jpeg2000

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·算法
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·中国将领先世界



概况
  着多媒体技术的不断运用,图像压缩要求更高的性能和新的特征。为了满足静止图像在特殊领域编码的需求,JPEG2000作为一个新的标准处于不断的发展中。它不仅希望提供优于现行标准的失真率和个人图像压缩性能,而且还可以提供一些现行标准不能有效地实现甚至在很多情况下完全无法实现的功能和特性。这种新的标准更加注重图像的可伸缩表述。所以就可以在任意给定的分辨率级别上来提供一个低质量的图像恢复,或者在要求的分辨率和信噪比的情况下提取图像的部分区域。可以注意到JPEG2000可以被设计成可以满足各类应用需求的标准,包括国际互联网、彩色传真、印刷、扫描、数字摄影、遥感、移动通讯应用、医用影像、数字图书库和电子商务等。

  JEPG的标准文件格式:.jp2

  JPEG2000标准提供了一组特征功能,这些功能对于很多高端新兴技术应用来说非常重要。该标准所拥有的一些最为重要的特征如下所列:

  卓越的低比特率性能

  无损和有损压缩之间良好兼容。

  象素精度和分辨率的渐进式传输。

  感兴趣域编码

  随机码流访问和处理

  开放性体系

  ……

  一个经典的JPEG2000编码运算法则包含三个部分:小波变换、画布坐标系统、EBCOT编码。

  原始图像数据(例如.bmp位图)首先进行画布坐标标定,然后在画布坐标的基础上进行划分:第一步先划分为不同的分量(component),第二步将画布区域划分为大小相同的矩形“片”(tile),这两个步骤可以互换。在画布坐标系统预处理之后,就是进入JPEG2000的核心阶段之一:离散小波分析(DWT)。小波分析被直接运用于各个片,这样每个片区域都被DWT分析,形成不同的分辨率级别,每个分辨率级别中含有四个子带,这样就为JPEG2000的分辨率递进的功能提供了可能。在这之后,就进入了JPEG2000的第二个核心阶段: 嵌入式优化截断编码(EBCOT)。首先将各个子带进行EBCOT的预处理过程:量化。量化对图像有损压缩负责,而此过程可有可无,用户可以自由选择,因而JPEG2000对有损和无损压缩兼容。预处理过后,进入EBCOT的核心编码阶段,该阶段分为两次,一次编码主要是码块划分和熵编码,二次编码主要是分层打包的过程。最后,码流将会以封包流(pack-stream)的形式传输,包的主头描述了原始图像和不同的分解及编码类型以便查找、提取、解码和重构指定分辨率级、保真度、感兴趣区域和其他特点的图像部分。
算法
  由David Taubman提出,来自The University of New South Wales, Sydney, Australia.

  EBCOT算法是一种对小波变换产生的子带系数进行量化和编码的方法。它的基本思想是把每一个子带的小波变换系数分成独立编码的码块(code-block),并且对所有的码块使用完全相同的编码算法。

  EBCOT编码算法要点包括:

  每一个子边带分割成一个块集

  一个子边带中的所有块有相同的大小(在图像边界的块可能例外)

  块被独立编码

  后处理操作确定范围,每个块的位流按照此范围进行截断

  最后的位流由“层(layers)”的一个集合组成

  在这些操作中,块编码是一个重要步骤。块编码的原因是:

  利用图像中块到块之间统计上的局部变化

  对应用需要随机访问图像提供支持

  减少硬件实现压缩或解压缩引擎时的存储器消耗

  允许并行实现

  JPEG 2000中采用的小波变换只支持二值分解。
硬件实现
  离散小波变换( DWT )和具有优化截断的嵌入块编码( ebcot )这两个算法计算和存储密集,因此需要专门的硬件,以执行运算复杂的部分,应用在许多嵌入式系统中。因此,需要一个彻底的算法研究来找到JPEG2000编码标准的一个高效的硬件实现。通过运行和分析,我们发现DWT和ebcot功能是运算周期中最关键的模块。而一些研究已经开始针对DWT的硬件实现, ebcot算法相对较新,也最小限度地研究硬件实现。我们的协处理体系结构,决定了1级的ebcot是最适合这种硬件实现,因为它具有高度的计算复杂度和相对简单的模块化特性。伴随主机处理器上一些现有的软件,它提供了一个完整的JPEG2000压缩的解决办法。我们提出一个协处理结构,作为JPEG2000标准。这涉及到用专用硬件来代替ebcot 1级编码器的软件实现。硬件实现主要包括两部分:系数位建模和算术熵编码。这两个模块之间的接口是通过一个FIFO(先进先出)缓冲区实现。硬件结构已在VHDL上实现并且性能也得到评估。
中国将领先世界
  随着JPEG2000标准的出台,参与开发的企业除了软件供应商外,还有很多制造图像设备的硬件供应商,整个IT业界都看好JPEG2000。

  据悉,清华大学微电子研究所正在与美国WIS技术公司合作开发在FPGA中使用的运算器,该运算器将用于JPEG2000设备核心的画质无损/有损过滤器。国内的一些相机制造商也在积极开发JPEG2000数码相机。上海海鸥相机公司现在已经达到年产60万部普通百万像素解像JPEG标准数码相机的能力,该公司正在和一些世界顶级的JPEG2000技术芯片供应商争取合作关系。凤凰光学仪器公司与北京大学遥感所合作,建立了一个数码相机压缩控制芯片及CMOS成像器的开发项目。

  国际摄影行业协会负责数码新技术市场开发的工业技术分析员Jacques Kauffmann预测,如果中国决定推行JPEG2000标准,那么“他们将会成为全球最先推出基于JPEG2000标准数码相机的国家”。


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CPU处理器芯片GPLRISC
 
参考资料:
1.HIGH PERFORMANCE SCALABLE IMAGE COMPRESSION WITH EBCOT -David Taubman
 
贡献者:
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