簡介

最終于2001年完成的JPEG（聯合圖像專家組）2000標準使用基于小波技術的最先進壓縮技術定義了一種新的圖像編碼方案。它的架構適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的比較存在很多困惑例如MPEG（運動圖像專家組）-2，MPEG-4和早期的JPEG。通過與其他壓縮標準的簡要比較，本文主要是為了強調一些經常被誤解和很少提到的JPEG 2000潛在成為實際的好處。

應用程序

CCTV安全

發送或存儲圖像信息時，必須采用壓縮來保持圖像分辨率，同時充分利用有限的信道帶寬。壓縮被定義為無損如果從通道完全恢復原件而沒有任何信息丟失;否則，它是有損。需要標準來確保互操作性。 JPEG 2000是唯一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的系統的一個重要特征是能夠提取各種分辨率，組件，感興趣的區域和單個JPEG 2000代碼流的壓縮率。任何其他壓縮標準都無法做到這一點，因為必須在編碼端指定圖像大小，比特率和質量，并且無法在解碼端確定或更改。

例如，閉路電視（CCTV）安全系統可以通過在低帶寬網絡上發送單個JPEG 2000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，而多個低分辨率圖像可以顯示在監視器上。 接收側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 幀準確，每一個輸入的框架包含在壓縮格式中。另一方面，MPEG系統通過時間壓縮（不將每個幀編碼為完整圖像）減少數據量，因此MPEG壓縮不是幀精確。因此，法律問題限制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必須開發自己的壓縮方案 - 或使用效率極低的動態JPEG （M-JPEG）壓縮標準 - 以提供壓縮流包含原始的每個字段。他們現在可以將JPEG 2000用于新設計。

Internet圖像分發

漸進式編碼，JPEG 2000標準的另一個特性，意味著比特流可以編碼，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 - 特別是對于大圖像和低帶寬 - 因為即使使用低速網絡或圖像數據庫，也可以在解碼端立即看到圖像。首先顯示較低的子帶，隨著時間的推移添加更多細節。因此，隨著時間的推移，圖像變得更加清晰和細致，并且在可以看到之前不必下載整個圖像。

即時可用的低質量圖像，接收端的用戶也可以決定是以完全解碼的版本查看圖片，還是通過并掃描下一張圖片。客戶端可以以不同的分辨率或質量級別[壓縮率]查看圖像，使其適用于任何傳輸帶寬，連接速度或顯示設備。此外，JPEG 2000編碼提供了放大或縮小圖像特定區域的選項，或以不同的分辨率或壓縮率顯示圖像的特定區域。

高分辨率

在極端壓縮級別下，JPEG 2000視頻開始模糊，但仍然可以看到。 MPEG或JPEG偽影對眼睛來說更令人不安，圖像在高壓縮比下可見地分解成小塊。中高比特率的高圖像質量和包含大量運動，缺少塊偽像和高效率的內容使JPEG 2000成為高清（HD）應用的理想選擇，如數字電影，高清錄制系統和高清攝像設備。

許多應用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，因為整個幀或場一次變換;然后將其分解為可以使用下述技術獨立處理的比特流或代碼塊。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，必須重復地重新處理和重新量化信息。 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，根據需要調整每個代碼塊數據的截斷和重新量化。除了編程目標比特率之外，該標準還允許用戶指定特定的質量度量。在這種情況下，只要性能不低于特定峰值信噪比，目標比特率就會變化以滿足指定的品質因數。 PSNR表示圖像質量與感知圖像質量相當。

JPEG 2000 Code Stream

給定的輸入圖像或圖像的一部分[< em> tile ]被發送到一組小波濾波器，它們將像素信息轉換為小波系數，然后將其分組為幾個子帶 [使用小波在編碼中的em>首先在Analog Dialogue 30-2（1996）中解釋。每個子帶包含描述整個原始圖像的特定水平和垂直空間頻率范圍的小波系數。這意味著在第一變換級別中包含較低頻率，較不詳細的信息，而在較高變換級別中包含較詳細的較高頻率信息。為簡單起見，此處僅顯示兩個級別的變換。第一變換級別產生子帶LH1，HH1，HL1和LL1。僅傳遞子帶LL1用于進一步濾波，生成下一個變換級別并創建子帶LH2，HH2，HL2和LL2。

在內部生成相同大小的代碼塊，其本質上是數據的比特流。每個子帶。這種分解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。實質上，通過截斷和/或重新量化每個代碼塊中包含的比特流來實現實際壓縮。然后使用稱為后壓縮率控制（PCRC）的技術對這些比特流進行最佳截斷。

可以單獨訪問代碼塊。它們的比特流用每個比特平面三個編碼通道編碼。此過程稱為上下文建模，用于分配有關每個單獨系數位重要性的信息。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，然后可以根據其重要性提取信息，允許首先看到最重要的信息。

JPEG 2000可以包含用戶定義的層數，由PCRC定義和上下文建模。每個層代表特定的壓縮率，其中壓縮率是從量化，速率 - 失真和上下文建模過程實現的。例如，層0包含來自有損WT變換的比特流，其被嚴重截斷，不包含編碼通道，因此提供最高壓縮率和最低質量。然后，第16層可以包含較少截斷的比特流并使用更多數量的編碼通道，從而提供低壓縮和高質量。

將圖塊或圖像進一步劃分為區域。區域包含許多代碼塊，并且用于便于訪問圖像內的特定區域，以便以不同的方式處理該區域，或者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到數據包數組中生成的，其中較低的子帶首先出現。

JPEG 2000流以包含以下信息的主標頭開始：未壓縮的圖像大小，瓦片大小，組件數量，組件的位深度，編碼樣式，變換級別，進展順序，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，按LL的代碼塊分組， HL，LH和HH子帶遵循標題。數據不包含在標題信息中。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。

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）。確實，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或任何類型的傅立葉變換，以頻率和幅度表示信號，但僅在單個時刻表示。 WT隨時間將信號轉換為頻率和幅度，因此更有效。圖4到圖9說明了這一點。

要獲得與一次WT通過相同數量的信息，必須對每個頻率使用DCT;并且必須在每個時刻對每個8×8像素塊變換這些頻率中的每一個。另外，MPEG系統使用幀間壓縮[運動估計]以便進一步減少用于運動估計的數據量。這需要在外部存儲器中存儲至少兩個整個字段。計算密集型運動估計過程需要非常強大的處理器。時間壓縮可以在JPEG 2000系統中使用，但它不是JPEG 2000標準中固有的。

JPEG 2000優于其他壓縮標準

所有MPEG標準都是復雜且計算密集的。這轉化為標準清晰度（SD）應用程序中的大量處理延遲和內存要求。當考慮高清（HD）格式時，這些因素變得更加嚴重，并且JPEG 2000變得更加理想。 JPEG 2000的另一個優勢是標準本身，它允許在許多不同的應用程序中提供巨大的靈活性和控制。格式也有很多功能：JPEG 2000支持從每個樣本8位到每個樣本無限量的位數，而MPEG只支持8位數據。

JPEG 2000繼續受歡迎，即使MPEG-2是DVD和廣播應用的既定標準。 JPEG 2000在高清應用中也非常流行，需要通過無線或其他鏈接高質量存儲或傳輸高清圖像

ADV202

自20世紀90年代初以來，ADI公司在小波壓縮R＆amp; D方面投入了大量資金。我們是第一個在1996年用ADV601引入小波壓縮硬件解決方案的公司。現在，ADI最新的小波編解碼器ADV202于2004年7月發布，是迄今為止市場上唯一的專用JPEG 2000 IC。 ADV202是完整的單芯片JPEG 2000壓縮/解壓縮IC，可與高清視頻，標清視頻和靜止圖像配合使用。它支持ISO / IEC15444-1 [JPEG 2000]圖像壓縮標準[Maxshift ROI除外]的所有功能。其專利的SURF?（空間超高效遞歸濾波）技術可實現低功耗，低成本的基于小波的壓縮。 ADV202包含專用小波變換引擎，三個熵編解碼器，RISC處理器和板載存儲器系統，為常見的視頻標準提供無縫接口，如ITU.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，允許主處理器完全控制生成和壓縮過程。

即使數字信號處理器（DSP）性能具有DSP顯著改善，每秒必須執行200億條指令，以匹配標準清晰度編碼應用中ADV202的性能。作為加速器，ADV202的三個專用片上熵編解碼器負責高吞吐率。

結論 - JPEG 2000的Outlook

使用JPEG的一個主要優勢例如，2000硬件解決方案的延遲低于任何其他壓縮方案，這在醫療應用中尤為重要。

幾家主要的視頻或廣播設備制造商已將JPEG 2000應用于未來的高清產品作為實時編碼和解碼系統和視頻服務器。

數字影院計劃（DCI）最近宣布將使用JPEG 2000作為數字電影傳輸的壓縮方法。 ADV202已經在視頻網絡應用中進入CCTV /安全市場的許多設計。

由于其靈活性和圖像壓縮質量，ADV202 - 在JPEG 2000下運行 - 可以在幾乎所有使用圖像或視頻壓縮的設計中找到它。