1、黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训2010 年通信工程专业作业二5、论述 JPEG2000 的主要特性。 答：（1）压缩特性。JPEG2000 标准向人们展示了它从高比特率到低比特率所具有的超级压缩特性。在有损压缩时，JPEG2000 的压缩率平均比 JPEG 高出 20%30%。传统的 JPEG 标准在低比特率编码时会产生方块效应，而JPEG2000 标准通过采用小波变换编码，方块效应不明显。因此，二者在视觉上的效果差异相当大，这显著体现了 JPEG2000 标准尤其在低频率中的优越性。 （2）连续色调图像与二值图像的处理。JPEG2000 标准能够处理每分量上限值为 38 比特精度的
2、图像，这在其它图像标准中没有出现过。JPEG2000 标准对二值图像的特性也可以与目前标准压缩方式对传真图像的特性相匹配。（3）无损压缩和有损压缩。JPEG2000 标准采用嵌入式操作，以无损为图像质量的上限，可以从一个比特流中提取任意质量的图像。在要求无损压缩的情况下，必须采用带整数系数的可逆小波变换。（4）渐进传输功能。JPEG 图像是按“块”进行传输，因而只能实现图像从上到下的逐行显示。而 JPEG2000 标准支持对图像数据的渐进传输功能（Progressive Transmission） ，包括质量渐进传输、分辨率渐进传输、空间位置渐进传输、分量渐进传输。（5）ROI 编码。在 JP
3、EG2000 标准中，将重要的图像区域定义为 ROI 区域，即感兴趣区域，可根据具体应用调整解码端 ROI 质量。作 ROI 编码时，ROI 的形状可在编码器中任意确定，对 ROI 的子带系数进行位平面提升处理，使 ROI的位平面较背景区域的位平面处于高位。（6）图像数据可随机访问。JPEG2000 标准允许对图像特定区域的随机访问，而无需将整个码流解码，从而实现用户对压缩码流的各种灵活操作。（7）优越的容错性。JPEG2000 标准具有优越的容错能力（Error Resilience） ，在干扰较强的信道中传输图像数据时容错性对限制误编码比特率有很大的帮助。作为熵编码，JPEG2000 标准
4、采用了 MQ 算术编码，压缩编码基本上是可变长码。当可变长码产生差错时，解码器的同步工作就遭到破坏，成为恶化的重要原因。因此，为使差错的混入不造成广泛影响，采用具有确保再同步标记的分组结果，以较小尺寸的编码单位（代码块）和各编码处理单位（编码扫描）的 MQ 算术编码，以及各代码块内的差错检测和隐蔽机制等。 （8）开放式结构。JPEG2000 标准只定义了编码器的核心算法和码流文件的结构。这种开放式结构允许用户根据各种不同的实际需要来灵活地嵌入不同的模块，从而不断拓展 JPEG2000 标准的功能。 （9）基于内容的描述。对图像信息的检索和分类，是图像处理的一个重要研究领域。JPEG2000 文
5、件格式灵活，支持用户对其感兴趣的各种数据信息进行快速、有效的检索。6、论述 JPEG2000 的两大关键技术。答：JPEG2000 静态图像压缩标准的优越性主要来自于两大关键技术：小波变换、EBCOT 算法。小波变换：上图为一维双子带 DWT 分析综合滤波器组框图。分解滤波器组(h 0，h 1)中的 h0 是一个低通滤波器，输出保留信号的低频成分而去除或降低高频成分；h 1是一个高通滤波器，输出保留信号的边缘、纹理、细节等高频成分，而去除或降低低频成分。在 JPEG2000 标准中，分解滤波器的阶数为奇数。与之相对应，综合滤波器组(g 0，g 1)的 g0 和 g1 分别为低通和高通滤波器。为
6、了实现信号的完全重建，即 x(n)= x(n)，要求分解综合滤波器组满足以下关系。H0(z)G0(z)+H1(z)G1(z)=2 H0(-z)G0(z)+H1(-z)G1(z)=0 其中 H0(z)、G 0(z)、H 1(z)、G 1(z)分别是 h0、g 0、h 1、 g1 的 Z 变换。当一维信号被分解为两个子带后，低通子带信号仍然有很高的相关性，可以对它再进行双子带分解，降低其相关性；而高通信号的相关性较弱，因此不再进行分解。JPEG2000 标准只支持二频带分解，每次只对前一次分解得到的低通子带信号做进一步分解。 对图像进行二维 DWT 是用一维 DWT 以可分离的方式进行的，每次分解
7、中先用一维分析滤波器组(h 0，h 1)对图像进行水平方向（行）滤波，然后对得到的每个输出再用同样的滤波器组进行垂直方向（列）滤波，得到的子带图像被称为一次分解的四个子带。分别为：水平和垂直低通子带（LL） ；水平低通垂直高通子带（LH） ；水平高通垂直低通子带（HL ） ；水平和垂直高通子带（HH） 。由于滤波是线性的，因此采用先行后列与先列后行的次序所得到的结果是相同的。图像的绝大部分能量包含于低频分量中，使得 LL 子带含有较强的相关性，对它进一步处理可以有效地降低子带之间的相关性，从而提高编码效率。为此，有必要将小波分解后得到的 LL 子带以迭代的方式继续分解，直到不能再得到更显著的编
8、码增益，这样就得到了相应的各个分辨率。下图为二维小波变换7、简述感兴趣区域编码的意义。答：感兴趣区域（ROI）编码处理思想不仅能够满足人们在低比特率条件下对重要图像信息实现高质量，甚至无损恢复的要求，还可以通过与图像压缩算法结合来很好的解决通信系统中的带宽瓶颈、存储空间等问题。这些突出的优点使得 ROI 编码处理方法成为了近年来图像处理领域的研究热点。 感兴趣区域编码方法利用了小波变换自身特点，先将感兴趣区域 ROI 在时域进行提升处理并将背景区域 BG 按码块大小叠加感兴趣区域像素值，然后在小波变换后将北京区域系数减去对应的感兴趣区域系数，最后在接收端通过相应的处理实现 ROI 恢复。该方法
9、计算量小并且消除了单纯由 ROI 时域提升产生的 ROI 边缘模糊的缺点。试验结果标明，该方法性能优越，在相同压缩率下，该方法比单纯的时域提升方法的图像主观质量大大改善，便于对感兴趣区域的理解。在数字图像处理的很多实际应用中（例如医学成像，遥感测绘，数字资料库等）,观察者往往只对图像中的某个区域感兴趣。也就是说，这些人们感兴趣的区域较之其余的背景区域能够为用户提供更多的信息量，因而也就显得更加重要。而通常用到的图像压缩编码方法往往都是针对整幅图像的均匀处理，无法对图像的内容加以区分。于是人们希望找到一种编码方法，能将用户感兴趣的区域和背景区分开来，并保证 ROI 区域较之背景区域得到优先的编码
10、处理，从而得到较好的压缩效果。这就是 ROI 编码处理方法。 8、简述 JPEG2000 标准中提出的两种感兴趣区域编码优缺点。答：在 JPEG2000 标准中，提出了两种 ROI 算法：一般位移法（General scaling based method）和最大位移法（Maxshift method） ，它们都是通过缩小 BG 系数来实现 ROI 系数处于编码流的前面部分。在截断过程中，BG的信息将会更多的被舍弃，ROI 的信息得到更好的保留，从而得到更好的压缩效果。由于两种标准方式在定义 ROI 形状的复杂性和编码灵活性等方面存在的局限性。Wang Zhou 等人相继提出了一种逐个位平面偏
11、移的方法（BbBShift）和通用的逐个位平面偏移方法（GBbBShift ） ；这些 ROI 编码算法都是对小波系数进行处理，处理方法直接影响编码端的压缩率和解码端的峰值信噪比（PSNR） ，其缺点是位移因子不易于控制。此外，时域提升算法来实现 ROI 编码是利用小波变换特点，将 ROI 在时域进行提升，然后通过普通的 JPEG2000 系统编、解码，最后在时域将 ROI 恢复。该方法将 ROI 区域进行时域提升，在 ROI 边缘人为增加了很多高频分量，高频分量在压缩过程中损失较大，所以恢复后的图像出现 ROI 边缘模糊。该方法的优点是计算量小，ROI 和 BG 的相对重要性由提升的位平面数
12、来灵活调整，可以作为没有 ROI 功能的 JPEG2000 编解码系统的补充；缺点是存在 ROI 边缘模糊，不益于解码端对 ROI 的理解。 换种说法：一般位移法，是通过选择一个适当的位移因子 s，将所有 ROI 系数，相对于无位移状态都左移 s 位，这样就提高了 ROI 系数的重要性，从而在嵌入式优化截断编码过程中，ROI 系数被优先进行编码传输，在信道资源有限的情况下保证了解码端 ROI 的图像质量。由于位移因子 s 可在一定范围内进行选择，所以一般位移法能根据需要调整 ROI 与 BG 的相对重要性，但是，一般位移法必须向解码端传送位移因子 s 和 ROI 掩膜。 当一般位移法中的位移因子增大到 BG 系数位平面和 ROI 系数位平面没有重叠的时候，一般位移法就成为了最大位移法。在最大位移法中，由于 ROI 系数的最小值大于 BG 系数的最大值，在解码端小于 2s 的系数为 BG 系数，否则为ROI 系数。2 s 作为 ROI 系数和 BG 系数的门限值，使得解码端不需要 ROI 掩膜，而只需将 ROI 系数右移 s 位，就可实现 ROI 回复。虽然最大位移法降低了计算和结构的复杂度，但是由于位移因子 s 不能自由选择，所以不能灵活调整 ROI和 BG 的相对重要性。
