HEVC靜態圖像壓縮與JPEG 2000性能比較與分析

林子明，梁利平

(中國科學院微電子研究所，北京 100029)

HEVC靜態圖像壓縮與JPEG 2000性能比較與分析

林子明，梁利平

(中國科學院微電子研究所，北京 100029)

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

JPEG 2000；HEVC；靜態圖像壓縮

隨著圖像技術的進步，數據量的急劇增長給數字圖像的存儲和傳輸帶來了極大的困難。JPEG 2000是國際標準化組織(ISO)在2001年發布的靜態圖像壓縮標準，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，實現感興趣區域(ROI)編碼和漸進傳輸，長期以來代表了靜態圖像壓縮領域的最高水平。

圖1 JPEG 2000編解碼流程

根據研究，基于H.264幀內編碼技術實現靜態圖像壓縮，其性能難以超越JPEG 2000[1]。HEVC是由移動圖像專家組MPEG(Moving Picture Experts Group)和國際電信聯盟 ITU-T 視頻編碼專家組VECG(Video Coding Experts Group)聯合制定的最新視頻編碼標準，通過新的算法結構，其性能在H.264/AVC High Profile 的基礎上提高了1倍。

2010年4月在德國德累斯頓召開第一次HEVC會議開始對技提案進行收集并在2013年1月正式發布HEVC標準。新標準包含Main profile,Main 10 profile和Main Still Picture profile 三個檔次，其中Main Still Picture profile為專門進行靜態圖像處理的檔次，以提供靜態圖像壓縮能力。

本文對JPEG 2000和HEVC的結構和主要算法特點進行介紹和分析，并通過大量實驗測試比較兩種標準的靜態圖像壓縮能力，得出結論：基于HEVC的靜態圖像壓縮算法較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，優勢更加明顯。

1 JPEG 2000

JPEG 2000能夠在低碼率的條件下提供優質的圖像[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：將數據平移數值，使其成為以0為中心的帶有正負號的數據。

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

1.2 離散小波轉換(DWT)

小波變換具有對信號進行多分辨率分析和局部分析的特性。通過對圖像片(tile)的變換可以獲得圖像的空間頻率特性。進行多級小波分解后的小波系數既包括圖像高頻信息(邊緣)又包括低頻信息(平坦區)。在低碼率情況下也可以保持相對較高的圖像質量。這是離散小波變換獨有的優勢。解碼過程中只需要根據需求解碼相應級數的小波系數即可得到不同分辨率的圖像。

JPEG 2000系統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系統對量化后的數據進行內嵌區段編碼與最佳化(EBCOT)，主要分為3部分。

內嵌區段編碼：根據數據的統計特性和重要性的不同，對數據進行分類[4]。

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

最佳化：將壓縮后的數據根據需求平衡數據量和圖像質量，找出最佳分割點，舍棄該點后面的數據，在一定的碼流條件下達到最好的圖像質量。

2 HEVC

HEVC是JCT-VC發布的最新視頻標準，重點解決了之前標準在高清、超高清視頻應用中產生的宏塊數量爆炸問題。HEVC采用了一系列新的算法和結構，使得其性能在H.264 High Profile的基礎上提高了一倍，更適用于高清、超高清應用。在HEVC編碼算法中，利用可變塊大小的幀內預測，減少圖像內部空間方向冗余。除了幀內預測，編碼器還包括變換編碼、量化和熵編碼等模塊。變換編碼對空間預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，熵編碼對量化系數進行無損壓縮，去除統計冗余。編碼效率提高的主要原因在于預測方向的增加，從而允許不同方向結構高精度的重建[6]。

2.1 RQT

作為新一代視頻編碼標準，HEVC仍采用預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 是一種自適應變換技術，屬于對H.264/AVC中 Adaptive Block-size Transform技術的擴展。幀間編碼情況下，允許變換塊的大小根據運動補償塊的大小自適應的調整；幀內編碼時，變換塊大小需要根據幀內預測殘差信息自適應的調整。通過自適應技術，可以實現能量集中、細節保留程度以及圖像的振鈴效應3個最優的折中[7-8]。

2.2 DST變換

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

2.3 多種掃描方向

由于預測殘差存在方向性，當編碼單元由H.264中的 16×16[9]擴展到HEVC中的64×64時，如果仍僅用單一的Zig-Zag掃描方式就會導致掃描位中存在大量無效信息，增加數據量。HEVC采用水平、垂直和Zig-Zag掃描3種掃描方向，如圖2所示，有效地解決了這個問題[10]。

圖2 HEVC中的3種掃描方向

2.4 幀內預測

幀內預測在空域進行[11]。通過對當前塊周圍像素的線性插值，預測當前塊信息。HEVC中的幀內預測提供多達34個預測模式，其中包括33個方向性預測和1個非方向性預測模式[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和圖像主觀質量。為驗證所設計算法在各個領域內，包括醫療圖像、數碼攝像等領域都有著很好的表現，在評測過程盡量擴大測試圖像范圍。

圖3 幀內預測模式方向

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應的關系，本測試根據所需壓縮率(注：本文中壓縮率指圖像數據量壓縮后與壓縮前的比值)調整HM量化參數達到兩者碼率相同的條件進行結果比較。

3.2 測試結果

本文對多種分辨率的圖像進行了壓縮測試，并對壓縮結果進行曲線擬合比對，如圖4所示。

測試結果顯示：

1)基于HEVC的靜態圖像壓縮整體上壓縮性能明顯優于JPEG 2000，多數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較其他壓縮標準在圖像壓縮率相同的條件下具有更好的圖像質量。

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，小波系數能量集中程度不高圖像質量較差；當壓縮程度較高(壓縮率<0.005) 時，由于JPEG 2000壓縮時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，經過幀內預測和濾波處理后，圖像質量明顯優于JPEG 2000。

3)HEVC采用靈活的塊結構方式處理，其亮度塊和色度塊分別進行預測和變換，圖像壓縮后可以很好地保留色度信息，而采用JPEG 2000壓縮方式進行壓縮，色度信息丟失嚴重。

4 結論

壓縮結果顯示，基于HEVC的靜態圖像壓縮較JPEG 2000具有更高的壓縮效果。這是因為HEVC標準采用了一系列新的結構和算法，如更為精細的幀內預測模式，靈活的塊結構等，在大幅度提高壓縮效率的同時保證了圖像的質量。基于塊變換相對于DWT的劣勢——振鈴效應也通過采樣點補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合編碼理論為指導，不同于當前廣泛推廣的基于DWT全局變換的靜止圖像編碼理論。在實現上，基于塊編碼算法，在數據處理上具有比較好的局部性，易于硬件實現。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，消耗大量的內存，且JPEG 2000獲得大幅提升的EBCOT編碼技術是一種順序執行的位平面處理技術，要達到實時需要較高的時鐘頻率，有著非常高的復雜度。通過測試和分析，HEVC靜態圖像壓縮比JPEG 2000具有更高的壓縮效率，將來有望取代JPEG 2000成為新的靜態圖像壓縮標準。

[1] 楊春玲，孫亞明，麥智毅，等. H.264幀內編碼和JPEG 2000對靜止圖像進行編碼的性能比較[J].中國圖象圖形學報，2006，11(3)：425-429.

[2] 沈蘭蓀，卓力.小波編碼于網絡視頻傳輸[M].北京：科學出版社，2005.

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[7] KANUMURI B. JCTVC-E321，Planar mode experiments and results[S].2011.

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責任編輯：時 雯

AMD發布第六代APU：支持HEVC 續航大幅升級

近日，AMD公司在臺灣發布了第六代A系列處理器。第六代APU基于代號為“Carrizo”的平臺，主要針對筆記本電腦市場，是全球首款使用系統級芯片(SoC)設計的處理器。其最大的特點是：支持HEVC硬件解碼、支持異構系統架構HSA 1.0和ARM TrustZone。同時，在續航上大幅提升，號稱全天不插電。

AMD總裁兼CEO蘇姿豐在發布會上介紹稱，第六代APU融合了AMD多項處理器和圖形知識產權。第六代APU基于“挖掘機”核心和第三代次世代圖形核心(GCN)架構設計，提供多達12個計算核心(4個CPU+8個GPU)。AMD在發布會上宣稱，第六代APU還提供了最高可達上一代產品兩倍的電池續航時間，并且對Windows 10進行了全面的優化，支持DirectX 12體驗。

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

另外，第六代APU還原生支持面部識別、手勢控制。并通過首次在高性能APU應用AMD安全處理器，實現對安全引導和恢復、TPM2.0以及驅動密鑰加密等最新的Windows 10特性的支持。

從6月開始，聯想等主流OEM廠商將陸續推出采用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

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

TN919.81

A

10.16280/j.videoe.2015.13.004

2014-12-10