基于 JPEG2000 的感兴趣区域编码的研究

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1、精品论文基于 JPEG2000 的感兴趣区域编码的研究薛晓璇 太原理工大学计算机与软件学院，太原 (030024) E-mail: xuexiaoxuan2007摘要：感兴趣区域编码是在 JPEG2000 编码的基础上提出来的。本文分析了感兴趣区域编码在图像压缩中的必要性，介绍了图像感兴趣区域编码的思想及编码过程，并探讨了感兴趣 区域编码的研究现状。关键词：JPEG2000；感兴趣区域；小波变换中图分类号：TN9191引言在现代通信技术中，图像作为信息含量最丰富的载体，起着重要的作用。但图像的数据 量很大，为了有效的传输和存储图像，必须对图像数据进行有效的压缩。几十年来，图像编 码的领域非常活

2、跃，人们提出了大量的编码方法，这些压缩方法总体上可以分为两类：有损 压缩方法和无损压缩方法。有损压缩方法压缩效率高，但恢复的图像会出现降质现象。无损 压缩方法压缩效率低，但是能保证恢复图像质量不降低。在实际应用中，图像的接收者往往只对图像的某一部分感兴趣。例如，在医生观察医疗 图像时，关心的只是病人发生病变的部分，这部分区域被称为“感兴趣区域（ROI，Regions of Interest）”。把感兴趣以外的区域称为“背景区域（BG，Background）”。从主观上来讲，感 兴趣区域恢复质量的好坏直接影响对恢复图像的整体评价。因此可以对图像中 ROI 采用低 压缩比的压缩，甚至无损压缩，以获

3、得比较高的图像质量；而对于 BG 图像，则仍采用高压 缩比、质量相对较差的有损压缩，以节省空间。这样既可以满足人们对图像的要求，又能降 低传输时间，节省存储空间，实现了真正的交互式压缩。这就是感兴趣区域编码技术。1ROI 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的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相结合来很好的解决通讯过程中的带宽瓶 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。2感兴趣区域(ROI)的编码思想JPEG2000 标准中定义了一般移位算法和最大移位算法两种 ROI 编码。根据需要在原图

4、像中选定一个或若干个 ROI 区域，对图像做小波变换并对边界做适当调整，计算 ROI 掩模， 将 ROI 掩模内的小波图像系数进行扩大，或对 ROI 掩模外的背景系数进行缩小，保证位于 ROI 掩模内的系数的位平面相对较高，在随后的嵌入式编码时优先被编码。解码时根据 ROI 掩模以及 ROI 系数扩大或缩小的情况进行处理。ROI 编码的思想是改变 ROI 掩模内的系数 与 ROI 掩模外的背景系数之间的相对关系，使 ROI 掩模内的系数值大于 ROI 掩模外的系数 值，致使嵌入式编码时 ROI 掩模内系数优先被编码，在有损压缩中 ROI 的损失较小。ROI 系数首先被传输和解码，保证 ROI

5、的重构图像质量。由于感兴趣区域编码是在 JPEG2000 的基础上提出来的，所以实现 ROI 编码实际上就是 在 JPEG2000 编码的基础上增加 ROI 区域的确定过程、ROI 模板生成过程、小波系数调整和 ROI 形状及位置信息的编解码过程，以及由此引起对原算法的相应调整过程。以下为 ROI 编码的基本工作原理图：- 5 -图 1 感兴趣区域编码的基本原理图Fig1the basic principle of region of interest coding3感兴趣区域编码过程该编码方法具体过程为：计算小波变换；人为的选定感兴趣区域，然后计算相应的 感兴趣区域掩模；量化小波系数；用给定

6、的缩放值 s 对 ROI 掩码内的小波系数进行放 大（即把感兴趣区域系数放大 2s 倍）；对所有系数位平面依次进行熵编码，最重要的位平 面首先被编码。3.1 计算小波变换小波变换的子带分解过程为：首先对待处理的图像进行垂直滤波和抽样得到沿列方向的 低频和高频数据；接着对经过列方向处理的两组数据分别进行水平滤波和抽样。这样经过前 后两个方向的滤波和抽样后，图像就分解成 4 个尺寸为原图像 1/4 大小的子图，对应于 4 个 小波子带。其中，在垂直和水平方向都进行低通滤波得到的是原图像的平滑近似，称为 LL 子带；垂直方向进行高通滤波，水平方向进行低通滤波得到的图像保留了垂直方向的细节信 息，称为

7、 LH 子带；垂直方向进行低通滤波，水平方向进行高通滤波得到的图像保留了水平 方向的细节信息，称为 HL 子带；在垂直和水平方向都进行高通滤波得到的图像保留了对角 线方向的细节信息，称为 HH 子带。对一次小波变换后的 LL 子带，我们可以继续进行上述 的小波分解，这样就可以得到图像在多个不同尺度上的细节和近似。小波变换本身不具有压 缩功能，变换后仍保留原图像的数据量，但它具有去相关能力，能使能量重新分配以便于压 缩。变换后系数矩阵的主要能量集中在少数小波系数上。23.2 计算感兴趣区域掩模ROI 掩模(mask)，实际上就是对最后重构感兴趣区域有贡献的所有小波系数的集合，描 述的其实就是某一

8、小波系数存在于哪一位平面上，从而精确的重构所期望的区域。对位于模 板以外的小波系数(称为背景系数)，将其幅值通过除以 2s 按比例缩小。ROI 掩模可以用一个二值函数 M(x, y)来定义，(x, y)表示图像中像素点的坐标；当(x， y)处在 ROI 内，M(x, y)1；当(x, y)处在 ROI 外，M(x, y)0。当为 1 时表示子带系数(x， y) 属于 ROI 内，小波系数应该被精确传输；当值为 0 表示不属于 ROI 内，在不影响感兴趣区 域的情况下，可以牺牲该系数的精度。在小波分解中，每级 LL 子带的模板也随着分解逐行 逐列地更新，这样，模板就能指出哪些系数在本级是属于感兴

9、趣区域的。3如果感兴趣区域是矩形时，这时只需要记录左上和右下两个点就可以了，所有在这两个 点之间的样本都属于 ROI，需要产生 ROI 模板，这样可以减少计算量。假设原始图像中， 一个矩形感兴趣区域的左上角和右下角两点的坐标位置分别为x1,y1、x2,y2。则经过小波变换后，LL 子带中的矩形感兴趣区域同样由左上角和右下角两点坐标x ,y 、x , y 1122来确定，该坐标与原始 ROI 坐标之间的对应关系为：(1)其中，n 为小波变换的级数，表示下取整运算，表示上取整运算。由于小波分解后各子带系数在空间上的相似性，所以只需计算最低频子带 LL 中的感兴趣区域模板。3.3 量化小波系数量化是

10、 JPEG2000 标准中造成信息丢失的主要原因之一，可以通过量化减少小波变换后 小波系数的精度，从而使很多不重要的高频系数量化为 0，这样就可以达到压缩图像的目的。 JPEG2000 标准 Part1 采用带有中央死区的均匀标量量化，中央死区的宽度是量化步长的两 倍。这种量化方法是 JPEG2000 标准能够灵活实现重构图像信噪比可调和渐进传输的重要基 础。由于各个子带的小波系数代表图像不同频域的特征，具有不同的统计特性和视觉特性， 因此 JPEG2000 标准允许对不同的子带采用不同的量化步长进行量化，但是各个子带内部要 使用同一量化步长。JPEG2000 编解码器在量化时提供了两种不同的

11、处理模式：整型模式和 实型模式。整型模式相当于无损编码，量化步长固定为 1，相当于不进行量化处理；实型模 式相当于有损编码，步长的选择需要跟重构图像质量要求等因素联系起来。43.4 按比例放大感兴趣区域系数幅值这里采用最大位移法，使得提升后的 ROI 比特面完全置于 BG 比特面之上，它们之间 没有重叠的部分，如下图：图 2 无位移Fig2 no scaling图 3 最大位移Fig3 maxshift在最大位移法中，位移因子 s 并不是任意选定的。编码器扫描所有量化系数后自动产生一个位移因子，它能使缩小后的 BG 系数的最大值小于 ROI 系数的最小值，如上图所示。 也就是说缩放值 2S 是

12、大于任意背景系数的最小整数。解码时，不小于 2S 的系数必然属于感 兴趣区域，小于 2S 的系数必然属于背景区域5。最大位移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：smax(Mb)这里 Mb 是小波子带 b 中所有系数幅度位平面的最大值。在最大位移法中，由于 ROI 位平面和 BG 位平面没有重叠，解码器只需把背景系数值扩大 2S 倍，编码流也无需包含 ROI的形状信息。虽然最大偏移法降低了计算和结构上的复杂度，然而由于位移因子 s 不能自由选择，故不能灵活调节 ROI 区域和 BG 区域重构图像质量的对比度。3.5 熵编码进行量化之后，小波系数都变成了整数，并且绝大部分高频系

13、数值变为 0，接下来就是 编码过程，即怎样将量化后的小波系数有效地组织起来。JPEG2000 编码由于 ROI 区域的位 平面高于背景区域，这些 ROI 系数位平面将先于背景系数位平面被编码。而且即使当码流 被截断或是编解码过程没有全部完成，因为 ROI 区域的压缩码流处在整个码流的前端，故 感兴趣区域的重建质量仍然优于背景区域。4. 感兴趣区域编码的研究现状感兴趣区域的压缩编码的研究在军事、远程医疗图像的编码、图像存储、图像检索、车 牌识别、视频会议和遥感等领域都有非常广阔的应用前景，鉴于感兴趣区域编码的广阔前景， 国内外纷纷对它展开研究。国外对 ROI 进行编码的研究也非常多。最基本的有对

14、 ROI 部分采用（5/3）小波变换， 对背景部分采用（9/7）小波变换的方法，这是由于滤波器长度对重构 ROI 很重要。较为热 点的研究就是对 ROI 部分系数提升方法的改进，在这方面的研究成果比较多。有很多文献 是关于把 ROI 编码思想同其它的编码方法相结合的研究，另外还有一些研究是把 ROI 编码 与实际应用相结合。总的来说，国外的研究主要集中在小波系数平移思想的改进和将标准中 的两种方法和不同编码算法的结合。国内关于 ROI 编码的研究绝大多数都是集中在 JPEG2000 标准的研究上，研究得较多的 是 ROI 在不同领域的应用，将 ROI 编码用于图像检索、应用于身份证图像的压缩、

15、应用于 图像车牌识别系统的图像存储系统等。这些只是单纯地将 ROI 编码思想与实际应用相结合， 没有对算法本身做改进。总的来说，国内关于 ROI 编码的研究还处于初级阶段。5. 结束语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的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相结合来很好的解决通讯过程中的带宽瓶 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。在互联网迅速发展的今天，ROI 编码有着非常广阔的应用空间和发展前景，因 而就有着实际的研究意义和价值。参考文献1魏琳.基于感兴趣区域(ROI)图像的压缩

16、编码研究D.重庆大学.2007.5 2李华峰,丁绪星,钱焕延.基于整数小波变换的图像压缩算法J.计算机工程与设计.2006.11 3王华华.基于JPEG2000的感兴趣区域编码算法研究D. 重庆大学.2007.44 C.Christopoulos,J.Askelf,M.Larsson.Efficient methods for encoding regions of interest in the upcoming JPEG2000 still image coding standard.IEEE Signal Processing Letters,2000, 7(9):247-2495张宁.

17、JPEG2000 中的感兴趣区域编码算法J.计算机与数字工程.2003. 5The research for Region of interest coding based onJPEG2000Xue XiaoxuanComputer and Science Department of Tai Yuan University of Technology, Taiyuan (030024)AbstractRegion of interest coding is advanced based on JPEG2000(Joint Photographic Experts Group).theessa

18、y analyses the necessity of studying region of interest coding in image compression, introduces the thought and course of region of interest coding in image, and discusses the current studying situation in region of interest coding.Keywords: JPEG2000; region of interest; wavelet transformation作者简介：薛晓璇：女，1984 年生，在读硕士，主要研究方向是数字图像压缩技术。