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采用小波压缩与新的编码方案 JPEG2000展现与众不同特性


 JPEG(Joint Photographic
Experts Group)2000规范在2001年断定版别,它界说了新的印象编码计划,运用的是一种最新的小波技能(Wavelet Technology)的紧缩办法。它的架构在许多运用很有协助,包罗因特网印象传送、保全体系、数字照相以及医疗印象等。

我们对什么是JPEG2000以及它与其它紧缩规范比如MPEG(Motion Picture
Experts Group)-2、MPEG-4及更早期的JPEG之间的比拟,都有许多疑问。有鉴于此,本文除将对其他紧缩规范作简略的比拟,也将着重在一些我们常常对JPEG2000不甚了解的当地,以及它较少被说到却可能成真的种种长处。


JPEG2000的运用
契合CCTV保全体系编码/紧缩特性
当传送或贮存数据画面,想要妥善运用有限的频道频宽时,就有必要运用「紧缩」来保存画面的分辨率。倘若原始数据可以从频道彻底复原而没有任何失真的景象,这样的紧缩便被界说为「无失真(Lossless)」;不然,就是「失真(Lossy)」。规范有必要保证互通性(Interoperability)。JPEG2000是仅有可供给无失真与失真的规范紧缩计划。因而,它可运用在实时贮存或传输频宽受到限制,仍需求较高质量印象的运用上。

以JPEG2000为根底的体系有一项重要的特性就是可以从单一的JPEG2000编码流(Code Stream)解紧缩各种分辨率、组件、爱好的区域与紧缩比率。这项特性在其它紧缩规范是不可能有的,因为印象巨细、位率与质量有必要在编码端加以指定,并不能在译码端被决议或被改动。


举例来说,一台闭路电视(CCTV)保全体系可运用此一特性,办法是透过低频宽的网络寄送单一的JPEG2000编码流。高分辨率印象可以被贮存在硬盘机(HDD)中,一起,多个低分辨率印象则显如今监视器上。在接纳端的操作人员可以决议要从寄出的单一编码流解紧缩出什么信息出来。

JPEG2000具有图框(Frame)准确性,输入的每个单一图框都以紧缩的格局包括(Contain)进来。另一方面,MPEG体系经由工夫性紧缩(Temporal Compression)(每个图框不加以编码就像完好的印象)削减数据量,所以MPEG紧缩不具图框准确性。因而,在某些保全运用上,法令明订制止运用MPEG紧缩的做法。为处置此一问题,保全体系与设备业者有必要得开展他们本人的紧缩电路,或运用没有功率的Motion JPEG(M-JPEG)紧缩规范,以便供给一种包括原始数据每个单一图场(Field)的已紧缩数据流。如今他们就可认为新的描绘项目运用JPEG2000了。


渐进式紧缩合适因特网印象传送

渐进式紧缩技能(Progressive Coding)是JPEG2000规范的另一项特性,意思是比特流可以用这样的办法加以编码,意指数据流开端时包括较不具体的信息,数据流跋涉中包括较具体的信息。此做法使这项技能很合适用在因特网/网络的运用上,独特是大印象且低频宽,就好像印象在译码端可以立刻被看到,即运用的是低速网络或印象数据库。



在工夫进行中,较低的子频带会先被看到,然后再加上更具体的材料。工夫规模内,画面因而变得锋利明晰,悉数印象在被看到之前不需求将它从网络下载下来。因为低画质印象当即可用,接纳端运用者可以决议是要观看彻底译码版另外画面,或许略过,改看下一张画面。客户可以用不一样的分辨率或画质凹凸「紧缩率」来观看印象,这使它们合适于各种传输频宽、衔接速度或显现装置。除此之外,JPEG2000编码供给在印象特定区域内扩大削减的选项,或在不一样分辨率或紧缩率,显现印象的特定规模。



高分辨率合适
动画体现



虽然在极度紧缩的景象之下,JPEG2000视讯开端含糊,但可看性仍适当高。MPEG或JPEG区块斑纹搅扰眼睛的状况就高出许多,在高紧缩率下,会看到画面分解成小方块。JPEG2000在中到高位率与包括许多动画的内容时,高印象质量不会有区块斑纹呈现,高功率使JPEG2000很合适用于高分辨率(HD)运用上,比如数字电影院、硬盘录制体系,以及硬盘照相设备。


许多运用都需求的确的位率操控,这只要JPEG2000做得到。只需悉数的图框或场域(Field)一起被变换,的确无误的位率操控是可以做到的;接着就可以将它分红各为独立的比特流或编码方块,再以下面描绘的技能加以处置即可。在运用DCT的体系中,量化是仅有运用到的技能,而这使的确无误的位率操控变得艰难。
 

为操控DCT体系中的位率,数据有必要被重复地从头处置与从头量化。而JPEG2000的位率操控运算规律截取每个比特流来契合一个指定的方针位率,调整每个所需的编码方块数据将之截短并重复量化。



除了编程方针位率外,此规范也能让运用者指定一个特另外质量矩阵。只需效能没有降到指定峰值信杂比以下的话,本例中的方针位率将多方面地切合特定数量要素。PSNR是一种适当于可视画面质量的画质表明。



JPEG2000编码流



一已知的输入印象或局部印象被「区块」寄送到一组小波滤波器后,就会将像素信息变换为小波系数,然后群集成数个子频带(编码中小波的运用,其最早的解说出如今Analog
Dialogue 30-2(1996))。每个子频带包括小波系数,它描绘悉数原始印象中一种水平与笔直的特定空间频率规模。这表明在第一个变换层包括了较低频率,而较不具体的材料;而愈加具体、频率更高的信息则被包括在较高的变换层中。清楚地说,这里显现的只要2个变换层。第1个变换层源自子频带LH1、HH1、HL1和LL1。只要子频带LL1可以经过以便进一步地滤波,接着发生下一个变换层并开展出子频带LH2、HH2、HL2和LL2。



一样巨细的编码方块是根本的数据比特流,由每个子频带内发生得来的。因而,这样的细分对系数模型与编码则是有必要的,由编码方块乘上编码方块根底得来。



而本质上,实践的紧缩是由截取或许重复量化每个编码方块内的比特流来到达。这些比特流接着会运用一种称为后紧缩率操控(Post Compression Rate Control,PCRC)的技能来将之最佳化地截取。



编码方块可独自地被存取,而它们的比特流编码则是会跟着3个编码(Coding)经过每个位平面。而此一流程则称为情境方式(Context Modeling),首要乃是用来指定关于每个独自系数位重要性的信息功用。


之后,接着编码方块则会依据它们的重要性成为群组。以译码端来说,依据它的重要性,接着可能会取得信息,让最重要的信息首要被看到。


JPEG2000可以包括由运用者界说的各层数,由PCRC与情境方式所界说。每一层代表一个特另外紧缩率,该处的紧缩率由量化,失真率与情境方式等流程来到达。Layer 0(举例来说,包括由耗费的WT变换(被严峻截掉)的比特流)包括无编码经过,因而供给最高的紧缩率与最低的质量。Layer16接着会包括较少截取的比特流,并运用较高编码经过(Coding Pass)的数量,因而供给低紧缩与高质量。
区块(Tile)或印象会进一步分红小图区(Precincts)。小图区包括数个编码方块,被用来存取一个印象内的特定规模,以便以不一样办法处置这块区域,或只对特定的印象区域译码。JPEG2000比特流是由组织编码方块或小图区成一数组的封包与最先到来的较低子频带所发生。
JPEG2000数据流加上一个首要标头包括的信息如下:未紧缩的印象尺度、Tile尺度、组件数量、组件位深度、编码型式、变换层级、渐进按次层数、编码方块巨细、小波滤波器类型、量化程度等。悉数的印象数据,以LL、HL、LH和HH等子频带编码方块集结成群组后跟着标头。数据并未包括标头数据。一起,内容表可以在编码端被贮存,并答应一个译码器叫出所需的某个分辨率,不必最先有必要对悉数JPEG2000编码流进行译码或下载。
DCT vs. WT
JPEG2000运用小波变换法(WT)来削减包括在画面中的数据量,而MPEG与JPEG体系则运用离散余弦变换法(DCT)。事实上,WT需求的处置功率比DCT多,但MPEG体系需求的功率也比DCT高。DCT或任何方式的傅利叶变换,表明频率与振幅的信号,但只要在单一工夫内。WT在工夫规模内将信号变换成频率与振幅,因而就愈加有功率。图4~图9为状况显现图。
为取得与一个小波变换经过的一样信息量,DCT有必要运用到每个频率;每个频率有必要在每个工夫点被变换,以取得每个8x8像素方块。
除此之外,MPEG体系运用内部图框紧缩,即「动画猜测」以便削减进一步作为动画猜测的数据量。此一做法在外部内存中需求贮存至少二个悉数的场域。以运算为主的动画猜测流程需求一颗十分强的处置器。工夫性紧缩可被用在JPEG2000体系中,但它并不归于JPEG2000规范。
JPEG2000具有多项长处
一切MPEG规范都很杂乱并且运算吃重。在规范界说(Standard
Definition;SD)的运用中,这些规范会使得处置推迟愈加严峻,内存的需求更多。当思考高分辨率(HD)格局时,这些要素甚至会变成一项问题,反而使对JPEG2000的需求变得更高。
另一个JPEG2000的强处是规范自身,它使得在许多不一样运用中的弹性与操控更高。JPEG2000在撑持格局上也愈加多功用;它撑持从每一取样8位到每一取样无限制数量的任何东西,而MPEG只撑持8位数据。
JPEG2000遍及程度不断提高,即便MPEG-2是专为DVD与播送运用所树立的规范。JPEG2000也在需求高质量贮存或透过无线及其它连接传输硬盘印象的硬盘运用上十分遍及。
医疗与视讯与保全为JPEG2000的将来开展重心
美商亚德诺最早在1996年宣布一种小波紧缩硬件处置计划:ADV601。之后,亚德诺在2004年7月推出专门用于JPEG2000的小波编译码器ADV202,是在2004年7月宣布专用于JPEG2000的IC。
ADV202可举措于高分辨率视讯、规范界说视讯和静态印象。它撑持一切ISO/IEC15444-1[JPEG2000]印象紧缩规范(除Maxshift ROI)的特性,并取得专利的SURF(空间超高功率循环滤波)技能,到达低功率、低成本以小波为根底的紧缩。包括1个专门的小波变换引擎、3个熵(ENTROPY)编译码器、一个RISC处置器,和板上内存体系,ADV202供给一个无胶合组件的接口给通用视讯规范比如ITU.R.BT656、SMPTE274M或SMPTE296。它也供给原始编码方块与属性数据,使主控处置器能完好操控发生与紧缩的流程。
在一规范界说的编码运用中,即便数字信号处置器(DSP)效能已大幅晋升,一颗DSP也有必要有每秒200亿个指令的效能来与ADV202的效能匹配。作为一颗有功率的加速器,ADV202的三合一芯片熵编译码器就是担任高传输率的使命。运用一个JPEG2000硬件处置计划的首要长处是比其它紧缩电路的推迟更低,这个要素对医疗运用而言,独特重要。
多家首要视讯或播送设备制造商曾经将JPEG2000完成到这类将来的硬盘产物,作为实时编码与译码体系和视讯服务器。数字剧院促进会(DCI)最近便宣布将运用JPEG2000作为传送数字电影的紧缩办法。而因为它的弹性与印象紧缩质量,JPEG2000规范下操作,将在运用印象或视讯紧缩的每一个真实描绘上发现它的方向。ADV202曾经在许多描绘上找到它的出路,在CCTV/保全商场,以及网络视讯运用上也将具有颇大的发扬空间。
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