数字电影与JPEG2000

[摘要]数字电影的编码标准是JPEG2000，它比传统的MPEG-2码技术有：着：巨大的。优势。

[关键词]JPEG2 000 数字电影

1、引言

数字电影(DIGITAL FILM)的诞生是继电影从无声到有声、从黑白到彩色的电影技术发展的第三次革命。数字电影是指将电影摄影、编辑和放映等全过程用数字格式统一起来。与传统电影相比，整个过程将完全摒弃电影胶片。最后放映采用DLP方式(Digital LightProcessing)的投影机。从技术上来讲，国外用得最多的叫法也就是DIGITAL CINEMA，而用中文翻译过来，就成了数字影院。

2、数字电影的优势

数字电影技术覆盖了从采集到摄制、传输、存储和显示的一系列技术和系统。数字电影与传统电影具有以下主要优势：

(1)可以避免胶片因光源照射导致的老化、褪色，确保影片永远光亮如新。

(2)数字电影最大的好处就是可以大大节省电影发行的费用和时间。数字电影可以通过卫星、高速互联网等方式传输，从而省去了传统胶片拷贝发行的成本，电影公司可以直接通过网络向影院和个人发行电影。

(3)数字电影可以提供更高分辨率的图像和更好的音效。现在流行的数字电影清晰度分为两级：最低2k，2048×1080像素。每秒24帧或48帧：高端4k，4096×2160像素，每秒24帧。

3、新一代图像压缩标准――JPEG2000

数字电影之所以能征服亿万电影观众，靠的是以令人难以置信的卓越的图像质量。高清电影是数字电影的发展趋势。对于高清数据，如果采用无压缩存储，数据量大得惊人。例如，1920×1080／50i采样深度为8bit的无压缩码流。1h的存储量接近500Gbyte。如此巨大的存储量使得高清系统的存储设备花费不菲。因此。必须选择一种高质量的压缩技术对高清原始数据压缩后再存储，2004年8月，好莱坞数字电影推广组织CI(DigitalCinema Initiatives)出台了4.1B版本数字电影技术规范。采用JPEG2000作为数字传送所有电影的标准格式。

新一代图像压缩标准JPEG2000采用离散小波变换与优化截断嵌入式块编码相结合的先进压缩技术。在目前的图像压缩领域占据领先地位，在编码效率和复原图像质量上均远优于传统的JPEG算法。

JPEG2000与传统的JPEG相比有如下的优点：

(1)JPEG2000能实现无损压缩(Loseless Compression)，在实际应用中。有一些重要的图像，如卫星遥感图像、医学图像、文物图像等，通常需要进行无损压缩。

(2)JPEG2000还具有误差稳定性好(Robustness to Bit Error)。

(3)JPEG2000能实现渐进传输(Progress‘we Transmission)。

(4)JPEG2000的另一个重要优点是ROI(Region of Interest，即感兴趣区域)。可以指定感兴趣区域，在这些区域，可以在压缩时指定特定的压缩质量，或在恢复时指定特定的解压缩要求。

4、Jpeg2000与Mpeg-2压缩技术比较

MPEG-2制定于1 994年，设计目标是高级工业标准的图象质量以及更高的传输率。MPEG-2所能提供的传输率在3-10Mbits／sec间，其在NTSC制式下的分辨率可达720X486。MPEG-2也可提供并能够提供广播级的视像和CD级的音质。目前市场上面向视频制作播出的高清视频服务器多数采用的是基于DCT变换的MPEG-2帧内压缩技术。例如Avid公司的MediaStream视频服务器，GVG公司的K2服务器系统，SeaChange的MediaCluster视频服。

MPEG-2压缩技术在高清系统应用中也存在如下问题：1)输出码率很高的情况下，MPEG-2帧内压缩效率不够理想：2)不支持无损压缩技术，不能满足图像质量要求苛刻的场合：3)不提供实用的可分级功能。即对于同一段素材内容，如果需要多种不同的码率来满足不同需求。需要多次采集分别存储，由此造成了存储资源的浪费和素材管理困难等问题。

在数字电影中采用J P EG 2000较MPEG-2具有很多优势，主要如下：

(1)对于高清(HD，High Definition)以及更高分辨率格式的图像，当比特率超过100Mb／s时。JPEG2000能够提供比MPEG-2更加清晰的图像质量：而对于高清格式的MPEG-2影片，当码率超过100Mb／s时。码率增大对图像质量的改进很数字技术小，因而通常将比特率为100Mb／s的JPEG2000编码作为视觉无损的参考基准，这时不会感觉到存在图像失真。

(2)JPEG2000本质上是基于帧的编码，只进行帧内压缩、不进行帧间压缩，在数字电影中采用无损方式，因而不存在信息损失：而MPEG-2在进行多帧(15帧以上)压缩时。虽然能够提供更高的压缩效率，但存在信息损失。

(3)MPEG-2标准中不支持2048×1080图像格式，更不支持4096×2160图像格式，因而不能处理2K／4K图像。

(4)JPEG2000标准中采用离散小波变换(DWT)代替了MPEG-2中所采用的离散余弦变换(DCT)，因而克服了当图像压缩比较小时出现的方块效应－即马赛克效应(它会使DCT分块图像的边缘出现模糊现象)。

(5)采用MPEG-2标准需要向MPEG―LA组织交纳专利费，而数字电影所采用的JPEG2000的第一部分(即核心编码系统)则免收专利费。

(6)JPEG2000支持嵌入式码流，它可实现图像从有损到无损的渐进解码，同时也支持图像分级结构。即在解码端可以从码流中以任意的图像质量和分辨率来解压缩图像。因而它支持在2K／4K数字放映系统中解码还原出相应的2K／4K节目流。

(7)DCI数字影院系统规范中将不支持数字电影采用HD MPEG-2方式进行压缩编码，因而将来好莱坞很可能不会发行基于MPEG-2编码方式的影片。

5、结语

JPEG2000作为数字电影技术标准。与传统的MPEG-2压缩技术相比，有着巨大的优势。可以预见，今后数字影院系统必然会实现全部JPEG 2000的编码要求。