JPEG格式简介

JPEG（ Joint Photographic Experts Group）即联合图像专家组，是用于连续色调静态图像压缩的一种标准，文件后缀名为.jpg或.jpeg，是最常用的图像文件格式。其主要是采用预测编码（DPCM）、离散余弦变换（DCT）以及熵编码的联合编码方式，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩格式，它能够将图像压缩在很小的储存空间，一定程度上会造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例，将使最终解压缩后恢复的图像质量降低，如果追求高品质图像，则不宜采用过高的压缩比例。[2]

然而，JPEG压缩技术十分先进，它可以用有损压缩方式去除冗余的图像数据，换句话说，就是可以用较少的磁盘空间得到较好的图像品质。而且JPEG是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，它允许用不同的压缩比例对文件进行压缩，支持多种压缩级别，压缩比率通常在10；1到40；1，压缩比越大，图像品质就越低；相反地，压缩比越小，图像品质就越高。同一幅图像，用JPEG格式存储的文件是其他类型文件的1/10~1/20，通常只有几十KB，质量损失较小，基本无法看出。JPEG格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，适合应用于互联网；它可减少图像的传输时间，支持24位真彩色；也普遍应用于需要连续色调的图像中。 [2]

JPEG格式可分为标准JPEG、渐进式JPEG及JPEG2000三种格式。 [2]

1. 标准JPEG格式；此类型在网页下载时只能由上而下依序显示图像，直到图像资料全部下载完毕，才能看到图像全貌。 [2]

2. 渐进式JPEG；此类型在网页下载时，先呈现出图像的粗略外观后，再慢慢地呈现出完整的内容，而且存成渐进式JPG格式的文档比存成标准JPG格式的文档要来得小，所以如果要在网页上使用图像，可以多用这种格式。 [2]

3. JPEG2000；它是新一代的影像压缩法，压缩品质更高，并可改善在无线传输时，常因信号不稳造成马赛克现象及位置错乱的情况，改善传输的品质

JPEG编码流程

过程分析：

1）零偏置（level offset）

JPEG编码将图像分为8×8的块作为数据处理的最小单位，对于灰度级为 2 n 2^n 2 n的像素，通过减去 2 n − 1 2^{n-1} 2 n−1 ，将无符号数变成有符号数。以灰度级n=8为例，原来图像的灰度范围是[0,255]，减去128之后变为了[-128,127]。经过零偏置后，图像平均亮度降低，像素灰度的绝对值被控制在较小的范围内，有利于后续编码。

2）DCT变换

对零偏置后的图像进行DCT变换，以进行能量集中和去相关，同时去除图像的空间冗余，变换后图像的能量都集中在右上角，同时DCT变换是一种无损变换，在变换过程中没有精度损失。如果有些图片并非8×8的整数倍，那么就需要在边缘进行像素填充。

3）量化

因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表，分别是亮度量化值和色差量化值。同时因为人眼对低频敏感高频不太敏感，因此对低频分量采取较细的量化，对高频分量采取较粗的量化，因此细节少的原始图像在压缩时去掉的数据要少

4）DC系数的差分编码

8×8的图像块经过DCT变换之后得到的DC直流系数有两个特点：系数的数值比较大；相邻8×8图像块的DC系数值变化不大（存在冗余），因此可以采用DPCM方法，对相邻图像块之间量化DC系数的差值进行编码，编码方式采用熵编码（Huffman编码），亮度信号与色度信号的DC系数采用不同的Huffman编码表
5）AC系数的zig-zag扫描与游程编码

JPEG解码流程

解码就是编码的逆过程，其大致流程如下：

读取文件>解析文件segment>解析SOI，判断是否是JPEG文件>解析SOF>解析DQT，获取量化表相关信息>解析SOS>解析DHT，获取Huffman码表相关信息>解析DRI>以MCU为单位进行解码>解码Huffman数据>解码DC差值>重构量化后的系数>DCT逆变换>丢弃填充的行/列>反0偏置>对丢失的CbCr分量差值（下采样的逆过程）>YCbCr->RGB

JPEG代码分析

MAIN

int main(int argc, char *argv[])
{int output_format = TINYJPEG_FMT_YUV420P;char *output_filename, *input_filename;clock_t start_time, finish_time;unsigned int duration;int current_argument;int benchmark_mode = 0;
#if TRACE     //设定trace，边解码边写入文件p_trace=fopen(TRACEFILE,"w");if (p_trace==NULL){printf("trace file open error!");}
#endifif (argc < 3)usage();current_argument = 1;while (1){if (strcmp(argv[current_argument], "--benchmark")==0)   //strcmp字符串比较，用于比较两个字符串，如果二者相等返回0benchmark_mode = 1;   //如果相等，说明设置了benchmark，因此benchmark_mode置1elsebreak;current_argument++;}if (argc < current_argument+2)usage();input_filename = argv[current_argument];    //输入文件名，是argv[1]if (strcmp(argv[current_argument+1],"yuv420p")==0)    //argv[2]判断输出格式，这里选择yuv420poutput_format = TINYJPEG_FMT_YUV420P;else if (strcmp(argv[current_argument+1],"rgb24")==0)output_format = TINYJPEG_FMT_RGB24;else if (strcmp(argv[current_argument+1],"bgr24")==0)output_format = TINYJPEG_FMT_BGR24;else if (strcmp(argv[current_argument+1],"grey")==0)output_format = TINYJPEG_FMT_GREY;elseexitmessage("Bad format: need to be one of yuv420p, rgb24, bgr24, grey\n");output_filename = argv[current_argument+2];   //输出文件名，设为argv[3]start_time = clock();    //开始if (benchmark_mode)   //是否多次解码，若设置了benchmark_mode就调用load_multiple_times，否则就调用convert_one_imageload_multiple_times(input_filename, output_filename, output_format);elseconvert_one_image(input_filename, output_filename, output_format);    //核心函数finish_time = clock();  //结束duration = finish_time - start_time;snprintf(error_string, sizeof(error_string),"Decoding finished in %u ticks\n", duration);
#if TRACEfclose(p_trace);
#endifreturn 0;
}

主要进行输入输出文件的获取、输出格式和解码方式的选择等。

huffman_table

struct huffman_table
{/* Fast look up table, using HUFFMAN_HASH_NBITS bits we can have directly the symbol,* if the symbol is <0, then we need to look into the tree table */short int lookup[HUFFMAN_HASH_SIZE];/* code size: give the number of bits of a symbol is encoded */unsigned char code_size[HUFFMAN_HASH_SIZE];/* some place to store value that is not encoded in the lookup table * FIXME: Calculate if 256 value is enough to store all values*/uint16_t slowtable[16-HUFFMAN_HASH_NBITS][256];
};

component

struct component
{unsigned int Hfactor;unsigned int Vfactor;float *Q_table;      /* Pointer to the quantisation table to use */struct huffman_table *AC_table;struct huffman_table *DC_table;short int previous_DC;  /* Previous DC coefficient */short int DCT[64];     /* DCT coef */
#if SANITY_CHECKunsigned int cid;
#endif
};

jdec_private

struct jdec_private
{/* Public variables */uint8_t *components[COMPONENTS];unsigned int width, height;  /* Size of the image */unsigned int flags;/* Private variables */const unsigned char *stream_begin, *stream_end;unsigned int stream_length;const unsigned char *stream; /* Pointer to the current stream */unsigned int reservoir, nbits_in_reservoir;struct component component_infos[COMPONENTS];float Q_tables[COMPONENTS][64];      /* quantization tables */struct huffman_table HTDC[HUFFMAN_TABLES]; /* DC huffman tables   */struct huffman_table HTAC[HUFFMAN_TABLES]; /* AC huffman tables   */int default_huffman_table_initialized;int restart_interval;int restarts_to_go;             /* MCUs left in this restart interval */int last_rst_marker_seen;           /* Rst marker is incremented each time *//* Temp space used after the IDCT to store each components */uint8_t Y[64*4], Cr[64], Cb[64];jmp_buf jump_state;/* Internal Pointer use for colorspace conversion, do not modify it !!! */uint8_t *plane[COMPONENTS];};

实验结果

概率分布：

总结

本次实验学习理解了JPEG编解码的基本过程，

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