林子明，梁利平

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

HEVC靜態(tài)圖像壓縮與JPEG 2000性能比較與分析

林子明，梁利平

(中國科學(xué)院微電子研究所，北京 100029)

基于離散小波變換DWT (Discrete Wavelet Transform)的JPEG 2000代表著靜態(tài)圖像的最高水平。HEVC(High Efficiency Video Coding)提出了一個(gè)靜態(tài)圖像壓縮檔次——Main Still Profile，其幀內(nèi)編碼模式采用多種新的算法實(shí)現(xiàn)。通過大量實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)，基于HEVC靜態(tài)圖像壓縮比JPEG 2000具有更高的壓縮效率，將來有望取代JPEG 2000成為新的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

JPEG 2000；HEVC；靜態(tài)圖像壓縮

隨著圖像技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)量的急劇增長給數(shù)字圖像的存儲(chǔ)和傳輸帶來了極大的困難。JPEG 2000是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)在2001年發(fā)布的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，以離散小波變換(DWT)為核心，可以在低碼率條件下提供更高的圖像壓縮性能。JPEG 2000可以支持有損壓縮和無損壓縮，實(shí)現(xiàn)感興趣區(qū)域(ROI)編碼和漸進(jìn)傳輸，長期以來代表了靜態(tài)圖像壓縮領(lǐng)域的最高水平。

圖1 JPEG 2000編解碼流程

根據(jù)研究，基于H.264幀內(nèi)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像壓縮，其性能難以超越JPEG 2000[1]。HEVC是由移動(dòng)圖像專家組MPEG(Moving Picture Experts Group)和國際電信聯(lián)盟 ITU-T 視頻編碼專家組VECG(Video Coding Experts Group)聯(lián)合制定的最新視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，通過新的算法結(jié)構(gòu)，其性能在H.264/AVC High Profile 的基礎(chǔ)上提高了1倍。

2010年4月在德國德累斯頓召開第一次HEVC會(huì)議開始對(duì)技提案進(jìn)行收集并在2013年1月正式發(fā)布HEVC標(biāo)準(zhǔn)。新標(biāo)準(zhǔn)包含Main profile,Main 10 profile和Main Still Picture profile 三個(gè)檔次，其中Main Still Picture profile為專門進(jìn)行靜態(tài)圖像處理的檔次，以提供靜態(tài)圖像壓縮能力。

本文對(duì)JPEG 2000和HEVC的結(jié)構(gòu)和主要算法特點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析，并通過大量實(shí)驗(yàn)測試比較兩種標(biāo)準(zhǔn)的靜態(tài)圖像壓縮能力，得出結(jié)論：基于HEVC的靜態(tài)圖像壓縮算法較JPEG 2000算法，性能上具有很大的提高，尤其是在高分辨率的情況下，優(yōu)勢更加明顯。

1 JPEG 2000

JPEG 2000能夠在低碼率的條件下提供優(yōu)質(zhì)的圖像[2]，其主要編解碼過程如圖1所示。

1.1 前處理

分塊(tiling)：將圖像分割為片[3]作為離散小波變換的基本單位。

DC電平移位：將數(shù)據(jù)平移數(shù)值，使其成為以0為中心的帶有正負(fù)號(hào)的數(shù)據(jù)。

色彩空間轉(zhuǎn)換：將圖像由RGB空間轉(zhuǎn)換為其他色彩空間。對(duì)于失真壓縮，采用不可完全回復(fù)色彩空間轉(zhuǎn)換(Irreversible Color Transform)，轉(zhuǎn)換至一般的YCbCr空間；對(duì)于非失真壓縮，采用可完全回復(fù)色彩空間轉(zhuǎn)換(Reversible Color Transform)，使用簡化后的YCbCr空間。

1.2 離散小波轉(zhuǎn)換(DWT)

小波變換具有對(duì)信號(hào)進(jìn)行多分辨率分析和局部分析的特性。通過對(duì)圖像片(tile)的變換可以獲得圖像的空間頻率特性。進(jìn)行多級(jí)小波分解后的小波系數(shù)既包括圖像高頻信息(邊緣)又包括低頻信息(平坦區(qū))。在低碼率情況下也可以保持相對(duì)較高的圖像質(zhì)量。這是離散小波變換獨(dú)有的優(yōu)勢。解碼過程中只需要根據(jù)需求解碼相應(yīng)級(jí)數(shù)的小波系數(shù)即可得到不同分辨率的圖像。

JPEG 2000系統(tǒng)采用兩種小波濾波器：LeGall5/3濾波器和Daubechies9/7濾波器。LeGall5/3濾波器即可以用于有損壓縮又可以用于無損壓縮，Daubechies9/7濾波器只用于有損壓縮。

1.3 熵編碼

JPEG 2000系統(tǒng)對(duì)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)嵌區(qū)段編碼與最佳化(EBCOT)，主要分為3部分。

內(nèi)嵌區(qū)段編碼：根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性和重要性的不同，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[4]。

算數(shù)編碼(Arithmetic Coding)：根據(jù)研究[5]，算數(shù)編碼較變長編碼(CAVLC)具有9%～14%的編碼效率提升，更接近熵編碼的極限。

最佳化：將壓縮后的數(shù)據(jù)根據(jù)需求平衡數(shù)據(jù)量和圖像質(zhì)量，找出最佳分割點(diǎn)，舍棄該點(diǎn)后面的數(shù)據(jù)，在一定的碼流條件下達(dá)到最好的圖像質(zhì)量。

2 HEVC

HEVC是JCT-VC發(fā)布的最新視頻標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)解決了之前標(biāo)準(zhǔn)在高清、超高清視頻應(yīng)用中產(chǎn)生的宏塊數(shù)量爆炸問題。HEVC采用了一系列新的算法和結(jié)構(gòu)，使得其性能在H.264 High Profile的基礎(chǔ)上提高了一倍，更適用于高清、超高清應(yīng)用。在HEVC編碼算法中，利用可變塊大小的幀內(nèi)預(yù)測，減少圖像內(nèi)部空間方向冗余。除了幀內(nèi)預(yù)測，編碼器還包括變換編碼、量化和熵編碼等模塊。變換編碼對(duì)空間預(yù)測所得殘差變換集中，量化用來去除人眼不敏感的冗余的編碼系數(shù)，熵編碼對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行無損壓縮，去除統(tǒng)計(jì)冗余。編碼效率提高的主要原因在于預(yù)測方向的增加，從而允許不同方向結(jié)構(gòu)高精度的重建[6]。

2.1 RQT

作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，HEVC仍采用預(yù)測加變換的混合編碼框架。HEVC中編碼單元大小從4×4到到 64×64，適用于高分辨率圖像壓縮。

RQT 是一種自適應(yīng)變換技術(shù)，屬于對(duì)H.264/AVC中 Adaptive Block-size Transform技術(shù)的擴(kuò)展。幀間編碼情況下，允許變換塊的大小根據(jù)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償塊的大小自適應(yīng)的調(diào)整；幀內(nèi)編碼時(shí)，變換塊大小需要根據(jù)幀內(nèi)預(yù)測殘差信息自適應(yīng)的調(diào)整。通過自適應(yīng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)能量集中、細(xì)節(jié)保留程度以及圖像的振鈴效應(yīng)3個(gè)最優(yōu)的折中[7-8]。

2.2 DST變換

由于預(yù)測殘差具有一定的方向性，若當(dāng)前像素與預(yù)測像素距離較遠(yuǎn)，則像素間的相關(guān)性較小，預(yù)測不準(zhǔn)確。DST(Discrete Sine Transform)可以很好地反映這種情況，為了更好地適應(yīng)預(yù)測殘差的這種方向特性，HEVC采用模式相關(guān)的DST變換[6，8]。

2.3 多種掃描方向

由于預(yù)測殘差存在方向性，當(dāng)編碼單元由H.264中的 16×16[9]擴(kuò)展到HEVC中的64×64時(shí)，如果仍僅用單一的Zig-Zag掃描方式就會(huì)導(dǎo)致掃描位中存在大量無效信息，增加數(shù)據(jù)量。HEVC采用水平、垂直和Zig-Zag掃描3種掃描方向，如圖2所示，有效地解決了這個(gè)問題[10]。

圖2 HEVC中的3種掃描方向

2.4 幀內(nèi)預(yù)測

幀內(nèi)預(yù)測在空域進(jìn)行[11]。通過對(duì)當(dāng)前塊周圍像素的線性插值，預(yù)測當(dāng)前塊信息。HEVC中的幀內(nèi)預(yù)測提供多達(dá)34個(gè)預(yù)測模式，其中包括33個(gè)方向性預(yù)測和1個(gè)非方向性預(yù)測模式[12]，如圖3所示。

3 測試與分析

3.1 測試條件

測試圖像：為了全面比較JPEG 2000和HEVC在靜態(tài)圖像壓縮方面的效果，本測試采用從cif格式到1 080 HD的多種分辨率的圖像，綜合比較在不同壓縮率情況下的PSNR和圖像主觀質(zhì)量。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)算法在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)，包括醫(yī)療圖像、數(shù)碼攝像等領(lǐng)域都有著很好的表現(xiàn)，在評(píng)測過程盡量擴(kuò)大測試圖像范圍。

圖3 幀內(nèi)預(yù)測模式方向

測試軟件：JPEG 2000采用JASPER參考軟件JASPER-1.900.1，HEVC靜態(tài)圖像壓縮采用官方HM10.0版配置為MainStill模式。由于兩者沒有直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系，本測試根據(jù)所需壓縮率(注：本文中壓縮率指圖像數(shù)據(jù)量壓縮后與壓縮前的比值)調(diào)整HM量化參數(shù)達(dá)到兩者碼率相同的條件進(jìn)行結(jié)果比較。

3.2 測試結(jié)果

本文對(duì)多種分辨率的圖像進(jìn)行了壓縮測試，并對(duì)壓縮結(jié)果進(jìn)行曲線擬合比對(duì)，如圖4所示。

測試結(jié)果顯示：

1)基于HEVC的靜態(tài)圖像壓縮整體上壓縮性能明顯優(yōu)于JPEG 2000，多數(shù)情況下在相同壓縮率條件下HEVC壓縮其峰值信噪比(Peak Signal Noise Ratio， PSNR)超出JPEG 2000 10 dB以上。由于HEVC較H.264壓縮效率提高了1倍，使得HEVC較其他壓縮標(biāo)準(zhǔn)在圖像壓縮率相同的條件下具有更好的圖像質(zhì)量。

圖4 JPEG 2000和HEVC在不同分辨率下壓縮效果比較

2)在低分辨率情況下，由于JPEG 2000采用DWT的全局變換方式，小波系數(shù)能量集中程度不高圖像質(zhì)量較差；當(dāng)壓縮程度較高(壓縮率<0.005) 時(shí)，由于JPEG 2000壓縮時(shí)在低碼率情況下大量丟失高頻信息，JPEG 2000壓縮峰值信噪比迅速衰減，導(dǎo)致圖像模糊；而HEVC采用基于塊的處理方式，能夠較好地保留圖像的局部信息，經(jīng)過幀內(nèi)預(yù)測和濾波處理后，圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于JPEG 2000。

3)HEVC采用靈活的塊結(jié)構(gòu)方式處理，其亮度塊和色度塊分別進(jìn)行預(yù)測和變換，圖像壓縮后可以很好地保留色度信息，而采用JPEG 2000壓縮方式進(jìn)行壓縮，色度信息丟失嚴(yán)重。

4 結(jié)論

壓縮結(jié)果顯示，基于HEVC的靜態(tài)圖像壓縮較JPEG 2000具有更高的壓縮效果。這是因?yàn)镠EVC標(biāo)準(zhǔn)采用了一系列新的結(jié)構(gòu)和算法，如更為精細(xì)的幀內(nèi)預(yù)測模式，靈活的塊結(jié)構(gòu)等，在大幅度提高壓縮效率的同時(shí)保證了圖像的質(zhì)量。基于塊變換相對(duì)于DWT的劣勢——振鈴效應(yīng)也通過采樣點(diǎn)補(bǔ)償和濾波得到了很好的解決。在理論上，HEVC靜止圖像壓縮算法以基于塊的復(fù)合編碼理論為指導(dǎo)，不同于當(dāng)前廣泛推廣的基于DWT全局變換的靜止圖像編碼理論。在實(shí)現(xiàn)上，基于塊編碼算法，在數(shù)據(jù)處理上具有比較好的局部性，易于硬件實(shí)現(xiàn)。相比較而言，JPEG 2000算法采用的全局DWT變換，存在大量的訪存操作，消耗大量的內(nèi)存，且JPEG 2000獲得大幅提升的EBCOT編碼技術(shù)是一種順序執(zhí)行的位平面處理技術(shù)，要達(dá)到實(shí)時(shí)需要較高的時(shí)鐘頻率，有著非常高的復(fù)雜度。通過測試和分析，HEVC靜態(tài)圖像壓縮比JPEG 2000具有更高的壓縮效率，將來有望取代JPEG 2000成為新的靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。

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責(zé)任編輯：時(shí) 雯

AMD發(fā)布第六代APU：支持HEVC 續(xù)航大幅升級(jí)

近日，AMD公司在臺(tái)灣發(fā)布了第六代A系列處理器。第六代APU基于代號(hào)為“Carrizo”的平臺(tái)，主要針對(duì)筆記本電腦市場，是全球首款使用系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)設(shè)計(jì)的處理器。其最大的特點(diǎn)是：支持HEVC硬件解碼、支持異構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)HSA 1.0和ARM TrustZone。同時(shí)，在續(xù)航上大幅提升，號(hào)稱全天不插電。

AMD總裁兼CEO蘇姿豐在發(fā)布會(huì)上介紹稱，第六代APU融合了AMD多項(xiàng)處理器和圖形知識(shí)產(chǎn)權(quán)。第六代APU基于“挖掘機(jī)”核心和第三代次世代圖形核心(GCN)架構(gòu)設(shè)計(jì)，提供多達(dá)12個(gè)計(jì)算核心(4個(gè)CPU+8個(gè)GPU)。AMD在發(fā)布會(huì)上宣稱，第六代APU還提供了最高可達(dá)上一代產(chǎn)品兩倍的電池續(xù)航時(shí)間，并且對(duì)Windows 10進(jìn)行了全面的優(yōu)化，支持DirectX 12體驗(yàn)。

AMD第六代A系列處理器首次為筆記本電腦帶來了HEVC/H.265，同時(shí)在視頻轉(zhuǎn)換方面，第六代APU與僅使用CPU的處理器相比，擁有高達(dá)5倍的加速編碼性能。

另外，第六代APU還原生支持面部識(shí)別、手勢控制。并通過首次在高性能APU應(yīng)用AMD安全處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全引導(dǎo)和恢復(fù)、TPM2.0以及驅(qū)動(dòng)密鑰加密等最新的Windows 10特性的支持。

從6月開始，聯(lián)想等主流OEM廠商將陸續(xù)推出采用AMD第六代A系列處理器的筆記本電腦。

Comparison and Analysis between JPEG 2000 and HEVC on Still Image Compression

LIN Ziming，LIANG Liping

(InstituteofMicroelectronicsofChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China)

JPEG 2000 that based on Discrete Wavelet Transform stands for the highest level of still image compression. In HEVC， a profile for still image compression is proposed， Main Still Profile . Its intra mode has adopted many new algorithms. Results show that HEVC can achieve much better performance than JPEG 2000，and is quite potential to be the next generation method for still image compression.

JPEG 2000；HEVC；still image compression

【本文獻(xiàn)信息】林子明，梁利平.HEVC靜態(tài)圖像壓縮與JPEG 2000性能比較與分析[J].電視技術(shù),2015，39(13).

TN919.81

A

10.16280/j.videoe.2015.13.004

2014-12-10