzagscan)使用差分脉冲编码调制(differentialpulsecodemodulation，DPCM)对直流系数(DC)进行编码使用行程长度编码(run-lengthencoding，RLE)对交流系数(AC)进行编码熵编码(entropycoding)2.2023/1/1530第三章图形、图像与视频处理技术主要计算步骤：①正向离散余弦变换(FDCT)2023/1/1531第三章图形、图像与视频处理技术主要计算步骤：①（cont.）正向离散余弦变换(FDCT)f(i,j)经变换之后，F(0,0)是直流系数(DC,即64个空域图像采样值的平均值)，其他为交流系数(AC)。2023/1/1532第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：①（cont.）正向离散余弦变换(FDCT)2023/1/1533第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：②量化(Quantization)量化是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化，其目的是减小非“0”系数的幅度以及增加“0”值系数的数目。对于有损压缩算法，使用均匀量化器进行量化。量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。2023/1/1534第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：②（cont.）量化(Quantization)因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表：亮度量化值和色差量化值。由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。（亮度量化值表）（色度量化值）2023/1/1535第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：③Z字形编排(ZigzagScan)量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的“0”系数的个数，就是“0”的游程长度，方法是按照Z字形的式样编排，其结果是把一个8×8的矩阵变成一个1×64的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。0156141527282471316262942381217253041439111824314044531019233239455254202233384651556021343747505659613536484957586263量化DCT系数的序号2023/1/1536第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：④直流系数(DC)的编码DC系数的特点：8×8图像块经过DCT变换之后得到的DC直流系数有两个特点，一是系数的数值比较大，二是相邻8×8图像块的DC系数值变化不大。JPEG算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)技术，对相邻图像块之间量化DC系数的差值(Delta)进行编码。DCi-1DCiblocki-1blocki……2023/1/1537第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：⑤交流系数(AC)的编码AC系数的特点：1×64矢量中包含有许多“0”系数，并且许多“0”是连续的。JPEG使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)对它们进行编码。JPEG使用了1个字节的高4位来表示连续“0”的个数，而使用它的低4位来表示编码下一个非“0”系数所需要的位数，跟在它后面的是量化AC系数的数值。2023/1/1538第三章图形、图像与视频处理技术计算步骤：⑥熵(Entropy)编码使用熵编码的原因：对DPCM编码后的直流DC系数和RLE编码后的交流AC系数作进一步的压缩。在JPEG有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵，霍夫曼编码器使用很简单的查表(lookuptable)方法进行编码。DC码表符号举例压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍夫曼码表可以事先进行定义。ValueSSS00-1,11-3,-2,2,32-7..-4,4..73如果DC的值(Value)为4，符号SSS用于表达实际值所需要的位数，实际位数就等于3。2023/1/1539第三章图形、图像与视频处理技术基于DCT的算法举例3.2023/1/1540第三章图形、图像与视频处理技术基于DCT的算法举例（cont.）2023/1/1541第三章图形、图像与视频处理技术基于DCT的扩展编码JPEG的扩展编码系统顺序编码模型(sequentialencodingmodel)自上而下，从左至右方式发送。4.2023/1/1542第三章图形、图像与视频处理技术基于DCT的扩展编码(cont.)JPEG的扩展编码系统(续)累进编码模型(Progressiveencoding)采用多扫描(multiplescans)图像部分信息分阶段传输，这些信息被接收后立即解码。如果觉得不满意图像的内容，可立即停止传输。适合于在低带宽信道上传输高分辨率的图像累进编码有频谱选择与按位逼近两种方法，前者第一次扫描时只对DC系数某些频带的系数进行编码、传送，在随后的扫瞄中对其他频带编码、传送，直到全部系数传送完为止。分组选择方式如(0,1,2),(3,4,5),…。后者沿着量化系数的有效位(量化精度位数)方向分段累进编码，假设量化精度为8位，则第一次传送高4位，然后传送低4位。2023/1/1543第三章图形、图像与视频处理技术基于DCT的扩展编码(cont.)JPEG的扩展编码系统(续)层次编码模型(Hierarchicalencodingmodel)采用多分辨率方式编码这种编码模型特别适合多用户环境，且设备的分辨率各不相同。例如：高分辨率的设备为2048×2048像素HDTV监视器为1024×1024像素低分辨率TV为512×512像素等2023/1/1544第三章图形、图像与视频处理技术

JPEG2000简介

JPEG2000isanewimagecodingsystemthatusesstate-of-the-artcompressiontechniquesbasedonwavelettechnology.Itsarchitectureshouldlenditselftoawiderangeofusesfromportabledigitalcamerasthroughtoadvancedpre-press,medicalimagingandotherkeysectors.Citedfrom:/JPEG2000.html§3.4.42023/1/1545JPEG2000简介JPEG2000发展历程：于1996年开始成立专门的小组(Maui会议)1999年12月第一个草案(draftofpart1)形成2000年8月Rochester会议时，ISO发布JPEG2000国际标准最终草案(FinalDraftInternationalStandard)，由ISO成员国中所有感兴趣的团体投票表决。fullInternationalStandard于2000年12月最终通过，代号ISO/IEC15444Part1|ITU-Trec.T.800已经出版。2023/1/1546第三章图形、图像与视频处理技术JPEG2000简介(cont.)JPEG2000的需求：与JPEG兼容，连续色调，同时支持bi-level低数据率图像安全累进传输(精度/分辨率)、实时顺序显示(build-up)能力健壮的位错误(bit-error)纠正基于内容的描述，随机存取(具备Regions-Of-Interest,ROI存取、压缩功能)，具有与MPEG-4间的接口能够处理大于64k×64k像素的图像采用小波(Wavelet)变换算法。2023/1/1547第三章图形、图像与视频处理技术标准构成JPEG2000标准由下述部分组成：Part1:CorecodingsystemPart2:ExtensionsPart3:MotionJPEG2000Part4:ConformancePart5:ReferenceSoftwarePart6:CompoundimageleformatPart7:HasbeenabandonedPart8:JPSEC(securityaspects)Part9:JPIP(interactiveprotocolsandAPI)Part10:JP3D(volumetricimaging)Part11:JPWL(wirelessapplications)2023/1/1548第三章图形、图像与视频处理技术JEPG2000FeaturesVeryhighcompressionrate,sometimesevenupto200times.JPEGcompletelybreaksdownatthisrate.Thesizeofthecompressedfileiscontrollable,Thatis,ausercanspecifythesizeofafile.BothlossyandlosslesscompressionaresupportedinJPEG2000.JPEGcanproduceonlylosslessimagesOnecandefineRegionOfInterest(ROI)inanimage.TheRegionofInterestwouldbecompressedtoahigherqualitythantherestoftheimage.Onecanhaveprogressivedecodingofanimageintwoways–byresolutionor,byquality.JPEG2000hasaprovisiontoaddadditionalinformationaboutanimageusingXML.2023/1/1549第三章图形、图像与视频处理技术Region

OfInterestCodingOriginalImagewithROIDefinedDecodedImagewithROIIntact2023/1/1550第三章图形、图像与视频处理技术ProgressionOrderProgressionbyQualityLayer10.01bppLayer20.1bppLayer30.3bppLayer41.0bppImprovedecodingqualityasreceivingmorebits2023/1/1551第三章图形、图像与视频处理技术ProgressionOrder

(cont.)ProgressionbyResolutionRes00.01bppRes10.034bppRes20.3bpp64x64128x128256x256Multi-resolutiondecodingfromonebit-stream2023/1/1552第三章图形、图像与视频处理技术JPEG2000Vs.JPEGBetterimagequalityasWaveletTransformsdonothavetheringingeffectLosslessCompressionHighercompressionratesMorefeaturesandflexibilityDegradedImageQualityasDCTtransformhastheringingeffectLosslessCompressionisnotpossibleinJPEGMorecompressionatthecostofImagequalityLessFlexibilityJPEG2000JPEG2023/1/1553第三章图形、图像与视频处理技术JPEG2000Vs.JPEG(cont.)TransformQuantizationEntropyCodingJPEGJ2KDCTDiscreteCosineTransformDWTDiscreteWaveletTransform8x8QuantizationTableQuantizationforeachsub-bandHuffmanCodingArithmeticCoding2023/1/1554第三章图形、图像与视频处理技术JPEG2000Vs.JPEG(cont.)JPEG2000(1.83KB)Original(979KB)JPEG(6.21KB)2023/1/1555第三章图形、图像与视频处理技术DiscreteWaveletTransform2023/1/1556第三章图形、图像与视频处理技术WaveletTransform2023/1/1557第三章图形、图像与视频处理技术2DSeparateDWT2023/1/1558第三章图形、图像与视频处理技术CodingBasedonbit-planeThreepassesSignificantPropagationPassMagnitudeRefinementPassCleanupPass2023/1/1559第三章图形、图像与视频处理技术BITPLANES202N-12N-2MSBLSB2023/1/1560第三章图形、图像与视频处理技术Bit-planeCoding2023/1/1561第三章图形、图像与视频处理技术A.参考文献JPEG2000标准草案：ISO/IECFCD15444-1:2000|ITU-TRec.T.800.(PartI~XIII.)GregoryK.Wallace.TheJPEGStillPictureCompressionStandard.CommunicationsoftheACM.1991,34(4):30~44.A.Skodras,C.Christopoulos,andT.Ebrahimi.JEPG2000StillImageCompressionStandard.IEEESignalProcessingMagazine,2001.2023/1/1562第三章图形、图像与视频处理技术专著专著名：JPEG2000:ImageCompression Fundamentals,StandardsandPractice出版社：KluwerInternationalSeriesinEngineering andComputerScience,Secs642作者：D.S.Taubman,M.W.Marcellin2023/1/1563第三章图形、图像与视频处理技术计算机动画基础计算机动画是在传统动画的基础上，使用计算机图形图像技术而迅速发展起来的一门高新技术。动画使得多媒体信息更加生动，富于表现。广义上看，数字图形图像的运动显示效果都可以称作为动画。在MPC机上可以很容易地实现简单动画。§3.52023/1/1564内容提纲3.5.1

概述3.5.2

动画原理3.5.3

计算机动画(二、三维动画，变形动画)3.5.4

计算机动画设计2023/1/1565参考文献及资源2023/1/1566第三章图形、图像与视频处理技术计算机动画概述本小节主要介绍：动画(Animation)技术的发展历史计算机动画的主要研究内容。计算机动画制作软件简介。§3.5.12023/1/1567动画历史从实物到卡通从卡通到数字化(图形、图像)从数字化计算机动画计算机动画是数字媒体的一个重要组成部分。2023/1/1568第三章图形、图像与视频处理技术动画历史(cont.)走马灯原理：灯中点上蜡烛。利用空气动力，气流上升驱动叶轮（一些 类似于叶轮的机制）。静止画面的连续播放。2023/1/1569第三章图形、图像与视频处理技术动画历史(cont.)计算机动画与图形学、数字图像处理、运动学有密切的关系。一般制作过程二维图形关键帧运动路径场景渲染计算机动画有较长的发展历史，它与电影、电视有不解之缘。2023/1/1570第三章图形、图像与视频处理技术动画历史(cont.)计算机动画与电影70年代在电影中使用计算机动画的构想对许多导演来说仍旧是一个梦，但当时的电视节目已经开始尝试用一些简单的计算机动画技术来增强节目的效果了。1973年举行了第一届SIGGRAPH（计算机图形特别兴趣小组）展览。当时的“重头戏”是一些用计算机制作的简单物体的模型，比如一个虚拟的茶壶和一只甲壳虫模型。从那时起，人们开始进行早期的试验，利用CGI技术制作一些短影片。但由于这些制作员不是电影制片出身，因此早期的动画效果简直可以用“惨不忍睹”来形容。尽管CGI短片一败涂地，但并没有浇灭好莱坞对动画技术的热情。1976年英国伦敦的系统仿真公司(SystemsSimulation,Ltd.)接受委托，为影片《异形》(Alien)中的登陆片段制作CG图形，纯计算机动画已开始在影片中使用。一位日后在好莱坞名声显赫的人物乔治·卢卡斯(GeorgeLucas)洞悉CG技术的未来，组建了自己的CG部门，他所网罗的一批专家成立了日后如雷贯耳的ILM公司(IndustrialLight＆Magic)。2023/1/1571第三章图形、图像与视频处理技术动画历史(cont.)电影与计算机动画80年代80年代初，逐渐提高的计算机硬件性能赋予了计算机动画人员开发新的CG软件和技巧的自由。分形算法(Fractual)等数学公式已经开始用于制作逼真的地理形貌。“光线跟踪”(RayTracing)的技术被用于绘制那些实际生活中被光线照亮的物体。迪斯尼在1980年发行了一部叫《Tron》的影片，片中使用了30分钟的计算机动画，包括一段高科技的摩托车赛的片段。1985年，计算机动画技术已有了长足的进步，这时第一次出现了CGI电影角色，标志着业界的一次重大飞跃。由巴瑞·李文逊执导的《青年福尔摩斯》(YoungSherlockHolmes)中有一段令人难以忘怀的片段：一扇彩色玻璃窗突然获得人性活了过来，与一位被它吓得魂飞魄散的牧师对话。这是一次破天荒的CGI成功的片段，是由乔治·卢卡斯刚成立的ILM公司花了6个月才制作完成的。该片段在影片中持续播放了30秒钟。

2023/1/1572第三章图形、图像与视频处理技术Fractal图片欣赏2023/1/1573第三章图形、图像与视频处理技术RayTracing2023/1/1574第三章图形、图像与视频处理技术动画历史(cont.)1986年，ILM公司属下的CG部门的大部分人马离开ILM，成立了Pixar制片厂，这家制片厂由苹果公司的总裁史蒂夫·乔布斯（SteveJobs）所拥有。在Pixar，一些头脑活跃的人物，如约翰·拉萨特研究如何改进CG动画技术，把它作为一种讲述故事的手段，于是1988年影片《罐头总动员》(TinToy)应运而生。这部短片讲述了一只发条玩具和小孩之间的故事，成为第一部获得奥斯卡奖(最佳动画短片奖)的计算机动画影片。1988年卢卡斯电影公司(LucasFilm)在荣·霍伍德(RonHoward)执导的影片《Willow》中引入了一种新的CG技术“图像变形”(或称“幻影化”)，取得了很好的效果。现在的图像变形技术已经有了很大的改进，可以让角色不露痕迹地变化形状，或者从一种样子变形成为另一种模样。1989年，导演詹姆斯·卡麦隆(JamesCameron)决定试验CGI到底能为影片做些什么。当时卡麦隆正在制作水下科幻影片《深渊》(TheAbyss)，他跑到ILM和Pixar两家著名的CG公司兜售他的奇妙构思，希望制作一只能模仿影片中演员的面部表情和动作的蛇状水怪。后来ILM投标胜出，制作出了传统方法不能企及的惊人效果。事实上CG已经将导演的梦想变成了现实。2023/1/1575第三章图形、图像与视频处理技术动画历史(cont.)电影与计算机动画90年代20世纪最后10年，计算机动画在好莱坞掀起一场电影技术的风暴。卡麦隆在影片《深渊》试验了CG的可行性之后，决定再朝前迈出一大步。而这一步却永远改变了好莱坞电影的视觉效果。他导演的《终结者２：审判日》(Terminator2JudgmentDay)创下了非凡的票房佳绩，全球5.14亿美元的收入。影片的成功要归功于屏幕上