ＪＰＥＧ ＸＲ圖像格式剖析與改進(jìn)研究

[摘 要] 本文主要介紹了微軟倡導(dǎo)的JPEG XR的由來及其應(yīng)用前景，闡述了JPEG XR圖像格式的優(yōu)點(diǎn)及其編解碼技術(shù)，指出了其不足之處，并提出了一種改進(jìn)算法。

[關(guān)鍵詞] 圖像標(biāo)準(zhǔn) JPEG XR 編碼技術(shù)

一、引言

在拉斯維加斯Photo Marketing Association（PMA）2007國際會(huì)議上，微軟正式高調(diào)發(fā)布了HD Photo，微軟的終極目標(biāo)是讓它成為數(shù)字相片的標(biāo)準(zhǔn)格式。這種全新的下一代數(shù)字影像格式為圖象編輯、存儲(chǔ)提供更好的解決方案，釋放了硬件設(shè)備，應(yīng)用程序和服務(wù)數(shù)字成像的潛能。微軟將此技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提交給“聯(lián)合圖像專家組織”（Joint Photographic Expert Group），并被接納為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，這種圖像標(biāo)準(zhǔn)的名稱也更名為JPEG XR，并于2007年11月中旬通過標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)定。JPEG XR格式比JPEG更為先進(jìn)，完全可能取代JPEG格式成為新的數(shù)字圖像標(biāo)準(zhǔn)。

二、JPEG XR的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

1.JPEG XR是一款可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍圖像編碼，而且在壓縮與解壓時(shí)只需要整數(shù)運(yùn)算的圖像編解碼器。它支持單色、RGB、CMYK、甚至支持16位無符號(hào)整數(shù)或者32位定點(diǎn)或者浮點(diǎn)數(shù)表示的多通道彩色。在印刷行業(yè)中，許多設(shè)備只支持CMYK這種四色模式，使用色彩轉(zhuǎn)換的代價(jià)，往往導(dǎo)致色彩變化，而JPEG XR無疑提供了一種更簡(jiǎn)便的選擇。

2.超強(qiáng)的壓縮技術(shù)，儲(chǔ)存與JPEG格式同等畫質(zhì)的影像，所占的文件空間可減半。不同于JPEG，微軟的格式編碼算法，能以所謂的不流失(lossless)壓縮技術(shù)，保存所有的像素?cái)?shù)據(jù)。

3.JPEG XR提供增強(qiáng)的圖象保真度，保留全部原始圖象內(nèi)容并且使圖象中的高質(zhì)量曝光和顏色調(diào)整成為可能。JPEG XR比傳統(tǒng)JPEG能呈現(xiàn)更多的色調(diào)，色域(color gamut)更廣，可讓圖像色彩更豐富，而且在把文件從相機(jī)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)、打印機(jī)的過程中，圖像保存得更好、不失真。這也是微軟標(biāo)榜自家技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一。

4.JPEG XR標(biāo)準(zhǔn)支持部分編碼技術(shù)進(jìn)行構(gòu)圖。用戶可以任意指定圖像上感興趣區(qū)域的壓縮質(zhì)量，還可以選擇指定的部分先解壓縮。而在上網(wǎng)瀏覽的時(shí)候，對(duì)一張圖片，可以實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)傳輸。

5.JPEG XR提供無損壓縮和有損壓縮兩種方式，能夠從相機(jī)傳感器保留動(dòng)態(tài)范圍和顏色的全部信息。

三、JPEG XR的編碼技術(shù)

1.JPEG XR用于編碼的單元是宏塊，而變換的單元是塊，每個(gè)塊由4×4的像素點(diǎn)構(gòu)成，而宏塊則由4×4的塊構(gòu)成。JPEG XR采用的變換是PCT變換（Principle Compoment Transform主成分變換），是針對(duì)宏塊里的塊進(jìn)行的，變換具體可以分為兩個(gè)階段:(1)塊單獨(dú)PCT變換階段。這個(gè)階段宏塊中的每個(gè)塊執(zhí)行對(duì)應(yīng)的PCT變換，這個(gè)變換比較類似于DCT變換，變換后得到的16個(gè)DC系數(shù);(2)然后針對(duì)這個(gè)DC系數(shù)再進(jìn)行PCT變換。

2.JPEG XR主要采用PCT變換，具體編碼過程如下圖所示：

解碼過程如下圖所示：

四、JPEG XR的改進(jìn)算法

1.由上分析可以看出，JPEG XR是一種前瞻型的圖像標(biāo)準(zhǔn)，具有上述諸多長(zhǎng)處，但是由于JPEG XR采用PCT，因此難以實(shí)現(xiàn)多級(jí)圖像分辨率和多級(jí)圖像質(zhì)量的壓縮編碼，不能很直觀地按需要的文件大小來選擇壓縮比。

2.由于小波變換具有對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析和反映信號(hào)局部特征的特點(diǎn)，它的多分辨率分析提供了我們進(jìn)行漸進(jìn)式壓縮的基礎(chǔ)。通過對(duì)圖像片進(jìn)行離散小波變換，得到小波系數(shù)圖像，而分解的級(jí)數(shù)視具體情況而定。通過對(duì)系數(shù)圖像的不同級(jí)數(shù)進(jìn)行解碼，就可以得到具有不同空間分辨率（或清晰，或模糊）的圖像。因此JPEG XR可以應(yīng)用小波變換的這種特性，用DWT變換取代PCT變換，這樣，采用了小波變換的JPEG XR就可以獲得小波變換的特性，不但可以保留JPEG XR原有特性，也能實(shí)現(xiàn)多級(jí)圖像分辨率和多級(jí)圖像質(zhì)量的壓縮編碼。

五、結(jié)論

從技術(shù)上看，JPEG XR是一種很優(yōu)秀的圖像格式，但是JPEG已經(jīng)深入人心，從打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等到新興的應(yīng)用領(lǐng)域，如網(wǎng)絡(luò)傳輸、無線通訊、醫(yī)療影像等，幾乎占據(jù)了數(shù)字圖像領(lǐng)域各個(gè)角落。微軟想讓JPEG XR取代目前在數(shù)碼設(shè)備上普遍應(yīng)用的JPEG圖像格式，不僅需要取得各類圖像軟件開發(fā)商的支持，而且需要爭(zhēng)取眾多硬件廠商的支持，這絕對(duì)不是一件容易的事情。

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