因特网的发展同样带来了数据压缩方面的一场革命。随着网络的普及与多媒体概念的深入人心,广大WEB设计师和对图象质量、文档尺寸、图象读取速度的要求越来越高,图象压缩已经成为数据压缩的一个核心组成部分。因此在图象的压缩舞台上,如GIF、JPEG、PNP各种图象压缩格式应运而生。最近成为热点的JPEG2000就是在这种背景下诞生的。为了弄清JPEG2000的来龙去脉,作者在国外众多的JPEG2000专业网站间穿梭,最后在综合JPEG2000最新资料的基础上写下了本文。下面笔者将分成五个部分来探讨JPEG2000的一些新特性。 
⒈ WEB图象压缩的革命与JPEG2000的诞生 
⒉ JPEG2000的新特性 
⒊ JPEG2000与传统JPEG的测试与对比
⒋ JPEG2000的相关应用与软件支持 
⒌ 对JPEG2000的未来展望 
下面将分别就以上各个方面做进一步的阐述:
⒈ WEB图象压缩的革命与JPEG2000的诞生
可以说,因特网的日益普及与目前网络带宽的限制是迫使图象要进行压缩的源动力。众所周知,目前因特网的带宽十分有限,而图象信息巨大,网络带宽成为约束多媒体在网络上发展应用的瓶颈。而在多媒体信息深入人心的今天,WEB页面如果还采取纯文字的方式,不但难以形象、生动地表达所述内容,浏览者也决不会接受。要取得硬件设施方面的突破、造就宽带网尚需时日,因此目前只能从软件方面着手。这样,一些适合网络传输的图象压缩标准相继出台,其中的一些图象压缩标准在网络上已经得到了极其广泛的应用。下面我们简单回顾一下几种较有影响的图象文件格式: 
⑴JPG/JPEG。JPEG的读音为J-PEG,全称为JOINT PHOTOGRAPHIC EXPERTS GROUP(联合图象专家组),是一个在ISO(国际标准组织)下从事静态图像压缩标准制定的委员会。JPEG格式是一般专门用来压缩真彩色的人物、自然风景图片的。在再现照片、自然景观等方面表现出色,但是对处理文字、简单卡通图片、线描绘图等方面表现不佳。另外它仅能处理静态图片,不能处理活动影象。 JPEG的压缩能力惊人,但是如果要缩减图片尺寸,就会造成信息丢失。也就是说,JPEG属于有损压缩方式。压缩后的图象就再也无法复原了。尽管JPEG也有无损压缩的几何算法,但压缩比越大,丢失的信息就越多。因此,JPEG仅适合压缩供人欣赏而不是供数据分析的图象。
  JPEG的另外一个优秀特征就是压缩比可调。不过,图象尺寸与图象质量息息相关。高质量的图象效果意味着大尺寸的文档,而要取得较小的文档必须降低图象品质,尽管有时品质的降低从直观上说并不明显。 不管怎么说,JPEG的诞生是图象压缩史上的一次重大事件。。由於JPEG超强的压缩能力,卓越的图象品质,使得它诞生后几年内就获得巨大发展。目前WEB上的真彩色图象几乎全是JPEG格式的。可以说,JPEG为WEB图象的传输立下了汗马功劳。
⑵GIF与ANIMATED GIF(动态GIF)。GIF图象与JPEG格式一样,在WEB上得到广泛应用。JPEG与GIF格式的文件在WEB图象中都是主力,都有自身的优点与缺点。GIF的优点就是它的颜色数较少,文件尺寸特别小,而且压缩比也是可调的,尤其适合网络传输。它的另外一个优点是JPEG无法比拟的,那就是它支持透明背景。主要缺点是不支持真彩色,如果要显示真彩色就只有让位给JPEG。由于颜色数量受到限制(不超过256色)GIF更适合用来做插图、剪贴画等,用于色彩数要求不高的场合。
  另外,起初GIF只是处理静态图片,不能满足人们追求动态效果的欲望,因此动态GIF(ANIMATED GIF)格式就应运而生了。目前我们可以在网页上看到大量的静态与动态GIF图象。
⑶PNG格式。显然,任何一种图象格式都不是万能的。在1994年12月28日,推出GIF格式的COMPUSERVE公司与另一家名为UNISYS的公司达成协议,要求只要是在软件中使用GIF格式的文件,就要向他们付费。一石激起千层浪,这引起了广大软件开发商强烈不满。短短两个月之后,一群独立里软件开发者发布了PNG(便携式网络图象)图象格式标准,以期取代需要付费的GIF。在PNG诞生的几年中,实际上仅起到代替GIF格式的作用。但是它的发展速度还不算慢。
   官方的PNG标准现在可以支持48位色彩、16位RGB单独通道,以及16位灰度图。由于网络传输带宽的影响,我们现在看到的PNG一般是8为或16位的。PNP格式的另一大优越性是它的透明效果。在24位色彩模式下,PNG支持8位的ALPHA通道。在48位的模式下,PNP格式可以提供65,535种级别的ALPHA透明效果,因此受到了一些设计师们的亲睐。 然而,我们在因特网上为什么看不到多少采取PNG格式的文件呢?实际上这是微软、网景这两家生产WEB浏览器的厂家纷争的结果。他们根本无法在这个问题上达成一致。更糟糕的是,这两家公司目前还没有达成协议的迹象。这严重制约了PNG的发展。据说这跟PNG格式处理透明效果较慢也有一定关系。 
⑷MNG。全称为Multiple-image Network Graphics。它其实是PNG格式的动画版本。它继承了PNG的优点,如具有保存真彩色图象和ALPHA通道的能力,同时还可以实现动画效果。据说它的表现要比动态GIF强,如它不强调专利权而且提供品质优秀的无损压缩等。但是目前在WEB上,它的命运仍然跟PNG格式一样,没有得到长足的发展。 
   随著多媒体应用领域的扩展,传统图象压缩技术已无法满足人们对多媒体图像的要求。因此,具有更高压缩率、性能更优秀的新一代静态图像压缩标准技术JPEG2000就诞生了。JPEG2000正式名称为"ISO 15444",也是由JPEG组织负责制定。但是从1997年3月开始筹划以来,有关方面在压缩算法的选取问题上争论不休,浪费了不少宝贵的时间。直到今年3月份在东京的一次会议上,在受到各方面特别是来自数码摄相机厂商压力的情况下,规定基本编码系统的最终协议草案才得以出台。 ⒉ JPEG2000的新特性 
  开发JPEG2000的初衷是在使用小波转换(WAVELET TRANSFORM)为主的解析编码方式的基础上,提供崭新的图象编码系统。国际标准组织(ISO)将在2000年底最终确定JPEG2000这个图象编码新标准。内容主要包括6个部分:
⑴ JPEG2000图象编码系统(核心部分)
⑵ 应用扩展(在核心上扩展更多特性)
⑶ 运动JPEG2000
⑷ 兼容性(即包容性与继承性)
⑸ 参考软件(目前主要为JAVA与C程序)
⑹ 复合图象文件格式(如传真式的服务等) 那么JPEG2000作为一种新型图象编码系统,跟它的前身JPEG相比,有那些优越性呢?实际上,JPEG2000的压缩优越性跟它的先进的编码技术是密切相关的。大体说来分为六个方面:
⑴ JPEG2000可以方便地实现渐进式传输,这是JPEG2000的重要特征之一。看到这种特性,我们就会联想到GIF格式的图像可以做到在WEB上实现"渐现"效果。也就是说,它先传输图像的大体轮廓,然后逐步传输其他数据,不断地提高图像质量。这样图象就由朦胧到清晰显示出来,从而节约、充分利用有限的带宽。而传统的JPEG无法做到这一点,只能是从上到下逐行显示。
⑵ JPEG2000既支持有损压缩,也支持无损压缩方式。而JPEG只能做到有损压缩,压缩后数据不能还原。因此JPEG2000在保存不可以丢失原始信息,而又强调较小的图象文档尺寸的情况下能扮演很重要的角色。 
⑶ JPEG2000另外一个非常有趣而又实用的特征,就是它支持对你希望的特定区域进行特别的压缩处理。你可以指定图像上任意区域的压缩质量,还可以指定哪个部份先进行解压处理。这在大大降低图象尺寸方面起到很大作用。 
⑷ 实际上,JPEG2000作为JPEG家族的继承者,就不能不追求很高的压缩比。在具有和传统JPEG类似质量的前提下,JPEG2000的压缩率比JPEG高20%-40%左右。也就是说,假如有一天我们的JPEG图片全部换成JPEG2000编码方式,在同样的网络带宽下,我们的对于图片下载的等待时间将大大缩短。   
⑸ JPEG2000在颜色处理上,具有更优秀的内涵。与JPEG相比,JPEG2000同样可以用来处理多达256个通道的信息。而JPEG仅局限于RGB数据。也就是说,JPEG2000可以用单一的文件格式来描述另外一种色彩模式,比如CMYK模式。 
⑹ JPEG2000能使基于WEB方式多用途图象简单化。由于JPEG2000图象文件在它从服务器下载到用户的WEB页面时,能平滑地提供一定数量的分辨率基准,WEB设计师们处理图象的任务就简单化了。例如我们经常会看到一些提供图片欣赏的站点,在一个页面上用缩略图来代理较大的图象。浏览者只需点击该图象,就可以看到较大分辨率的图象。不过这样WEB设计师们的任务就在无形中加重了。因为缩略图与它链接的图象并不是同一个图象,需要另外制作与存储。而JPEG2000只需要一个图象就可以了。用户可以自由地放缩、平移、剪切该图象而能得到他们所需要的分辨率与细节。 ⒊ JPEG2000与传统JPEG的测试与对比 实际上在我们介绍JPEG2000的新特性的时候,我们就把它在理论上和传统的JPEG作了简单的对比。由于条件限制,笔者并没有自己做测试工作,而是通过研读网上大量的对比资料后,在此做一下介绍与简单总结。也许应该做试验的最好时机是在JPEG2000标准得到ISO正式批准后的日子里。 
  ⑴ 来自RAPH LEVIEN于2000年三月所做的对比测试。他在做完对比测试后,得出的结果并不特别令人振奋。他在最后总结中写道:在中度与低度的压缩比率下,传统的JPEG表现得非常出色。但是在较高的压缩比率之下,传统的JPEG压缩方式就不那么令人满意了。与传统JPEG压缩方式对比,在较高压缩比率下,JPEG2000的表现更为出色。但是要去除其他对传统JPEG的不利因素以外,JPEG2000的优势就微乎其微了。(相关网址:http://www.levien.com/gimp/jpeg2000/comparison.html)当然他的比较仅限于压缩比对图象品质影响方面。
   ⑵ 来自IMAGE POWER网站的JPEG2000与传统JPEG对比测试报告(imagepower.com)。在对一些图片分别用JPEG2000编码方式与传统JPEG编码方式效果比较以后,该站大体得出了以下结论: 用JPEG2000几何算法在高压缩比下跟传统的JPEG压缩方式相比,图象质量并没有明显降低。用JPEG压缩的图象,在压缩比较高的情况下,有明显的马赛克现象(比如出色较大色斑或颜色信息丢失),但是用JPEG2000压缩的图象效果就能得到保证。即使在很高的压缩比下,图象的内容也很容易辨别。 JPEG2000在目前带宽受到限制的WEB上传输,有两个特征使它得到广泛关注。
第一,它的纠错能力很强。所谓纠错能力制的是在文件传输过程中,有恢复丢失的数据包能力。
其次,可以指定最后文件尺寸大小也能让设计师们感到满意。
JPEG2000能够在用户定义文件尺寸的情况下,保证再现较高图象质量的能力。这将在无线应用领域得到广泛应用。 看样该站的测试结果还是比较全面客观的。 
   ⑶ 来自http://ltssg3.epfl.ch/~neximage/decoder/psnr.html的测试报告。测试结果运用了专业性很强的图表示意分析手段,然而文字总结却只有一句话:大家都可以看到,JPEG2000的压缩效果更优秀,特别在要求高压缩比的场合下表现更加突出。如果大家有兴趣的话可以到那个页面看看那些专业性很强的图表。 通过以上的测试报告不难看出JPEG2000对传统的JPEG的优越性。实际上,由于当前的WEB浏览器包括IE以及NETSCAPE都不支持JPEG2000格式的图象(扩展名JP2)的显示,在WEB上展示JPEG2000的相关图象受到极大的影响。JPEG2000图象只能转换为传统JPEG格式的图象才能在浏览器中观看,但那已经不是我们真正想看到的图象了。相信在JPEG2000的正式标准出来以后,新一代的浏览器能够充分支持JPEG2000格式图象。到时候也许测试结果反映在WEB上会更直观。   ⒋ JPEG2000的相关应用与软件支持 勿庸质疑,JPEG2000将使一些应用行业受益。相信在不远的将来,象图象保存、因特网、WEB浏览、文档图象处理、数码照相术、医学成像以及遥感等行业都会感受到JPEG2000带来的益处。 至于处理JPEG2000的软件,可以说是为数不少,但优秀的却不算多。经过在几个著名英文搜索引擎中漫长的搜索与对比,笔者重点介绍一下以下几个软件: 
   ⑴ LURAWAVE SMARTCOMPRESS。JPEG2000的编码算法确定下来以后,LURATECH公司的行动最早,可以说步伐也迈得最快。建立在小波转换压缩算法的基础上,LURATECH公司推出了一系列相关软件,包括独立应用软件、软件开发包、ABOBE PHOTOSHOP专用插件等。本软件是JPEG2000应用软件,功能比较强大。另外还可以为图象加上密码,如果没有密码却要打开图象,那么所看到的图象就好象经过高度模糊化处理的图片。这可能会受到图象制作者的喜爱,但也会受到浏览者的反感。需要指出的是,标明为 PROFESSIONAL 的是商业软件,而LITE版本则可以免费下载使用。 
   ⑵ JPEG2000 CODEC - CONSOLE APPLICATION(BETA)。来自IMAGE POWER公司。根据该公司单方面介绍,该软件具有以下特点:
   1、该软件体现了新一代色彩压缩科技成果。
   2、允许用户在非商业场合免费使用。并声称在保持图片高质量的同时,能够灵活调整压缩比。 但是该软件为BETA版本,可能会存在某些BUG。笔者认为该软件功能不算特别强大。 3、IDE--LWF。著名看图软件ACDSEE的LWF插件。但是该插件要求ACDSEE为3.0以上版本。同时支持把其他的图象文件格式转换为LWF格式。转换后的图象具有JPEG2000的特性。 当然,JPEG2000相关的处理软件还有不少,笔者就不一一介绍了。相信随着JPEG2000最终技术标准的推出,会有越来越多的厂商参与JPEG2000相关软件的开发工作。   ⒌ 对JPEG2000的未来展望 作为一种新型图象压缩技术标准,JPEG2000采取了先进的设计思想与优秀的几何算法,和传统的图象压缩方式相比,不能不说是一次图象压缩史的革命,同样也是在WEB上进行的一次革命。没有人可以忽视JPEG2000的巨大影响,其涉及到的领域也会越来越广。目前对于JPEG2000最为狂热的是数码相机厂商。他们希望JPEG2000能有效地解决数码摄影面临的海量数据压缩问题,从而为自己的产品推广铺平道路。当然,对其他很多领域来说,JPEG2000的正式标准的颁布也绝对会是个好消息。 纵观当前对图象压缩的需求,我们觉得JPEG2000的成功将是历史的必然。JPEG2000将不断走向成熟,得到完善与发展。总有一天它会成功地走到图象压缩舞台的最前沿。