JPEG（聯合圖像專家組）2000 標準于 2001 年定稿，它使用基于小波技術的最新壓縮技術定義了一種新的圖像編碼方案。其架構可用于許多不同的應用，包括互聯網圖像分發、安全系統、數碼攝影和醫學成像。

關于JPEG 2000是什么以及它與其他壓縮標準（如MPEG（運動圖像專家組）-2，MPEG-4和早期的JPEG相比如何，存在很多混淆。通過與其他壓縮標準的簡要比較，本文主要旨在強調 JPEG 2000 的一些經常被誤解和很少提及的潛在實際好處。

圖1.JPEG 2000 應用程序。

應用

閉路電視安全

傳輸或存儲圖像信息時，必須采用壓縮以保持圖像分辨率，同時充分利用有限的信道帶寬。如果可以從通道完全恢復原始文件而不會丟失任何信息，則壓縮定義為無損;否則，它是有損的。需要標準來確保互操作性。JPEG 2000 是唯一同時提供無損和有損壓縮的標準壓縮方案。因此，它適用于需要高質量圖像的應用程序，盡管存儲或傳輸帶寬受到限制。

基于 JPEG 2000 的系統的一個重要功能是能夠從單個 JPEG 2000 代碼流中提取各種分辨率、組件、感興趣區域和壓縮率。這在任何其他壓縮標準中都是不可能的，因為圖像大小、比特率和質量必須在編碼端指定，而不能在解碼端確定或更改。

例如，閉路電視 （CCTV） 安全系統可以通過低帶寬網絡發送單個 JPEG 2000 代碼流來利用此功能。高分辨率圖像可以存儲在硬盤驅動器 （HDD） 上，而幾個較低分辨率的圖像顯示在顯示器上。接收端的操作員可以決定從發送的單個代碼流中提取哪些信息。

JPEG 2000 是幀精確的，因為輸入的每一幀都包含在壓縮格式中。另一方面，MPEG系統通過時間壓縮（不會將每個幀編碼為完整圖像）來減少數據量，因此MPEG壓縮不是幀精確的。因此，法律問題限制了在某些安全應用程序中使用 MPEG 壓縮。為了解決這個問題，安全系統和設備提供商不得不開發自己的壓縮方案，或者使用效率極低的運動JPEG（M-JPEG）壓縮標準，以提供包含原始字段的壓縮流。他們現在可以將 JPEG 2000 用于新設計。

互聯網圖像分發

漸進式編碼是 JPEG 2000 標準的另一個功能，這意味著比特流可以以這樣一種方式進行編碼，以便在流的開頭包含不太詳細的信息，并在流進行時包含更詳細的信息。這使其成為互聯網/網絡應用的理想選擇，尤其是大圖像和低帶寬的應用，因為即使在低速網絡或圖像數據庫中，也可以在解碼端立即看到圖像。首先顯示較低的子帶，并隨著時間的推移添加更多詳細信息。因此，隨著時間的推移，圖片變得更加清晰和詳細，并且不必下載整個圖像即可看到。

隨著低質量圖像立即可用，接收端的用戶可以決定是查看完全解碼版本的圖片，還是通過它并掃描下一張圖片。客戶端可以查看不同分辨率或質量級別 [壓縮率] 的圖像，使其適用于任何傳輸帶寬、連接速度或顯示設備。此外，JPEG 2000 編碼還提供了放大或縮小圖像特定區域的選項，或者以不同的分辨率或壓縮率顯示圖像的特定區域。

高清晰度

在極端壓縮級別下，JPEG 2000 視頻開始模糊，但仍然相當清晰。MPEG或JPEG偽像對眼睛來說更令人不安，圖像在高壓縮比下明顯分解成小塊。JPEG 2000 在中高比特率下具有高圖像質量，內容包含大量運動、無塊偽影和高效率，是數字影院、高清錄制系統和高清攝像機設備等高清 （HD） 應用的理想選擇。

許多應用程序需要精確的比特率控制，只有 JPEG 2000 才能提供。精確的比特率控制是可能的，因為整個幀或場是一次轉換的;然后將其分解為位流或代碼塊，可以使用下面描述的技術獨立處理。在使用DCT的系統中，量化是唯一使用的技術，這使得精確的比特率控制變得困難。為了控制DCT系統中的比特率，必須對信息進行重復的重新處理和重新量化。JPEG 2000 中使用的速率控制算法截斷每個比特流以滿足特定的目標比特率，并根據需要調整每個代碼塊數據的截斷和重新量化。除了對目標比特率進行編程外，該標準還允許用戶指定特定的質量指標。在這種情況下，只要性能不低于特定的峰值信噪比，目標比特率就會變化以滿足指定的質量因數。PSNR是圖像質量與感知圖像質量相當的指示。

JPEG 2000 代碼流

給定的輸入圖像或圖像的一部分[tile]被發送到一組小波濾波器，這些濾波器將像素信息轉換為小波系數，然后將其分組為幾個子帶[小波在編碼中的使用首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解釋]。每個子波段都包含小波系數，用于描述整個原始圖像的特定水平和垂直空間頻率范圍。這意味著較低頻率、不太詳細的信息包含在第一個轉換級別中，而更詳細、頻率較高的信息包含在較高的轉換級別中。為簡單起見，此處僅顯示兩個級別的轉換。第一個變換電平產生子帶 LH1、HH1、HL1 和 LL1。僅傳遞子帶LL1以進行進一步濾波，生成下一個變換電平并創建子帶LH2、HH2、HL2和LL2。

大小相等的代碼塊（本質上是數據位流）在每個子帶內生成。這種細分對于系數建模和編碼是必要的，并且是在逐個代碼塊的基礎上完成的。從本質上講，實際壓縮是通過截斷和/或重新量化每個代碼塊中包含的位流來實現的。然后，使用稱為后壓縮速率控制（PCRC）的技術對這些位流進行最佳截斷。

可以獨立訪問代碼塊。它們的位流通過每個位平面三次編碼進行編碼。此過程稱為上下文建模，用于分配有關每個系數位的重要性的信息。然后可以根據代碼塊的重要性對代碼塊進行分組。在解碼方面，可以根據其重要性提取信息，從而首先看到最重要的信息。

JPEG 2000 可以包含用戶定義的層數，這些層數由 PCRC 和上下文建模定義。每一層代表一個特定的壓縮率，其中壓縮率是通過量化、速率失真和上下文建模過程實現的。例如，第 0 層包含來自有損 WT 轉換的位流，這些位流被嚴重截斷，不包含編碼傳遞，因此提供最高的壓縮率和最低的質量。然后，第 16 層可以包含截斷較少并使用更多編碼傳遞的位流，從而提供低壓縮和高質量。

圖2.ENCODE—小波上的圖像轉換為子帶和分辨率。

切片或圖像進一步劃分為多個區域。轄區包含許多代碼塊，用于方便訪問圖像中的特定區域，以便以不同的方式處理該區域，或僅解碼圖像的特定區域。JPEG 2000 位流是通過將代碼塊或區域排列成數據包數組生成的，較低的子帶排在最前面。

JPEG 2000 流以主標頭開頭，其中包含以下信息：未壓縮的圖像大小、圖塊大小、組件數、組件位深度、編碼樣式、轉換級別、級數、層數、代碼塊大小、小波濾波器類型、量化級別等。整個圖像數據分組在 LL、HL、LH 和 HH 子帶的代碼塊中，跟在標題后面。數據不包含在標頭信息中。此外，目錄可以存儲在編碼端，并允許解碼器按需調用特定分辨率，而無需首先解碼或下載整個 JPEG 2000 代碼流。

圖3.解碼 - 一個 JPEG 2000 流由多個解碼器接收。

DCT 與 WT

JPEG 2000 使用小波變換 （WT） 來減少圖片中包含的信息量，而 MPEG 和 JPEG 系統使用離散余弦變換 （DCT）。的確，WT需要比DCT更多的處理能力，但MPEG系統需要的不僅僅是DCT。DCT 或任何類型的傅里葉變換以頻率和幅度表示信號，但僅限于單個時刻。WT將信號隨時間轉換為頻率和幅度，因此效率更高。圖 4 到 9 對此進行了演示。

為了獲得與一次WT通過相同的信息量，必須對每個頻率使用DCT;并且這些頻率中的每一個都必須在每個時間時刻為每個 8 × 8 像素塊進行轉換。此外，MPEG系統使用幀間壓縮[運動估計]，以進一步減少運動估計的數據量。這需要在外部存儲器中存儲至少兩個完整的字段。計算密集型運動估計過程需要一個非常強大的處理器。時間壓縮可用于 JPEG 2000 系統，但它不是 JPEG 2000 標準所固有的。

圖4.包含頻率 A、B、C 和 D 的輸入信號 1。

圖5.包含頻率 A、B、C 和 D 的輸入信號 2。

圖6.信號的小波變換 1.

圖7.信號的小波變換 2.

圖8.信號 1 的傅里葉變換。

圖9.信號 2 的傅里葉變換。

JPEG 2000 相對于其他壓縮標準的優勢

所有 MPEG 標準都很復雜且計算量大。這轉化為標清 （SD） 應用程序中廣泛的處理延遲和內存要求。當考慮高清 （HD） 格式時，這些因素變得更加成問題，JPEG 2000 變得更加可取。JPEG 2000的另一個優勢是標準本身，它允許在許多不同的應用中具有極大的靈活性和控制力。格式方面也有很多通用性：JPEG 2000 支持從每個樣本 8 位到每個樣本無限位數的任何內容，而 MPEG 僅支持 8 位數據。

JPEG 2000 繼續流行，盡管 MPEG-2 是 DVD 和廣播應用的既定標準。JPEG 2000在需要通過無線或其他鏈路高質量存儲或傳輸高清圖像的高清應用中也非常受歡迎。

The ADV202

自1990年代初以來，ADI公司在小波壓縮研發方面投入了大量資金。1996年，我們率先推出了ADV601小波壓縮硬件解決方案。現在，ADI公司于2004年7月發布的最新小波編解碼器ADV202是迄今為止市場上唯一的專用JPEG 2000 IC。ADV202是一款完整的單芯片JPEG 2000壓縮/解壓縮IC，可處理高清視頻、標清視頻和靜止圖像。它支持 ISO/IEC15444-1 [JPEG 2000] 圖像壓縮標準的所有功能[最大移位 ROI 除外]。其獲得專利的SURF?（空間超高效遞歸濾波）技術可實現低功耗、低成本的小波壓縮。ADV202包含一個專用的小波變換引擎、三個熵編解碼器、一個RISC處理器和板載存儲器系統，為ITU等常見視頻標準提供無縫接口。R.BT656、SMPTE274M 或 SMPTE296M。它可以創建完全兼容的 JPEG 2000 代碼流 [.j2c， .jp2]。它還可以提供原始代碼塊和屬性數據，允許主機處理器完全控制生成和壓縮過程。

圖 10.ADV202 框圖

盡管數字信號處理器（DSP）性能顯著提高，但DSP每秒必須執行200億條指令，才能與標清編碼應用中ADV202的性能相匹配。ADV202的三個專用片內熵編解碼器可有效用作加速器，負責高吞吐速率。

結論 — JPEG 2000 的展望

使用 JPEG 2000 硬件解決方案的一個主要優點是延遲比任何其他壓縮方案都低，例如，這一因素在醫療應用中尤為重要。

一些主要的視頻或廣播設備制造商已經將JPEG 2000實施到諸如實時編碼和解碼系統以及視頻服務器等高清產品中。

審核編輯：郭婷