JPEG2000是由ISO（國際標準化組織）和IEC(國際電工協會)聯合開發的新興圖像壓縮標準" title="壓縮標準">壓縮標準。JPEG2000因為采用了離散小波" title="小波">小波變換和最新的嵌入式編碼技術，所以具備了傳統的JPEG所無法比擬的優勢。它具有以下主要特點：
　　（1）良好的低比特率壓縮性能,其壓縮率比JPEG高約30％左右;
　　（2）支持無損和有損壓縮;
　　（3）按圖像質量或分辨率漸進傳輸;
　　（4）對碼流的隨機存取和感興趣區域（ROI）的編碼;
　　（5）較強的抗誤碼性能。
　　JPEG2000圖像壓縮標準共有12部分，其中PART1是JPEG2000的核心系統，已在2000年12月成為國際標準，其目標是提供一個最小化的無知識產權問題的JPEG2000可用系統；PART2是擴展系統，與PART1比較，它采用的技術更復雜，性能也更優良。
1 JPEG2000 PART1的基本系統
　　圖1和圖2所示分別是JPEG2000的編碼系統" title="編碼系統">編碼系統和解碼系統。

　　由于解碼只是編碼的逆過程，這里只介紹編碼系統。
　　如要壓縮圖像，首先進行預處理：對圖像的無符號分量進行DC電平位移，多分量圖像還要進行分量變換，再把每個分量都分割成不重疊的矩形區域，稱為貼片" title="貼片">貼片（tiles）。分別對每個貼片進行壓縮，主要分為四步。第一步，計算小波變換，得到小波系數子帶；標準規定了整數和浮點兩種小波變換；有L+1個子帶分辨率層，其中L由編碼器決定。第二步，如果用戶指定了目標碼率，則量化小波系數，碼率越低，小波系數的量化就越粗糙。第三步，用MQ編碼器對小波系數進行算術編碼，采用EBCOT算法。該算法的原理是將每個子帶分成塊，稱為碼塊（code-blocks），分別編碼。將幾個碼塊的編碼結果打成一個包（packet），是位流的分量。第四步，比特流組織，將包連同許多標記（markers）一起寫進位流。
2 感興趣區域的編碼
　　感興趣區域（ROI）編碼是JPEG2000標準中的一個新特點，即允許感興趣區域（ROI）比圖像的其他區域（BG）有更高的質量編碼。ROI編碼在某些應用中很重要，其圖像中的某一部分比其他部分顯得更重要，例如：
　　（1）客戶機/服務器模式：服務器一開始只傳輸一幅圖像的低質量或低分辨率的版本，客戶機選擇圖像的一塊區域作為ROI區域，這樣服務器就只需要傳輸能夠細化（也就是提高空間分辨率或質量）ROI區域的數據了。在瀏覽圖像數據庫時這是一個很有用的功能，特別是當存儲的圖像的分辨率很高和圖像很大（大于2兆像素）時，客戶機不需要以最高的分辨率下載整幅圖像。
　　（2）人臉" title="人臉">人臉圖像：在瀏覽數碼相冊時，人們通常最感興趣的只是照片中的人臉部分。采用一種自動人臉檢測算法，一幅圖像中人臉部分就能被編碼成ROI區域，并且能比背景區域更精確地存儲。這種方法也能用于客戶機/服務器模式瀏覽圖像，或者用于數碼照相機中減少存儲人臉圖像的比特數。
　　JPEG2000標準中定義了兩種ROI算法：Maxshift算法和一般位移法。其中，Maxshift算法被JPEG2000的PART1所采納，一般位移法被JPEG2000的PART2所采納。
　　一般位移法（Generic scaling based method）是選擇一個適當的位移因子s，使位于ROI區域之外的背景（BG）系數都右移s位。這樣ROI區域的最有效的位平面就高于背景系數的所有位平面，如圖3（b）。在嵌入式編碼/解碼過程中，這些ROI區域的位平面會先于BG區域的位平面被編碼、傳輸和解碼（仍有一些ROI區域的位平面會與BG區域的位平面一起編碼、傳輸和解碼，這取決于位移因子s）。如果碼流被截斷或者編碼/解碼過程沒有全部完成，ROI區域的重建圖像質量會優于BG區域。在ROI區域的重建質量得到保證的前提下，ROI技術可以節約帶寬,減少計算開銷。

　　由于可以自由地選擇位移因子，一般位移法能夠很好地控制ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性。但是，一般位移法必須對ROI的形狀信息進行編碼，現有標準限制了ROI的形狀只能是矩形或橢圓形。另一方面，在一般位移法中，不同的小波子帶必須使用同一個ROI區域的定義，這在某些應用中是不希望出現的。
　　在Maxshift算法（Maxshift method）中，位移因子s不是預先選定的。在編碼端，所有經量化的小波系數被逐一掃描。位移因子s的選擇必須使ROI區域的最小系數大于BG區域的最大系數，如圖3（c）。在解碼端，接收到的比s小的系數都是BG區域的系數，反之則是ROI區域的系數。
　　當一般位移法中的位移因子增大到BG位平面與ROI位平面沒有重疊的時候，Maxshift算法可以看作是一般位移法的特例，也就是位移因子必須滿足：
　　s≥max(M_b)
　　Mb通常是子帶b中的幅度位平面的最大值，max(Mb)就是所有系數的最大幅度。在Maxshift算法中ROI的形狀信息隱含在解碼器中，這樣任意形狀的ROI它都能支持。而且，它能靈活地處理不同的小波子帶。Maxshift算法最主要的局限在于，它不能通過調整位移因子而靈活地控制ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性。
3 一種新的ROI編碼算法——PSBShift算法
　　考慮到這兩種標準ROI編碼方法的各自局限性，本文介紹了一種新的、靈活地位移方法，可以稱為PSBShift算法（Partial Significant Bitplanes Shift），它結合了兩種標準算法的優點，能夠有效地壓縮多個優先級別不同的感興趣區域。
　　此方法主要基于這樣一個事實，即在高比特率下，ROI區域和BG區域都能以高質量進行編碼，并且兩者的區別并不太值得注意；而在低比特率下，圖像中的ROI區域希望有比BG區域更高的編碼質量。因此只要在ROI區域的最高有效位平面中分離出部分位平面，就能調整ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性了。也就是說只需要位移ROI系數最高有效位平面中的一部分，而不用像標準中的方法那樣位移所有的位平面。圖3（d）中說明了PSBShift算法（這里s＝6）。ROI系數的所有位平面被分成了兩部分：最高有效位平面（the most significant bitplanes）和剩余有效位平面(the residual significant bitplanes)。最高有效位平面的數量與位移因子的大小相等，剩余有效位平面的數量Nlsbs表示為：
　　
　　在編碼端，ROI系數的最高有效位平面不位移，而ROI系數的剩余有效位平面與BG系數一起右移（即向LSB方向移）。在解碼端，可以像Maxshift算法一樣識別ROI系數。低于第s個位平面的所有位平面提升s個位平面，再結合高于第s個位平面的所有位平面。這就是與Maxshift算法不同的地方，在Maxshift算法中沒有“結合”這一步操作。既然BG系數的高于第s個位平面的所有位都是0，那么這種修改過的解碼器也可以用于處理由Maxshift算法生成的標準代碼流。
　　（1）PSBShift ROI編碼
　　PSBShift算法能夠編碼使一幅圖像中的ROI區域比BG區域的質量高，或者使ROI區域與BG區域的質量一樣。如圖3（d）所示，如果在編碼/解碼第2s個最高有效位平面之前，編碼位流被截斷或者編碼/解碼過程被終止，ROI區域將會有比BG區域更高的質量。在第2s個最高有效位平面被編碼/解碼后（ROI區域的位平面和BG區域的位平面重疊時），ROI區域和BG區域將以相同的質量編碼。位移因子s控制著ROI區域和BG區域的相對質量。
　　例如，對一幅“Barbara”圖像（720×576，8bpp）應用不同的位移因子（s＝0、5、9、13），采用可逆的編碼模式編碼，在臉部定義一個矩形的ROI區域。如圖4所示，隨著比特率的增加，ROI區域和BG區域的失真減少（distortion reduction）。當s很小時，例如s＝5，ROI區域和BG區域的質量沒有太大的不同（圖4（b））。隨著位移因子的增加，例如s＝9（圖4(c)），在比特率的較大變換范圍內，ROI區域都有比BG區域更高的編碼質量。當所有的位平面都被解碼，就達到了無損解碼。當s≥max(Mb)（這里max(Mb)＝12），結果與Maxshift算法一樣，如圖4(d)中s＝13。因此PSBShift算法在某種程度上能概括Maxshift算法，而不同于一般位移法。

　　與一般位移法相比，一般位移法只支持矩形和橢圓的ROI形狀，PSBShift算法可以編碼任意形狀的ROI而不需要對形狀信息進行編碼。PSBShift算法能夠像Maxshift算法一樣，在不同的小波子帶定義不同的ROI。與Maxshift算法不同的是，PSBShift算法也能通過使用不同的位移因子靈活地調整ROI區域與BG區域之間的質量的相對重要性，這種靈活性能夠針對不同的應用改善ROI區域的編碼質量。例如，圖5中所示的“Barbara”圖像，它是可逆編碼（在所有子帶中都有ROI/BG的區別）的，并且以0.5bpp的比特率分別用Maxshift算法（s＝12）和PSBShift算法（s=10）解碼。可以看到在ROI區域兩種方法沒有視覺上的區別，而在BG區域PSBShift算法比Maxshift算法提供了更好的質量。如果ROI區域需要比BG區域更高的質量，可以使用更大的位移因子，結果將會更接近Maxshift算法。因此，PSBShift算法可以針對不同的應用，設計出有效和靈活的ROI編碼。

　　（2）多個ROI區域的編碼
　　多個ROI區域的編碼需要根據多個ROI區域在一幅圖像中不同的優先級采用不同的質量對它們進行編碼。一般位移法也支持多個ROI區域的編碼，但是需要對ROI形狀的信息編碼并且對形狀有限制。Maxshift算法也可以支持多個ROI區域的編碼，不過它要通過大幅度提高小波系數的動態范圍來實現，這樣將會明顯地降低壓縮效率。PSBShift算法能夠有效地支持多個ROI區域的編碼，它通過對不同的ROI區域采用位移不同數量的最高有效位平面來實現。
　　例如，“Bike”圖像（2048×2560，8bpp）中定義了三個ROI區域，如圖6所示的ROI-1、ROI-2和ROI-3。選擇最高有效位平面的提升數量s1＞s2＞s3，例如s1=10，s2=8，s3=6，存貯在碼流里的位移因子是s=max(s1,s2,s3)。

　　JPEG2000是一個非常有用的新一代靜止圖像的壓縮標準。本文主要介紹了JPEG2000標準的基本系統和它的一個重要特點：感興趣區域編碼。在分析了兩種標準算法（Maxshift算法和一般位移法）的優缺點后，介紹了一種新的ROI編碼算法——PSBShift算法。這種算法有四個基本優點：(1)它支持任意形狀的ROI編碼，而不需要編碼形狀的信息； (2)它允許不同的小波子帶有不同的ROI定義； (3)采用合適的位移因子可以控制ROI區域與BG區域的之間的相對重要性；(4)在低比特率下，能夠對一幅圖像中的具有不同優先級的多個ROI區域進行有效的編碼。

參考文獻
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