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下一代Web图像标准:JPEG2000

2010/7/16 14:58:00

JPEG(Joint Photographic Experts Group)是在国际标准化组织(ISO)领导之下制定静态影像压缩标准的委员会,第一套国际静态影像压缩标准——ISO 10918-1(JPEG)就是该委员会制定的。由于JPEG优良的品质,使它在短短几年内获得了极大的成功,被广泛应用于互联网和数码相机领域,网站上80%的影像都采用了JPEG压缩标准。然而,随着多媒体应用领域的激增,传统的JPEG压缩技术已经无法满足人们对多媒体影像资料的要求,于是,一种功能更强大、效率更卓越的静止图像压缩标准被提到制定日程上,这就是JPEG2000。

  何谓JPEG2000?

  JPEG2000是为21世纪准备的压缩标准,它采用改进的压缩技术来提供更高的解像度,其伸缩能力可以为一个文件提供从无损到有损的多种画质和解像选择。JPEG2000被认为是互联网和无线接入应用的理想影像编码解决方案。

  “高压缩、低比特速率”是JPEG2000的目标。在压缩率相同的情况下,JPEG2000的信噪比将比JPEG提高30%左右。JPEG2000拥有5种层次的编码形式:彩色静态画面采用的JPEG编码、2值图像采用的JBIG、低压缩率图像采用JPEGLS等,成为应对各种图像的通用编码方式。在编码算法上,JPEG2000采用离散小波变换(DWT)和bit plain算术编码(MQ coder)。此外,JPEG2000还能根据用户的线路速度以及利用方式(是在个人电脑上观看还是在PDA上观看),以不同的分辨率及压缩率发送图像。

  JPEG2000的制定始于1997年3月,但因为无法很快确定算法,因此耽误了不少时间,直到2000年 3 月,规定基本编码系统的最终协议草案才出台。目前JPEG2000已由ISO和IEC(国际电工协会)JTC1 SC29标准化小组正式命名为“ISO 15444” 。JPEG2000的基本部分(Part1)已经作为ISO标准公布于世,JPEG2000的Part2和Motion JPEG2000的标准化进程也相当顺利,有望在年底实现标准化。这两部分内容目前已经分别处于Final Committee Draft阶段和Committee Draft 1.0阶段。有关专利许可方面的问题也有了相当的进展。美国神马成像公司已经在PICTools系列开发工具包中集成了JPEG2000图像压缩技术,使各种版本的PICTools C++编程工具都可以安装支持JPEG2000压缩技术的插件。

  虽然JPEG2000有很多优点,但人们担心JPEG2000会重蹈PNG的覆辙。PNG的最初目标是要取代GIF图像格式,人们曾对此寄予厚望,但结果却不尽如人意。现在,Web上的图像文件仍然是GIF和JPEG的天下。因此,JPEG2000能否被业界认可,关键在于它能否成功地使用户们认识到该格式确实具有取代JPEG的魅力,这一切尚需实践证明。

  性能特点

  JPEG2000 作为JPEG的升级版,具有以下特点:

  ● 高压缩率

  JPEG2000压缩性能比JPEG提高了30~50%,也就是说,在同样的图像质量下,JPEG2000可以使图像文件的大小比JPEG图像文件小30~50%。同时,使用JPEG2000的系统稳定性好,运行平稳,抗干扰性好,易于操作。

  ● 同时支持有损和无损压缩

  JPEG只支持有损压缩,而JPEG2000能支持无损压缩。在实际应用中,诸如卫星遥感图像、医学图像、文物照片等重要的图像都非常适合于采用JPEG2000压缩。目前,对图像进行无损编码的经典方法——预测法已经发展成熟,并作为一个标准写入了JPEG2000。

  ● 实现了渐进传输

  这是JPEG2000一个极其重要的特征,它可以先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,不断提高图像质量,让图像由朦胧到清晰显示,而不必像现在的 JPEG 那样,由上到下慢慢显示,这在网络传输中有重大意义。

  ● 支持“感兴趣区域”

  用户可以任意指定图像上感兴趣区域的压缩质量,还可以选择指定的部分先解压缩,从而使重点突出。这种方法的优点在于它结合了接收方对压缩的主观需求,实现了交互式压缩。

  关键技术

  JPEG2000与传统JPEG最大的不同在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦变换为主的区块编码方式,转而采用以小波变换为主的多解析编码方式。

  余弦变换是经典的谱分析工具,它考察的是整个时域过程的频域特征或整个频域过程的时域特征,因此对于平稳过程,它有很好的效果,但对于非平稳过程,它却有诸多不足。在JPEG中,离散余弦变换将图像压缩为8×8 的小块,然后依次放入文件中,这种算法靠丢弃频率信息实现压缩,因而图像的压缩率越高,频率信息被丢弃的越多。在极端情况下,JPEG图像只保留了反映图像外貌的基本信息,精细的图像细节都损失了。小波变换是现代谱分析工具,它既能考察局部时域过程的频域特征,又能考察局部频域过程的时域特征,因此即使对于非平稳过程,处理起来也得心应手。它能将图像变换为一系列小波系数,这些系数可以被高效压缩和存储,此外,小波的粗略边缘可以更好地表现图像,因为它消除了DCT压缩普遍具有的方块效应。

  近年来,离散小波变换在图像处理与图像分析的各个领域中得到了广泛的应用。这主要因为小波的时频局域化使它在信号分析中具有很大的优势,而且由于它对高频成分采用由粗到细的渐进取样间隔,从而可以放大任意细节。因此,小波分析被誉为数学上的显微镜,是构造图像多分辨率表示的有力工具。

  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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