JPEG图片资料编解码详解.docx

1、JPEG图片资料编解码详解JPEG文件编/解码详解（1）JPEG（Joint Photographic Experts Group）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（The International Telegraph and Telephone Consultative Committee）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

2、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（Discrete Cosine Transform，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

3、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(zigzag scan)。(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

4、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（JPEG File Interchange Format，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

5、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，Start of Image，

6、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： 数据长度 2字节 9个字段的总长度 即不包括标记代码，但包括本字段 标识符 5字节 固定值0x4A46494600，即字符串“JFIF0” 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 X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 X方向像素密度 2字节 取值范围未知 Y方向像素密度 2字节 取值范围未知 缩略图水平像素数目 1字节 取值范围未知 缩

7、略图垂直像素数目 1字节 取值范围未知 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“缩略图水平像素数目”和字段“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=115(任选) 标记代码 2字节 固定值0xFFE10xFFF 包含2个具体字段： 数据长度 2字节 2个字段的总长度 即不包括标记代码，但包括本字段 详细信息 数据长度-2字节 内容不定 例如，Adobe Photoshop生成的JPEG图像中就用了APP1和APP13两

8、个标记段分别存储了一幅图像的副本。 DQT，Define Quantization Table，定义量化表 标记代码 2字节 固定值0xFFDB 包含9个具体字段： 数据长度 2字节 字段和多个字段的总长度 即不包括标记代码，但包括本字段 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03b) 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，字段可以重复出现，表示多个量化表，但最多只能出现4次。 SOF0，Start of Frame，帧图像开始 标记

9、代码 2字节 固定值0xFFC0 包含9个具体字段： 数据长度 2字节 六个字段的总长度 即不包括标记代码，但包括本字段 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 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 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 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 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，字段应该重复出现，有多少个颜色分量（字段），就出现多少次（一般为3次）。 DHT，Difine Huffman Table，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：数据长度 2字节 字段和多个字段的总长度 即不包括标记代码，但包括本字段哈夫曼表 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