主流靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于主流靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)第1頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二2內(nèi)容:1.為什么需要新圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)?2.JPEG20003.例子4.小結(jié)第2頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二3為什么需要新圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)?低比特率壓縮:高壓縮比(對(duì)細(xì)節(jié)豐富的圖像比特率低于0.25bpp,即壓縮比大于64)時(shí)，JPEG算法引起的失真太大，讓人不能接受無(wú)損壓縮和有損壓縮:需要在同一個(gè)碼流中既能提供有損壓縮，也能提供無(wú)損壓縮超大圖像:不分片的話，JPEG不能壓縮大于64x64K的圖像.第3頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二4為什么需要新圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)?

(續(xù))單解壓縮架構(gòu):JPEG有44中模式，許多都跟應(yīng)用有關(guān)，大部分JPEG解碼器都用不著.噪聲環(huán)境下傳輸:在傳輸過(guò)程中遭受比特錯(cuò)誤時(shí)，JPEG解壓圖像質(zhì)量會(huì)顯著下降.計(jì)算機(jī)生成的圖形:JPEG是針對(duì)自然圖像優(yōu)化的，在計(jì)算機(jī)圖形上表現(xiàn)不好.復(fù)合文檔:JPEG不能壓縮二值（文本）圖像.第4頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二5JPEG2000–目標(biāo)在一個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)下,編碼標(biāo)準(zhǔn)可以

用于多種類型的靜止圖像(灰階,彩色,...)

用于具有不同特性的圖像(自然圖像,科學(xué)圖像,…)

用于不同成像模型(客戶/服務(wù)器,實(shí)時(shí)圖像,…)該編碼標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo):

低比特率應(yīng)用中，率失真性能和主觀圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于已有的標(biāo)準(zhǔn).第5頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二6JPEG2000編碼器解碼器框圖第6頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二7JPEG2000–概述源圖像分解成分量(最多256個(gè))圖像分量(可選)分成矩形瓦片.分量瓦片是原始圖像和重構(gòu)圖像的基本單元.小波變換應(yīng)用到每個(gè)分量瓦片上.分量瓦片分解成不同的分辨率層級(jí).分解級(jí)由系數(shù)子帶組成，描述了分量瓦片的頻率局域特性，而不是整個(gè)分量圖像的特性.各個(gè)子帶系數(shù)量化后，重組成碼塊的矩形數(shù)組.第7頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二8JPEG2000–概述(續(xù))對(duì)一個(gè)碼塊中系數(shù)的位平面(即碼塊內(nèi)的所有系數(shù)具有相同顯著性的比特)進(jìn)行熵編碼.特定的興趣區(qū)域可以比背景高的重構(gòu)質(zhì)量編碼，即支持ROI編碼.允許向編碼比特流中加入一些標(biāo)記以便容錯(cuò)恢復(fù).碼流起始處有主導(dǎo)頭,用來(lái)有描述原始圖像、各種分解和編碼樣式以便使用想要的分辨率、保真度、ROI區(qū)域和其他特性定位、提取、解碼和重構(gòu)圖像第8頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二9預(yù)處理1.圖像分片:圖像所需的內(nèi)存可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出編解碼器所能提供的內(nèi)存空間原始圖像劃分為空間上不重疊的矩形塊(瓦片)可以獨(dú)立壓縮2.DC電平平移:編解碼器期望其輸入樣本數(shù)據(jù)的規(guī)范動(dòng)態(tài)范圍的中心點(diǎn)接近0,即(0--255->-128--128)如果樣本值是無(wú)符號(hào)類型，樣本的規(guī)范動(dòng)態(tài)范圍需要通過(guò)從每個(gè)樣本值減去一個(gè)偏移量來(lái)調(diào)整(2P-1,P是分量的精度)第9頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二10預(yù)處理–分片所有的操作,包括分量混合,小波變換,量化和熵編碼都是以圖像瓦片為單位獨(dú)立進(jìn)行的.分片對(duì)圖像質(zhì)量的影響反映在主觀和客觀兩方面較小的分片會(huì)引起更多的片間視覺(jué)硬傷第10頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二11預(yù)處理(續(xù))3.分量變換:把數(shù)據(jù)從RGB映射到Y(jié)CrCb(Y,Cr,Cb有更好的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立性,壓縮性能更好);用來(lái)降低分量間的相關(guān)性,提高編碼效率.有可逆和不可逆兩種.前向可逆分量變換反向可逆分量變換第11頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二12預(yù)處理–分量變換分量變換改進(jìn)了壓縮性能，使得可以采用視覺(jué)相關(guān)的量化方法:不可逆分量變換(ICT):浮點(diǎn)數(shù)Floatingpoint與不可逆小波變換(浮點(diǎn)9/7小波)一起使用可逆分量變換(RCT):整數(shù)逼近Integerapproximation與可逆小波變換(整數(shù)5/3小波)一起使用第12頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二13ICT(例子)第13頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二14小波變換浮點(diǎn)9/7小波濾波器用于有損壓縮低比特率下性能好高實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,尤其是硬件實(shí)現(xiàn)整數(shù)5/3小波濾波器用于無(wú)損壓縮整數(shù)算術(shù),實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低對(duì)行列采用高通濾波器和低通濾波器進(jìn)行濾波，然后以2為因子下采樣(維持采樣率).把瓦片劃分為子帶.單個(gè)瓦片相關(guān)的所有信息(索引,位置,轄區(qū)等)集中到一起放入一個(gè)名為包的連續(xù)數(shù)據(jù)流中.第14頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二15碼塊,轄區(qū)和包第15頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二16小波變換

Twofilteringmodes兩種濾波模式:Convolutionbased基于卷積:對(duì)兩個(gè)濾波器模板和一維信號(hào)執(zhí)行一系列的點(diǎn)積.Liftingbased基于提升:.順序執(zhí)行簡(jiǎn)單的濾波運(yùn)算，信號(hào)的奇數(shù)號(hào)樣本值被偶數(shù)號(hào)樣本值的加權(quán)和所更新，反之亦然，這個(gè)過(guò)程交替進(jìn)行.Lossless1DDWT=1.586,=0.052,=0.882,=0.443,K=1.230Lossy1DDWT

P和U代表預(yù)測(cè)和更新.第16頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二17小波變換Symmetricextension對(duì)稱延拓:

為保證信號(hào)兩個(gè)邊界進(jìn)行正常的濾波運(yùn)算,對(duì)邊界上已有的信號(hào)樣本進(jìn)行延拓,使得該樣本在空間上與濾波器模板的系數(shù)對(duì)應(yīng)第17頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二18DWT(例子)

JPEG2000采用多級(jí)離散小波變換.支持0到32級(jí).

對(duì)自然圖像來(lái)說(shuō)，一般使用4到8級(jí)DWT變換就足夠了.

第18頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二19量化

使用帶死區(qū)的均勻量化器對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化.對(duì)每個(gè)子帶b，一個(gè)基本量化步長(zhǎng)Δb用來(lái)量化該子帶的所有系數(shù):Example:

假定量化步長(zhǎng)為10而編碼器輸入值為21.82,那么量化索引值可如下確定:第19頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二20系數(shù)比特建模應(yīng)用二維離散變換產(chǎn)生了不同的子帶，每個(gè)子帶關(guān)聯(lián)了若干小波系數(shù).子帶內(nèi)這些系數(shù)被重組為矩形塊，稱為碼塊.第20頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二21系數(shù)比特建模(續(xù))從MSBP(最高位平面)到LSBP(最低位平面),對(duì)碼塊逐個(gè)位平面進(jìn)行編碼(若某些MSB位平面不含1,則至少含一個(gè)1的位平面設(shè)為頂層位平面,被跳過(guò)的位平面?zhèn)€數(shù)會(huì)編碼到導(dǎo)頭中)3651=MSB-planeLSB-plane第21頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二22系數(shù)比特建模(續(xù))對(duì)碼塊中的每個(gè)位平面,采用一種特殊的碼塊掃描模式進(jìn)行三輪編碼通道掃描.第22頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二233輪通道掃描位平面的每個(gè)系數(shù)比特只在三個(gè)編碼通道中的一個(gè)進(jìn)行編碼:

1.顯著性傳播通道2.幅值細(xì)化通道3.清除通道第23頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二243輪通道掃描顯著性傳播通道:若某比特是非顯著的(=0),而其八個(gè)鄰居中至少有一個(gè)是顯著的(=1),就編碼該比特.若該比特此時(shí)是1,其顯著性標(biāo)志置1,而符號(hào)位被編碼.編碼是由MQ編碼器完成的,它是一種低復(fù)雜度的熵編碼器.幅值細(xì)化通道:

編碼已是顯著的且在顯著性傳播通道沒(méi)被編碼的那些樣本值.3.清除通道:編碼那些被前兩個(gè)通道忽略掉的比特(非顯著性比特).是MSB位平面的首個(gè)編碼通道.第24頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二25質(zhì)量層組織從每個(gè)碼塊得到的比特流組織到質(zhì)量層中.質(zhì)量層是一個(gè)瓦片的某些連續(xù)位平面編碼通道的集合.每個(gè)碼塊都能為一個(gè)質(zhì)量層貢獻(xiàn)數(shù)量不定的編碼通道,但并非所有的編碼通道分配到一個(gè)質(zhì)量層.圖像質(zhì)量隨著解碼質(zhì)量層的數(shù)量增加而提高.第25頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二26比特率控制碼率控制是為達(dá)到目標(biāo)比特率而適時(shí)截?cái)啻a流的過(guò)程.整個(gè)圖像壓縮完成后,后處理過(guò)程檢索所有的壓縮塊,確定每個(gè)塊的嵌入式比特流應(yīng)該截短到何種程度才能獲得設(shè)定的目標(biāo)比特率.理想的截?cái)嗖呗允窃谶_(dá)到目標(biāo)比特率時(shí)失真度最小.各個(gè)碼塊的壓縮是獨(dú)立進(jìn)行的,因此可以使用任何比特率截?cái)嗖呗?第26頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二27比特流組織

比特流組織過(guò)程中,來(lái)自特定位平面編碼通道的壓縮數(shù)據(jù)打包放進(jìn)比特流中.接著,形成的這些包以一種順序方式被復(fù)接到一起,形成碼流.編碼每個(gè)轄區(qū)生成一個(gè)包,這個(gè)包可能是空包.包由包頭和壓縮數(shù)據(jù)組成.第27頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二28比特流組織

第28頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二29比特流組織(續(xù))有5種方法來(lái)安排包的順序,稱為漸進(jìn)性,這里的位置指的是轄區(qū)號(hào):質(zhì)量:質(zhì)量層,分辨率,分量,位置分辨率1:分辨率,質(zhì)量層,分量,位置分辨率2:分辨率,位置,分量,質(zhì)量層位置:位置,分量,分辨率,質(zhì)量層分量:分量,位置,分辨率,質(zhì)量層排序是按照重要性從高到低進(jìn)行的.碼流中的漸進(jìn)順序任意修改也是可能的.第29頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二30碼流組織(示意圖)第30頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二31解碼(解壓縮)解碼基本上是編碼的反過(guò)程:解碼器按照導(dǎo)頭中聲明的進(jìn)度順序解析接收碼流.包中的系數(shù)接著被解碼和反量化，然后是進(jìn)行ICT逆變換在不可逆變換壓縮的情況下,解壓縮導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失,重構(gòu)圖像與原始圖像不會(huì)完全相同.第31頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二32新特性:與以前的壓縮算法相比,JPEG2000有哪些新新特性???一次壓縮,多方式解壓縮感興趣區(qū)域編碼漸進(jìn)性容錯(cuò)性第32頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二33JPEG2000–應(yīng)用領(lǐng)域第33頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二34一次壓縮,多方式解壓就JPEG2000算法而言,壓縮器決定了可用的最高分辨率和最好圖像質(zhì)量.只解壓圖像的某個(gè)區(qū)域或者某個(gè)分量(如彩色圖像的灰階分量)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問(wèn)也是可能的.這可通過(guò)改變圖像質(zhì)量和分辨率來(lái)實(shí)現(xiàn).任何情況下都可以只定位、提取和解壓所要圖像產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)而不用解壓整個(gè)圖像.第34頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二35感興趣區(qū)編碼(ROI)ROI編碼就是部分圖像區(qū)域以高于其余部分(背景)的質(zhì)量進(jìn)行編碼.并且跟ROI相關(guān)的信息會(huì)放在背景信息之前.2種方法:縮放法和最大平移法第35頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二36感興趣區(qū)編碼(ROI)–縮放法

計(jì)算小波變換推導(dǎo)ROI模板,標(biāo)示ROI重構(gòu)(最多無(wú)損重構(gòu))所需的系數(shù)集量化小波系數(shù)位于ROI區(qū)域之外的系數(shù)縮小一個(gè)特定的倍數(shù)得到的系數(shù)逐步進(jìn)行熵編碼(先編碼MSB位平面)ROI的縮放值和坐標(biāo)加入到碼流之中.第36頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二37感興趣區(qū)編碼(ROI)–最大平移法先生成ROI模板(位圖)描述哪些量化的變換系數(shù)需要以較好的質(zhì)量編碼.ROI模板之外的量化變換系數(shù)(背景系數(shù))縮小，使得跟ROI有關(guān)的比特放在了較高的位平面并在背景編碼之前編碼.選擇縮放值S:Smax(Mb),這里Mb是背景系數(shù)縮小之后當(dāng)前分量所有碼塊所有背景系數(shù)中的最大幅值所包含的位平面的個(gè)數(shù),所有移位后的ROI系數(shù)的LSB都在背景系數(shù)的MSB(非零)之上.優(yōu)點(diǎn):ROI形狀可以是任意的,解碼器無(wú)需知曉形狀信息.第37頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二38ROI–例子原始圖像,指定了ROI解壓后圖像,ROI完全恢復(fù)第38頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二39可伸縮性和比特流解析可伸縮性的2種重要模式:分辨率/空間質(zhì)量(SNR)比特流解析空間伸縮性和質(zhì)量伸縮性的組合.先按空間伸縮性漸進(jìn)到給定的分辨率層次,然后在更高的層次上改變?yōu)榘凑誗NR漸進(jìn).第39頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二40分辨率可伸縮性第40頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二41分辨率可伸縮性第41頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二42分辨率可伸縮性第42頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二43分辨率伸縮性第43頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二44質(zhì)量可伸縮性第44頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二45質(zhì)量可伸縮性第45頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二46質(zhì)量可伸縮性第46頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二47容錯(cuò)性數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的影響:錯(cuò)誤在包數(shù)據(jù)體中:某些碼塊的算術(shù)編碼數(shù)據(jù)損壞=>嚴(yán)重失真.錯(cuò)誤在包數(shù)據(jù)頭中:可能解出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)體長(zhǎng)度,碼塊數(shù)據(jù)可能分給了錯(cuò)誤的碼塊=>整個(gè)失去同步.字節(jié)缺失(比如網(wǎng)絡(luò)包丟失):包數(shù)據(jù)頭錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)體錯(cuò)誤的復(fù)合第47頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二48碼塊數(shù)據(jù)的保護(hù)段符號(hào)Segmentationsymbols:每個(gè)位平面編碼結(jié)束時(shí)加入特定的符號(hào)序列.如果解碼得到的序列有錯(cuò)，那么可以斷定發(fā)生了錯(cuò)誤，至少最近的位平面被損壞了.Regularpredictabletermination常規(guī)可預(yù)測(cè)終止:使用一種特殊的算法(可預(yù)測(cè)終止)在每個(gè)編碼通道結(jié)束時(shí)終止算術(shù)編碼器.解碼器重復(fù)這種終止處理,如果在末端沒(méi)有找到相同的無(wú)用比特,錯(cuò)誤就可能發(fā)生在最近的編碼通道(至少是這樣).同時(shí)混用兩種機(jī)制,不過(guò)會(huì)輕微降低壓縮效率.第48頁(yè)，共55頁(yè)，2023年，2月20日，星期二49包頭的保護(hù)

SOP重同步標(biāo)記:可在每個(gè)包之前加上帶序列索引的SOP標(biāo)記.如果包頭之前沒(méi)有找到帶正確序列索引的SOP標(biāo)記,那么就可以確定發(fā)生了錯(cuò)誤.在這種情況下,在碼流中搜索下一個(gè)未損壞的包并繼續(xù)解碼過(guò)程.PPM/PPT標(biāo)記:包頭內(nèi)容可以移到碼流的主導(dǎo)頭或標(biāo)題頭中,并通過(guò)具有較低錯(cuò)誤率的信道傳輸.轄區(qū)Precincts:限制包