图像在网络上实现快速传输和实时处理技术.docx

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图像在网络上实现快速传输和实时处理技术

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1．JPEG压缩原理及特点

1.TheJPEGcompressionprincipleandcharacteristics

JPEG算法中首先对图像进行分块处理，一般分成互不重叠的大小的块，再对每一块进行二维离散余弦变换（DCT）。

变换后的系数基本不相关，且系数矩阵的能量集中在低频区，根据量化表进行量化，量化的结果保留了低频部分的系数，去掉了高频部分的系数。

量化后的系数按zigzag扫描重新组织，然后进行哈夫曼编码。

JPEG的特点如下：

FirstlytoblocktheimageintheJPEGalgorithm,generallydividedintonon-overlappingblocks,thesizeofthebackofeachblockoftwo-dimensionaldiscretecosinetransform（DCT）.Basicnotrelatedcoefficientafterthetransformation,andthecoefficientmatrixoftheenergyisconcentratedinlowfrequencyarea,accordingtothequantizationtablesforquantitativeandquantitativeresultsretainedthecoefficientsoflowfrequencypart,getridofthecoefficientofthehighfrequencypart.Afterquantitativecoefficientaccordingtoreorganizethezigzagscan,andthentoHuffmanencoding.JPEGfeaturesareasfollows:

优点：

（1）形成了国际标准；

（2）具有中端和高端比特率上的良好图像质量。

Advantages:

（1）formedtheinternationalstandard;

（2）hasthemidrangeandhigh-endbitrateofgoodimagequality.

缺点：

（1）由于对图像进行分块，在高压缩比时产生严重的方块效应；

（2）系数进行量化，是有损压缩；（3）压缩比不高，小于50[2]。

Shortcomings:

（1）becauseofimageblock,thehighcompressionratiohaveserioustetriseffect;

（2）quantifythecoefficientof,isalossycompression;（3）thecompressionratioisnothigh,lessthan50[2].

JPEG压缩图像出现方块效应的原因是：

一般情况下图像信号是高度非平稳的，很难用Gauss过程来刻画，并且图像中的一些突变结构例如边缘信息远比图像平稳性重要，用余弦基作图像信号的非线性逼近其结果不是最优的[3]。

JPEGcompressedimagesappearsquareeffect:

isthecauseofgeneralimageisahighlynonstationarysignal,usingGaussprocesstodepictveryhard,andsomemutationsstructuressuchasedgesintheimageinformationisfarmoreimportantthantheimagestability,makeimagesignalofthenonlinearapproximationwithcosinematrix[3]theresultisnotoptimal.

JPEG压缩

JPEGcompression

负责开发静止图像压缩标准的“联合图片专家组”（JointPhotographicExpertGroup,简称JPEG），于1989年1月形成了基于自适应DCT的JPEG技术规范的第一个草案，其后多次修改，至1991年形成ISO10918国际标准草案，并在一年后成为国际标准，简称JPEG标准。

Isresponsibleforthedevelopmentofstaticimagecompressionstandardof"JointpictureExpertGroup"（bePhotographicExpertGroup,referredtoasJPEG）,inJanuary1989,formedtheadaptiveDCTbasedonJPEGspecificationdraftfirst,thenmodifiedmanytimes,in1991toformISO10918draftinternationalstandard,andinaboutayeartobecometheinternationalstandard,JPEGstandardforshort.

2．JPEG压缩的研究状况及其前景[2]

2.JPEGcompressionresearchsituationandprospectof[2]

针对JPEG在高压缩比情况下，产生方块效应，解压图像较差，近年来提出了不少改进方法，最有效的是下面的两种方法：

InJPEGundertheconditionofhighcompressionratio,producingblock-effect,decompressedimageispoorer,putsforwardsomeimprovementmethodsinrecentyears,themosteffectiveisthefollowingtwomethods:

（1）DCT零树编码

（1）theDCTzerotreecoding

DCT零树编码把DCT块中的系数组成log2N个子带，然后用零树编码方案进行编码。

在相同压缩比的情况下，其PSNR的值比EZW高。

但在高压缩比的情况下，方块效应仍是DCT零树编码的致命弱点。

DCTcoefficientofzerotreecodingtheDCTblockoflog2Nisbrought,andthenusezerotreecodingcodingscheme.Atthesamecompressionratio,PSNRvalueshigherthanEZW.Butinthecaseofhighcompressionratio,thetetriseffectremainstheAchilles'heeloftheDCTzerotreecoding.

（2）层式DCT零树编码

（2）layerDCTzerotreecoding

此算法对图像作的DCT变换，将低频块集中起来，做反DCT变换；对新得到的图像做相同变换，如此下去，直到满足要求为止。

然后对层式DCT变换及零树排列过的系数进行零树编码。

TheDCTtransform,thealgorithmofimage,thelowfrequencyblockstogether,dotheDCTtransform;Togetnewimagetodothesame,sobottomgoto,untilmeettherequirements.ThentheDCTtransformandzerotreeisarrangedtocoefficientofzerotreecoding.

JPEG压缩的一个最大问题就是在高压缩比时产生严重的方块效应，因此在今后的研究中，应重点解决DCT变换产生的方块效应，同时考虑与人眼视觉特性相结合进行压缩。

JPEGcompressionisoneofthebiggestproblemsinthehighcompressionratiohaveseriousblockeffect,soinfutureresearchshouldfocusonDCTtransformproducesthediamondseffect,atthesametimeconsidercombiningwithhumanvisualcharacteristicsiscompressed.

JEPG2000压缩

JEPG2000compression

JPEG2000是由ISO/IECJTCISC29标准化小组负责制定的全新静止图像压缩标准。

一个最大改进是它采用小波变换代替了余弦变换。

2000年3月的东京会议，确定了彩色静态图像的新一代编码方式—JPEG2000图像压缩标准的编码算法。

JPEG2000isuponbyISO/IECJTCISC29standardizationteamisresponsiblefortheformulationofnewstaticimagecompressionstandard.Oneofthebiggestimprovementisthatitadoptswavelettransforminsteadofcosinetransform.InMarch2000,theTokyomeeting,confirmedthecolorstaticimageofanewgenerationofencoding-codingalgorithmofJPEG2000imagecompressionstandardsupon.

1．JPEG2000压缩原理及特点

1.TheJPEG2000compressionuponprincipleandcharacteristics

JPEG2000编解码系统的编码器和解码器的框图如图1所示[4]。

JPEG2000codecsystemupontheencoderanddecoderblockdiagramasshowninfigure1（4）.

编码过程主要分为以下几个过程：

预处理、核心处理和位流组织。

预处理部分包括对图像分片、直流电平（DC）位移和分量变换。

核心处理部分由离散小波变换、量化和熵编码组成。

位流组织部分则包括区域划分、码块、层和包的组织。

Encodingprocessismainlydividedintothefollowingprocess:

pretreatment,thecoreprocessingandfloworganization.Preprocessingincludestheimagesharding,DCleveldisplacementandcomponent（DC）transformation.Coreprocessingbydiscretewavelettransform,quantizationandentropycoding.Bitstreamincludespecificprovisionsoforganizationdepartmentdivision,codeblock,layerandtheorganization.

JPEG2000格式的图像压缩比，可在现在的JPEG基础上再提高10%~30%，而且压缩后的图像显得更加细腻平滑。

对于目前的JPEG标准，在同一个压缩码流中不能同时提供有损和无损压缩，而在JPEG2000系统中，通过选择参数，能够对图像进行有损和无损压缩。

现在网络上的JPEG图像下载时是按“块”传输的，而JPEG2000格式的图像支持渐进传输，这使用户不必接收整个图像的压缩码流。

由于JPEG2000采用小波技术，可随机获取某些感兴趣的图像区域（ROI）的压缩码流，对压缩的图像数据进行传输、滤波等操作[4]。

JPEG2000formatuponimagecompressionratio,butinwhatisnowbasedonJPEGagainincreasedby10%~30%,andthecompressedimageismoreexquisiteandsmooth.ForJPEGstandardatpresent,inthesamecompressedcodestreamcannotprovidelossyandlosslesscompressionatthesametime,intheJPEG2000systemupon,byselectingtheparameters,theabilitytoimagelossyandlosslesscompression.JPEGimagesdownloadedonthenetworknowisaccordingtothetransmissionofthe"block",andimagesoftheJPEG2000formatuponsupportsprogressivetransmission,theusersdon'tneedtoreceivethewholeimageofthecompressedcodestream.BecauseJPEG2000adoptswavelettechnologyupon,canrandomaccesstocertainareasofimageofinterest（ROI）ofthecompressedcodestream,thecompressedimagedatatransmission,filteringoperationssuchas[4].

图1JPEG2000压缩编码与解压缩的总体流程

Figure1JPEG2000compressionanddecompressionupontheoverallprocess

2．JPEG2000压缩的前景

2.TheprospectoftheJPEG2000compressionupon

JPEG2000标准适用于各种图像的压缩编码。

其应用领域将包括Internet、传真、打印、遥感、移动通信、医疗、数字图书馆和电子商务等[5]。

JPEG2000图像压缩标准将成为21世纪的主流静态图像压缩标准。

JPEG2000standardisapplicabletoallkindsofimagecompressioncodingupon.ItsapplicationfieldwillbeincludedintheInternet,fax,printing,remotesensing,mobilecommunications,medicaltreatment,digitallibraryandelectronicbusiness,etc.[5].JPEG2000imagecompressionstandardswillbecomethemainstreamof21stcenturyuponastaticimagecompressionstandard.

四、小波变换图像压缩

Fourth,wavelettransformimagecompression

1．小波变换图像压缩原理

1.Theprincipleofwavelettransformtoimagecompression

小波变换用于图像编码的基本思想就是把图像根据Mallat塔式快速小波变换算法进行多分辨率分解。

其具体过程为：

首先对图像进行多级小波分解，然后对每层的小波系数进行量化，羟丙基甲基纤维素再对量化后的系数进行编码。

小波图像压缩是当前图像压缩的热点之一，已经形成了基于小波变换的国际压缩标准，如MPEG-4标准，及如上所述的JPEG2000标准[2]。

ThebasicideasofwavelettransformforimagecodingistheimagebasedonMallattowerfastwavelettransformalgorithmofmultiresolutiondecomposition.Itsconcreteprocessis:

firstofalltomulti-levelwaveletdecompositionofimage,andtoquantifytheeachlayerofwaveletcoefficients,againafterthequantitativecoefficientsareencoded.Waveletimagecompressionisoneofthehotspotofthecurrentimagecompression,basedonwavelettransformhasbeenformedinthecompressionstandards,suchasMPEG-4standard,andasmentionedaboveintheJPEG2000standardupon[2].

2．小波变换图像压缩的发展现状及前景

2.Wavelettransformimagecompressiondevelopmentpresentsituationandprospects

目前3个最高等级的小波图像编码分别是嵌入式小波零树图像编码（EZW），分层树中分配样本图像编码（SPIHT）和可扩展图像压缩编码（EBCOT）。

Atpresentthethreehighestlevelsofwaveletimagecodingarerespectivelyembeddedzerotreewaveletimagecoding（EZW）,distributionofsampleimageinahierarchicaltree（SPIHT）codingandextensibleimagecompressioncoding（EBCOT）.

（1）EZW编码器[6]

（1）theEZWencoder[6]

1993年，Shapiro引入了小波“零树”的概念，通过定义POS、NEG、IZ和ZTR四种符号进行空间小波树递归编码，有效地剔除了对高频系数的编码，塑料土工格栅极大地提高了小波系数的编码效率。

此算法采用渐进式量化和嵌入式编码模式，算法复杂度低。

EZW算法打破了信息处理领域长期笃信的准则：

高效的压缩编码器必须通过高复杂度的算法才能获得，因此EZW编码器在数据压缩史上具有里程碑意义。

Shapiroin1993,introducedtheconceptofwaveletzerotree,bydefiningthePOSandNEG,IZandZTRfoursymbolspacetreerecursivewaveletcoding,coding,effectivelyeliminatethehighfrequencycoefficientgreatlyimprovesthecodingefficiencyofwaveletcoefficients.ThisalgorithmUSEStheincrementalquantizationandembeddedencodingmode,lowalgorithmcomplexity.EZWalgorithmbroketherule:

believeininformationprocessingfieldlong-termefficientcompressionencodermustpassthehighcomplexityofthealgorithmtoachieve,thereforeEZWencoderinthelandmarkinthehistoryofdatacompression.

（2）EBCOT编码器[8]

（2）theEBCOTencoder[8]

优化截断点的嵌入块编码方法（EBCOT）首先将小波分解的每个子带分成一个个相对独立的码块，然后使用优化的分层截断算法对这些码块进行编码，产生压缩码流，结果图像的压缩码流不仅具有SNR可扩展而且具有分辨率可扩展，还可以支持图像的随机存储。

比较而言，EBCOT算法的复杂度较EZW和SPIHT有所提高，其压缩性能比SPIHT略有提高。

Optimumtruncationpointsembeddedblockcodingmethod（EBCOT）firstofall,theeachsubbandofwaveletdecompositioncanbedividedintorelativelyindependentcodeblock,thenUSEStheoptimalhierarchicaltruncationalgorithmtoencodethesecodeblocks,producecompressedcodestream,theresultoftheimagecompressioncodeflowisnotonlyaSNRscalableandextensibleresolution,canalsosupporttheimagerandomstorage.Incomparison,EBCOTalgorithmcomplexitycomparedwithEZWandSPIHT,thecompressionperformancethanSPIHTisslightlyimproved.

小波图像压缩