JPEG图片格式简单分析.docx
《JPEG图片格式简单分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《JPEG图片格式简单分析.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
JPEG图片格式简单分析
对于花花绿绿色彩斑斓的图片，也许里面包含了艺术家的许多心血，但归根结底它就是一个文件，里面写满了16进制代码的一个文件，这些代码的前面一部分可能是介绍了这张图片的一些简单的信息，后面一大部分是它的图像数据。
这个文件的原理简单的就像是一篇小论文，题目，摘要，关键词，正文，参考文献等，那么这篇小论文的具体格式到底是什么呢？
其实很简单，用ultraEdit随便打开一张jpg格式的图片就可以看到，但是要看懂里面的内容也不是一件很容易的事情，那么先看下面转载的这篇文章吧，看完它就会很容易理解JPG的文件格式了。
JPEG图片格式简单分析
1、基本常识
微处理机中的存放顺序有正序（bigendian）和逆序（littleendian）之分。
正序存放就是高字节存放在前低字节在后，而逆序存放就是低字节在前高字节在后。
例如，十六进制数为A02B，正序存放就是A02B，逆序存放就是2BA0。
摩托罗拉（Motorola）公司的微处理器使用正序存放，而英特尔（Intel）公司的微处理器使用逆序。
JPEG文件中的字节是按照正序排列的。
JPEG委员会在制定JPEG标准时，定义了许多标记（marker）用来区分和识别图像数据及其相关信息，但笔者没有找到JPEG委员会对JPEG文件交换格式的明确定义。
直到1998年12月从分析网上具体的JPG图像来看，使用比较广泛的还是JPEG文件交换格式（JPEGFileInterchangeFormat，JFIF）版本号为1.02。
这是1992年9月由在C-CubeMicrosystems公司工作的EricHamilton提出的。
此外还有TIFFJPEG等格式，但由于这种格式比较复杂，因此大多数应用程序都支持JFIF文件交换格式。
JPEG文件使用的颜色空间是CCIR601推荐标准进行的彩色空间（参看第7章）。
在这个彩色空间中，每个分量、每个像素的电平规定为255级，用8位代码表示。
从RGB转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：
Y=256*E'y
Cb=256*[E'Cb]+128
Cr=256*[E'Cr]+128
其中亮度电平E'y和色差电平E'Cb和E'Cb分别是CCIR601定义的参数。
由于E'y的范围是0～1，E'Cb和E'Cb的范围是-0.5～+0.5，因此Y,Cb和Cr的最大值必须要箝到255。
于是RGB和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算。
（1）从RGB转换成YCbCr
YCbCr（256级）分量可直接从用8位表示的RGB分量计算得到：
Y= 0.299R+0.587 G +0.114B
Cb=-0.1687R-0.3313G +0.5 B+128
Cr=0.5R-0.4187G-0.0813B+128
需要注意的是不是所有图像文件格式都按照R0，G0，B0，……Rn，Gn，Bn的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成JFIF文件时需要首先验证RGB的次序。
（2）从YCbCr转换成RGB
RGB分量可直接从YCbCr（256级）分量计算得到：
R=Y +1.402（Cr-128）
G=Y-0.34414（Cb-128）-0.71414（Cr-128）
B=Y+1.772（Cb-128）
在JFIF文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。
这就是说JFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本。
2文件结构
JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记，因此JFIF格式成了事实上JPEG文件交换格式标准。
JPEG的每个标记都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF。
每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节（fillbyte）。
下面是其中的8个标记：
1.SOI 0xD8 图像开始
2.APP00xE0 JFIF应用数据块
3.APPn0xE1-0xEF 其他的应用数据块（n,1～15）
4.DQT 0xDB 量化表
5.SOF00xC0 帧开始
6.DHT 0xC4 霍夫曼（Huffman）表
7.SOS 0xDA 扫描线开始
8.EOI 0xD9 图像结束
为使读者对JPEG定义的标记一目了然，现将JPEG的标记码列于表6-05，并保留英文解释。
表6-05JPEG定义的标记
Symbol
（符号）
CodeAssignment
（标记代码）
Description
（说明）
StartOfFramemarkers,non-hierarchicalHuffmancoding
SOF0
0xFFC0
BaselineDCT
SOF1
0xFFC1
ExtendedsequentialDCT
SOF2
0xFFC2
ProgressiveDCT
SOF3
0xFFC3
Spatial（sequential）lossless
StartOfFramemarkers,hierarchicalHuffmancoding
SOF5
0xFFC5
DifferentialsequentialDCT
SOF6
0xFFC6
DifferentialprogressiveDCT
SOF7
0xFFC7
Differentialspatiallossless
StartOfFramemarkers,non-hierarchicalarithmeticcoding
JPG
0xFFC8
ReservedforJPEGextensions
SOF9
0xFFC9
ExtendedsequentialDCT
SOF10
0xFFCA
ProgressiveDCT
SOF11
0xFFCB
Spatial（sequential）Lossless
StartOfFramemarkers,hierarchicalarithmeticcoding
SOF13
0xFFCD
DifferentialsequentialDCT
SOF14
0xFFCE
DifferentialprogressiveDCT
SOF15
0xFFCF
DifferentialspatialLossless
Huffmantablespecification
DHT
0xFFC4
DefineHuffmantable（s）
arithmeticcodingconditioningspecification
DAC
0xFFCC
Definearithmeticconditioningtable
Restartintervaltermination
RSTm
0xFFD0～0xFFD7
Restartwithmodulo8counterm
Othermarker
SOI
0xFFD8
Startofimage
EOI
0xFFD9
Endofimage
SOS
0xFFDA
Startofscan
DQT
0xFFDB
Definequantizationtable（s）
DNL
0xFFDC
Definenumberoflines
DRI
0xFFDD
Definerestartinterval
DHP
0xFFDE
Definehierarchicalprogression
EXP
0xFFDF
Expandreferenceimage（s）
APPn
0xFFE0～0xFFEF
Reservedforapplicationuse
JPGn
0xFFF0～0xFFFD
ReservedforJPEGextension
COM
0xFFFE
Comment
Reservedmarkers
TEM
0xFF01
Fortemporaryuseinarithmeticcoding
RES
0xFF02～0xFFBF
Reserved
JPEG文件由下面的8个部分组成：
（1）图像开始SOI（StartofImage）标记
（2）APP0标记（Marker）
①APP0长度（length）
②标识符（identifier）
③版本号（version）
④X和Y的密度单位（units=0：
无单位；units=1：
点数/英寸；units=2：
点数/厘米）
⑤X方向像素密度（Xdensity）
⑥Y方向像素密度（Ydensity）
⑦缩略图水平像素数目（thumbnailhorizontalpixels）
⑧缩略图垂直像素数目（thumbnailverticalpixels）
⑨缩略图RGB位图（thumbnailRGBbitmap）
（3）APPn标记（Markers），其中n=1～15（任选）
①APPn长度（length）
②由于详细信息（applicationspecificinformation）
（4）一个或者多个量化表DQT（difinequantizationtable）
①量化表长度（quantizationtablelength）
②量化表数目（quantizationtablenumber）
③量化表（quantizationtable）
（5）帧图像开始SOF0（StartofFrame）
①帧开始长度（startofframelength）
②精度（precision），每个颜色分量每个像素的位数（bitsperpixelpercolorcomponent）
③图像高度（imageheight）
④图像宽度（imagewidth）
⑤颜色分量数（numberofcolorcomponents）
⑥对每个颜色分量（foreachcomponent）
∙ID
∙垂直方向的样本因子（verticalsamplefactor）
∙水平方向的样本因子（horizontalsamplefactor）
∙量化表号（quantizationtable#）
（6）一个或者多个霍夫曼表DHT（DifineHuffmanTable）
①霍夫曼表的长度（Huffmantablelength）
②类型、AC或者DC（Type,ACorDC）
③索引（Index）
④位表（bitstable）
⑤值表（valuetable）
（7）扫描开始SOS（StartofScan）
①扫描开始长度（startofscanlength）
②颜色分量数（numberofcolorcomponents）
③每个颜色分量
∙ID
∙交流系数表号（ACtable#）
∙直流系数表号（DCtable#）
④压缩图像数据（compressedimagedata）
（8）图像结束EOI（EndofImage）
表6-06表示了APP0域的详细结构。
有兴趣的读者可通过UltraEdit或者PCTOOLS等工具软件打开一个JPG图像文件，对APP0的结构进行分析和验证。
表6-06JFIF格式中APP0域的详细结构
偏移
长度
内容
块的名称
说明
0
2byte
0xFFD8
（StartofImage,SOI）
图像开始
2
2byte
0xFFE0
APP0（JFIFapplicationsegment）
JFIF应用数据块
4
2bytes
lengthofAPP0block
APP0块的长度
6
5bytes
"JFIF"+"0"
识别APP0标记
11
1byte
主要版本号（如版本1.02中的1）
12
1byte
次要版本号（如版本1.02中的02）
13
1byte
andYdensities>
X和Y的密度单位
units=0：
无单位
units=1：
点数/英寸
units=2：
点数/厘米
14
2bytes
水平方向像素密度
16
2bytes
垂直方向像素密度
18
1byte
缩略图水平像素数目
19
1byte
缩略图垂直像素数目
3n
缩略RGB位图（n为缩略图的像素数）
OptionalJFIFextensionAPP0markersegment（s）
任选的JFIF扩展APP0标记段
……
……
2byte
0xFFD9
（EOI）end-of-file
图像文件结束标记
JPEG图像大多都使用JFIF格式—JPEG文件交换格式（JPEGFileInterchangeFormat，JFIF），现在JFIF格式已经成为JPEG文件交换格式标准。
JPEG的每个标记都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF。
每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节（fillbyte）。
下面是其中的8个标记：
SOI 0xD8 图像开始
APP0 0xE0 JFIF应用数据块
APPn 0xE1–0xEF 其他的应用数据块（n,1～15）
DQT 0xDB 量化表
SOF0 0xC0 帧开始
DHT 0xC4 霍夫曼（Huffman）表
SOS 0xDA 扫描线开始
EOI 0xD9 图像结束
SOI=StartOfImage=FFD8
DQT =DefineQuantizationTable=FFDB
APP0=themarkerusedtoidentifyaJPGfilewhichusestheJFIFspecification =FFE0
COM =Comment =FFFE
DNL =DefineNumberofLines =FFDC
SOF0=StartOfFrame0=FFC0
DRI =DefineRestartInterval =FFDD
DHT =DefineHuffmanTable =FFC4
SOS =StartOfScan =FFDA
EOI=EndOfImage=FFD9
段的类型:
SOF0:
StartOfFrame0:
FFC0
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
–$ff,$c0（SOF0）
–长度（高字节,低字节）,8+components*3
–数据精度（1byte）每个样本位数,通常是8（大多数软件不支持12和16）
–图片高度（高字节,低字节）,如果不支持DNL就必须>0
–图片宽度（高字节,低字节）,如果不支持DNL就必须>0
–components数量（1byte）,灰度图是1,YCbCr/YIQ彩色图是3,CMYK彩色图
是4
–每个component:
3bytes
–componentid（1=Y,2=Cb,3=Cr,4=I,5=Q）
–采样系数（bit0-3vert.,4-7hor.）
–quantizationtable号
DRI:
DefineRestartInterval:
FFDD
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
–$ff,$dd（DRI）
–长度（高字节,低字节）,必须是4
–MCU块的单元中的重新开始间隔（高字节,低字节）,
意思是说,每n个MCU块就有一个RSTn标记.
第一个标记是RST0,然后是RST1等,RST7后再从RST0重复
DQT:
DefineQuantizationTable:
FFDB
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
–$ff,$db（DQT）
–长度（高字节,低字节）
–QT信息（1byte）:
bit0..3:
QT号（0..3,否则错误）
bit4..7:
QT精度,0=8bit,否则16bit
–n字节的QT,n=64*（精度+1）
备注:
–一个单独的DQT段可以包含多个QT,每个都有自己的信息字节
–当精度=1（16bit）,每个字都是高位在前低位在后
DAC:
DefineArithmeticTable:
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
法律原因,现在的软件不支持arithmetic编码.
不能生产使用arithmetic编码的JPEG文件
DHT:
DefineHuffmanTable:
FFC4
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
–$ff,$c4（DHT）
–长度（高字节,低字节）
–HT信息（1byte）:
bit0..3:
HT号（0..3,否则错误）
bit4 :
HT类型,0=DCtable,1=ACtable
bit5..7:
必须是0
–16bytes:
长度是1..16代码的符号数.这16个数的和应该<=256
–nbytes:
一个包含了按递增次序代码长度排列的符号表
（n=代码总数）
备注:
–一个单独的DHT段可以包含多个HT,每个都有自己的信息字节
COM:
注释:
~~~~~~~~~~
–$ff,$fe（COM）
–注释长度（高字节,低字节）=L+2
–注释为长度为L的字符流
SOS:
StartOfScan:
FFDA
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
–$ff,$da（SOS）
–长度（高字节,低字节）,必须是6+2*（扫描行内组件的数量）
–扫描行内组件的数量（1byte）,必须>=1,<=4（否则是错的）通常是3
–每个组件:
2bytes
–componentid（1=Y,2=Cb,3=Cr,4=I,5=Q）,见SOF0
–使用的Huffman表:
–bit0..3:
ACtable（0..3）
–bit4..7:
DCtable（0..3）
–忽略3bytes（?
?
?
）
–图片数据（一个个扫描行）紧接着SOS段.
升级会员 