基于JPEG图像文件格式的研究

1、收稿日期:2009-01-17作者简介:冯彦辉(19802,男,硕士,助理工程师。文章编号:167424578(20090120038202基于J PEG 图像文件格式的研究冯彦辉1高洁1徐晔1陈海军2(1.中国兵器工业第二八研究所,北京102202;2.太原铁路局,山西太原030001摘要:针对最常见的J PEG 图像格式的压缩数据进行分析,介绍了J PEG 图像格式中的大部分典型且必要的标记;接着详细给出J PEG 数据R G B 与YUV 之间转化的算法;最后,阐述了J PEG 图像数据块内的编码方法。关键词:J PEG;存储方式;段格式;编码中图分类号:TP806.1文献标识码:A0引

2、言图像和动画的存储方式是一个很重要的问题。幸好有了数据压缩,有了J PEG 等多种压缩存储图像的文件格式,我们今天才能够拿着小小的一个存储器,却存上许多张色彩鲜艳的图片。如果没有图像压缩算法,也许我们的多媒体时代就会晚到来许多年。J PEG 是联合图象专家组(Joint Pic 2ture Expert Group 的英文缩写,是国际标准化组织(ISO 和CCITT 联合制定的静态图象的压缩编码标准。和相同图象质量的其它常用文件格式(如GIF ,TIFF 相比,J PEG 是目前静态图象中压缩比最高的。正是由于J PEG 的高压缩比,使得它广泛地应用于多媒体和网络程序中,如HTML 语法中选用

3、的图象格式之一就是J PEG 。这是显然的,因为网络的带宽非常宝贵,选用一种高压缩比的文件格式是十分必要的。1J PEG 文件格式概述J PEG 图像存储格式一个比较成熟的图像有损压缩格式,虽然一个图片经过转化为J PEG 图像后,一些数据会丢失,但是,人眼是很不容易分辨出来这种差别的。也就是说,J PEG 图像存储格式既满足了人眼对色彩和分辨率的要求,又适当的去除了图像中很难被人眼所分辨出的色彩,在图像的清晰与大小中J PEG 找到了一个很好的平衡点。虽然图像转化为J PEG 格式会减小很多,但是并不是文件就变得简单了,相反,J PEG 文件的格式是比较复杂的。不经过认真地分析,是不容易弄懂

4、它的。1.1J PEG 文件的存储方式J PEG 文件的格式是分为一个一个的段来存储的(但并不是全部都是段,段的多少和长度并不是一定的。只要包含了足够的信息,J PEG 文件就能够被打开。J PEG 文件的每个段都一定包含两部分,一个是段的标识,它由两个字节构成:第一个字节是十六进制0xFF ,第二个字节对于不同的段,这个值是不同的。紧接着的两个字节存放的是这个段的长度(除了前面的两个字节0xFF 和0xXX ,(X 表示不确定。他们是不算到段的长度中的。J PEG /J FIF 文件格式使用Motorola 格式,这种表示方法是按照高位在前低位在后的,与Intel 的表示方法不同。比方说一个

5、段的长度是0x12AB ,那么它会按照0x12,0xAB 的顺序存储。但是如果按照Intel 的方式:高位在后低位在前的方式会存储成0xAB ,0x12,这样的存储方法对于J PEG 是不对的。1.2J PEG 文件组成结构J FIF 文件格式直接使用J PEG 标准为应用程序定义的许多标记,因此J FIF 格式成了事实上J PEG 文件交换格式标准。J PEG 文件大体上可以分成以下两个部分:标记码(Tag 加压缩数据。这里详细说明标记码部分。标记码部分给出了J PEG 图象的所有信息(有点类似于BMP 中的头信息,但要复杂的多,如图象的宽、高、Huffman 表、量化表等等。J PEG 的

6、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(fill byte 。标记码有很多,但绝大多数的J PEG 文件只包含几种。下表是J PEG 图像中常用的8个标记:段名标识码(Tag 说明SOI FFD8图像开始APP0FFE0J FIF 应用数据块APPn FFE12FFEn 其他的应用数据块(n ,115DQ T FFDB 量化表SOF0FFC0帧开始DHT FFC4霍夫曼(Huffman 表SOS FFDA 扫描线开始EOIFFD9图像结束1.3J PEG 文件中段的介绍(1APP0段中主要存储的是图片的识别信息(字符串“J

7、 FIF 0”、一些分辨率的信息以及缩略图的信息。在我的实际测试中,发现并不是所有的J PEG 文件都有APP0段的,有的仅是有APP2之类的其他段,但是每个文件中肯定是包含APPX 的段。(2DQ T 段的内容是量化表的信息。众所周知,一个颜色可以分为R G B (红、绿、兰三个分量,这三色光组成了我们可以见到的所有色彩。但是,在J PEG 文件中,R G B 色彩格式需要先转化为YUV 的格式。Y 分量代表了亮度信息,UV 分量代表了色差信息。相比之下,人眼对于Y 分量更为敏感。量化表的作用就是对于一些不需要的量进行去除,这也是J PEG 有损压缩损失数据的关键。上面的输出可以看到两个量化

8、表,一个给Y 分量,另一个给UV 分量。其实,他们也可以共用一个量化表。下面为8×8的亮度(Y 山西电子技术2009年第1期应用实践图象子块经过量化后的系数150-100000-2-1000000-1-100000000000000000000000000000000000000000000003SOF0段的内容是图像的大小信息,每个像素的位数信息,以及YUV 每个分量分别得的采样信息。J PEG 文件图像的编码是一个方块一个方块进行的,每块的大小为8x8大小(如果图像不是整数个方块的大小那么就对图像补齐为整数个大小。简略地说采样信息,就是如何按组记录YUV 的信息,即若干个Y 方块

9、,若干个U 方块,若干个V 方块经过量化的数据再次经过编码后组成一组记录,保存在SOS 段结束后。(4DHT 段的内容是最重要的,如果没有它,J PEG 压缩效率就不会那么高。它内部定义的是一个Huffman 表,不同的DHT 段定义不同的Huffman 表,有的是直流量的表,有的是交流量的表。其中直流量是经过量化后的系数表中左上角的值,直流量用直流Huffman 表来单独编码的,不与块内部一同编码。交流量是经过量化后的系数表中除左上角的值之外的其余值,交流量用交流Huffman 表来单独编码的。最多的Huffman 表有几个呢?YUV 各一个,直流交流各一个,因为YUV 每个分量都有直流和交

10、流,所以最多时,Huffman 表有3x2个,也就是可以有6个DHT 段。一般的J PEG 文件中有4个DHT 表,Y 的直流和交流各一个Huff 2man 表,UV 合起来直流和交流各一个Huffman 表。(5SOS 段的内容是关于YUV 每个分量的直流和交流各使用那个Huffman 表来编码的。2R G B 格式和YCbCr 格式之间的转换关系J PEG 的图片使用的是YCrCb 颜色模型,而不是计算机上最常用R G B 。J PEG 文件使用的颜色空间是CCIR 601推荐标准进行的彩色空间。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R G B 转换成

11、YCbCr 空间时,使用下面的精确的转换关系:Y =2563E y Cb =2563E Cb+128Cr =2563E Cr +128其中亮度电平E y 和色差电平E Cb 和E Cr 分别是CCIR 601定义的参数。由于E y 的范围是01,E Cb 和E Cr 的范围是-0.5+0.5,因此Y ,Cb 和Cr 的最大值必须要到255。于是R G B 和YCbCr 之间的转换关系需要按照下面的方法计算。(1从R G B 转换成YCbCrYCbCr (256级分量可直接从用8位表示的R G B 分量计算得到:Y =0.299R +0.587G +0.114BCb =-0.1687R -0.3

12、313G +0.5B +128Cr =0.5R -0.4187G -0.0813B +128注意:不是所有图像文件格式都按照R0,G 0,B0,Rn ,Gn ,Bn 的次序存储样本数据,在R G B 文件转换成J FIF 文件时需要首先验证R G B 的次序。(2从YCbCr 转换成R G BR G B 分量可直接从YCbCr (256级分量计算得到:R =Y + 1.402(Cr -128G =Y -0.34414(Cb -128-0.71414(Cr -128B =Y + 1.772(Cb -1283图像数据块内数据的编码图像数据块的编码涉及到了行程编码,Huffman 编码等编码方式。我

13、们还是使用那刚才那个包含很多0的量化后的8x8的数据块来说明。把块内剩余的63个数据用行程编码来编码。经过行程编码后的数据的格式是:(x ,y 。x 表示的是从当前位置开始有多少个连续的零,y 表示这些连续的0的后面的第一个非零的数是多少。但是为了解决存储的问题和进行进一步的压缩。最后的压缩格式变为:(x ,y z 。xy 占有一个字节的长度。z 的长度不固定,需要根据y 的值来判断。x 仍代表从当前位置开始有几个连续的零,但是因为x 只能占有四位的长度,也就是它的最大值是15,所以,当多于16个连续的零的时候。会用一个字节的(15,0来代替前面的16个0,然后继续编码(注意:这时候没有z 部

14、分。当块结束或者当前块后面剩余的都是零的时候,就用(0,0即EOB 代替(同样也是没有z 部分。前面说到z 的长度不固定,在115的范围内。需要根据y 的值来判断。y 的作用简单的来说表示的是z 的二进制位数(115,也正好是4位二进制的值能够表示的。然后,把xy 合成的一个字节单独提取出来,利用DHT 里面的Huffman 表来进行编码。这样,编码的长度又能够被压缩了。4结束语J PEG 文件格式采用有损数据压缩,去除了冗余的图像和彩色数据,获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像。同时J PEG 还是一种很灵活的格式,压缩率和图像质量都是可选的。由于J PEG 优异的品质和杰出的表现

15、,在相关领域取得了广泛的应用。目前,基于有损、无损压缩的J PEG 2000格式已经诞生,它与J PEG 格式相比不仅可实现无损压缩,在有损压缩方面其压缩率比J PEG 高约30%左右,而且还可实现渐进传输。希望广大爱好者一起来研究、探讨参考文献1全子一.图像信源压缩编码及信道传输理论与新技术M .北京工业大学出版社,2006.2于兆明.图像编码标准M .人民邮电出版社,2006.3.3邢赛鹏.J PEG 图像数据格式简明分析J .微计算机信息,2005.36.The R esearch B ased on JPEG Image File FormatFeng Y an 2hui 1G ao

16、Jie 1Xu Y e 1Chen Hai 2jun 2(1.No.208Research Institute of China South Industies Group ,Beijing 102202,China ;2.Taiyuan Rail road B ureau ,Taiyuan S hanxi 030001,China Abstract :This paper analyses the compression data of the common J PEG image format ,it introduces the most typical and neces 2sary tags of J PEG ima