【導(dǎo)讀】題目JPEG標(biāo)準(zhǔn)研究及算法實(shí)現(xiàn)。專業(yè)班級(jí)電子信息07級(jí)1班。院（系）計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院。完成時(shí)間2021年4月10日。JPEG2021圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

　　

【正文】 序 )； ⑦ 對(duì) ① 的最小支持 (技術(shù)報(bào)告 )。 ① 為完全被認(rèn)可的 ISO 標(biāo)準(zhǔn)，定義了核心 壓縮技術(shù)和最小文件格式， ② ～ ⑥ 定義壓縮和文件格式的擴(kuò)充。其中， ① 已經(jīng)制定完成，其余部分還在制定過程中。本文所討論的 JPEG2021 標(biāo)準(zhǔn)就是基于第 1 部分的。 在編碼器中，首先對(duì)源圖像進(jìn)行前期預(yù)處理，對(duì)處理的結(jié)果進(jìn)行離散小波變換，得到小波系數(shù)。然后對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行量化和熵編碼，最后組成標(biāo)準(zhǔn)的輸出碼流（位流）。解碼器是編碼器的反過程，首先對(duì)碼流進(jìn)行解包和熵解碼，然后是反向量化和離散小波反變換，對(duì)反變換的結(jié)果進(jìn)行后期處理合成，就得到重構(gòu)的圖像數(shù)據(jù)。盡管JPEG2021 編解碼過程與 JPEG 類似，但是對(duì)于每一步的具體實(shí) 現(xiàn)兩者卻有非常大的差異。編碼過程的一般步驟如下： (1) 將有多個(gè)顏色分量組成的圖像分解成單一顏色分量的圖像。分量之間存在一定的相關(guān)性，通過分解相關(guān)的分量變換，可減少數(shù)據(jù)間的冗余度，提高壓縮效率； (2) 分量圖像被分解成大小統(tǒng)一的矩形片 —— 圖像片。圖像片是進(jìn)行變換和編解碼的基本單元； (3) 每一個(gè)圖像片進(jìn)行小波變換。產(chǎn)生多級(jí)系數(shù)圖像。這些不同級(jí)數(shù)的系數(shù)圖像可以重構(gòu)出不同分辨率的圖像； (4) 多級(jí)分解的結(jié)果是由小波系數(shù)組成的多個(gè)子帶。他們表示圖像片中局部區(qū)域（而不是整幅圖像）的頻率特性； (5) 對(duì)系數(shù)子帶進(jìn)行量化，并且組成矩形數(shù)組的 碼塊 ； (6) 對(duì)一個(gè)碼塊中的系數(shù)位平面（也就是一個(gè)碼塊中整個(gè)系數(shù)中具有同樣權(quán)值的那些位）進(jìn)行熵編碼； (7) 相對(duì)于圖像的背景區(qū)域，可以對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行更高質(zhì)量的編碼； (8) 通過在位流中加入掩碼來增加抗干擾性； (9) 在每一個(gè)碼流的最前部都有一個(gè)頭結(jié)構(gòu)，他描述的是源圖像的屬性，各種分JPEG2021 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 11 解情況和編碼風(fēng)格。這個(gè)頭結(jié)構(gòu)可以用來進(jìn)行定位、抽取、譯碼和重構(gòu)圖像，得到的圖像可以具有所期望的分辨率、重現(xiàn)精度、感興趣的區(qū)域或是其他特性。 編碼過程主要分為以下 幾個(gè)過程：預(yù)處理、核心處理和位流組織。預(yù)處理部分包括對(duì)圖像分片、直流電平（ DC）位移和分量變換。核心處理部分由離散小波變換、量化和熵編碼組成。位流組織部分則包括區(qū)域劃分、碼塊、層和包的組織。 3 比較 JPEG和 JPEG2021 標(biāo)準(zhǔn)的 JPEG 2021 擁有了比老一代的 JPEG 眾多優(yōu)勢(shì)。 一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是 JPEG 2021 能在相同的文件流上提供有損和無損壓縮，而 JPEG 格式通常只采用有損壓縮。JPEG 確實(shí)有一種無損的 JPEG 壓縮引擎，但它是獨(dú)立于有損發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是使用非常頻繁。 因此，當(dāng)高品質(zhì)是一個(gè)問題， JPEG 2021 的證明是一個(gè)更好的壓縮工具。 由于引擎的工作方式壓縮， JPEG 2021 的承諾最終圖像質(zhì)量較高，即使使用有損壓縮。 JPEG2021 比現(xiàn)有的 JPEG 文件格式包括更豐富的內(nèi)容，最明顯的效果是在包括相同的圖像信息下比 JPEG 能夠提供更小的文件。 JPEG2021 相比 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)可以同時(shí)處理多達(dá) 256 個(gè)信息渠道，其中，共同實(shí)施的原因，僅限于 RGB（紅，綠，藍(lán)）的數(shù)據(jù)。 圖 1 顯示了兩個(gè)圖片， 第一次壓縮 是 JPEG 壓縮引擎 ,然后利用 JPEG 2021 壓縮方法 。能從圖 1 看到使用 JPEG2021 壓縮圖像保留更 高的質(zhì)量。 圖 1 圖 像壓縮比較兩個(gè)使用 JPEG 和 JPEG 2021 JPEG2021 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 12 JPEG 2021 第二個(gè)特點(diǎn)是能夠提供較高的壓縮比的有損壓縮。 對(duì)于有損壓縮，數(shù)據(jù)顯示， JPEG 2021 圖像壓縮通?？梢猿^ JPEG 的 20％ 200％以上。 有損壓縮的壓縮效率通常是使用峰值信噪比衡量，或信噪比和均方根誤差（ RMSE）。 這種方法的目的，是追求在視覺上保證壓縮質(zhì)量的方法，以及最大化的壓縮圖像。該公式的信噪比表示壓縮的效率，其中 B 是原始圖像的位深度。 （ 1） JPEG 2021 和 JPEG 的效率的信噪比見表 1。同時(shí)使用 JPEG 2021 和 JPEG 兩種不同的彩色圖像壓縮并用幾種不同的比特率（ bpp 的測(cè)量每以位像素）。 較高的比特率將導(dǎo)致更高品質(zhì)的圖片。該分析是由 Maryline Charrier，迭戈圣克魯斯和 Mathias 拉爾森關(guān)于 JPEG2021 提出的部分觀點(diǎn)。 結(jié)果表明， JPEG 2021 能提供更高的壓縮效率。 要注意的是，由于規(guī)模的 PSNR 測(cè)量記錄，在現(xiàn)實(shí)的如表 1 的數(shù)據(jù)表明， JPEG 2021的壓縮的 JPEG 的兩倍以上。 表 1 比較的 PSNR 的壓縮效率 （分貝）兩個(gè)在不同比特率圖像 JPEG 2021 是還可以提供壓縮比約為 ： 1，無損壓縮，而 JPEG 格式是無法令人滿意地完成無損壓縮。無損壓縮率只是衡量在圖像的壓縮中損失多少內(nèi)容。 JPEG2021 文件另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在大小相同的圖像上不同的分辨率的顯示能力。 由于 JPEG 格式，圖像文件只能顯示具有一定的單一的方法。由于 JPEG 2021 是基于小波，小波流可以只部分壓縮，如果需要用戶只需要一個(gè)低分辨率的圖像，而全分辨率的圖像可以被看到。 圖 2 顯示了高分辨率圖像，充分顯示在全尺寸，半尺寸和低得多的分辨率的效果。 所有的圖像來自一個(gè) JPEG 2021 文件 。 JPEG2021 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 13 圖 2 示例觀看一個(gè) JPEG 2021 文件在 一半大小 全尺寸和全分辨率 十分之一的分辨率 JPEG2021 以其特有的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了現(xiàn)行 JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的不足。離散小波變換算法中，圖像可以轉(zhuǎn)換成一系列可更加有效存儲(chǔ)像素模塊的子帶，因此， JPEG2021 格式的圖像壓縮比可在現(xiàn)在的 JPEG 基礎(chǔ)上再提高 10％～ 30％，而且壓縮后的圖像顯得更加細(xì)JPEG2021 圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介 14 膩平滑。也就是說，在網(wǎng)上觀看采用 JPEG2021 壓縮的圖像時(shí)，不僅下載速率比采用JPEG 格式的快近 30％，而且品質(zhì)也將更好。對(duì)于目前的 JPEG 標(biāo)準(zhǔn) ,在同 一個(gè)壓縮碼流中不能同時(shí)提供有損和無損壓縮 ,而在 JPEG2021 系統(tǒng)中 ,通過選擇參數(shù) , 能夠?qū)D像進(jìn)行有損和無損壓縮 ,可滿足圖像質(zhì)量要求很高的醫(yī)學(xué)圖像、圖像庫(kù)等方面的處理需要?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的 JPEG 圖像下載時(shí)是按 塊 傳輸?shù)?，因此只能逐行地顯示，而采用 JPEG2021 格式的圖像支持漸進(jìn)傳輸 (Progressive Transmission),這就允許圖像按照所需的分辨率或像素精度進(jìn)行重構(gòu) ,用戶根據(jù)需要 ,對(duì)圖像傳輸進(jìn)行控制 ,在獲得所需的圖像分辨率或質(zhì)量要求后 ,便可終止解碼 ,而不必接收整個(gè)圖像的壓縮碼流。由于JPEG2021 采用小波技術(shù) ,利用其局部分辨特性 ,在不解壓的情況下 ,可隨機(jī)獲取某些感興趣的圖像區(qū)域（ ROI）的壓縮碼流 ,對(duì)壓縮的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、濾波等操作。 4 結(jié)論 JPEG2021 是為 21 世紀(jì)圖像壓縮應(yīng)用制定的新的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用小波變換和最新的壓縮算法，不僅能夠獲得較好的壓縮比，而且可對(duì)壓縮流進(jìn)行靈活處理?？蓱?yīng)用于因特網(wǎng)、移動(dòng)通信、打印、掃描、數(shù)字?jǐn)z像、遙感、傳真、醫(yī)療、數(shù)字圖書館等方面的圖像壓縮。但是 JPEG2021 的復(fù)雜度及所需空間都比較大，有待于我們進(jìn)一步研究。