基于JPEG2000的图像编解码的研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：2.03M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景

1.2图像压缩的发展与现状

1.3图像压缩的可行性

1.4压缩性能的评价指标

1.5 JPEG2000的发展及其特性

1.6本文主要研究内容

第2章JPEG2000编解码系统

2.1JPEG2000算法概述

2.2预处理

2.2.1直流平移

2.2.2正向分量变换

2.3小波变换

2.4量化

2.5熵编码的实现

2.5.1块编码

2.5.2分层装配

2.6文件格式

2.7本章小结

第3章小波变换及其提升实现

3.1小波的定义及其数学特性

3.1.1小波的定义

3.1.2小波的数学特性

3.2小波变换

3.2.1连续小波变换

3.2.2离散小波变换

3.3提升算法

3.4对传统小波变换进行提升实现

3.4.1滤波器组重构条件

3.4.2提升算法的两个重要定理

3.4.3 Euclidean算法实现因式分解

3.4.4对传统小波变换进行提升实现

3.5本章小结

第4章CDF9/7小波的提升及新小波的引入

4.1 CDF9/7小波的提升实现

4.2新9/7小波的引入及其整数实现

4.3实验结果及分析

4.4新小波的兼容性测试及分析

4.4.1测试结果

4.4.2测试结果的分析

4.5无比例因子的整数小波变换的实现

4.6本章小结

第5章JPEG2000无损压缩部分的改进

5.1 JPEG2000无损压缩中的问题

5.2 JPEG2000中的位平面编码

5.3直方图处理方案

5.4实验结果及分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介

燕山大学硕士学位论文基于JPEG2000的图像编解码的研究姓名：林春雨申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：付炜20050301

摘要摘要JPEG2000(JointPhotographicExpertsGroup)标准采用基于小波的先进压缩技术代替了．1PEG的离散余弦变换。该标准保证失真率低，而主观图像质量优于现行的JPEG标准，并且提供了许多新的功能和特点。为了使得该标准能在实际中得到充分的应用，本文对这～新的标准进行了深入地分析和研究，并通过提出新的算法解决了实际应用中存在的问题。本文首先详细研究了JPEG2000编码系统的各个组成部分及其实现，并对熵编码部分进行了深入地分析。然后本文简要介绍了小波变换和提升方案，并总结了如何对传统的小波变换进行提升实现的方法。其次，本文对JPEG2000有损压缩部分中采用的CDF(CohenDaubechiesFeauveau)19／7小波变换进行了提升实现，并对其提升系数进行了分析，针对这种小波变换的浮点运算次数多的问题，本文运用双正交小波构造定理构造了相似的9／7小波来减少浮点运算；针对尺度因子引入的非整数化问题，本文利用归一化，实现这种小波的整数小波变换，使运算更加简单；为了不进行编解码器的更改，本文对这一小波的兼容性进行了测试和分析来保证其兼容性；为了进行更加简洁和快速的运算，本文给出如何进行无比例因子的整数小波变换算法。本文对所有的新算法的采用都进行了C语言编程实现，并进行了实验。最后，本文针对JPEG2000中无损压缩方案对某类图像的压缩性能较差的情况而采用了一步直方图处理来改善其压缩效果，由于该直方图处理运算的可逆性，所以保证了整个算法是无损的。本文对这一算法进行了c语言编程实现并进行了实验。关键词图像处理{图像编码；小波变换；提升方案；整数小波变换

叠些△：主王兰堡主兰垡笙兰AbstractJPEG2000(JohPhotographicExpertsGroup)usesthediscretewavelettransforminsteadofdiscretecosinetransform．ThecodingsystempledgestOhavethelowdistortionrateandissuperiortotheJPEGontheimagequa／itysubjectively．Italsoprovidesmanynewfunctionsandfeatures，Inordertomakegooduseofthenewstandard，thepaperanalysesandstudiesitthoroughly．Thenitresolvedsomeproblemsbypresentingnewalgorithm，whichexistsinthestandardwhenitisputintopractice，Firstly,thepaperstudiesallthepartsandrealizationsthatmakeuptheJPEG2000indetail．Mostimportantofall，itanalysestheentropycodingthoroughly．Then,thepaperpresentsthewavelettransformandliftingschemesimply,andthenitgiveshowtohfIthetraditionalwaveletintotheliftingschemeingeneral．Then，thepaperliftstheCDF9／7(CohenDaubechiesFeauvean)waveMtintoliftingscheme，whichtheJPEG2000ad010tsinthelossycompressionpart，anditanalyesitsliRingcoefficients．InordertoreducethefloatoperationtimesoftheCDF9／7wavelet，thepapermakesuseofthebiorthogonalwavelet·constructingtheoremtoconstructanother9／7wavelet，whichissimilartotheCDF9／7wavelet．Adoptingthenormalization,thepaperrealizestheintegerwavletetransformofthenewwavelettomaketheoperationsimpler．Thepapertestsandanalysesthecompatibilityofthenewwavektousetheoriginalcodecwithoutchange．Last，thepapergiveshowtorealizetheintegerwavelettransformwithoutscalefactoBwhichensuresthemoresimpleandconciseoperation．ThepaperrealizestheentirenewalgorithmbyClanguageandmakesexperimentofthem．Finaly,thepaperanalysestheworsecompressionresultwhenJPEG2000isusedonsomeimage．Itpresentsahistogram-processingalgorithmtoⅡ

Abstractimprovethecompressionresult．Becauseofthereversibilityofthealgorithm，itensuresthealgorithmofthewholeisreversibleandlosslesstoo．ThepaperrealizesthealgorithmbyClanguageandmakesexpriementofit．KeywordsImageprocessing；Imagecoding；Wavelettransform；Liltingscheme；Integerwavelettransformm

第1章绪论1．1课题背景第1章绪论数字图像，作为现代信息社会的一种重要媒介，在通信、生物医学、坏境、地质、气象、农林、工业、交通、军事和法律等各个领域中发挥着越来越大的作用。尤其在当今，计算机技术、通信技术以及其它现代科学技术的发展，可视电话、低码率视频会议、远程多媒体协同工作、窄带无线视频、电子商务等己成为社会关注的热点，可以说，数字图像对人们的生产、生活、经济活动和科学技术研究都越来越重要。而数字图像中通常含有大量的数据信息，从存储角度【11看一幅大小为512x512x24bit／pixel的彩色图像，数据量约为6×106bit，存储它就需要6×106bit大小的空间，当然由于目前硬盘等各种存储介质存储量的增大，这些空间相对也就很小了。但是随着计算机网络和信息高速公路的发展，～切资源都应该便于网络传输。如果把这样一幅图像放到网上，以9600bit／s的调制解调器传输，传输的时间大约是11分钟，这是无法忍受的。为了减小图像存储时所需的介质和图像通信的信道带宽，实现图像数据的实时处理和传输，图像压缩编码已成为现代信息社会急待解决的问题。图像数据的压缩就是用尽量少的数码量(bit数)表示原始图像，而图像压缩技术的研究和开发一直是信息技术领域中最为活跃的研究方向之一。现在图像的压缩技术已经有很多成熟的技术和国际标准，如JPEG，但是随着多媒体应用领域的扩大，传统的JPEG压缩技术已经无法满足人们对多媒体图像资料的要求，因此需要有新的技术和标准提出来，JPEG2000就是最近提出的图像压缩标准。JPEG2000不但在压缩性能上优于目前常用的JPEG标准，而且提供了许多新的功能。目前，该标准的第一部分(核心技术部分)已经制定完成。但是该标准在实际应用中还存在着一些问题：首先，由于JPEG2000采用的CDF9／7小波系数的特性使得编解码算法都存在复杂和耗时的浮点运算，

燕山大学工学硕士学何论文这对硬件实现产生了一定的困难；其次JPEG2000的无损压缩方案对于某一类图像的压缩性能存在着很大的改善空间。本文就是主要针对这些问题进行的分析和研究，并采取适当的方法来解决这些问题。1．2图像压缩的发展与现状自1948年提出电视信号数字化后，同时就开始了对图像压缩编码的研究工作，至今已经有40多年的历史。图像编码在50和60年代进行的研究仅限于帧内预测编码、预测法、亚抽样／内插复原、图像的统计特性和视觉特性等【2】。1966年，J．B．ONeal继续图像编码的计算机模拟实验，用最小均方误差准则对三种典型静止图像作系统研究，为差分脉冲编码的预测编码方法作了初步的理论工作【3J。1969年举行了首届图像编码会议(PictureCodingSymposium)。70年代开始了帧间预测编码的研究。80年代初开始对作运动补偿所用的运动估值进行研究。变换编码是1968年H．Candrews等人提出来的。采用的是二维离散傅立叶变换。此后相继出现了其他变换方法的变换编码，其中包括二维DCT(DiscreteCosineTransform)。ITU—T(InternationalTelecommunicationUnion-Teleeomstandardizationsection)推出的H．261于1988年形成草案，1990年得以通过，是图像编码技术走向实用化的重要一步，是图像编码40年研究成果的结晶。90年代初相继提出的MPEG一1(MovingPictureExpertsGroup)、MPEG·2、H．263都是在H．261基础上发展和改进的。这些国际标准普遍采用的是混合编码技术，是当今最实用的高效编码技术，得到了广泛的推广和应用，已经成为当今图像编码方法的主流。进入90年代以来，ITU．T和ISO(IntemationalStandardizationOrganization)ff4定了一系列的图像编码国际标准，如：(1)1990年为电视会议和可视电话制定的H．261。(2)1991年为静态图像编码制定的JPEG标准(标准号：1S010918)。(3)1991年为二值图像编码制定的JBIGOomtBi-LevelImageExpelsGroup)标准(标准号：1S011544)。(4)1991年为电视图像数字存储(数码率高达1．5Mbps)而制定的2

第l章绪论MPEG一1(标准号：ISOlll72)。(5)1993年为运动图像及其伴音压缩而制定的通用编码国际标准建议MPEG一2(其中视频部分，即ITU。T}L262，1993年草案，1994年正式通过1。(6)美国“大联盟”(GrandAlliance，简称GA)公布的数字高清晰度电视系统的说明书草案1993年草稿，1994年正式文本)。美国“先进电视系统委员会”拟定的“数字电视标准”(1996年)。(7)1995年1TU—T为极低码率视频而定制H．263标准。(8)1998年制定MPEG．4(标准号：ISO14496)。(9)l997年ISO／ITU(InternatiohalTelecommunicationUnionl组织下开始制定JPEG2000图像压缩标准(1S015444)。目前为止共有10个部分，并于2001年制定Partl的国际标准，其余部分也都相继完成。这些标准的制定极大地推动了图像编码技术的实用化和产业化。电视会议等各类使用图像压缩技术的产品纷纷推出，数字激光唱盘等产品以百万台的数量级走向市场，进入家庭，从而迎来了数字图像通信的黄金时代。另～方面，图像编码技术的产业化进程也加快了图像编码技术的发展，这两者互相促进。因此，如何利用新的技术对图像进行压缩，并且使之符合标准规范以便得到各个领域的支持，以及对标准在实际应用中的一些问题进行一定的处理都是需要解决的问题。l-3图像压缩的可行性一幅图像虽然含有大量的数据信息，但同时也存在大量的信息冗余。消除或尽量减少图像的冗余数就是图像数据压缩的理论基础和依据。在图像压缩中，有几种基本的数据冗余：编码冗余，结构冗余，知识冗余，心理视觉冗余。n1编码冗余信息论的创始人之一C．E．Shannon早在1948年的论文《通信的数学原理》中，就提出了可以把数据看作是信息和冗余度的组合这一基本原理。用』表示信息量，D表示数据量，咖表示冗余度，则信息量与数据量的关系[41是：，=D一幽。由信息论的有关原理可知，为表示图

燕山大学工学硕士学位论文像数据的一个象素点，只要按其信息熵的大小分配相应的比特数即可，这时也是没有冗余的，然而对于实际图像数据的每一象素，很难得到它的信息熵，因此在数字化一幅图像时，对每个象素是用相同的比特数表示的，这样也必然存在冗余。信息熵和空间冗余统称为统计冗余，因为它们都是由图像的统计特性决定。(2)结构冗余许多图像的部分区域存在着非常强的纹理结构，或是图像的各个部分之间存在着某种相似关系，这种相似关系实际上就是结构冗余，也可称为空间冗余或几何冗余。文献【5]将其称为象素间冗余，因为图像中各象素值可以由其邻近的象素的值预测出来。换句话说，单个象素对图像的视觉贡献有很多冗余，可以用邻近象素的值来推断。(3)知识冗余有些图像中包含的信息与某些先验的基础知识有关，例如在一般的人脸图像中，头、眼、鼻和嘴的相互位置等信息就是一些常识。这种冗余就是知识冗余。(4)心理视觉冗余图像是人脑对外界景物的印象和认识，而这种印象和认识是允许有一定的视觉误差的，也就是经过压缩再重建的图像和原始图像之间可以存在人的视觉允许范围内的误差，这种误差不易被人察觉，人类的这种视觉特性被称为视觉冗余。就是这种人类的视觉特性成为了图像数据压缩的基本依据。图像压缩的基本方法就是减少或消除其中的一种或多种冗余以达到数据压缩的目的。1。4压缩性能的评价指标实际中，图像是一个二维的样本序列，x[nl，九2】，0≤一sNl，0srl，≤N，，样本值通常用B位的有符号或无符号整数表示，如果以虹M，rl：】表示重建图像。那么，最常用的失真度量为MSE(MeanSquareError)，定义为：H．-1N，-1MSE=I／NlN2E￡(x【nl，n2卜讹，"2】)2(1-1)n··0712--0对图像压缩来说，均方误差最常根据它的等价的倒数度量PSNR(Peak4

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