摘 要：随着计算机多媒体技术的不断发展，及其在网络上越来越广泛的应用，图像压缩技术不仅单一的要求优异的压缩性能，还对多种传输、无损有损压缩、随机访问处理等多个方面提出需求，在这种情况下，“联合图片专家组（JPEG） ”推出了新一代的静态图像压缩系统——JPEG2000。本文将简要的介绍 JPEG2000 的特征和实现方式，并比照早先的 JPEG标准来阐述新一代压缩标准的优越性。
关键词：JPEG2000；离散小波变换；算术编码 1. 引言 JPEG2000是关于静态图像压缩的国际标准。 JPEG是Joint Photographic Experts Group （国际图片专家组）的缩写，它是一个在国际标准组织（ISO）下专门从事静态图像压缩标准制定的委员会。由它制定的图像压缩标准：ISO 10918-1 就是大家熟知的 JPEG标准。而所谓“联合”是指 JPEG2000 既作为 ISO/IEC 标准，又作为 ITU-T 建议被发布。ISO/IEC 是International Organiztion for Standardization / International Electrotechnical Commission （国际标准化组织/国际电工技术委员会）的缩写，ITU-T 是 International Telecommunications Union – Terminal Sector（国际电信联盟－终端部门）的缩写。 由于 JPEG 标准优异的压缩性能和良好的画面质量，使其在短短的几年内就获得了巨大成功，目前网络上绝大多数的图像都使用这种压缩标准。然而随着多媒体领域的快速发展，JPEG 标准已经无法满足用户的需要，在这种情况下，JPEG2000 图像压缩标准就诞生了。它的出现正是为了满足由于多媒体领域快速发展所催生出的对图像压缩技术的新需求，同时也在某些方面弥补了 JPEG压缩标准中表现出来的不足。 自 1997 年3月起，JPEG图像压缩标准委员会开始酝酿制定新一代的图像压缩标准——JPEG2000，并发起“技术征稿”。同年 11 月，在悉尼对所收集到的压缩技术进行了评估，一个关于 JPEG2000 需求的特别组织成立，任务是创建并维护 JPEG2000的需求文档。经过多次的会议讨论、改进，在 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。国际标准化组织的 WG1 小组在同年 8 月制定出了最终的国际标准化草案（The Final Draft International Standard，简称 FDIS）。JPEG2000将采用离散小波变换、EBCOT 编码和算术熵编码等构成新标准的算法主体。 2. JPEG2000 的需求及标准 作为新一代图像压缩技术标准，JPEG2000 标准在制定过程中成立了特别的组织专门整理需求文档，新标准的制定基本上都是为了解决这些需求文档提出的问题。主要的需求有如下几个方面： 1) 超低比特率性能：因为希望在所有的位率下都具有优异的性能，因为具有针对性的对 JPEG 在低比特率下的性能改进被认为是 JPEG2000 的一个重要需求。在JPEG2000 中，高比特率具有比 JPEG高出约 20％的平均压缩优势；而在低比特率下，JPEG2000 也已经能明显的看出相对于 JPEG的性能优势。 2) 连续色调和两极压缩：希望从一个统一的压缩结构对图像分量（如 R，G或 B）进行无缝压缩，每个分量可为 1 到16 位的深度。JPEG2000 可以对连续色调灰度级和颜色图像可提供技术领域中最先进的压缩性能。 3) 按像素精度和分辨率渐进传输：当在较差的通信环境中进行数据传输时，图像的渐进传输就显得尤为重要。当按照“像素精度”（“质量”或“信噪比”）渐进传输来组织码流时，随着接收到更多的数据，会逐渐改善解码图像的质量。当按照“分辨率”渐进传输来组织码流的时候，随着接收到更多的数据，会逐渐提高解码图像的分辨率和尺寸。JPEG2000 已经实现了这个需求，同时还达到了更高的要求。 4) 无损压缩和有损压缩：希望能够从单一压缩结构中既可实现无损压缩，又可实现有损压缩。希望在渐进解码的过程中实现无损压缩。 JPEG2000 通过包含一个可逆（整数）小波变换可以实现该目的。JPEG2000 无损压缩技术的实现，在该先进领域中只占极少数。 5) 随机码流访问和处理： 空间随机访问以及压缩域处理也是 JPEG2000 的一个重要特征。JPEG2000 码流提供几种不同的机制支持不同粒度的空间随机访问（感兴趣区域的访问），还支持“兴趣度”，对感兴趣区域中解压缩图像的质量进行调整。同时还支持剪切、旋转、翻转、平移和缩放这些压缩域处理。 6) 比特误差的鲁棒性：希望 JPEG2000对由噪声通信信道引入的误码是鲁棒的。 根据特别小组征集来的关于 JPEG2000 的需求，联合图像专家组（JPEG）开始着手制定新的图像压缩编码标准——JPEG2000 标准。经过多年的努力和不断完善，截至到本文 定稿时，JPEG2000 的标准已经包含了 12 个部分： (1) 核心编码系统（规定了实现 JPEG2000 功能的基本内容） (2) 扩展（给核心部分添加了很多新的特性和） (3) 运动 JPEG2000 (4) 一致性测试 (5) 参考软件（目前包括 C和 JAVA） (6) 混合图像文件格式 (7) 对核心编码系统的最小支持（这一部分已经被舍弃了） (8) JPSEC（安全方面的内容） (9) JPIP（交互式协议与 API） (10) JP3D（仍处于草拟阶段） (11) JPWL（无线应用） (12) ISO基准的媒体文件格式 本文所介绍的内容基本上仅涉及到标准的第一部分。 3. JPEG2000 的特征、优势及应用 JPEG2000 的出现从某种意义上讲是为了弥补 JPEG标准的不足，那么在介绍 JPEG2000的特征之前，我们就有必要介绍一下 JPEG标准，介绍 JPEG与 JPEG2000的区别。 也许很多用户都知道，在使用 JPEG 压缩图像的时候经常会遇到一个很突出的问题，就是在低比特率编码时，块状失真很明显。主要原因是在压缩过程中使用了离散余弦变换（DCT），将图像分割成 8X8 的矩形块，在各块内的边缘处出现了不连续的现象，导致了失真的出现。JPEG2000 不再使用以离散余弦变换为主的区域编码方式，改用以离散小波变换（DWT）为主的多解析编码方式。而块状失真也转化为图像的“迟钝”形式表现出来。这样，使得效果有了很大的提高。 从压缩性能上来看，JPEG2000 能够在 JPEG 基础上再提高 10％～30％，而且压缩后的图像效果更加细腻平滑。从压缩的方式上看，JPEG2000 支持有损压缩和无损压缩，而 JPEG标准中虽然也涉及到无损压缩，但是其无损压缩却没有得到广泛的接受，因此在绝大多数的应用中，也就只支持有损压缩了，但是无损压缩在很多应用领域（如医疗）是非常重要的。 从传输方式上来看，JPEG2000 支持按照像素精度和分辨率两种模式的渐进传输，而最初的JPEG 是不支持渐进传输的，采用顺序模式传输的图像就只能够从上到下一行一行的显示图片，直到图片全部传完，用户才能看到完整的图像。当然，JPEG 标准也增加了关于渐进传输的内容，这一点会在后面介绍 JPEG2000 渐进实现时提到。另外，JPEG2000 具有“感兴趣区域”（ROI）特性，可以指定图像中的某个区域使用任意的压缩质量，这是JPEG 所不具有的。 以上是粗略的介绍一下 JPEG2000 的需求和与 JPEG 的区别，下面的部分会详细的介绍JPEG2000 的特征以及实现方法，其中仍然会比照 JPEG进行说明。 JPEG2000 作为将要接替 JPEG 的新标准，首先继承了 JPEG 模式的诸多优点，JPEG 具有的“顺序”、“渐进”、“分级”和“无损”模式在JPEG2000中得到了更好的实现，并克服很多 JPEG 固有的局限性。在前一段介绍 JPEG2000 与 JPEG 的区别的时候，已经提到了很多 JPEG2000具备的特征，以下便详细的介绍一下它的重要特征及优势。 1) 高效高质量压缩：作为图像的压缩编码标准，压缩率自然是衡量其性能的最重要指标之一。使用了离散子波变换的 JPEG2000 可以在 JPEG 的基础上高出 10％～30％，而且压缩后的图像更加细腻平滑。在低比特率时，如前所述，它将 JPEG固有的块状编码失真转化为图像的 “迟钝”形式表现，使得图像的效果有了很大的提高。可以说，JPEG2000 具有了更好的压缩率和更高的压缩质量。 2) 更先进的压缩解压缩模式 从压缩方式来说，JPEG2000 直接支持有损和无损压缩，比起 JPEG 的无损压缩未能得到广泛接受相比，JPEG2000 的无损压缩有着重要的意义，在很多应用领域中，无损压缩是必须的。对于那些具有较高重要性，或需要存档的图像信息，无损压缩既能保证图像信息毫无损失，又可以节省资源。例如在医学方面的应用，由于对图像质量要求较高，有损压缩往往是不能够被容忍的。 从解压缩方面来说，JPEG2000 采用的是嵌入式码流，支持压缩一次，多种解压缩方式。JPEG2000 压缩器决定最佳的图像质量，直到并包括无损质量，同时还要选择最大的分辨率或尺寸。任何图像质量或尺寸都可以从结果码流中解压缩出来，向上直到并包括编码时所选择的最大值。比如，假设对一幅图像进行全尺寸无损压缩，得到的结果文件大小为 B 个字节。然后从这个文件中抽出 A个字节（A
