1、中华人民共和国国家标准信息技术连续色调静态图像的数字压缩及编码第部分要求和指南发布实施国家质量技术监督局发布前言本标准等同采用国际标准信息技术连续色调静态图像的数字压缩及编码第部分要求和指南在信息技术连续色调静态图像的数字压缩及编码总标题下目前包括以下两部分第部分要求和指南第部分一致性测试本标准的附录附录附录附录附录附录附录附录和附录均是标准的附录附录附录和附录是提示的附录本标准由中华人民共和国电子工业部提出本标准由电子工业部标准化研究所归口本标准起草单位清华大学本标准主要起草人钟玉琢乔秉新华壮前言国际标准化组织和国际电工委员会是世界性的标准化专门机构国家成员体它们都是或的成员国通过国际组织建
2、立的各个技术委员会参与制定针对特定技术范围的国际标准和的各技术委员会在共同感兴趣的领域内进行合作与和有联系的其他官方和非官方国际组织也可参与国际标准的制定工作对于信息技术和建立了一个联合技术委员会即由联合技术委员会提出的国际标准草案需分发给国家成员体进行表决发布一项国际标准至少需要的参与表决的国家成员体投票赞成是由信息技术联合技术委员会制定的在信息技术连续色调静态图像的数字压缩及编码总标题下目前包括以下两部分第部分要求和指南第部分一致性测试附录附录附录附录附录附录附录附录和附录构成为本标准的一部分附录附录和附录仅提供参考信息专利在准备这部分时已经收集到应用此标准有关的专利关于专利问题已经在附录
3、中列出了专利拥有者名单因此不能给出关于专利的数据资料正确性或者概况以及相同的权益等权威的或全面的信息专利拥有者已经宣布在售价公道时可以获得许可使用权具体事宜请与专利拥有者联系见附录引言本标准给出了连续色调静态图像编码和解码过程需求和实现指南在应用中变换压缩图像数据的编码表示这些处理和表示力求通用以促成它在通信和计算机系统中用到的静态灰度和彩色图像更广泛的应用给出了测试本标准规定的各种编码和解码过程是否按需要全面完成中华人民共和国国家标准信息技术连续色调静态图像的数字压缩及编码第部分要求和指南国家质量技术监督局批准实施范围本标准是适合连续色调灰度级或彩色数字静态图像数据的它对需要用到压缩图像的应
4、用有广泛的适用性它不适用于二值图像数据本标准规定了从源图像数据到压缩图像数据的转换处理规定了从压缩图像数据到重构的图像数据的转换处理给出了在实践中怎样实现这些处理的应用指南规定了压缩图像数据的编码表示注本标准并没有给出一个完整的编码图像表示这些表示将包含一些参数如纵横比以及色彩空间规定这些都是需要视不同的应用而定的引用标准下列标准所包含的条文通过在本标准中引用而构成为本标准的条文本标准出版时所示版本均为有效所有标准都会被修订使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性信息技术连续色调静态图像的数字压缩及编码第部分一致性测试图像压缩和通信的共用部分基本原理定义缩略语和符号定义和缩略语本标准
5、采用下列定义简缩格式一种除去某些或全部解码所需表规范的压缩数据表示或者没有帧头扫描头和熵编码段表规范数据表示交流系数在至少一维中所有的频率不为零的系数自适应二进制算术解码一种熵解码过程在此过程中把通过算术编码器生成的位序列转换为符号流自适应二进制算术编码一种熵编码过程它是将对该点编码的符号流概率循环细分来实现的应用环境对特定的应用建成的为进行数据表示转换和联系而定的标准算术解码器算术解码过程的一个具体实现算术编码器算术编码过程的一个具体实现基线顺序本规范中规定的一种特殊的基于的编码和解码处理在所有基于解码处理中都需用到二值判决两种方案之间的选择位流部分编码或解码的位序列所组成的一个熵编码段块样
6、本的数组或者一个分量系数值的数组块行分割为块的个连续分量行序列字节位组成的位组字节填充是这样一个过程在这个过程中哈夫曼或算术编码器在熵编码段中插入一个零字节在这之后是生成的一个编码的十六进制字节进位位这是在算术编码器码寄存器中的一位当在码寄存器的进位超出位时而为输出字节设置的上限函数通过选择大于或等于一实数的最小整数而获得该实数最大整数值的数学过程种类编码处理的无损或有损失编码处理代码寄存器这是包含有局部完整的熵编码段的最后有效位的算术编码寄存器另一方面算术解码器的寄存器则包含了局部解码熵解码段的最高位编码器编码过程的具体设备编码编码或解码编码模型把输入数据转换为可编码符号的过程编码处理针对编
7、码处理解码处理或者二者的一个一般描述彩色图像一幅具有多分量的连续色调图像列一分量中每行的样本分量二维阵列组成的图像中的一维压缩数据压缩的图像数据表规格数据或二者的统一压缩图像数据本规范中规定的一幅图像的编码表示压缩减少表示源图像数据的位数条件交换在算术编码中只要间隔的尺寸大于间隔的则交换和概率间隔条件概率估计在算术编码中通过概率估计状态机得到的对于的概率值条件表在算术编码中用到的从定义的前面决定值与条件概率估计间关系中选出的一系列参数集合上下文在算术编码中为建立对概率估计状态机索引的先前码的二值判决集合连续色调图像其分量的每一样本有不止一位的图像数据单元在基于处理中的一块无损处理中的一个样本直
8、流系数两维中频率都是的系数直流预测这是在基于处理的编码器用到的过程此过程中从先前同一分量编码的块得的量化直流系数减去当前的量化直流系数系数特殊余弦基本函数的幅度指的是原始的系数量化的系数或者反量化系数解码器解码处理的具体实现解码处理输入是压缩数据得到输出为连续色调图像的处理缺省条件在算术编码开始时给编码条件表的值反量化量化过程的逆过程解码器恢复系数的表示差异分量在分层模式的编码中从源图像得到的输入分量与该分量前一帧得到的参考分量间的差异差异帧在分层处理中差异分量解码或编码的一帧数字重构图像数据本规范中定义的经任何解码器输出的一连续色调图像数字源图像数据本规范中定义的任一编码器输入的一幅连续色调
9、图像数字静态图像整数二维数组集离散余弦变换前向离散余弦变换或者是逆离散余弦变换下取样滤波器在分层模式的编码中将图像空间分辨率减少的过程编码器编码处理的一具体实现编码处理输入为连续色调图像而输出为压缩图像数据熵编码数据段压缩图像数据的熵编码字节的一个独立可解码序列熵编码段指针可变的指向当前熵编码段中放或取的位置熵解码器熵解码处理的具体实现熵解码处理将由熵编码器生成的位序列转化为符号序列的无损失过程熵编码器熵编码过程的具体实现熵编码处理将输入符号序列转换为位序列的无损过程每一符号平均位数接近输入符号的熵值扩展基于处理对于基于编码和解码处理中对基线顺序处理增加性能的说明语句前向离散余弦变换利用基本余
10、弦函数把样本块转化成基本函数幅度的相关阵列的数学变换帧通过对一个或多个图像分量数据进行一次或多次扫描的组都用同样的基于或无损的处理帧头在一帧开始编码的帧开始标记和帧参数频率系数的两维阵列的两维索引频率带在累进模式编码中之字序列中的相邻系数组完全处理在累进模式编码中即用谱选择又用后继近似的处理灰度级图像只有一个分量的连续色调图像分层对图像编码的一种操作模式此模式中跟在给定分量首帧之后的帧是由源数据与从前面帧重构得到数据的差编码而成的不同帧之间允许分辨率变化分层解码器这是一解码器处理序列此过程中对每一分量的首帧后面都跟着的是那些对于每一分量的差异阵列的解码的帧并且对于那一分量将其加到由前面帧得到的
11、重构数据中分层编码器这一操作模式是每一分量的首帧之后将源数据与对该分量由前面帧得到的重构数据的差异进行编码得到的帧水平取样因子一个特定分量的水平数据单元对应于其他分量中的水平数据单元数目的关联数目哈夫曼解码器哈夫曼解码处理的具体实现哈夫曼解码把由哈夫曼编码器生成的每一不同长度码恢复为符号的一种熵解码过程哈夫曼编码器哈夫曼编码过程的具体实现哈夫曼编码对每个输入符号给以不同长度码的一种熵编码过程哈夫曼表在哈夫曼编码器和解码器中需要用到的不同长度码的集合图像数据源图像或者是重构图像数据交换格式在不同应用环境间进行交换的压缩图像数据表示交织对在一规定次序扫描中每一分量的数据单元小组的重复多路复用的描述
12、逆离散余弦变换利用基本余弦函数将函数幅值阵列转化为相对应的样本块的数学变换联合图片专家组委员会的名称它制定了本标准联合是指和协同工作隐含输出在算术编码中未解决进位的算术编码器的输出小概率符号对于二值判决取小概率的那种选择级别转移在基于的编码器中用到的过程此过程要么将无符号表示转化为的补码表示要么将的补码表示转化为无符号表示无损这是对于在编码和解码的处理和过程中解码输出等同于编码过程的输入的描述无损编码本规范中定义的编码处理且在其过程中是无损失的操作模式见附录有损失对编码和解码处理中有损失的描述标记是两字节码第一个字节为十六进制的第二个字节则是由一到十六进制之间的值标记段标记与相关的参数集合行包
13、含至少每一分量数据的一行的最小序列最小编码单元编码数据单元的最小组操作模式本规范中定义的四种图像压缩处理的主要分类大概率符号对于二值判决取大概率的选择无差异帧在分层编码器或解码器中任何分量的首帧没有减去参考分量而编码或解码的分量这一描述还指其他操作模式中的帧无交织这是对在只有一个分量扫描时的数据单元处理序列的描述参数压缩数据格式中用到的长度固定的整数或位小数点转移一样本或系数的定标计数精度对特定样本或系数的位数目预测器在无损模式中对先前编码重构值的线性组合概度估计状态机用来估计概率的索引和概率值的链接表在算术编码中概率间隔在算术编码中在所有可能序列的顺序集中的二值判决的特殊序列的概率概率次间隔
14、算术编码中与两种可能的二值判决值之一相关的一概率间隔的状态过程完成组成编码或解码处理任务之一的一系列步骤集合处理见编码处理累进编码这是一种在本标准中定义的基于或分层处理方法经每一次扫描重构图像质量就有一次改善累进式基于处理在本标准附录中定义的任一处理的操作模式量化表用来量化系数的个量化值集合量化值量化过程中用到的一整数值量化系数进行量化过程的行为参考重构分量在分层编码模式中用于分层编码器或解码器处理的顺序帧的重构分量数据再归一化算术编码中将概率间隔和码寄存器值加倍直至概率间隔到达一固定最小值恢复间隔在一次扫描中当作一独立序列处理的整数个数恢复标记在一次扫描中区分两恢复间隔的标记行程长同值的相邻
15、符号数目样本组成一分量的两维数组中的一个单位样本交织以一规定顺序一次扫描中每个分量样本的小组的重复多路复用的描述扫描对一幅图像分量的一个或多个数据进行的单一浏览扫描头扫描起点标记和在一次扫描开始时编码的扫描参数顺序编码本标准中定义的无损或基于的一种编码处理图像分量的编码只经一次扫描顺序处理本标准附录中定义的任一种处理的操作模式谱选择一种累进编码处理其中之字形序列被划分为一个或多个相邻系数带每次扫描完成一带的编码栈计数器在算术编码器中未解决进位的字节的计数统计条件算术编码中基于先前编码选择的选择是超出条件概率估计集的一种估计统计模型对每一种二值算术编码选择的特殊条件概率估计的设置统计区用算术编码
16、的编码处理需要的统计存储数组统计存储存储指示用于特殊算术编码二值判决的条件概率估计值的索引位置后继逼近系数编码时第一次扫描减少精度在以后每一次扫描时精度增加一位的一种累进编码处理表规范数据从编码器解码器使用的表中生成编码表示及它们的目标规范转换编码器把由编码器处理的压缩数据转化为另一编码器处理的压缩数据的过程均匀量化为完成压缩把系数按顺序线性分级的过程上取样滤波器分层编码模式中空间分辨率提高的过程垂直取样因子与在本帧中其他分量垂直数据单元数量对应的特定分量垂直数据单元的相关数量零字节字节之字形序列空间频率近似由低到高的系数的特定顺序次序样本预测器无损编码中将位于该点左边和上边的三个最近的相邻重
17、构样本进行线性组合符号本标准采用的符号列出如下概率间隔交流系数由直流值预测的交流系数高位后继逼近位低位后继逼近位段中的第个位参数对应于应用段的标记熵编码段中的数据字节当时熵编码段的下一字节为在后继逼近处理中的哈夫曼编码缓存正确位的计数器包括有每一哈夫曼码长度数的字节表熵编码段指针熵编码段开始前字节的指针为在后继逼近处理中的哈夫曼编码缓存正确位的计数器由进位修改的字节码寄存器中的位流值指示帧的分量在中由比例因子而定的水平频率在中由比例因子而定的垂直频率条件交换算术解码器码寄存器的低位段中的第个位参数在中的位计数器哈夫曼码值符号的码尺寸注释标记条件表值扫描分量标识符再归一化移位计数器算术解码器寄存
18、器的高位条件交换水平位置垂直位置的数据单元对于分量的决定解码直流编码中对同一分量前面块的差值进行编码在无损编码中对样本左边点的差值的编码算术编码中定义的条件标记对样本正上方点的差值的编码直流系数在分量中的第块的直流系数在交流系数预测中用到的第个直流量定义的分层渐进标记定义的哈夫曼表标记量化直流量与预测的差值限定的行数标记限定的量化表标记定义恢复间隔标记数量级分类上界中的例子事件计数熵编码段第个熵编码段段中的水平扩充参数对于编码器的哈夫曼码表哈夫曼码尺寸的编码器表顺序模式中的块结尾和累进模式的带尾行程的行程长度分类在预先的后继逼近扫描中的位置行程的行程长度的种类图像结束标记段中的垂直扩充参数扩充
19、参考分量标记当前符号的频率对第分量的水平取样因子最大水平取样因子与中长度对应的哈夫曼码表码长表指定每一哈夫曼码值的表下标索引整型变量对上下文索引的概率估计状态机表的索引下标索引整型变量扩展的标记扩展的标记下标索引整型变量带中第个交流系数的索引对于顺序则为对于交流算术编码模型的条件参数直流和无损编码条件的下界参数段中表中的元素对于哈夫曼表的段中表中的元素段中的参数长度的最大值段中的参数长度段中的参数长度段中的参数长度帧头参数长度段中的参数长度段中的参数长度算术编码中小概率符号段中的参数长度段中的参数长度扫描头参数长度最低有效位对标记的模计数器哈夫曼码表的参数的数值编码中的位屏蔽对于模式类别编码数
20、值的第个统计存储单元对每一码长的哈夫曼码的最大值表最小编码单元第个组成一行的所需的数目对每一码长的哈夫曼码的最小值表算术编码中大概率符号对于上下文索引的大概率符号最高有效位在算术编码模式中数量级位的编码对于上下索引的规定整数变量编码的数据单元计数器没用中数据单元数目重归一化后索引的新值重归一化后索引的新值帧中分量数目段中定义的线数扫描中分量数目链中下一符号的索引样本精度段中的量化器精度参数对于量表的段中的量化器精度参数从最近的分量编码块中得的量化直流系数指示变换参数样本的计算值系数的量化器值系数的量化值直流系数量化器值由直流值预测的量化交流系数预测交流系数中用到的第个量化直流值概率估计对于上下
21、文索引的概率估计段中个量化单位的第个单位重构图像样本幅度为交流系数的行程长度反量化系数重构的样本值重构的样本值重构的样本值预测计算中的取整保留标记段中的恢复间隔交流系数的行程的位值交流系数哈夫曼编码中的混合值数恢复标记由得到的重构值上下文索引水平频率垂直频率的系数在后续近似编码中正确编码的上下文索引之字形序列中谱选择带的结尾对块尾或带尾编码的上下文索引哈夫曼码尺寸如果解码符号是负为如解码符号是正为哈夫曼码长度逻辑操作左移逻辑左移乘位是负时第一个数量级分类编码的上下文索引基线处理帧标记扩展顺序帧标记哈夫曼编码累进帧标记哈夫曼编码无损处理帧标记哈夫曼编码差异顺序帧标记哈夫曼编码差异累进帧标记哈夫曼
22、编码差异无损处理帧标记哈夫曼编码顺序帧标记算术编码累进帧标记算术编码无损处理帧标记算术编码差异顺序帧标记算术编码差异累进帧标记算术编码差异无损处理帧标记算术编码图像开始标记开始扫描标记为正时对第一个数量级分类编码的上下文索引量化的系数逻辑操作右移逻辑右移乘位之字序列是谱选择带的开始符号决定编码的上下文索引直流差或交流系数幅度的位尺寸分类堆栈计数判断的参数控制开关的数量级编码中用的参数判决的编码中的上下文索引对参数有限计算的累加索引临时变量对于扫描中第个分量的交流熵表选择器算术条件表标记哈夫曼编码或算术编码表类对于扫描中第个分量的直流熵表选择器临时标记在段中哈夫曼码表标记段中的量化表标识帧里第个
23、分量的量化表选择器直流和无损编码和条件上界参数编码或解码后的符号或值第个分量的垂直取样因子中长度的第个值最大垂直取样因子临时变量对每一码长的中的第一个值的索引表符号值符号值编码数量级类型决定的第个统计存储用最大水平取样因子值的分量中每行的样本数第个分量中列数算术编码模型中对编码量级类型指定的上下文索引扩展的哈夫曼码表扩展哈夫曼码的尺寸表引号内的值是十六进制第个分量中的行数用最大垂直取样因子值的分量中的线数在中指定的个系数行程值系数的之字序列中的第个单位之字序列中的量化直流系数总则本章的目的是给出一般的关于在本标准中规定的一些单元的概况另一个目的是介绍一些在第章中定义的专用名词这些名词在本章中首
24、次使用时将用黑体给出本标准中的规定单元本标准中规定三个单元编码过程是编码处理的具体表示如图所示编码过程是这样的输入是源数字图像数据和规格表经过规定的处理过程后产生了压缩的图像数据图编码器解码过程是解码处理的具体表示如图所示解码过程是这样的输入是压缩的图像数据和规格表经过规定的处理过程后产生了数字重构的图像数据图解码器转换格式如图所示它包括了在编码处理时的所有规格表的压缩图像数据表示转换格式是为了在应用环境间进行数据交换图压缩图像数据的转换格式图和图示出了连续色调的源和重构图像由多个分量构成的通用情况一幅彩色图像由多个分量构成而灰度级图像则只有一个分量构成本标准的一个重要部分就是怎样灵活地对于各
25、应用相互独立地处理多分量图像这些图还说明了在编码时用的规格表必须在解码重构图像时也用同一表本标准没有规定应用者如何将这些表与压缩图像数据联系起来也没有规定在规定的环境中怎样通用地表示源图像数据最后本标准还规定了转换格式如图中所示这里规格表包含在压缩图像数据中通过应用转换格式在环境中按规定编码处理的压缩数据传送到应用环境中转换格式没有规定完整的编码图像表示与应用相关的信息如彩色空间不在此标准的范围之中有损和无损压缩本标准规定了两种编码和解码的处理有损和无损处理基于离散余弦变换的是有损失的因此它实现了实质上的压缩并同时能达到对编码源图像重构后的高度视觉保真性最简单的基于的编码处理是基本的顺序处理它
26、所提供的性能对许多应用是有效的还有辅助的处理方法它使得基本的顺序处理扩展到了广阔的应用领域在任何解码器中应用扩展的基于的解码处理为了提供缺省的解码性能基本的顺序处理仍需存在第二种编码处理不是基于的它是为满足那些有无损压缩需要的应用而订的无损编码和解码都是独立于处理的在中用表格形式总结了有关有损和无损编码处理的关系各种处理方法的压缩量取决于被压缩图像的特征同样也取决于不同应用对图像质量和压缩解压缩速度的期望基于编码图显示了基于编码的主要过程它表示了单分量图像的特例这已能够简单地了解其目的了因为此标准中规定的所有处理对每一图像分量都是独立的编码处理中输入分量的样本被分成为的块每一块正向变换后形成个
27、值的集合对应于系数其中一个代表直流系数其他的个作为交流系数个系数中的每一个将通过量化表图中所示的一个规格表中相关的个值中的一个进行量化在本标准中没有规定量化表的缺省值应用时可以依据对特定图像特征显示设备和视觉条件规定其值制定出图形质量经过量化后如图所示直流系数和个交流系数将进行熵编码前一个量化的直流系数用来预测当前的量化直流系数并将它们的差值进行编码个交流量化系数不进行这种差分编码而是转换成为一维的之字形序列如图所示图基于编码器简图量化的系数再经过一个熵编码过程进一步压缩数据在中将描述两种熵编码过程可以任用其一如果使用哈夫曼编码制哈夫曼表规范必须提供给编码器如果是使用算术编码那么算术编码条件表
28、规范必须提供给编码器图中表明了所有基本解码处理的主要过程每一步实际上都是在编码器中相关主过程的逆过程熵解码器将量化的系数之字形序列进行解码经过反量化后系数再经反变换转换为的样本块图熵编码量化系数的预处理图基于解码器简图无损编码图说明了无损编码处理的主要过程如图所示预测器将综合本点上相邻的三个邻点的重构值三点来形成对本点的预测点此预测值再减去该点的实际值其差将进行哈夫曼或算术编码无损失熵编码图无损编码器简图图样本预测的样本关系这种编码处理还可以进行一点改进在进行无损编码之前输入样本的精度减少一或几位这样可以达到较无损处理更高的压缩率但是在同等的视觉保真情况下压缩程度仍低于基于的处理并且限制了由于
29、输入精度减少的数量造成的重构图像的最差情况样本错误操作模式有四种不同的操作模式在这些模式下定义了不同的编码处理顺序变换累进的变换无损和分层的处理无需实现所有这些方式无损操作模式在中已经做过阐述了其他的操作模式将对比如下对于顺序变换模式样本块输入是典型地从左至右对于块行由上至下进行的块进行量化后准备进行熵编码所有个量化的系数可以马上进行熵编码并且当作压缩数据的一部分进行输出如所述这样就能使存储系数的要求最小对于累进的变换模式块也是按同样顺序编码但是要经过对图像的多次扫描这就需要在量化器和熵编码之间加上一个与图像尺寸一样的系数缓冲图中未显示才能完成当每个块经过量化后它们的系数存放在缓冲器中这些系数
30、在以后的每次扫描时将分部分地进行编码对于顺序和累进操作模式对图像进行解码后的典型结果输出显示如图所示在缓冲中的量化系数在一次扫描时有两个部分编码的过程第一只有规定一频段的之字形序列中的系数要被编码这个过程称作谱选择因为在每一频段中都特有地包含着在块中占有低或高部分频谱的系数其次在每次扫描时处于当前频段的系数不必很精确地进行编码在某一系数的首次编码时部分规定数量的特定位已先被编码了在接下来的扫描中其他的特定位再进行编码这一过程称作后继逼近任一过程都可独立地或灵活混合使用在分层处理模式中一幅图像将按帧序列进行编码这些帧提供了可供参考的重构参数这些参数通常在后继帧的预测中使用除了首帧参数给定以外差异
31、帧是把源参数与参考重构参数的差进行编码其差的编码可采用基于的处理无损处理或者在基于处理基础上对每个参数进行最终的无损处理下取样和上取样滤波器将用来提供空间立体分辨率金字塔如图所示另一方面分层模式还可用于提高给定空间分辨率的重构分量的质量分层模式还提供了一个与累进模式相似的累进形式但它只在有多分辨率需要的环境中才有用分层模式还提供了对最终无损阶段的累进转换性能图累进与顺序变换的输出显示图分层多分辨率编码熵编码选择方案这里规定了两种熵编码过程哈夫曼编码和算术编码哈夫曼编码过程用到哈夫曼表该表由图和图中所示的其中一个规格表定义算术编码过程则用到算术编码条件表它也是由一个规格表所决定对哈夫曼表没有规定
32、其缺省值因此应用时要根据自己的环境选择合适的表对于算术编码条件则定义了缺省表基本顺序处理应用哈夫曼编码而扩展和无损处理则既用哈夫曼编码又可用算术编码样本精度对于基本变换的处理规定了两种可选样本精度每个样本位或位对于有其他精度的应用可适当地将其图像样本进行移位基本处理只用位精度基于的实现时处理位源图样本可能需要较处理位源图更大量的计算资源因而在本标准中为位和位基于的处理定义了单独的标准要求对于无损处理样本精度规定为位多分量控制在和中给出了编码和解码处理的主要部分和概况它们都是为了对样本值进行操作以完成压缩同时还有另一主要部分即控制顺序的处理过程这一过程能使多分量图像的数据经处理生成压缩数据并且保
33、证为图像的对应数据单元提供合适的表数据集合一个数据单元对无损处理是一个样本而对基于的处理则是一个的样本块多分量的交织图说明了在进行编码处理时怎样从多个源图分量中选取一个以及选取与之对应的表集合在此例中源图像由三个分量组成并有两个规格表集这个简单图示并未区分量化表和熵编码表图分量交织和表开关控制在顺序模式中编码是无交织的若编码器首先在开始分量前压缩所有分量中的图像数据单元接下来是按再到的次序如果编码器从中开始压缩一数据单元再压缩中一数据单元接着是中一数据单元然后再返回如此下去进行压缩则称为是交织的编码这两种方案在图中有图示其中假定的是所有三个分量有相同的维数列行以及每一分量有个数据单元交织的数据
34、单元编码次序图有交织与无交织编码次序这些控制过程还可以处理源图分量有不同维数的情况图中给出了分量和在水平样本方向上只有分量一半数量的情况在此情况下每两个中数据单元与的一个数据单元交织当一幅图像有更复杂的取样关系情况如在垂直和水平方向具有不同的维数也可以同样处理见附录扫描交织的数据单元编码次序图具有不同维复分量的有交织次序最小编码单元与多分量交织概念相关的是最小编码单元如果压缩图像数据是无交织的则定义为一个数据单元例如在图中的对于无交织情况是一单一数据单元如果压缩数据是交织的则包含每个分量的一个或多个数据单元对于图中交织情况下第一个由三个交织的数据单元构成在图的例中第一个则是由四个数据单元构成的
35、压缩数据结构图图图均图解说明了压缩数据微小的不同概念图把此数据作为编码处理的输出来说明图则将其作为解码处理的输入来说明图是在各应用界面间交换数据格式中进行的说明对两种编码处理有损或无损以及对所有操作模式顺序累进无损和分层其压缩图像数据都是按统一的结构和参数集合来描述的压缩图像数据的不同部分是以两字节称为标记的特定代码标识有些标记是跟有特殊参数序列如在表规范中帧头或扫描头其他的则不需功能参数例如记录图像的开始和结束当一标记与一特殊参数序列相联该标记和它的参数组成了一个标记段熵编码器生成的数据也是分段的一个特殊的标记恢复标记用来隔离熵编码数据段编码器把恢复标记与熵编码混合并按源图像数据规则的恢复间
36、隔输出恢复标记恢复标记可被认为是无需将压缩数据解码来找寻这是因为它们是可以独立解码的它们具有应用规定的用途诸如并行编码或解码独立数据损坏以及半随机熵编码段的访问等这里有三种压缩数据格式交换格式压缩图像数据的简缩格式表规范数据的简缩格式交换数据格式除肯定需要标记段和熵编码段外交换格式还包括在解码处理时需要的所有量化和熵编码表的标记段这保证了压缩图像可以通过应用环境间的边界而不理会每一环境中是如何将表与压缩图像数据联系在一起的压缩图像数据的简缩格式简缩格式除了不包括所有在解码时需要的表以外其他均与交换格式是等同的它只包含表的一部分这种格式是用在替代机制的某些应用中即可提供解码时所需的表规格数据的时
37、候表规范数据的简缩形式这种格式只包括表规范数据当应用可以安装在解码器中而又需要这些表去顺序地重构一或多幅图像时则这种格式是其一种手段图像帧和扫描压缩图像数据只有一幅图像在用顺序和累进编码处理时一幅图像只有一帧而对于分层模式则一幅图像有多帧一帧包括一次或多次扫描一次扫描包括一或多个图像分量的完全编码图图中帧是由三次扫描组成无交织若是将三个分量交织在一起则只有一次扫描帧还可以是两次扫描的一次是无交织分量另一次则是两个分量交织对于累进处理一次扫描包括一或多个图像分量的数据单元的部分编码除了对累进帧的每一分量进行第一次扫描时的直流系数在累进模式中分量不能交织编码处理小结表给出了本标准中规定的不同编码处
38、理的基本特征详细的关于这些处理的内容在附录附录和附录中表小结编码处理的基本特征基线处理所有基于变换的解码器基于处理源图像在每个分量中为位样本顺序哈夫曼编码个交流表和个直流表解码器将处理有和分量的扫描交织和无交织扫描扩展基于的处理基于处理源图像位或位样本顺序或累进哈夫曼或算术编码个交流表和个直流表解码器将处理有个分量的扫描交织和无交织扫描无损处理累进处理非源图像位样本顺序哈夫曼或算术编码个直流表解码器将以个分量进行扫描交织和无交织扫描分层处理多帧无差别和有差别基于扩展或无损处理解码器以个分量进行扫描交织和无交织扫描交换格式要求交换格式是在应用环境间进行交换的压缩图像数据的编码表示交换格式的要求是
39、在交换格式中的压缩图像数据表示应与语法相符并且编码设定要符合解码处理的选择如在附录中的规定压缩图像数据的测试要遵循的规定编码器要求编码器将源图数据转化为压缩图像数据附录附录附录和附录中规定了依据其操作模式而定的一些不同的编码处理编码器是在附录附录附录或附录中规定的编码处理中的一个或多个的具体实现为了符合本标准编码器至少应满足下列两个要求中的一个要求一个编码器应该用编码器实现的编码处理要有一定的准确性能按照附录中规定的交换格式语法将源图像数据转化为压缩图像数据用编码器实现的编码处理要有一定准确性并能把源图像数据转化为压缩图像数据时符合附录中规定的累进的压缩图像数据格式语法对于在附录附录附录和附录
40、中规定的每一种编码处理的一致性测试对于以上两个要求将在中规定注对附录附录附录和附录中规定的编码处理的具体实现的编码器不必要对该处理所允许的所有参数范围都能工作编码器只需满足中规定的一致性测试并且按照在附录中规定的那些参数生成压缩数据格式解码器要求解码器是将压缩图像数据转化为重构图像数据是附录附录附录和附录中规定的解码处理中的一个或多个的具体实现为了符合本标准解码器应满足下列三个要求解码器应该用解码器实现的解码处理应有一定的准确性并能把压缩图像数据转化为重构的图像数据并符合附录中规定的交换格式语法对解码器实现解码处理能符合附录中规定的对表规范数据的简略格式语法接受并对任何表规范数据作适当存储用解
41、码器实现的解码处理有一定的准确性并能将压缩图像数据转化为重构的图像数据并符合附录中规定的对压缩图像数据的简略格式语法对压缩图像数据的解码所需的表规范已先安装在解码器中此外对任何基于的解码器如果它实现的是除基线顺序方式外的其他任一种基于的解码处理则它还得实现基线顺序解码处理对于附录附录附录和附录中规定的每一种解码处理基于以上要求的一致性测试在中加以规定附录标准的附录数学定义源图本附录中给出了提供给本标准中规定的编码处理的源图像的定义维数和抽样因子如图所示源图由个分量构成每个分量表示为它是由列和行的样本矩阵组成整幅图在水平方向为个样本垂直方向为个样本而分别为的最大值对每一分量而言抽样因子和是由分量
42、的与整幅图的的比例关系所决定的表示如下和式中和是此帧中所有分量的最大抽样因子表示上取整例如考虑一幅有行列个分量的图其抽样依据以下抽样因子进行分量分量分量则可知而对于不同分量的相应的值为分量分量分量注和都是包含在交换格式见的帧头中的因此各单独分量的值均由解码器得到若源图的和不满足以上表达式的话则解码器不能很好地重建源图多分量源图像某一分量的特征图源图像的特征样本精度样本定义为有位精度在之间的一任何值的整数同一源图中的分量的样本应有同样的精度对于值的限定是由各种操作模式决定的这将在第章中规定数据单元在无损处理中数据单元指的是一个样本而在基于的处理中则表示一个的由相邻的样本点组成的样本块分量中最左列
43、的最上行组成的块通常被称为左上角块由左上角块开始分量由左至右由上到下被分为相邻的若干数据单元如图所示定向图表示出一幅图由上下左和右的次序来定向图分量的数据单元输入压缩编码过程的次序是从左至右从上到下此顺序在第章中有精确的定义至于图的哪一边为上下左和右则是由用户决定的源图像的数据编码顺序扫描头见规定了源图数据单元的编码以及置于压缩数据中的顺序对于某次扫描若扫描头参数则表示此次扫描中仅有来自于一个源图分量的数据该分量由参数规定这样的数据定义为无交织的若则在扫描中有来自于到的数据这样的数据总是交织的扫描中分量的次序将依照帧头中规定的次序数据单元的排序以及最小编码单元将定义如下最小数据单元对于无交织数
44、据为一个数据单元而对于交织数据则为在扫描中的分量的抽样因子所定义的数据单元序列无交织顺序当时指扫描中的分量数目扫描中的数据单元顺序如图所示由左到右从上到下只要无论和是什么值都是这个顺序图无交织数据次序交织顺序当时每一扫描分量都分为水平数据单元垂直数据单元的小矩阵下标是指和是从帧头中规定分量为处得到的在每一个阵里数据单元是由左至右从上到下排列的而每一分量中的矩阵又是按由左至右从上到下的顺序排列例如图中从的左上角得到第一个数据块接下来是中同一位置的数据块然后是中同一位置的块这样构成了则是由个分量中上一块右边的块组成图交织数据排序举例的完整化基于处理的数据单元是一个块若不是的整倍数则编码处理时需要把
45、最右边的样本块的列数进行扩充以使之完整如果分量是交织的必要时编码处理通过多个附加块扩充样本数目使得块的数目为的整数倍同样的若不是的整倍数则要对最下面的块的行数进行扩充如果有分量交织则在需要时将扩充一或多个块行从而使其数量为的整数倍注建议在对进行完整化时对每一分量的最右列和最下行进行复制无损处理的数据单元是一个样本若分量交织编码处理时需要的话将扩充样本的数量以使得数量为的倍数类似地需要时将扩充行数以使行数为的倍数在编码时增加的任何部分在解码时都应被去掉压缩数量级转移在用无差异帧编码处理对源图样本进行计算前样本要通过减去来进行数量级的转移从而转化为有符号表示的形式其中的是在中规定的精度参数由此可知
46、当时量级移动时应减去而当时则应减去当无异帧解码处理计算之后并生成了重构的图像样本块后数量级要进行逆向的转移使样本恢复为无符号表示形式计算的样本定向如图所示图像分量被分为的块进行计算图还定义了块里样本的方向它是由显示中的式子中用到的索引来规定的块划分和样本定向在解码处理和输出的重构图中也适用编码时扩充的所有样本在解码时将被去掉图样本块划分与定向和提示的以下式子规定了和的理想函数定义注这些式子所包含的项在任何实际实现中不会很准确地表示出来对于合成和量化过程所需的准确度在中规定对于合成和反量化过程所需的准确度要求也将在中给出式中时其他系数的量化提示的和反量化标准的对某块进行计算后每个求得的系数用一量
47、化器量化对每一系数的量化步长是与量化表中的值有关的量化表是由帧参数见规定的量化器定义如下式四舍五入是经量化步长尺寸规范后的量化系数注式中包含的项在实现中不会很准确地表示出来对于合成和量化过程的准确度要求在中定义在解码器中该规格化法用下式解除即定义反量化注由于量化时进行了四舍五入反量化的系数可能超出预期值的范围样本与系数的关系和量化如图所示图块与系数的关系差分直流编码量化后为准备熵编码量化的直流系数将与个量化交流系数分开处理准备编码的值是当前块也是指与同一分量的先前块的量化系数之差之字序列量化后及熵编码预处理后量化交流系数转化为之字序列量化的直流系数在阵列中系数分开处理如在中所定义该之字序列定义
48、如图图之字序列小数点转移对于不同过程在编码前数据可能被除以进行小数点转移有三种处理方法需要用到无损编码分层模式中的无损差分帧编码以及累进模式中的后继逼近编码无损操作模式中位移是对输入样本进行的在分层模式的差分编码中位移是对输入分量样本与参考分量样本间的差进行处理这二者都是通过除以实现位移的为位移参数见后继逼近编码中交流系数的位移是除以为后继逼近位为低见对直流系数的位移则为位的算术右移这等同于在量级转移见前除以解码器的输出乘以恢复位移在第章中给出了有关小数点转移位移的示例无损和分层操作模式中的算术过程在无损操作模式中预测是以完全精度来计算的它不考虑由输入精度限制的不至于越界的允许范围然而除这种预测计算由算术右移一位来近似在无损模式或分层模式差分帧编码中编码的进制补码差是由模得到从而限定了此差最多为位模值通过二进制补码与逻辑与形成为编码结果仍转化为位的二进制补码差模运算在解码器由预测和与这个二进制补码差计算输出值时也将会用到附录标准的附录压缩数据格式本附录中定义了三种压缩数据格式交换格式见第和章压缩图像数据的简略格式见第章规格表数据的简略格式见第章第章描述了这些格式的组成部分给出了在规范格式中用到的符号和数字的约定压缩数据格式规范概述压缩数据格式由参数标志以及熵编码段的有序组合而构成有序的参数和标志通常放在标志段
