简述

分类

JPEG是一个压缩标准,又可分为标准JPEG、渐进式JPEG及JPEG2000三种:

  1. 标准JPEG:以24位颜色存储单个光栅图像,是与平台无关的格式,支持最高级别的压缩,不过,这种压缩是有损耗的。此类型图片在网页下载时只能由上而下依序显示图片,直到图片资料全部下载完毕,才能看到全貌。
  2. 渐进式JPEG:渐进式JPG为标准JPG的改良格式,支持交错,可以在网页下载时,先呈现出图片的粗略外观后,再慢慢地呈现出完整的内容,渐进式JPG的文件比标准JPG的文件要来得小。
  3. JPEG2000:新一代的影像压缩法,压缩品质更好,其压缩率比标准JPEG高约30%左右,同时支持有损和无损压缩。一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输,即先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,让图像由朦胧到清晰显示。

压缩步骤

以一幅24位彩色图像为例,JPEG的压缩分为四个步骤:

  1. 颜色转换:在将彩色图像进行压缩之前,必须先对颜色模式进行数据转换。转换完成之后还需要进行数据采样。
  2. DCT 变换:是将图像信号在频率域上进行变换,分离出高频和低频信息的处理过程,然后再对图像的高频部分(即图像细节)进行压缩。首先以象素为单位将图像划分为多个8×8的矩阵,然后对每一个矩阵作DCT 变换。把8×8的象素矩阵变成8×8的频率系数矩阵(所谓频率就是颜色改变的速度),频率系数都是浮点数。
  3. 量化:由于下面第四步编码过程中使用的码本都是整数,因此要对频率系数进行量化,将之转换为整数。数据量化后,矩阵中的数据都是近似值,和原始图像数据之间有了差异,这一差异是造成图像压缩后失真的主要原因。这一过程中,质量因子的选取至为重要。值选得大,可以大幅度提高压缩比,但是图像质量就比较差,质量因子越小图像重建质量越好,但是压缩比越低。
  4. 编码:编码是基于统计特性的方法。

四个步骤都完成后的JPEG文件,其基本数据结构为两大类型:“段”和经过压缩编码的图像数据。

数据结构

1.段的一般结构

名称字节数数据说明
段标识1FF每个新段的开始标识
段类型1/类型编码(称作“标记码”)
段长度2/包括段内容和段长度本身,不包括段标识和段类型
段内容//≤65533字节

说明

  1. JPG 文件中所有关于宽度高度长度间隔这一类数据,凡是>1字节的,均采用Motorola格式,即:高位在前,低位在后。
  2. 有些段没有长度描述也没有内容,只有段标识和段类型。文件头和文件尾均属于这种段。
  3. 段与段之间无论有多少FF都是合法的,这些FF称为“填充字节”,必须被忽略掉。

2.段类型

段类型有30种,但只有10种是必须被所有程序识别的,其它的类型都可以忽略。所以下面只列出这10种类型。

名称标记码说明
SOID8文件头
EOID9文件尾
SOF0C0帧开始(标准 JPEG)
SOF1C1帧开始(标准 JPEG)
DHTC4定义 Huffman 表(霍夫曼表)
SOSDA扫描行开始
DQTDB定义量化表
DRIDD定义重新开始间隔
APP0E0定义交换格式和图像识别信息
COMFE注释

说明

有的文章也将DNL段(标记码=DC,定义扫描行数)列为必须段。

3.各种段的结构

以下按一般JPEG文件的段排列顺序详细介绍各种段的结构:

SOI(文件头)

名称字节数
段标识1FF
段类型1D8
说明

这两个字节构成了JPEG文件头。

APP0(图像识别信息)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1E0/
交换格式54A46494600“JFIF”的ASCII码
主版本号1//
次版本号1//
密度单位1/0=无单位;1=点数/英寸;2=点数/厘米
X像素位数2/水平方向的密度
Y像素位数2/垂直方向的密度
缩略图X像素1/缩略图水平像素数目
缩略图Y像素1/缩略图垂直像素数目
RGB缩略图3*n/n=缩略图像素总数=缩略图X像素×缩略图Y像素
(如果“缩略图X像素”和“缩略图Y像素”的值均>0,那么才有下面的数据)
说明
  1. 段标识和段类型以后即为段内容部分
  2. JFIF是JPEG File Interchange Format的缩写,即JPEG文件交换格式,另外还有TIFF等格式,很少用
  3. “如果有RGB缩略图就=16+3n”是什么意思呢?比如说“缩略图X像素”和“缩略图Y像素”的值均为48,就表示有一个48×48像素的缩略图(n=48×48),缩略图是24位真彩位图,用3个字节来表示一个像素,所以共占用3n个字节。但大多数JPG文件都没有这个“鸡肋”缩略图。

COM(注释)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1FE/
段长度2/其值=注释字符的字节数+2
段内容//注释字符
说明

有的JPEG文件没有这个段。

DQT(定义量化表)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1DB/
段长度243其值=3+n(当只有一个QT时)
QT信息1/0-3位:QT号
4-7位:QT精度(0=8bit,1字节;否则=16bit,2字节)
QTnnn=64×QT精度的字节数
说明
  1. JPEG文件一般有2个DQT段,为Y值(亮度)定义1个, 为C值(色度)定义1个。
  2. 一个DQT段可以包含多个QT, 每个都有自己的信息字节

SOF0(图像基本信息)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1C0/
段长度2/其值=8+组件数量×3
样本精度18每个样本位数(大多数软件不支持12和16)
图片高度2//
图片宽度2//
组件数量131=灰度图,3=YCbCr/YIQ 彩色图,4=CMYK 彩色图
组件ID1/1=Y, 2=Cb, 3=Cr, 4=I, 5=Q
采样系数1/0-3位:垂直采样系数
4-7位:水平采样系数
量化表号1//
说明
  1. JPEG大都采用yCrCb色彩模型(y表示亮度,Cr红色分量,Cb表示蓝色分量),所以组件数量一般=3
  2. 样本就是单个像素的颜色分量,也可理解为一个样本就是一个组件
  3. 采样系数是实际采样方式与最高采样系数之比,而最高采样系数一般=0.5(分数表示为1/2)。比如说,垂直采样系数=2,那么2×0.5=1,表示实际采样方式是每个点采一个样,也就是逐点采样;如果垂直采样系数=1,那么:1×0.5=0.5(分数表示为1/2),表示每2个点采一个样

DHT(定义Huffman表)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1C4/
段长度2/其值=19+n(当只有一个HT表时)
HT信息1/0-3位:HT号<br/>4位: HT类型, 0=DC表,1=AC表<br/>5-7位:必须=0
HT位表16/这16个数的和应该≤256
HT值表n/n=表头16个数的和
说明
  1. JPEG文件里有2类Haffman 表:一类用于DC(直流量),一类用于AC(交流量)。一般有4个表:亮度的DC和AC,色度的DC和AC。最多可有6个。
  2. 一个DHT 段可以包含多个HT表, 每个都有自己的信息字节
  3. HT表是一个按递增次序代码长度排列的符号表。

DRI(定义重新开始间隔)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1DD/
段长度24/
开始间隔2n复位标记的间隔距离
说明
  1. 开始间隔表示在压缩数据流中,每隔n个MCU 块就有一个RST标记,RST标记将Huffman 的解码数据流复位,DC也重新从0开始,因此,RST标记是一种复位标记
  2. RST 标记是一种特殊的段,它只具有段标识和段类型(长度=2字节),但它不是独立的段,只能穿插在数据流中(文件头和文件尾段也只有段标识和段类型,却都是独立的段)。
  3. RST标记共有8个(RST0-RST7),从RST0起开始使用,然后是RST1....直至RST7,再从RST0重复。
  4. RST标记的标识码是 FFD0-FFD7,对应 RST0-RST7
  5. 许多JPG文件的数据,不存在DRI段和RST标记,所以无法进行详尽的解释

SOS(扫描行开始)

名称字节数说明
段标识1FF/
段类型1DA/
段长度2000C其值=6+2×扫描行内组件数量
扫描行内组件数量13必须≥1,≤4(否则错误),通常=3
组件ID1/1 = Y, 2 = Cb, 3 = Cr, 4 = I, 5 = Q
Huffman表号1/0-3位:AC表号 (其值=0...3)<br/>4-7位:DC表号(其值=0...3)
未知字符3/最后3个字节用途不明,忽略
说明

紧接SOS段后的是压缩的图像数据(一个个扫描行),数据存放顺序是从左到右、从上到下。

EOI(文件尾)

名称字节数
段标识1FF
段类型1D9
说明

这两个字节构成了JPEG文件尾。

实例分析

数据

用系统自带的画图程序画一个32×24的红色方块,另存为JPG文件,这个文件的全部数据如下:

0000: FF D8 FF E0 00 10 4A 46 49 46 00 01 01 01 00 60
0010: 00 60 00 00 FF DB 00 43 00 08 06 06 07 06 05 08
0020: 07 07 07 09 09 08 0A 0C 14 0D 0C 0B 0B 0C 19 12
0030: 13 0F 14 1D 1A 1F 1E 1D 1A 1C 1C 20 24 2E 27 20
0040: 22 2C 23 1C 1C 28 37 29 2C 30 31 34 34 34 1F 27
0050: 39 3D 38 32 3C 2E 33 34 32 FF DB 00 43 01 09 09
0060: 09 0C 0B 0C 18 0D 0D 18 32 21 1C 21 32 32 32 32
0070: 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32
0080: 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32
0090: 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 FF C0
00A0: 00 11 08 00 18 00 20 03 01 22 00 02 11 01 03 11
00B0: 01 FF C4 00 1F 00 00 01 05 01 01 01 01 01 01 00
00C0: 00 00 00 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09
00D0: 0A 0B FF C4 00 B5 10 00 02 01 03 03 02 04 03 05
00E0: 05 04 04 00 00 01 7D 01 02 03 00 04 11 05 12 21
00F0: 31 41 06 13 51 61 07 22 71 14 32 81 91 A1 08 23
0100: 42 B1 C1 15 52 D1 F0 24 33 62 72 82 09 0A 16 17
0110: 18 19 1A 25 26 27 28 29 2A 34 35 36 37 38 39 3A
0120: 43 44 45 46 47 48 49 4A 53 54 55 56 57 58 59 5A
0130: 63 64 65 66 67 68 69 6A 73 74 75 76 77 78 79 7A
0140: 83 84 85 86 87 88 89 8A 92 93 94 95 96 97 98 99
0150: 9A A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 AA B2 B3 B4 B5 B6 B7
0160: B8 B9 BA C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 CA D2 D3 D4 D5
0170: D6 D7 D8 D9 DA E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 EA F1
0180: F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 FA FF C4 00 1F 01 00 03
0190: 01 01 01 01 01 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 01
01A0: 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B FF C4 00 B5 11 00
01B0: 02 01 02 04 04 03 04 07 05 04 04 00 01 02 77 00
01C0: 01 02 03 11 04 05 21 31 06 12 41 51 07 61 71 13
01D0: 22 32 81 08 14 42 91 A1 B1 C1 09 23 33 52 F0 15
01E0: 62 72 D1 0A 16 24 34 E1 25 F1 17 18 19 1A 26 27
01F0: 28 29 2A 35 36 37 38 39 3A 43 44 45 46 47 48 49
0200: 4A 53 54 55 56 57 58 59 5A 63 64 65 66 67 68 69
0210: 6A 73 74 75 76 77 78 79 7A 82 83 84 85 86 87 88
0220: 89 8A 92 93 94 95 96 97 98 99 9A A2 A3 A4 A5 A6
0230: A7 A8 A9 AA B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 BA C2 C3 C4
0240: C5 C6 C7 C8 C9 CA D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DA E2
0250: E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 EA F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9
0260: FA FF DA 00 0C 03 01 00 02 11 03 11 00 3F 00 E2
0270: E8 A2 8A F9 93 F7 10 A2 8A 28 00 A2 8A 28 00 A2
0280: 8A 28 03 FF D9
分析

0000-0001:FF D8(文件头)
0002-0013:APP0段,其中:
  0002-0003:FF E0(段标记)
  0004-0005:00 10(段长度=16字节)
  0006-000A:4A 46 49 46 00(“JFIF”的ASCII码)
  000B-000C:01 01(主次版本号=1.01)
  000D :01(密度单位为 点数/英寸)
  000E-0011:00 60 00 60(水平和垂直的密度均为每英寸96像素)
  0012-0013:00 00(没有缩略图)
0014-0058:DQT段,其中:
  0014-0015:FF DB(段标记)
  0016-0017:00 43(段长度=67字节)
  0018 :00(QT号=0,QT精度=8bit)
  0019-0058:QT
0059-009D:DQT段,其中:
  0059-005A:FF DB(段标记)
  005B-005C:00 43(段长度=67字节)
  005D :01(QT号=1,QT精度=8bit)
  005E-009D:QT
009E-00B0:SOF0段,其中:
  009E-009F:FF C0(段标记)
  00A0-00A1:00 11(段长度=17字节)
  00A2 :08(样本精度=8bit)
  00A3-00A6:00 18 00 20(图像高=24,图像宽=32)
  00A7 :03(组件数量=3,YCbCr彩色图)
  00A8 :01(ID号=1,这是亮度Y组件)
  00A9 :22(化为二进制=00100010,表明垂直和水平采样系数均=2)
  00AA :00(使用QT号=0的量化表)
  00AB :02(ID号=2,这是色度Cb组件)
  00AC :11(化为二进制=00010001,表明垂直和水平采样系数均=1)
  00AD :01(使用QT号=1的量化表)
  00AE :03(ID号=3,这是色度Cr组件)
  00AF :11(化为二进制=00010001,表明垂直和水平采样系数均=1)
  00B0 :01(使用QT号=1的量化表)
00B1-00D1:DHT段,其中:
  00B1-00B2:FF C4(段标记)
  00B3-00B4:00 1F(段长度=31字节)
  00B5 :00(HT号=0,DC表)
  00B6-00C5:这16个数字之和=12,说明下面的HT值表的长度=12字节)
  00C6-00D1:HT值表
00D2-0188:DHT段,这是HT号=0的AC表,参照上面分析
0189-01A9:DHT段,这是HT号=1的DC表,参照上面分析
01AA-0260:DHT段,这是HT号=1的AC表,参照上面分析
0261-026E:SOS段,其中:
  0261-0262:FF DA(段标记)
  0263-0264:00 0C(段长度=12字节)
  0265 :03(组件数量=3)
  0266-0267:01 00(组件ID=1,Y组件,使用HT表号=0的AC表)
  0268-0269:02 11(组件ID=2,Cb组件,使用HT表号=1的DC表)
  026A-026B:03 11(组件ID=3,Cr组件,使用HT表号=1的DC表)
  026C-026E:00 3F 00(几乎每个JPG文件中这3个字节的值都相同,但用途不明)
026F-0282:图像压缩数据
0283-0284:FF D9(文件尾)

最后修改:2020 年 01 月 21 日 08 : 30 PM
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