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JPEG是用于灰度图与真彩图的静态图像压缩的国际标准,它采用的是以DCT(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换)为基础的有损压缩算法。因为视频的帧内编码就是静态图像编码,所以JPEG的编码算法也用于MPEG视频编码标准中。 本章先简介JPEG和JPEG 2000系列标准,然后讲解DCT和JPEG的具体编码方法,最后给出JPEG的文件格式,重点是JPEG的编码算法。
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第8章 JPEG编码
JPEG是用于灰度图与真彩图的静态图像压缩的国际标准,它 采用的是以 DCT
(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换)为基础的有损压缩算法。因为视频的帧内编
码就是静态图像编码,所以JPEG的编码算法也用于MPEG视频编码标准中。
本章先简介JPEG和JPEG 2000系列标准,然后讲解DCT和JPEG的具体编码方法,最后
给出JPEG的文件格式,重点是JPEG的编码算法。
8.1 JPEG系列标准
JPEG(Joint Photographic Experts Group,联合图象专家组)是(国际电信同盟ITU的
前身)国际电话与电报咨询委员会CCITT与国际标准化组织ISO于1986年联合成立的一个
小组,负责制定静态图像的编码标准。
1992年9月JPEG推出了ISO/IEC 10918标准(CCITT T.81、83、84、86)——连续色调静
态图像的数字压缩与编码,简称为JPEG标准,适用于灰度图与真彩图的静态图像的压缩。
1999年JPEG推出了ISO/IEC 14495标准(ITU T.87、870)——信息科学—连续色调静态
图像的无损和接近无损压缩,简称为JPEG-LS(Lossless Standard,无损标准)标准,适用
于灰度图与真彩图的静态图像的无损与接近无损压缩。JPEG-LS是JPEG标准中无损模式的
补 充 和 强 调 , 采 用 的 是 L O C O - I( L O w C O m p l e x i t y L O s s l e s s C O m p r e s s i o n f o r
Images,图像的低复杂性无损压缩)算法,主要应用于对图像质量要求较高的一些专门领
域(如遥感和医学图像),由于时间和篇幅的限制,本书不作介绍。
2000年12月JPEG在JBIG(Joint Bi-level Image experts Group联合二值图像专家组)的
帮助下又推出了比JPEG标准的压缩率更高、性能更优越的JPEG 2000标准ISO/IEC 15444
(ITU T.800~808)——JPEG 2000图像编码系统,适用于二值图、灰度图、伪彩图和真彩图
的静态图像压缩。
8.1.1 JPEG标准
JPEG标准ISO/IEC 10918:1992 -- Digital compression and coding of continuous-tone still
images(连续色调静态图像的数字压缩与编码)(ITU T.81、T.83、T.84、T.86)(参见网站
www.jpeg.org、www.iso.org、www.itu.org 和www.iec.ch)被分成如下4个部分:
(1) 需求与指导方针——ISO/IEC 10918-1:1994 Requirements and guidelines
(2) 顺从测试——ISO/IEC 10918-2:1995 Compliance testing
(3) 扩展——ISO/IEC 10918-3:1997 Extensions
(4) 注册权限——ISO/IEC 10918-4:1999 Registration of JPEG profiles, SPIFF profiles, SPIFF
多媒体技术基础
t a g s , S P I F F c o l o u r s p a c e s , A P P n m a r k e r s , S P I F F c o m p r e s s i o n t y p e s a n d R e g i s t r a t i o n
Authorities (REGAUT)(注册JPEG简表、SPIFF简表、SPIFF标签、SPIFF颜色空间、
APPn标记、SPIFF压缩类型和注册权限)
8.1.1 JPEG 2000标准
JPEG 2000是一种用于二值图、灰度图、伪彩图和真彩图的静态图像压缩的新标准,
它采用的是性能比DCT更优秀的DWT(Discrete Wavelet Transform,离散小波变换)。
JPEG 2000是ISO与CCITT/ITU共同成立的联合图像专家组(JPEG),于2000年底开始
推出的一种基于小波变换的静态图像压缩标准(ISO/IEC 15444-1~12,ITU T.800~808)。它
统一了2值图像编码标准JBIG、[近]无损压缩编码标准JPEG-LS以及原来的JPEG编码标准
支持更多的颜色分量和更大的颜色深度,具有多分辨率表示和渐进传输功能,同时支持有
损和无损压缩,比JPEG标准的压缩率更高、性能更优秀。
下面分别介绍JPEG 2000标准的组成、特性和优点。
1. 组成
J P E G 2 0 0 0标 准 ( I n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y - - J P E G 2 0 0 0 i m a g e c o d i n g
system,信息技术—JPEG 2000图像编码系统)包含如下14个部分(其中的第7部分已经被
抛弃):
(1) 核心编码系统——ISO/IEC 15444-1:2000/2004 (ITU T.800) Information technology --
JPEG 2000 image coding system: Core coding system,提供不需要版权、许可费和专利
费的基本编码算法,只支持Daubechies 9/7阶有损的离散小波滤波器和Le Gall 5/3
阶无损的整数小波滤波器。
I S O / I E C 1 5 4 4 4 - 1 : 2 0 0 4 / A m d 1 : 2 0 0 6 P r o f i l e s f o r d i g i t a l c i n e m a
applications(数字电影应用的档次)
(2) 扩展——ISO/IEC 15444-2:2004 (ITU T.801) Extensions,在核心上添加了更多的特性与
功能,支持更多和自定义的小波滤波器。
(3) 运 动 J P E G 2 0 0 0— —I S O / I E C 1 5 4 4 4 - 3 : 2 0 0 2/ 2 0 0 7 ( I T U T . 8 0 2 ) P a r t 3 : M o t i o n J P E G
2000,定义作为运动图像序列的帧内JPEG 2000编码的文件格式MJ2,主要应用于数
字相机的视频片断的存储、高质量基于帧的视频录制和编辑、数字电影、医学和卫星
图像等。MJ2从开始在第3部分独立定义的文档,发展到现在用第12部分的ISO基格式
重新定义。
(4) 一致性测试——ISO/IEC 15444-4:2002/2004 (ITU T.803) Conformance testing,测试第
1部分的一致性,指定编码和解码的测试过程,但不包含其范围验收、性能或健壮性
测试。
(5) 参考软件——ISO/IEC 15444-5:2003 (ITU T.804) Information technology -- JPEG 2000
image coding system: Reference software,有Java和C实现可用。
(6) 混合图像文件格式——ISO/IEC 15444-6:2003 (ITU T.800) Part 6: Compound image file
format,文档映像,用于印前和传真等应用。
(7) 该部分已经被抛弃。
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第 8 章 JPEG 编码
(8) 安全JPEG 2000——ISO/IEC 15444-8:2007 Secure JPEG 2000,包括加密、源鉴别、数
据完整性、条件访问和所有权保护等内容。
(9) 交互工具、API和协议——ISO/IEC 15444-9:2005 Information technology -- JPEG 2000
image coding system: Interactivity tools, APIs and protocols,定义交互协议与API和工具
(10) 三 维 数 据 扩 展 — — I S O / I E C F D I S 1 5 4 4 4 - 1 0: 2 0 0 8 E x t e n s i o n s f o r t h r e e - d i m e n s i o n a l
data,涉及三维数据编码,将JPEG 2000编码扩展到立体图像。
(11) 无线——ISO/IEC 15444-11:2007 Wireless,无线应用。
(12) ISO基媒体文件格式——ISO/IEC 15444-12:2004/2005/2008 Part 12: ISO base media file
format,与MPEG-4共用。
(13) JPEG 2000初级编码器—— IS O/IE C F DI S 1 5 44 4-13:2 0 0 8 An e nt ry l ev el J PEG 20 00
encoder。
(14) X M L结 构 表 示 与 参 考 — — I S O / I E C A W I 1 5 4 4 4 - 1 4 P a r t 1 4 : X M L s t r u c t u r a l
representation and reference。
其中,标准的第7部分已经被抛弃,标准的第14部分还处于制定过程中。
2. 特性
与原来的JPEG相比,JPEG 2000的主要特点有:
支持多分辨表示——利用小波变换的多分辨特性,在JPEG 2000码流中,包含了各个
分辨率的信息。只需压缩一次,但是有多种分辨率的解压方式。因此,一个单一的
JPEG 2000码流,可以同时满足不同分辨率应用的需要,如高分辨率的打印机、中分
辨率的显示器和低分辨率的手持设备等
压缩域的图像处理与编辑——利用JPEG 2000的多分辨特性,可以直接从JPEG 2000
码流中抽取新的低分辨率JPEG 2000码流,而不需经历解压缩/再压缩过程,也避免
了噪声的累积。还可以在压缩域中直接对图像进行剪切、旋转、镜像和翻转等操作
同样不必解压缩后再压缩
渐进性——JPEG 2000支持多种类型的渐进传送,可从轮廓到细节渐进传输,适用于
窄带通信和低速网络。JPEG 2000支持四维渐进传送:质量(改善)、分辨率(提
高)、空间位置(顺序/免缓冲)和分量(逐个)
低位深度图像——不像JPEG只支持灰度图和真彩图,JPEG 2000支持黑白二值图和
伪彩图的无损压缩,相当于JBIG和JPEG-LS
兴趣区——ROI(Region of Interest)可指定图片上感兴趣区域,在压缩编码时可对
这些区域指定压缩质量,在显示解码时还可以指定新的兴趣区来指导传输方的编码
3. 优点
JPEG 2000的其他具体优点有:
支持最多达(2
14
=)16384个颜色分量(如多波段遥感图像)、每个颜色分量的深度可
为1~38位
高压缩率——比JPEG提高近30%,特别是低码率时的重构图效果比JPEG好很多
同时支持有损和无损压缩,集成了采用预测编码和整数小波变换的无损压缩方法
增加了视觉权重和掩膜
可加入加密版权
• 3 •
多媒体技术基础
兼容多种彩色模式
虽然JPEG 2000标准曾经红极一时,但是它现在应用得却并不广泛,因此本书将不予
介绍。本书后面只讨论传统的JPEG标准。
8.2 DCT
与上一章所讲的几种熵编码不同,DCT(Discrete Cosine Transform,离散余弦变换)
是一种变换型的源编码,使用十分广泛,也是JPEG编码的一种基础算法。
DCT将时间或空间数据变成频率数据,利用人的听觉和视觉对高频信号(的变化)不
敏感和对不同频带数据的感知特征不一样等特点,可以对多媒体数据进行压缩。
8.2.1 余弦变换
DCT是计算(Fourier级数的特例)余弦级数之系数的变换。
若函数f (x) 以2 l为周期,在[-l, l ]上绝对可积,则f (x)可展开成Fourier级数:
其中
若f (x)为奇或偶函数,有 a
n
≡0或b
n
≡0,则f (x)可展开为正弦或余弦级数:
任给f (x),x∈[0, l ],总可以将其偶延拓到[-l, l ]:
然后再以2l为周期进行周期延拓,使其成为以2l为周期的偶函数。则f (x)可展开为余弦级数
其中的展开式系数的计算式:
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资源评论
- qq_167421952014-06-21可通过运行直接实现
- 易碎寒2014-07-30我去 这就是一个理论综述 连代码的影子都没有 楼下竟然说可运行 太扯了!!!
jxnc_yym
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