JPEG图片资料编解码详解.docx

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JPEG图片资料编解码详解

JPEG文件编/解码详解

（1）

JPEG（JointPhotographicExpertsGroup）是联合图像专家小组的英文缩写。

它由国际电话与电报咨询委员会CCITT（TheInternationalTelegraphandTelephoneConsultativeCommittee）与国际标准化组织ISO于1986年联合成立的一个小组，负责制定静态数字图像的编码标准。

小组一直致力于标准化工作，开发研制出连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法，即JPEG算法。

JPEG算法被确定为国际通用标准，其适用范围广泛，除用于静态图像编码外，还推广到电视图像序列的帧内图像压缩。

而用JPEG算法压缩出来的静态图片文件称为JPEG文件，扩展名通常为*.jpg、*.jpe*.jpeg。

JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法、两种数据编码方法、四种编码模式。

具体如下：

压缩算法：

●有损的离散余弦变换（DiscreteCosineTransform，DCT）；

●无损的预测技术压缩。

数据编码方法：

●哈夫曼编码；

●算术编码；

编码模式：

●基于DCT顺序模式：

编/解码通过一次扫描完成；

●基于DCT递进模式：

编/解码需要多次扫描完成，扫描效果从粗糙到精细，逐级递进；

●无损模式：

基于DPCM，保证解码后完全精确恢复到原图像采样值；

●层次模式：

图像在多个空间多种分辨率进行编码，可以根据需要只对低分辨率数据作解码，放弃高分辨率信息。

在实际应用中，JPEG图像使用的是离散余弦变换、哈夫曼编码、顺序模式。

JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：

（0）8*8分块。

（1）正向离散余弦变换（FDCT）。

（2）量化（quantization）。

（3）Z字形编码（zigzagscan）。

（4）使用差分脉冲编码调制（DPCM）对直流系数（DC）进行编码。

（5）使用行程长度编码（RLE）对交流系数（AC）进行编码。

（6）熵编码。

笔者在实践过程中查阅了大量的资料，发现大多数书籍资料和网上资料都是从编码角度分析JPEG的编/解码方式，并且都只是介绍编码过程中的主要方法。

所以，本文从解码角度详细分析JPEG的编/解码过程，并且加入许多笔者实践过程中遇到的问题和解决方法，希望从另一个角度说明问题，以更好帮助读者结合其他资料解决问题。

不过，介绍解码过程之前，首先要了解JPEG文件中数据的存储格式。

一、JPEG文件格式介绍

JPEG文件使用的数据存储方式有多种。

最常用的格式称为JPEG文件交换格式（JPEGFileInterchangeFormat，JFIF）。

而JPEG文件大体上可以分成两个部分：

标记码（Tag）和压缩数据。

标记码由两个字节构成，其前一个字节是固定值0xFF，后一个字节则根据不同意义有不同数值。

在每个标记码之前还可以添加数目不限的无意义的0xFF填充，也就说连续的多个0xFF可以被理解为一个0xFF，并表示一个标记码的开始。

而在一个完整的两字节的标记码后，就是该标记码对应的压缩数据流，记录了关于文件的诸种信息。

常用的标记有SOI、APP0、DQT、SOF0、DHT、DRI、SOS、EOI。

注意，SOI等都是标记的名称。

在文件中，标记码是以标记代码形式出现。

例如SOI的标记代码为0xFFD8，即在JPEG文件中的如果出现数据0xFFD8，则表示此处为一个SOI标记。

本文附录列出一张完整的JPEG定义的标记表，供读者查阅。

这里仅列出几个常用标记的标记代码、占用字节长度和表示的意义。

●        SOI，StartofImage，图像开始

◆ 标记代码                               2字节    固定值0xFFD8

●      APP0，Application，应用程序保留标记0

◆ 标记代码                               2字节    固定值0xFFE0

◆ 包含9个具体字段：

 ①数据长度                       2字节    ①~⑨9个字段的总长度

                                                          即不包括标记代码，但包括本字段

 ②标识符                           5字节  固定值0x4A46494600，即字符串“JFIF0”

 ③版本号                           2字节  一般是0x0102，表示JFIF的版本号1.2

                                                         可能会有其他数值代表其他版本

 ④X和Y的密度单位         1字节    只有三个值可选

                                                          0：

无单位；1：

点数/英寸；2：

点数/厘M

 ⑤X方向像素密度             2字节    取值范围未知

 ⑥Y方向像素密度             2字节    取值范围未知  

 ⑦缩略图水平像素数目      1字节    取值范围未知

 ⑧缩略图垂直像素数目      1字节    取值范围未知

 ⑨缩略图RGB位图           长度可能是3的倍数         缩略图RGB位图数据

本标记段可以包含图像的一个微缩版本，存为24位的RGB像素。

如果没有微缩图像（这种情况更常见），则字段⑦“缩略图水平像素数目”和字段⑧“缩略图垂直像素数目”的值均为0。

●      APPn，Application，应用程序保留标记n，其中n=1～15（任选）

◆ 标记代码                               2字节    固定值0xFFE1~0xFFF

◆ 包含2个具体字段：

 ①数据长度                      2字节    ①~②2个字段的总长度

                                                          即不包括标记代码，但包括本字段

 ② 详细信息          数据长度-2字节  内容不定

例如，AdobePhotoshop生成的JPEG图像中就用了APP1和APP13两个标记段分别存储了一幅图像的副本。

●      DQT，DefineQuantizationTable，定义量化表

◆ 标记代码                        2字节          固定值0xFFDB

◆ 包含9个具体字段：

 ①数据长度                2字节          字段①和多个字段②的总长度

                                                          即不包括标记代码，但包括本字段

 ② 量化表      数据长度-2字节

a）        精度及量化表ID  1字节          高4位：

精度，只有两个可选值

                                                           0：

8位；1：

16位

                                              低4位：

量化表ID，取值范围为0～3

b）       表项      （64×（精度+1））字节             例如8位精度的量化表

                                               其表项长度为64×（0+1）=64字节

本标记段中，字段②可以重复出现，表示多个量化表，但最多只能出现4次。

●      SOF0，StartofFrame，帧图像开始

◆ 标记代码                 2字节    固定值0xFFC0

◆ 包含9个具体字段：

 ①数据长度         2字节    ①~⑥六个字段的总长度

                                            即不包括标记代码，但包括本字段

 ②精度               1字节    每个数据样本的位数

                                            通常是8位，一般软件都不支持12位和16位

 ③图像高度         2字节    图像高度（单位：

像素），如果不支持DNL就必须>0

 ④图像宽度         2字节    图像宽度（单位：

像素），如果不支持DNL就必须>0

 ⑤颜色分量数      1字节    只有3个数值可选

                                            1：

灰度图；3：

YCrCb或YIQ；4：

CMYK

                                            而JFIF中使用YCrCb，故这里颜色分量数恒为3

 ⑥颜色分量信息     颜色分量数×3字节（通常为9字节）

a）        颜色分量ID               1字节    

b）       水平/垂直采样因子     1字节          高4位：

水平采样因子

                                                     低4位：

垂直采样因子

                                                      （曾经看到某资料把这两者调转了）

c）       量化表                        1字节          当前分量使用的量化表的ID

本标记段中，字段⑥应该重复出现，有多少个颜色分量（字段⑤），就出现多少次（一般为3次）。

●      DHT，DifineHuffmanTable，定义哈夫曼表

◆ 标记代码                               2字节          固定值0xFFC4

◆ 包含2个具体字段：

 ①数据长度                           2字节          字段①和多个字段②的总长度

                                                                即不包括标记代码，但包括本字段

 ② 哈夫曼表            数据长度-2字节

a）      表ID和表类型          1字节          高4位：

类型，只有两个值可选