JPEG2000 標準是利用了離散小波變換技術和嵌入式編碼技術一EBCOT，它不但提高了壓縮比，而且提供了很多新編碼方法。感興趣區域編碼（ROI）便是新編碼方法之一。ROI 編碼不僅較好地保持了圖像的視覺效果，而且更大限度地壓縮了圖像，這非常有利于解決信道擁擠，和存儲空間過大的問題。

　　在使用圖像過程中，人們通常只對圖像的某一區域關注較多，我們稱之為感興趣區域，而對其他區域關注較少，我們稱之為背景區域。于是我們在圖像編碼過程中，可以對關注較多的感興趣區域進行高質量的編碼，而對背景區域較低質量的編碼，從而提高圖像壓縮比，這就能更進一步地協調好圖像質量與壓縮比的矛盾，這就是ROI 編碼技術。

　　1 JPEG2000 標準中的兩種感興趣區域編碼方法JPEG2000 中給出了兩種感興趣區域編碼算法：一般位移法和最大位移法。

　　1.1 一般位移法一般位移法就是對于一個位移因子S，就是背景區域內的系數右移S 位，這樣做是使得感興趣區域的一部分系數比背景區域的系數的位平面要高，如圖1（c）。在編碼時，位平面高的會先于位平面低的先編碼，于是感興趣區域的一部分系數就會先編碼和傳輸，然后才是剩余一部分感興趣區域位平面和背景區域位平面一起編碼傳輸。

　　在一般位移法中，位移因子的選擇范圍是非常大的，可以根據不同的需要來確定S 的值。當位移因子較大時，感興趣區域位平面和背景區域位平面相對較分離，編碼時幾乎是感興趣區域都編碼完了才開始編碼背景區域的位平面。當位移因子較小時，將會有較多的感興趣區位平面和背景區域位平面一起編碼傳輸。

　　一般位移法也有它的不足之處，就是編碼時，需要把感興趣區域的形狀參數一起編碼和傳輸出去，這就增加了編解碼的難度，而且形狀參數的編碼也會擠占信道，也就降低了編碼效率。JPEG2000 標準中，只能滿足對橢圓和矩形的感興趣區域編碼，這在一定程度上限制了感興趣編碼的廣泛應用。

　　1.2 最大位移法最大位移法中，所有量化系數輸入到編碼器后，編碼器根據輸入的量化系數，生產一個特定的位移因子S，次位移因子S 可以能使得感興趣區域位平面和背景區域位平面完全分離開，沒有任何重疊部分，如圖1（b）。也就是此時位移因子得滿足：S逸max（Mb），Mb是所有位平面幅度的最大值。

　　最大位移法中，不需要對形狀信息進行編碼，所以可以節約一些碼流。但是由于位移因子S 的值是唯一固定的，所以不能調節感興趣區域和背景區域的相對圖像質量。

　　2 通用的部分位平面偏移方法正是由于標準中的兩種ROI 編碼都有一定不足，于是廣大學者對ROI 編碼進行了很多的研究，探索出了一下新的編碼算法。本文下面就要介紹一種新的感興趣編碼算法：通用的部分位平面偏移方法［4］（Generalized PartialBitplanes Shift Method，GPBShift）。

　　標準方法中是一次完成位平面的移動，但GPBShift方法是將ROI 的位平面系數分割為兩段，將BG 的位平面系數也劃分為兩段，編碼時按照不同的圖片質量需要對四個位平面段進行相應的移動。

　　圖2 是GPBShift 方法的位平面偏移示意圖。其中S1=3，表示ROI 系數中被劃分較高位平面的個數；S2=6，是BG 系數中被劃分較高位平面的個數。在圖2 中，位平面的由上到下的序號依次為1，2，3，4，5，……。在編碼時，GPBShift的位平面偏移方法為：淤對于ROI 系數中的某一位平面b：如果b臆S1，則不偏移；否則，下移到位平面b+S1。

　　于對于BG 系數中的某一位平面b：如果b臆S2，下移到位平面b+S1；否則，下移到位平面b+S1+［max（Mb）-S2］。

　　解碼時，操作剛好與上述位移方法相反。

　　在運用此方法時，盡管理論上S1 和S2 可以自由地取0 到max（Mb）之間的任意整數，但取值不當，會影響編碼效率和系統的可靠性。例如：當S1》S2，位平面就出現“空閑”的狀態，如圖3 所示。這樣就擴大了系數的變化范圍，降低了系數的準確性，而且會影響編碼的速度。所以實際應用中要求S1臆S2。GPBShift 方法運用JPEG2000 的ROI 編碼，兼顧了其他改進算法的優點，其主要優點如下：淤對ROI 的形狀沒有要求，不用進行形狀編/解碼，降低了對編/解碼的要求，節約了數據量；于可以對分辨率不同ROI，運用不同的小波子帶；盂通過設定不同的S 值，能自由地調節ROI 和BG 重建圖像的相對質量；榆多個不同分辨率的ROI 可以存在于同一副圖像中。

　　一種新的ROI編碼算法——PSBShift算法，它結合了JPEG2000中定義的兩種標準RIO編碼算法的優點。 關鍵詞：圖像編碼 JPEG2000 感興趣區域編碼 JPEG2000是由ISO（國際標準化組織）和IEC（國際電工協會）聯合開發的新興圖像壓縮標準。JPEG2000因為采用了離散小波變換和最新的嵌入式編碼技術，所以具備了傳統的JPEG所無法比擬的優勢。

　　它具有以下主要特點：

　?。?）良好的低比特率壓縮性能，其壓縮率比JPEG高約30%左右；

　　（2）支持無損和有損壓縮；

　?。?）按圖像質量或分辨率漸進傳輸；

　　（4）對碼流的隨機存取和感興趣區域（ROI）的編碼；

　　（5）較強的抗誤碼性能。

? ? ? ? ? 圖像壓縮

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　　JPEG2000圖像壓縮標準共有12部分，其中PART1是JPEG2000的核心系統，已在2000年12月成為國際標準，其目標是提供一個最小化的無知識產權問題的JPEG2000可用系統；PART2是擴展系統，與PART1比較，它采用的技術更復雜，性能也更優良。圖1、21 JPEG2000 PART1的基本系統 圖1和圖2所示分別是JPEG2000的編碼系統和解碼系統。 由于解碼只是編碼的逆過程，這里只介紹編碼系統。 如果壓縮圖像，首先進行預處理：對圖像的無符號分量進行DC電平位移，多分量圖像還要進行分量變換，再把每個分量都分割成不重疊的矩形區域，稱為貼片（tiles）。分別對每個貼片進行壓縮，主要分為四步。

　　第一步，計算小波變換，得到小波系數子帶；標準規定了整數和浮點兩種小波變換；有L+1個子帶分辨率層，其中L由編碼器決定。

　　第二步，如果用戶指定了目標碼率，則量化小波系數，碼率越低，小波系數的量化就越粗糙。

　　第三步，用MQ編碼器對小波系數進行算術編碼，采用EBCOT算法。該算法的原理將每個子帶分成塊，稱為碼塊（code-blocks），分別編碼。將幾個碼塊的編碼結果打成一個包（packet）是位流的分量。

　　第四步，比特流組織，將包連同許多標記（markers）一起寫進位流。 2 感興趣區域的編碼 感興趣區域（ROI）編碼是JPEG2000標準中的一個新特點，即允許感興趣區域（ROI）比圖像的其他區域（BG）有更高的質量編碼。ROI編碼在某些應用中很重要，其圖像中的某一部分比其他部分顯得重要，

　　例如： （1）客房機/服務器模式：服務器一開始只傳輸一幅圖像的低質量或低分辨率的版本，客房機選擇圖像的一塊區域作為ROI區域，這樣服務器就只需要傳輸能夠細化（也就是提高空間分辨率或質量）ROI區域的數據了。在瀏覽圖像數據庫時這是一個很有用的功能，特別是當存儲的圖像的分辨率很高和圖像很大（大于2兆像素）時，客戶機不需要以最高的分辨率下載整幅圖像。圖3（2）人臉圖像：在瀏覽數碼相冊時，人們通常最感興趣的只是照片中的人臉部分。采用一種自動人臉檢測算法，一幅圖像中人臉部分就能被編碼成ROI區域，并且能比背景區域更精確地存儲。這種方法也能用于客房機/服務器模式瀏覽圖像，或者用于數碼照相機中減少存儲人臉圖像的比特數。 JPEG2000標準中定義了兩種ROI算法：Maxshift算法和一般位移法。其中，Maxshift算法被JPEG2000的PART1所采納，一般位移法被JPEG2000的PART2所采納。 一般位移法（Generic scaling based method）是選擇一個適當的位移因子s，使位于ROI區域之外的背景（BG）系數都右移s位。這樣ROI區域的最有效的位平面就高于背景系數的所有位平面，如圖3（b）。在嵌入式編碼/解碼過程中，這些ROI區域的位平面會先于BG區域的位平面被編碼、傳輸和解碼（仍有一些ROI區域的位平面會與BG區域的位平面一起編碼、傳輸和解碼，這取決于位移因子s）。如果碼流被截斷或者編碼/解碼過程沒有全部完成，ROI區域的重建圖像質量會優于BG區域。

　　在ROI區域的重建質量得到保證的前提下，ROI技術可以節約帶寬，減少計算開銷。 由于可以自由地選擇位移因子，一般位移法能夠很好地控制ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性。但是，一般位移法必須對ROI的形狀信息進行編碼，現有標準限制了ROI的形狀只能是矩形或橢圓形。另一方面，在一般位移法中，不同的小波子帶必須使用同一個ROI區域的定位，這在某些應用中是不希望出現的。 在Maxshift算法（Maxshift method）中，位移因子s不是預先選定的。在編碼端，所有經量化的小波系數被逐一掃描。位移因子s的選擇必須使ROI區域的最小系數大于BG區域的最大系數，如圖3（c）。

　　在解碼端，接收到的比s小的系數都是BG區域的系數，反之則是ROI區域的系數。 當一般位移法中的位移因子增大到BG位平面與ROI平面沒有重疊的時候，axshift算法可以看作是一般位移法的特例，也就是位移因子必須滿足： s≥max（Mb） Mb通常是子帶b中的幅度位平面的最大值，max（Mb）就是所有系數的最大幅度。在Maxshift算法中ROI的形狀信息隱含在解碼器中，這樣任意形狀的ROI它都能支持。而且，它能靈活地處理不同的小波子帶。Maxshift算法最主要的局限在于，它不能通過調整位移因子而靈活地控制ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性。圖43 一種新的ROI編碼算法——PSBShitf算法 考慮到這兩種標準ROI編碼方法的各自局限性，本文介紹了一種新的、靈活地位移方法，可以稱為PSBShift算法（Partial Significant Bitplanes Shift），它結合了兩種標準算法的優點，能夠有效地壓縮多個優先級別不同的感興趣區域。 此方法主要基于這樣一個事實，即在高比特率下，ROI區域和BG區域都能以高質量進行編碼，并且兩者的區別并不太值得注意；而在低比特率下，圖像中的ROI區域希望有比BG區域更高的編碼質量。因此只要在ROI區域的最高有效位平面中分離出部分位平面，就能調整ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性了。也就是說只需要位移ROI系數最高有效位平面中的一部分，而不用像標準中的方法那樣位移所有的位平面。圖3（d）中說明了PSBShift算法（這里s=6）。ROI系數的所有位平面被分成了兩部分：最高有效位平面（themost significant bitplanes）和剩余有效位平面（the residual significant bitplanes）。最高有效位平面的數量與位移因子的大小相等，剩余有效位平面的數量Nlsbs表示為：

　　在編碼端，ROI系數的最高有效位平面不位移，而ROI系數的剩余有效平面與BG系數一起右移（即向LSB方向移）。在解碼端，可以像Maxshift算法一樣識別ROI系數。低于第s個位平面的所有位平面提升s個位平面，再結合高于第s個位平面的所有位平面。這就是與Maxshift算法不同的地方，在Maxshift算法中沒有“結合”這一步操作。既然BG系數的高于第s個位平面的所有位都是0，那么這種修改過的解碼器也可以用于處理由Maxshift算法生成的標準代碼流。

　?。?）PSBShift ROI編碼 PSBShift 算法能夠編碼使一幅圖像中的ROI區域比BG區域的質量高，或者使ROI區域與BG區域的質量一樣。如圖3（d）所示，如果在編碼/解碼第2s個最高有效位平面之前，編碼位流被截斷或者編碼/解碼過程被終止，ROI區域將會有比BG區域更高的質量。在第2s個最高有效位平面被編碼/解碼后（ROI區域的位平面和BG區域的位平面重疊時），ROI區域和BG區域將以相同的質量編碼。位移因子s控制著ROI區域和BG區域的相對質量。 例如，對一幅“Barbara”圖像（720%26;#215;576，8bpp）應用不同的位移因子（s=0、5、9、13），采用可逆的編碼模式編碼，在臉部定義一個矩形的ROI區域。如圖4所示，隨著比特率的增加，ROI區域和BG區域的失真減少（distortion reduction）。當s很小時，例如s=5，ROI區域和BG區域的質量沒有太大的不同（圖4（b））。隨著位移因子的增加，例如s=9（圖4（c）），在比特率的較大變換范圍內，ROI區域都有比BG區域更高的編碼質量。當所有位平面都被解碼，就達到了無損解碼。當s≥馬max（Mb）（這里max（Mb）=12），結果與Maxshift算法一樣，如圖4（d）中s=13。因此PSBShitf算法在某種程度上能概括Maxshift算法，而不同于一般位移位。

　　與一般移法相比，一般位移法只支持矩形和橢圓的ROI形狀，PSBShift算法可以編碼任意形狀的ROI而不需要對形狀信息進行編碼。PSBShift算法能夠像Maxshift算法一樣，在不同的小波子帶定義不同的ROI。與Maxshift算法不同的是，Maxshift 算法也能通過使用不同的位移因子靈活地調整ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性，這種靈活性夠針對不同的應用改善ROI區域的編碼質量。例如，圖5中所示的“Barbara”圖像，它是可逆編碼（在所有子帶中都有ROI/BG的區域）的，并且以0.5bpp的比特率分別用Maxshift算法（s=12）和Maxshift 算法（s=10）解碼。可以看到在ROI區域兩種方法沒有視覺上的區別，而在BG區域Maxshift算法比Maxshift算法提供了更好的質量。如果ROI區域需要比BG區域更高的質量，可以使用更大的位移因子，結構將會更接近Maxshift算法，因此，Maxshift算法可以針對不同的應用，設計出有效和靈活的ROI編碼。

　　（2）多個ROI區域的編碼 多個ROI區域的編碼需要根據多個ROI區域在一幅圖像中不同的優先級采用不同的質量對它們進行編碼。一般位移法也支持多個ROI區域的編碼，但是需要對ROI形狀的信息編碼并且對形狀有限制。Maxshift算法也可以支持多個ROI區域的編碼，不過它要通過大幅度提高小波系數的動態范圍來實現，這樣將會明顯地降低壓縮效率。Maxshift算法能夠有效地支持多個ROI區域的編碼，它通過對不同的ROI區域采用位移不同數量的最高有效位平面來實現。

　　例如，“Bike”圖像（2048%26;#215;2560，8bpp）中定義了三個ROI區域，如圖6所示的ROI-1、ROI-2和ROI-3。選擇最高有效位平面的提升數量s1》s2》s3，例如s1=10，s2=8，s3=6，存貯在碼流里的位移因子是s=max（s1，s2，s3）。 JPEG2000是一個非常有用的新一代靜止圖像的壓縮標準。本文主要介紹了JPEG2000標準的基本系統和它的一個重要特點：感興趣區域編碼。在分析了兩種標準算法（Maxshift算法和一般位移法）的優缺點后，介紹了一種新的ROI編碼算法——Maxshift算法。

　　這種算法有四個基本優點：

　?。?）它支持任意形狀的ROI編碼，而不需要編碼形狀的信息；

　?。?）它允許不同的小波子帶有不同的ROI定義；

　?。?）采用合適的位移因子可以控制ROI區域與BG區域的之間的相對重要性；

　?。?）在低比特率下，能夠對一幅圖像中的具有不同優先級的多個ROI區域進行有效的編碼。