图像压缩 - 基于JPEG2000标准的感兴趣区域编码

          图像压缩

 

　　JPEG2000图像压缩标准共有12部分，其中PART1是JPEG2000的核心系统，已在2000年12月成为国际标准，其目标是提供一个最小化的无知识产权问题的JPEG2000可用系统；PART2是扩展系统，与PART1比较，它采用的技术更复杂，性能也更优良。图1、21 JPEG2000 PART1的基本系统 图1和图2所示分别是JPEG2000的编码系统和解码系统。 由于解码只是编码的逆过程，这里只介绍编码系统。 如果压缩图像，首先进行预处理：对图像的无符号分量进行DC电平位移，多分量图像还要进行分量变换，再把每个分量都分割成不重叠的矩形区域，称为贴片（tiles）。分别对每个贴片进行压缩，主要分为四步。

　　第一步，计算小波变换，得到小波系数子带；标准规定了整数和浮点两种小波变换；有L+1个子带分辨率层，其中L由编码器决定。

　　第二步，如果用户指定了目标码率，则量化小波系数，码率越低，小波系数的量化就越粗糙。

　　第三步，用MQ编码器对小波系数进行算术编码，采用EBCOT算法。该算法的原理将每个子带分成块，称为码块（code-blocks），分别编码。将几个码块的编码结果打成一个包（packet）是位流的分量。

　　第四步，比特流组织，将包连同许多标记（markers）一起写进位流。 2 感兴趣区域的编码 感兴趣区域（ROI）编码是JPEG2000标准中的一个新特点，即允许感兴趣区域（ROI）比图像的其他区域（BG）有更高的质量编码。ROI编码在某些应用中很重要，其图像中的某一部分比其他部分显得重要，

　　例如： （1）客房机/服务器模式：服务器一开始只传输一幅图像的低质量或低分辨率的版本，客房机选择图像的一块区域作为ROI区域，这样服务器就只需要传输能够细化（也就是提高空间分辨率或质量）ROI区域的数据了。在浏览图像数据库时这是一个很有用的功能，特别是当存储的图像的分辨率很高和图像很大（大于2兆像素）时，客户机不需要以最高的分辨率下载整幅图像。图3（2）人脸图像：在浏览数码相册时，人们通常最感兴趣的只是照片中的人脸部分。采用一种自动人脸检测算法，一幅图像中人脸部分就能被编码成ROI区域，并且能比背景区域更精确地存储。这种方法也能用于客房机/服务器模式浏览图像，或者用于数码照相机中减少存储人脸图像的比特数。 JPEG2000标准中定义了两种ROI算法：Maxshift算法和一般位移法。其中，Maxshift算法被JPEG2000的PART1所采纳，一般位移法被JPEG2000的PART2所采纳。 一般位移法（Generic scaling based method）是选择一个适当的位移因子s，使位于ROI区域之外的背景（BG）系数都右移s位。这样ROI区域的最有效的位平面就高于背景系数的所有位平面，如图3（b）。在嵌入式编码/解码过程中，这些ROI区域的位平面会先于BG区域的位平面被编码、传输和解码（仍有一些ROI区域的位平面会与BG区域的位平面一起编码、传输和解码，这取决于位移因子s）。如果码流被截断或者编码/解码过程没有全部完成，ROI区域的重建图像质量会优于BG区域。

　　在ROI区域的重建质量得到保证的前提下，ROI技术可以节约带宽，减少计算开销。 由于可以自由地选择位移因子，一般位移法能够很好地控制ROI区域与BG区域之间的质量的相对重要性。但是，一般位移法必须对ROI的形状信息进行编码，现有标准限制了ROI的形状只能是矩形或椭圆形。另一方面，在一般位移法中，不同的小波子带必须使用同一个ROI区域的定位，这在某些应用中是不希望出现的。 在Maxshift算法（Maxshift method）中，位移因子s不是预先选定的。在编码端，所有经量化的小波系数被逐一扫描。位移因子s的选择必须使ROI区域的最小系数大于BG区域的最大系数，如图3（c）。

　　在解码端，接收到的比s小的系数都是BG区域的系数，反之则是ROI区域的系数。 当一般位移法中的位移因子增大到BG位平面与ROI平面没有重叠的时候，axshift算法可以看作是一般位移法的特例，也就是位移因子必须满足： s≥max（Mb） Mb通常是子带b中的幅度位平面的最大值，max（Mb）就是所有系数的最大幅度。在Maxshift算法中ROI的形状信息隐含在解码器中，这样任意形状的ROI它都能支持。而且，它能灵活地处理不同的小波子带。Maxshift算法最主要的局限在于，它不能通过调整位移因子而灵活地控制ROI区域与BG区域之间的质量的相对重要性。图43 一种新的ROI编码算法——PSBShitf算法 考虑到这两种标准ROI编码方法的各自局限性，本文介绍了一种新的、灵活地位移方法，可以称为PSBShift算法（Partial Significant Bitplanes Shift），它结合了两种标准算法的优点，能够有效地压缩多个优先级别不同的感兴趣区域。 此方法主要基于这样一个事实，即在高比特率下，ROI区域和BG区域都能以高质量进行编码，并且两者的区别并不太值得注意；而在低比特率下，图像中的ROI区域希望有比BG区域更高的编码质量。因此只要在ROI区域的最高有效位平面中分离出部分位平面，就能调整ROI区域与BG区域之间的质量的相对重要性了。也就是说只需要位移ROI系数最高有效位平面中的一部分，而不用像标准中的方法那样位移所有的位平面。图3（d）中说明了PSBShift算法（这里s=6）。ROI系数的所有位平面被分成了两部分：最高有效位平面（themost significant bitplanes）和剩余有效位平面（the residual significant bitplanes）。最高有效位平面的数量与位移因子的大小相等，剩余有效位平面的数量Nlsbs表示为：

　　

　　在编码端，ROI系数的最高有效位平面不位移，而ROI系数的剩余有效平面与BG系数一起右移（即向LSB方向移）。在解码端，可以像Maxshift算法一样识别ROI系数。低于第s个位平面的所有位平面提升s个位平面，再结合高于第s个位平面的所有位平面。这就是与Maxshift算法不同的地方，在Maxshift算法中没有“结合”这一步操作。既然BG系数的高于第s个位平面的所有位都是0，那么这种修改过的解码器也可以用于处理由Maxshift算法生成的标准代码流。

　　（1）PSBShift ROI编码 PSBShift 算法能够编码使一幅图像中的ROI区域比BG区域的质量高，或者使ROI区域与BG区域的质量一样。如图3（d）所示，如果在编码/解码第2s个最高有效位平面之前，编码位流被截断或者编码/解码过程被终止，ROI区域将会有比BG区域更高的质量。在第2s个最高有效位平面被编码/解码后（ROI区域的位平面和BG区域的位平面重叠时），ROI区域和BG区域将以相同的质量编码。位移因子s控制着ROI区域和BG区域的相对质量。 例如，对一幅“Barbara”图像（720%26;#215;576，8bpp）应用不同的位移因子（s=0、5、9、13），采用可逆的编码模式编码，在脸部定义一个矩形的ROI区域。如图4所示，随着比特率的增加，ROI区域和BG区域的失真减少（distortion reduction）。当s很小时，例如s=5，ROI区域和BG区域的质量没有太大的不同（图4（b））。随着位移因子的增加，例如s=9（图4（c）），在比特率的较大变换范围内，ROI区域都有比BG区域更高的编码质量。当所有位平面都被解码，就达到了无损解码。当s≥马max（Mb）（这里max（Mb）=12），结果与Maxshift算法一样，如图4（d）中s=13。因此PSBShitf算法在某种程度上能概括Maxshift算法，而不同于一般位移位。

　　

　　与一般移法相比，一般位移法只支持矩形和椭圆的ROI形状，PSBShift算法可以编码任意形状的ROI而不需要对形状信息进行编码。PSBShift算法能够像Maxshift算法一样，在不同的小波子带定义不同的ROI。与Maxshift算法不同的是，Maxshift 算法也能通过使用不同的位移因子灵活地调整ROI区域与BG区域之间的质量的相对重要性，这种灵活性够针对不同的应用改善ROI区域的编码质量。例如，图5中所示的“Barbara”图像，它是可逆编码（在所有子带中都有ROI/BG的区域）的，并且以0.5bpp的比特率分别用Maxshift算法（s=12）和Maxshift 算法（s=10）解码。可以看到在ROI区域两种方法没有视觉上的区别，而在BG区域Maxshift算法比Maxshift算法提供了更好的质量。如果ROI区域需要比BG区域更高的质量，可以使用更大的位移因子，结构将会更接近Maxshift算法，因此，Maxshift算法可以针对不同的应用，设计出有效和灵活的ROI编码。

　　（2）多个ROI区域的编码 多个ROI区域的编码需要根据多个ROI区域在一幅图像中不同的优先级采用不同的质量对它们进行编码。一般位移法也支持多个ROI区域的编码，但是需要对ROI形状的信息编码并且对形状有限制。Maxshift算法也可以支持多个ROI区域的编码，不过它要通过大幅度提高小波系数的动态范围来实现，这样将会明显地降低压缩效率。Maxshift算法能够有效地支持多个ROI区域的编码，它通过对不同的ROI区域采用位移不同数量的最高有效位平面来实现。

　　例如，“Bike”图像（2048%26;#215;2560，8bpp）中定义了三个ROI区域，如图6所示的ROI-1、ROI-2和ROI-3。选择最高有效位平面的提升数量s1》s2》s3，例如s1=10，s2=8，s3=6，存贮在码流里的位移因子是s=max（s1，s2，s3）。 JPEG2000是一个非常有用的新一代静止图像的压缩标准。本文主要介绍了JPEG2000标准的基本系统和它的一个重要特点：感兴趣区域编码。在分析了两种标准算法（Maxshift算法和一般位移法）的优缺点后，介绍了一种新的ROI编码算法——Maxshift算法。

　　这种算法有四个基本优点：

　　（1）它支持任意形状的ROI编码，而不需要编码形状的信息；

　　（2）它允许不同的小波子带有不同的ROI定义；

　　（3）采用合适的位移因子可以控制ROI区域与BG区域的之间的相对重要性；

　　（4）在低比特率下，能够对一幅图像中的具有不同优先级的多个ROI区域进行有效的编码。