JPEG及JPEG2000.ppt

静态图像压缩标准JPEG 1. JPEG概述 JPEG（Joint Photographic Experts Group）是联合图像专家小组的英文缩写，这个专家组开发的算法称为JPEG算法，并且成为国际上的彩色、灰度、静止图像的第一个国际标准，因此又称为JPEG标准。 JPEG是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，不仅适用于静止图像的压缩，也常常被用于电视图像序列的帧内图像压缩编码。目前JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法： 一种是采用以离散余弦变换DCT为基础的有损压缩算法；另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。 使用有损压缩算法时，在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像和原始图像相比较，非图像专家难以找到它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。例如在V-CD和DVD-Video电视图像压缩技术中，就使用JPEG的有损压缩算法来取消空间方向上的冗余数据。 基于DCT的JPEG压缩算法是有损压缩，它利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。JPEG算法框图如图1所示，压缩编码大致分成三个步骤： （1）使用正向离散余弦变换（Forward Discrete Cosine Transform，FDCT）把空间域表示的图变换成频率域表示的图。 （2）使用加权函数对DCT系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。 （3）使用哈夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。 2. JPEG压缩的基本原理 基于DCT编码的JPEG压缩算法可由如下的几个步骤实现： 颜色模式转换及采样； 正向离散余弦变换（FDCT）； 量化（Quantization）； 编码： （1）Z字形编码（Zigzag Scan）； （2）使用差分脉冲编码调制（DPCM）对直流系数 （DC）进行编码； （3）使用行程长度编码（RLE）对交流系数（AC）进 行编码； （4）熵编码 译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。 2.1颜色模式转换及采样 JPEG 的图片使用的是 YCrCb 颜色模型, 而不是计算机上最常用的 RGB. YCrCb 模型更适合图形压缩. 因为人眼对图片上的亮度 Y 的变化远比色度 C 的变化敏感. 从RGB转换成YCrCb： Y＝0.299R+0.587G+0.114B Cr＝(0.500R-0.4187G-0.0813B)+128 Cb＝(-0.1687R-0.3313G+0.500B)+128 常用的采样格式有4：1：1和1：1：1 1：1：1采样就是保留所有的YCrCb值，相当于每个像素点用1个Y样本、1个Cr样本、1个Cb样本表示。而4：1：1采样是指对于一个2×2像素的数据块，取4个亮度Y样本、1个红色差Cr样本、1个蓝色差Cb样本 。 RGB ? YCbCr RGB YCbCr 2.2正向离散余弦变换（FDCT） DCT要求输入数据是一个8×8的矩阵，且每个矩阵元素具有8bit精度。 图1 JPEG将源图像划分为若干个子块,每个子块包含8×8个像素 图2 一个8×8个像素的子块的DCT变换 如上图所示，对每个图像块做离散余弦变换。通过DCT变换可以把能量集中在矩阵左上角少数几个系数上。 P(i,j)经DCT变换之后得到T(i,j)，其中T(0,0)是直流系数，称为DC系数，其他为交流系数，称为AC系数。 上式DCT变换的基本运算是将信号从一种表达形式（空间域，即图像的像素值）变成另一种等同的表达形式（频率域，即频率系数），并且这种变换过程是可逆的。 逆离散余弦变换(IDCT)公式能够将频率域的数据重新转换为像素值。 在计算二维的DCT变换时，也可使用下面的两个计算式进行简化，把二维的DCT变换变成一维的DCT变换，如图3所示为二维DCT变换方法。 图3 两维DCT变换方法 2.3 量化 为了达到压缩数据的目的，DCT系数需做量化。量化是对经过FDCT变换后的频率系数进行量化，这是一个多到一映射的过程。量化的目的是减小非0系数的幅度以及增加0值系数的数目，将信号幅值由连续量变成离散量,在一定的主观保真的前提下，丢掉那些对视觉效果影响不大的信息。量化是图像质量下降的最主要原因。 对于有损压缩算