JPEG2000和HD算法的比較

HD Photo 怎么樣定義DC/LOWPADD/HIGHPASS的？

HD的圖象結(jié)構(gòu)

HD Photo編碼的單元是宏塊，而變換的單元是塊，每個(gè)塊是4*4的像素點(diǎn)（有其他特殊情況這里不表），而宏塊是4*4的塊組成。

上圖中的表格是16*16的像素塊，是一個(gè)完整的宏塊。

這樣的劃分是按照顏色分量來的，比如YUV色彩空間的Y分量，當(dāng)然還有U和V分量。

HD 的變換

HD的PCT變換是針對(duì)宏塊里的塊進(jìn)行的，實(shí)際上可以分為兩個(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；變換后得到的結(jié)果也分為DC系數(shù)和AC系數(shù)，DC系數(shù)就是每個(gè)塊的0位置，其他的都是AC系數(shù)。

2． 對(duì)于宏塊中的每個(gè)塊進(jìn)行PCT變換后，得到的16個(gè)DC系數(shù)（如上圖中蘭色顯示的），然后針對(duì)這個(gè)DC系數(shù)再進(jìn)行PCT變換。這次變換后，我們得到DC的DC在左上角（綠色表示的位置），而其他的DC系數(shù)保留的是DC的AC系數(shù)。

HD帶的定義

到目前位置我們可以來說明HD是如何定義其帶的了。

1． DC；這個(gè)很簡(jiǎn)單，也就是上圖中左上角（綠色表示的位置）。對(duì)于一個(gè)圖像來說，可能存在很多個(gè)宏塊，每個(gè)宏塊的該位置變換后的系數(shù)都是DC，他們組成了DC帶。對(duì)于整個(gè)圖象來說，這是能量最集中的地方，我們可以在后面量化和編碼的時(shí)候區(qū)分處理。

2． LOWPASS；從名字看叫低通，表示低頻的信號(hào)保存在該頻帶；這個(gè)正如上圖中蘭色表示的區(qū)域（除了DC）；這些區(qū)域也是能量高度集中的部分，他們保存了圖象低頻的信息，例如：連續(xù)色調(diào)圖象的漸進(jìn)色。

3． HIGHPASS：除了LOWPASS和DC外的所有系數(shù)都叫HIGHPASS（高通）；這些系數(shù)保存圖象的高頻信息，也是圖象輪廓信息所在。圖中所有墨綠色的區(qū)域都是HIGHPASS。

HD變換的優(yōu)點(diǎn)

從對(duì)HD變換過程的理解，HD的PCT變換具有這些優(yōu)點(diǎn)：

1． 變換相對(duì)于JPEG2000的DWT確實(shí)是輕量級(jí)的；DWT的變換一般我5級(jí)，而這里的變換只有兩級(jí)，而第二級(jí)是其原圖象的16分之一。因此這里的運(yùn)算量是少的。

2． 與JPEG的DCT比較起來，這里進(jìn)一步找出了低頻通道和高頻通道，這個(gè)為后面自適應(yīng)量化和變換提供了可以區(qū)分對(duì)待的依據(jù)。

JPEG2000高頻區(qū)域和HD高頻區(qū)域的比較

在看到的HD與JPEG2000的比較結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，HD對(duì)高頻部分誤差的比較小，而對(duì)低頻部分處理的不夠好；為什么呢？

見連接。

首先來看看低頻部分：

1． DWT的一個(gè)LEVEL的變換得到的是1/4的低頻系數(shù)，5個(gè)level的DWT變換后，低頻系數(shù)是原來的1/32。

2． HD中有DC和LOWPASS之分，我們可以設(shè)想這里的DC對(duì)應(yīng)DWT的LL，結(jié)果2級(jí)變換后，低頻能量高集中的僅僅是原來圖象的1/256（1/16*1/16）。從這個(gè)角度可以看到為什么JPEG2000在低頻部分的誤差比HD要小。

那么為什么在同等壓縮比的情況下JPEG2000的高頻部分誤差比較多呢？

實(shí)際上我們不能忽略另一個(gè)問題；就是隨著壓縮比的提高，HD在圖象質(zhì)量上并不表現(xiàn)的比JPEG2000好。

我想應(yīng)該可以從這幾個(gè)方面來得到答案：

1． HD的高頻部分的系數(shù)占了大多數(shù)；從對(duì)低頻系數(shù)的分析我們已經(jīng)知道這點(diǎn)。所以同樣壓縮比的時(shí)候，HD包含了大部分的高頻數(shù)據(jù)，所以誤差相對(duì)較少。

2． HD的每個(gè)頻帶采用自適應(yīng)的量化；采用的量化系數(shù)是不一樣的，這相對(duì)于采用統(tǒng)一量化的JPEG2000來說還是有優(yōu)勢(shì)的。

3． 這點(diǎn)不是很清楚的就是HD怎么樣來截?cái)鄩嚎s流到指定大小的？我們知道JPEG2000中根據(jù)誤差的值來均勻丟棄高頻部分的系數(shù)；也就是DWT變換中分辨率較大中的系數(shù)。當(dāng)然JPEG2000可以設(shè)定不同子帶和分量丟棄碼流的規(guī)則。因此一般有數(shù)據(jù)被丟棄的時(shí)候，頻率越高的系數(shù)越可能被丟棄，從而帶來了高頻部分的誤差。

那么為什么隨著壓縮比的提高，JPEG2000不在比HD差呢？

我想這個(gè)地方涉及到HD如何在高壓縮比情況下丟棄數(shù)據(jù)；這個(gè)需要繼續(xù)研究。

先來看看HD是如何量化和編碼的？

在HD的編碼之前，需要對(duì)不同的頻帶系數(shù)先量化。

不同的頻帶采用的量化系數(shù)是不一樣；這個(gè)量化參數(shù)是由用戶輸入的，總體量化過程可描述為：

1． Y分量的量化系數(shù)一般直接來自于用戶輸入的系數(shù)。而U和V分量的數(shù)據(jù)一般是Y分量量化系數(shù)的2倍（如果小于10）或加上18。這樣的分配比例可以保證在U和V分量上有較好的壓縮。

2． 在不同的頻帶上量化系數(shù)梢有不同，主要的不同集中在高通頻帶的U和V分量上。在高頻的這兩個(gè)子帶上的量化程度要較其他頻帶該U和V分量上的大。

實(shí)際上我們可以發(fā)現(xiàn)，變換之后的大部分系數(shù)是高頻的，占63/64，而3/2的系數(shù)是U和V；對(duì)這些對(duì)圖象視覺效果影響不明顯的系數(shù)大幅度量化可以提高壓縮比。

量化過后的系數(shù)就可以進(jìn)行編碼了。

每個(gè)宏塊的DC塊是首先被編碼的；在完成量化之后，首先需要做的是對(duì)各參數(shù)的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)的最基本目的是讓被編碼的系數(shù)變小，這里的方法也就是：

1． 首先塊變換的系數(shù)分成3種類型：DC系數(shù)，ACDC系數(shù)（每個(gè)block的最左邊一列和最上邊一行，除了DC），AC系數(shù)（block其他的系數(shù)）。

2． 首先第一個(gè)宏塊的沒有辦法通過預(yù)測(cè)來編碼

3． 其他宏塊通過前面（上面或左邊）宏塊來預(yù)測(cè)DC和ACDC的，基本上先對(duì)系數(shù)做與前一宏塊當(dāng)前位置系數(shù)的減法，保存的是差值，然后將差值送到編碼器中。

4． 對(duì)于AC系數(shù)，通過上邊或左邊的ACDC系數(shù)來預(yù)測(cè)，其中通過上邊還是左邊的系數(shù)由低通轉(zhuǎn)換的系數(shù)決定。

通過預(yù)測(cè)以后，系數(shù)變小，編碼的效率提高。

在對(duì)系數(shù)編碼的時(shí)候基于一個(gè)默認(rèn)：DC使用8bit來編碼，而LOWPASS和HIGHPASS使用4bit來編碼。當(dāng)然這個(gè)編碼的bit數(shù)量會(huì)在編碼過程中變化。

基于變化的bit來編碼的目的，首先必須將每個(gè)待編碼的系數(shù)分成高于8bit的部分和8bit范圍的部分，不同的部分采用不同的編碼環(huán)境。

如果在編碼過程中發(fā)現(xiàn)系數(shù)總是比8（對(duì)于DC）或4（對(duì)于LOWPASS和HIGHPASS）大，那么在一個(gè)宏塊編碼后需要對(duì)相應(yīng)的bit位增加，用更多的bit位來編碼；如果小，那么減少編碼使用的bit位來使用更少的bit位來編碼。這里通過統(tǒng)計(jì)移位操作后的值是否大于0的數(shù)目來統(tǒng)計(jì)。

在編碼過程中使用了自適應(yīng)掃描的方式；開始的時(shí)候16個(gè)被掃描的系數(shù)按照最初的順序被設(shè)置一個(gè)從32到0的逐漸變小的權(quán)值，但在掃描過程中一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)系數(shù)的移動(dòng)8/4位以后的值仍然大于0，那么需要在他的權(quán)值上增加一；如果更新以后按照掃描順序的兩個(gè)位置的權(quán)值順序不在是逐漸減小，這個(gè)時(shí)候需要交換掃描順序。

HD中稱這些仍然大于0的系數(shù)為顯著系數(shù)。對(duì)他們的編碼方法采用顯著絕對(duì)值和RUN模式編碼；而自適應(yīng)掃描的目的是想將移位后系數(shù)仍然大于0的那些系數(shù)安排在掃描順序的連路上，這樣保證可以對(duì)這些系數(shù)有更好的編碼。

這里有一個(gè)各頻帶系數(shù)在輸入系數(shù)變化時(shí)的分布。

QPIndex = 10:

QPIndex = 40:

QPIndex = 50

QPIndex = 100

現(xiàn)在再來看看上面的問題：

HD是通過量化來控制壓縮比的；隨著壓縮比的提高，HD對(duì)系數(shù)的量化是越來小，導(dǎo)致很大部分信息都已經(jīng)丟失，因此他質(zhì)量的損失是明顯的。

但JPEG2000卻不同時(shí)，他丟棄較高頻率頻帶的數(shù)據(jù)，而且其丟棄也是按照計(jì)算的PCRTD-OPT算法來在一些截?cái)帱c(diǎn)丟棄的，因此相對(duì)來說保證的圖象質(zhì)量應(yīng)該接近最優(yōu)化值。

到這里我們已經(jīng)明白，HD隨著壓縮比的提高，其質(zhì)量的損失接近于線性的或分段線性的；而JPEG2000的失真最優(yōu)算法保證其每個(gè)截?cái)帱c(diǎn)都應(yīng)該在率失真曲線上。

posted on 2007-04-09 14:45 笨笨 閱讀(2367) 評(píng)論(1)  編輯 收藏 引用 所屬分類: 壓縮算法