A快速JPEG 2000圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換的創(chuàng)新技術(shù)分析論文
0 引言
JPEG2000是新一代的靜態(tài)圖像編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，與已有的JPEG標(biāo)準(zhǔn)相比，它可以提供更好的圖像質(zhì)量和更高的壓縮率，但其計算的復(fù)雜度也遠(yuǎn)高于JPEG算法。一般在處理JPEG 2000圖像時，若欲將其圖像尺寸縮小，首先需由JPEG 2000解碼器處理，將JPEG 2000圖像解碼到空間域圖像后，在空間域里將圖像縮小至所需尺寸后，再經(jīng)JPEG 2000編碼器將圖像作編碼，最后得到尺寸縮小后的壓縮圖像。但是由于在空間域里使用圖像大小轉(zhuǎn)換方法來縮小JPEG 2000圖像，需要大量的計算量、繁雜的處理過程、以及占用大量的存儲空間。為了加快圖像尺寸轉(zhuǎn)換處理速度、降低計算復(fù)雜度、以及有效降低存儲空間占用，本論文提出一個快速的JPEG 2000圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換算法。流程如圖1。
在我們的快速JPEG 2000圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換方法中，首先將原始JPEG 2000圖像經(jīng)EBCOT解碼以及反量化步驟解出圖像的頻率域編碼信息后，再透過頻率域圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換方法，直接在頻率域里縮小圖像尺寸，最后再通過量化與EBCOT編碼等步驟，將圖像尺寸縮小后的圖像頻率域編碼信息編成JPEG 2000圖像。
本文所提的JPEG 2000圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換方法與空間域圖像大小轉(zhuǎn)換方法相比，所提的方法省掉反向小波轉(zhuǎn)換、反向色彩轉(zhuǎn)換、后置處理、前置處理、正向色彩轉(zhuǎn)換、以及正向小波轉(zhuǎn)換等六個步驟。由于所提的方法不需將頻率域編碼信息轉(zhuǎn)成空間域圖像，因此本論文所提的方法除了可更快速的轉(zhuǎn)換圖像大小外，也可省下存放空間域圖像內(nèi)容所需的存儲空間以及減少所需的計算量。
1 簡化JPEG 2000壓縮與解壓縮流程
在快速JPEG 2000圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換方法中，保留了EBCOT解碼、反量化、量化與EBCOT編碼等四個部分，主要原因說明如下：
1.1 EBCOT編/解碼 JPEG 2000編碼后的圖像會儲存成封包的格式，但封包并非以子頻帶為單位儲存，所以要取得各子頻帶的內(nèi)容，必須先經(jīng)過EBCOT解碼才行。再者本文的方法有可能需要對子頻帶再進(jìn)行小波轉(zhuǎn)換，因此EBCOT編/解碼過程不可省略。
1.2 量化與反量化 保留量化與反量化步驟的主要原因在于圖像經(jīng)由正向小波轉(zhuǎn)換后，會產(chǎn)生不同大小的子頻帶頻率信息，不同子頻帶頻率信息使用不同的量化步長值進(jìn)行量化。
子頻帶與量化步長值這兩者有相對應(yīng)關(guān)系，換句話說以具有7個子頻帶的JPEG 2000圖像而言，必須要有7個相對應(yīng)的量化步長值。而子頻帶與量化步長值所產(chǎn)生的數(shù)目與小波轉(zhuǎn)換的層數(shù)有關(guān)，對于一個經(jīng)過m層小波轉(zhuǎn)換的影像，所具有的子頻帶數(shù)目Nsubbands計算公式為：Nsubbands=3×m+1，圖2所示為圖像經(jīng)由二次小波轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的七個不同的子頻帶。
每個子頻帶的量化步長值都是由一組獨立的控制參數(shù)（ε，μ）決定，該組控制參數(shù)必須記錄于JPEG 2000碼流頭部，供譯碼端還原量化步長值使用。圖3所示為一張圖像經(jīng)過三次小波轉(zhuǎn)換后所產(chǎn)生的頻率域情況。
本文所提的頻率域圖像尺寸縮小方法會改變原本圖像的小波轉(zhuǎn)換層數(shù)，進(jìn)而影響到量化步長值與子頻帶的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)使用不同小波轉(zhuǎn)換層數(shù)時，每個子頻帶的量化步長值會不同。所以，當(dāng)圖像在進(jìn)行尺寸縮小前，先使用原本JPEG 2000圖像的量化步長值對圖像進(jìn)行反量化，還原頻率域信息，當(dāng)圖像尺寸已調(diào)整縮小后，再用新的量化步長值來量化頻率域信息，即可解決量化步長值與子頻帶不一致的問題。
在我們所提的方法中，分別會遇到小波層數(shù)足夠與小波層數(shù)不足的情況。假設(shè)一張JPEG 2000圖像小波層數(shù)為m層，欲要將圖像尺寸縮小為原來的（1/2n×1/2n）大小時，假如n
若n>=m發(fā)生，也就是小波層數(shù)不足。首先經(jīng)EBCOT解碼后，產(chǎn)生不同的子頻帶信息。針對不同的子頻帶信息使用反量化，接著進(jìn)行圖像縮小的工作，將不需要的外頻信息去除，保留的頻率信息因小波層數(shù)不足（小波層數(shù)需為1層以上），要對保留的頻率信息再進(jìn)行小波轉(zhuǎn)換。產(chǎn)生出來的小波頻率域尺寸大小超過欲轉(zhuǎn)換尺寸，可將外頻的小波頻率信息去除，保留LL子頻帶。此時圖像大小雖已符合轉(zhuǎn)換所需大小，但JPEG 2000規(guī)定圖像至少要有一層小波轉(zhuǎn)換，所以必須再做一次小波轉(zhuǎn)換，得到一張小波轉(zhuǎn)換層數(shù)為1的JPEG 2000圖像，最后再經(jīng)量化與EBCOT編碼，得到尺寸縮小后的JPEG 2000圖像。
2 頻率域圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換方法
圖1中間的頻率域圖像尺寸縮小轉(zhuǎn)換方法主要工作包括縮小頻率域圖像尺寸與修改JPEG 2000圖像碼流主標(biāo)頭相關(guān)參數(shù)等步驟，詳細(xì)步驟如下：
2.1 括縮小頻率域圖像尺寸
①小波轉(zhuǎn)換層數(shù)足夠的作法。假設(shè)當(dāng)圖像的小波層數(shù)為m層，欲將圖像尺寸縮小為（1/2n×1/2n）大小時，若n 首先使用EBCOT解出頻率域信息，再對需保留的頻率域信息作反量化動作，接著將整張圖像的尺寸縮小，并且丟棄不需要的外頻頻率信息，最后將所保留的頻率域信息再重新經(jīng)過量化與EBCOT編碼，即可得到圖像尺寸縮小后的JPEG 2000圖像。
②小波轉(zhuǎn)換層數(shù)不足的作法。假設(shè)當(dāng)圖像的小波層數(shù)為m層時，欲將圖像尺寸縮小為（1/2n×1/2n）大小時，若n>=m，就是小波層數(shù)不足，則除了丟棄m個外層的中高頻信息外，還需要將原來最內(nèi)層的低頻信息，進(jìn)行（n-m）+1次小波轉(zhuǎn)換，再將所產(chǎn)生的（n-m）層的中高頻信息丟棄。由于以上的（n-m）次小波轉(zhuǎn)換后的中高頻信息最終將被丟棄，因此在進(jìn)行以上小波轉(zhuǎn)換時可直接省略許多計算工作，不必進(jìn)行完整的小波轉(zhuǎn)換。此法為本文提出的快速小波轉(zhuǎn)換方法。
2.2 修改JPEG 2000圖像碼流主標(biāo)頭相關(guān)參數(shù) JPEG 2000圖像碼流主標(biāo)頭記錄原始圖像大小、塊狀（tile）大小、小波層數(shù)、各子頻帶的量化步階值參數(shù)（ε和μ）等數(shù)據(jù)信息。在我們所提方法中，并沒有將圖像解回空間域，而是在頻率域信息縮小圖像尺寸后，直接進(jìn)行量化和EBCOT編碼，產(chǎn)生新的JPEG 2000圖像。新的JPEG 2000圖像碼流主標(biāo)頭數(shù)據(jù)無法像空間域轉(zhuǎn)換方法由JPEG 2000壓縮方式設(shè)定，而必須自行修改JPEG 2000圖像碼流主標(biāo)頭內(nèi)的相關(guān)參數(shù)。
3 小結(jié)
JPEG 2000具有的多種特性使其有著廣泛的應(yīng)用前景。目前許多圖形圖像公司如Pegasus，Aware等在開發(fā)的圖像軟件中集成了JPEG 2000圖像壓縮技術(shù)；有的公司如ImagePower等已開發(fā)出JPEG 2000的DSP芯片。JPEG 2000將取代JPEG在圖像壓縮領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本論文提出一個新的快速圖像壓縮方法，可大幅降低使用空間域轉(zhuǎn)換時的處理時間，以及所需存儲空間，但是本文所提方法只針對靜態(tài)圖像實現(xiàn)固定大小的縮小轉(zhuǎn)換，無法對圖像作任意大小轉(zhuǎn)換，對圖像作任意大小轉(zhuǎn)換是一個很好的發(fā)展方向，需作進(jìn)一步研究。
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