JPEG图像编码标准

1、参参 考考 文文 献献 ISO/IEC FCD15444-1: 2000 | ITU-T Rec. T.800Entropy CodingHuffman codingSequential encodingProgressive encodingLossless encodingHierarchical encoding3.4.2从从RGB转换成转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：空间时，使用下面的精确的转换关系： Y = 256 Ey Cb = 256 ECb + 128 Cr = 256 ECr + 128其中亮度电平其中亮度电平Ey和色差电平和色差电平ECb和和ECb分别是分

2、别是CCIR 601定义的参数。由于定义的参数。由于Ey的范围是的范围是01，ECb和和ECb的范围是的范围是-0.5+0.5，因此，因此Y, Cb和和Cr的最大的最大值必须要到值必须要到255。于是。于是RGB和和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法之间的转换关系需要按照下面的方法计算。计算。brYCbCr(256级级)分量可直接从用分量可直接从用8位表示的位表示的RGB分量计算得到：分量计算得到： Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B Cb = - 0.1687R - 0.3313G + 0.5 B + 128 Cr = 0.5 R - 0.4187G -

3、0.0813 B + 128 不是所有图像文件格式都按照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，因此在的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成文件转换成JFIF文件时需要首文件时需要首先验证先验证RGB的次序。的次序。brRGB分量可直接从分量可直接从YCbCr (256级级)分量计算得到：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)在在JFIF文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从

4、上到下。文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。这就是说这就是说。RGBYCbCr图像开始图像开始JFIF应用数据块应用数据块其他的应用数据块其他的应用数据块(n, 115)量化表量化表帧开始帧开始霍夫曼霍夫曼(Huffman)表表扫描线开始扫描线开始图像结束图像结束Symbol (符号符号)Code Assignment(标记代码标记代码)Description(说明说明)Start Of Frame markers, non-hierarchical Huffman codingSOF00 xFFC0Baseline DCTSOF10 xFFC1Extended sequent

5、ial DCTSOF20 xFFC2Progressive DCTSOF30 xFFC3Spatial (sequential) lossless Start Of Frame markers, hierarchical Huffman codingSOF50 xFFC5Differential sequential DCTSOF60 xFFC6Differential progressive DCTSOF70 xFFC7Differential spatial losslessStart Of Frame markers, hierarchical arithmetic codingSOF1

6、30 xFFCDDifferential sequential DCTSOF140 xFFCEDifferential progressive DCTSOF150 xFFCFDifferential spatial LosslessHuffman table specificationDHT0 xFFC4Define Huffman table(s)arithmetic coding conditioning specificationDAC0 xFFCCDefine arithmetic conditioning tableRestart interval terminationRSTm0

7、xFFD00 xFFD7Restart with modulo 8 counter mOther markerSOI0 xFFD8Start of imageEOI0 xFFD9End of imageSOS0 xFFDAStart of scanDQT0 xFFDBDefine quantization table(s)DNL0 xFFDCDefine number of linesDRI0 xFFDDDefine restart intervalDHP0 xFFDEDefine hierarchical progressionEXP0 xFFDFExpand reference image

8、(s) APPn0 xFFE00 xFFEFReserved for application useJPGn0 xFFF00 xFFFDReserved for JPEG extensionCOM0 xFFFECommentReserved markersTEM0 xFF01For temporary use in arithmetic codingRES0 xFF020 xFFBFReserved偏移偏移长度长度内容内容块的名称块的名称说明说明02 byte0 xFFD8(Start of Image, SOI)图像开始22 byte0 xFFE0APP0(JFIF application

9、segment)JFIF应用数据块42 byteslength of APP0 blockAPP0块的长度65 bytesJFIF+0识别APP0标记111 byte主要版本号(如版本1.02中的1)121 byte次要版本号(如版本1.02中的02)131 byteX和Y的密度单位units=0：无单位 units=1：点数/英寸units=2：点数/厘米142 bytes水平方向像素密度162 bytes垂直方向像素密度181 byte缩略图水平像素数目191 byte缩略图垂直像素数目3n缩略RGB位图(n为缩略图的像素数)Optional JFIF extension APP0 mar

10、ker segment (s)任选的JFIF扩展APP0标记段2 byte0 xFFD9(EOI) end-of-file图像文件结束标记JPEG文件的文件的字节是按正序字节是按正序( big ( big endianendian ) )排列的排列的JFIF特性： 使用JPEG压缩算法 使用JPEG交换格式的图像数据压缩表示法 PC 或 Mac 或 Unix 工作站均兼容 标准的颜色空间: 一个或三个颜色分量。(对于三个颜色分量，采用 Y Cb Cr (CCIR 601-256级)规范) APP0 标记 用于指定 计量单位制、 X, Y像素的密度以及缩略图的细节 APP0 标记同样用于指定JF

11、IF的扩展方法 APP0 标记还用于指定其他与应用相关的信息(1) (1) 图像开始图像开始SOI (Start of Image)SOI (Start of Image)标记标记(2) APP0(2) APP0标记标记(Marker)(Marker) APP0 APP0长度长度(length)(length) 标识符标识符(identifier)(identifier) 版本号版本号(version)(version) X X和和Y Y的密度单位的密度单位 (units=0(units=0：无单位；：无单位；units=1units=1：点数：点数/ /英寸；英寸；units=2units=

12、2：点数：点数/ /厘米厘米) ) X X方向像素密度方向像素密度(X density)(X density) Y Y方向像素密度方向像素密度(Y density)(Y density) 缩略图水平像素数目缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)(thumbnail horizontal pixels) 缩略图垂直像素数目缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)(thumbnail vertical pixels) 缩略图缩略图RGBRGB位图位图(thumbnail RGB bitmap)(thumbnail RGB bit

13、map)(3) (3) APPnAPPn标记标记(Markers)(Markers)，其中，其中n=1n=115(15(任选任选) ) APPnAPPn长度长度(length)(length) 由于详细信息由于详细信息(application specific information)(application specific information)(4) 一个或者多个量化表一个或者多个量化表DQT (define quantization table) 量化表长度量化表长度(quantization table length) 量化表数目量化表数目(quantization table n

14、umber) 量化表量化表(quantization table)(5) 帧图像开始帧图像开始SOF0(Start of Frame) 帧开始长度帧开始长度(start of frame length) 精度精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数，每个颜色分量每个像素的位数 (bits per pixel per color component) 图像高度图像高度(image height) 图像宽度图像宽度(image width) 颜色分量数颜色分量数(number of color components) 对每个颜色分量对每个颜色分量(for each component

15、) ID 垂直方向的样本因子垂直方向的样本因子(vertical sample factor) 水平方向的样本因子水平方向的样本因子(horizontal sample factor) 量化表号量化表号(quantization table#)(6) 一个或者多个霍夫曼表一个或者多个霍夫曼表DHT (Define Huffman Table) 霍夫曼表的长度霍夫曼表的长度(Huffman table length) 类型、类型、AC或者或者DC (Type, AC or DC) 索引索引(Index) 位表位表(bits table) 值表值表(value table)(7) 扫描开始扫描开始

16、SOS (Start of Scan) 扫描开始长度扫描开始长度(start of scan length) 颜色分量数颜色分量数(number of color components) 每个颜色分量每个颜色分量 ID 交流系数表号交流系数表号(AC table #) 直流系数表号直流系数表号(DC table #) 压缩图像数据压缩图像数据(compressed image data)(8) 图像结束图像结束EOI (End of Image)1616像素sample image (1616 Pixels)markerblocks : 000000 0001e0文件类型标识1616像素blo

17、cks : 0001f0 000350original Bitmap imagesample image (1616 Pixels) . Communications of the ACM. 1991, 34(4): 30 44. , Version 1.02. 1992./faqs/jpeg-faq/. . IEEE Signal Processing Magazine, 2001.JPEG图像压缩编码算法概要JPEG图像压缩编码算法的主要步骤举例 基于DCT的扩展编码(累进、分层编码)3.4.3JPEG有损压缩算法利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损

18、压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。JPEG算法与彩色空间无关，因此“RGB到YUV变换”和“YUV到RGB变换”不包含在JPEG算法中。JPEG算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如RGB, YCbCr和CMYK。 1. 1.2. 2.f ( i, j ) 经变换之后，经变换之后，F( 0, 0 )是是直流系数直流系数(DC,即即64个空域图像采样值的个空域图像采样值的平均值平均值)，其他为，其他为交流系数交流

19、系数(AC)。 （亮度量化值表） （色度量化值） 量化DCT系数的序号 1 (0, 0)(0, 0) kkDeltaDCDCDCi-1DCiblocki-1blockiDC码表符号举例压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍夫曼码表可以事先进行定义。夫曼码表可以事先进行定义。 ValueSSS00-1, 11-3,-2, 2,32-7.-4, 4.73如果如果DC的值的值(Value)为为

20、4，符号，符号SSS用于表达用于表达实际值所需要的位数，实际位数就等于实际值所需要的位数，实际位数就等于3。 举例3.3.举例顺序编码模型(sequential encoding model) 自上而下，从左至右方式发送。4. 4.累进编码模型(Progressive encoding) 采用多扫描(multiple scans) 图像部分信息分阶段传输，这些信息被接收后立即解码。 如果觉得不满意图像的内容，可立即停止传输。 适合于在低带宽信道上传输高分辨率的图像 累进编码有频谱选择与按位逼近两种方法，前者第一次扫描时只对DC系数某些频带的系数进行编码、传送，在随后的扫瞄中对其他频带编码、传送

21、，直到全部系数传送完为止。分组选择方式如(0,1,2), (3,4,5), 。后者沿着量化系数的有效位(量化精度位数)方向分段累进编码，假设量化精度为8位，则第一次传送高4位，然后传送低4位。层次编码模型(Hierarchical encoding model)/JPEG2000.htmlRegions-Of-Interest, ROI存取、压缩功能 Part 1: Core coding system Part 2: Extensions Part 3: Motion JPEG2000 Part 4: Conformance Part 5: Referen

22、ce Software Part 6: Compound image le format Part 7: Has been abandoned Part 8: JPSEC (security aspects) Part 9: JPIP (interactive protocols and API) Part 10: JP3D (volumetric imaging) Part 11: JPWL (wireless applications) Very high compression rate, sometimes even up to 200 times. JPEG completely b

23、reaks down at this rate. The size of the compressed file is controllable, That is, a user can specify the size of a file. Both lossy and lossless compression are supported in JPEG 2000. JPEG can produce only lossless images One can define Region Of Interest (ROI) in an image. The Region of Interest would be compressed to a higher quality than the rest of the image. One can have progressive decoding of an image in two ways by resolution or, by quality. JPEG 2000 has a provision to add additional info