MJPEG格式和码流分析

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JFIF 是 JPEG File Interchange Format 的缩写，也即 JPEG 文件交换格式。JFIF 是一个图片文件格式标准，它是一种使用 JPEG 图像压缩技术存储摄影图像的方法。JFIF 代表了一种"通用语言"文件格式，它是专门为方便用户在不同的计算机和应用程序间传输 JPEG 图像而设计的语言。

JFIF 文件格式定义了一些内容是 JPEG 压缩标准未定义的，如 resolution/aspect ratio，color space 等。

我们可以打开 JPEG 文件查看里面的内容，即可看到上面的各个标记段：

从图上可以看出：

在头部有 FFD8 ，表示图像的开始；结束部分有 FFD9 ，表示图像的结束。

在中间有两个量化表 DQT 对应的标记 FFDB ；

还有图像大小信息对应的 FFC0

再后面有四个 Haffman 表对应的 FFC4 ；

一般一个 JPG 文件里会有 2 类 Haffman 表：一个用于 DC 一个用于 AC ，也即实际有 4个表，亮度的 DC，AC 两个，色度的 DC，AC 两个。

然后是图像数据段标记 FFDA；

我们再来看看各个标记的细部，具体分析一下各个部分的含义。

1、图片的识别信息

上面的内容，在标记 FFE0 后，即为长度16。然后是5字节的 JFIF 标识符号，说明这是一个 JPEG 压缩的文件。然后是主/次版本号码。下一个为 XY 像素的单位，这里为1，表示单位为点数/英寸。然后是 XY 方向的像素密度，这里是 96DPI，最后是缩略图有关信息，这里为0。

2、量化表的实例

面这个内容，FFDB 标记后的长度值为67，接下来的是 QT 信息，占一个字节；这里是0，表示这个 QT 表编号为0，并且精度是8bit。然后后面就是64个8x8的 QT 表的各个 item 了。

也即第一个 DQT 量化表的内容表示为十进制是：

这个表即为 JPEG 亮度量化表。

第二个量化表的内容为：

图像都分别使用JPEG编码。M-JPEG常用在数字相机和摄像头之类的图像采集设备上。MJPEG即动态JPEG，按照至少达到25帧/秒速度使用JPEG压缩算法压缩视频信号，完成动态视频的压缩。MJPEG压缩标准是由JPEG专家组制定的，其图像格式是对每一帧JPEG图像进行压缩。MJPEG是一种基于静态图像压缩技术JPEG发展起来的动态图像压缩技术，可以生成序列化的运动图像。实际上MJPEG图像数据流就是一帧一帧的JPEG格式图片。

MJPEG只是有帧内压缩(区别于算法更复杂的帧间压缩)，只单独的对某一帧进行压缩，而不考虑影像画面中不同帧之间的变化。因此压缩效率比较低，而使用了帧间压缩的现代影像压缩格式(如MPEG1、MPEG2和H.264/MPEG-4 AVC)一般压缩率比较高。

MJPEG是一种基于静态图像JPEG压缩标准的动态图像压缩标准，压缩过程是将视频序列的每一帧视为一幅静止图像进行压缩。因此，要进行MJPEG压缩，首先必须实现静态图像的JPEG压缩。JPEG定义了两种基本的算法：基于DCT的有失真压缩算法和基于DPCM的无失真压缩算法。基于DCT的有失真JPEG压缩算法主要分为5个基本步骤：色彩空间变换及采样、离散余弦变换DCT、量化、Z字形编排、编码。

JPEG是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，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。压缩比越大，品质就越低。

JPEG委员会在制定JPEG标准时，定义了许多标记码(marker)或标记段(marker segments)组成，用来区分和识别图像数据及其相关信息。目前，使用比较广泛的是其交换格式JFIF(Jpeg File Interchange Format)。JPEG的每个标记码都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF，每个标记码之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节。JPEG文件中的字节是按照正序排列的，即高位字节在前，低位字节在后。

JFIF即JPEG文件交换格式(JPEG File Interchange Format, JFIF)是一个图像文件格式标准。它是一种交换符合JPEG交换格式(JIF)标准的JPEG编码文件的格式。它解决了JIF在简单JPEG编码文件交换方面的一些限制。与所有符号JIF的文件一样，JFIF文件中的图像数据使用JPEG标准的技术压缩，因此JFIF有时被称为”JPEG/JFIF”。在JFIF中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。

按照JFIF，JPEG文件由两个部分组成：文件头部分和图像压缩数据。其中文件头部分分为一个一个的段来存储(但并不是全部都是段)，段的多少和长度并不确定。只要包含了足够的信息，该JPEG文件就能够被打开。文件头部分的每个段都一定包含两部分，一个是段的标记码，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，有不同的值。紧接着的两个字节存放的是这个段的长度。这个长度的表示方法是按照高位在前，低位在后。另外，为了避免文件头部分和图像压缩数据部分的冲突，在对图像数据进行huffman编码时如果产生了一个0xFF，那么就用0xFF 0x00代替。因此在对压缩数据部分进行解码时，如果一个0xFF的后面字节不是0x00，那么这个字节没有意义，如果0xFF后一字节为0x00，则将此两个字节作为一个字节0xFF进行处理。由于文件头中包含了解码图像时必须的量化表、Huffman表、图像格式等信息，因此输出的第一帧JPEG数据流必须包含文件头。由于接下来编码的图像都是按照相同的方式进行编码的，因此可以不包含文件头，只需要在编码结束时产生一个表示编码结束的标记，用于区分不同帧图像，解码时在图像头部添加上文件头，将编码图像转变为标准的JPEG图像即可。

JFIF主要标记码：

JFIF APP0标记段：在强制性JFIF APP0标记段中指定图像的参数，可选嵌入未压缩的缩略图。

JFIF扩展APP0标记段：紧随JFIF APP0标记段的可能是JFIF扩展APP0标记段。此段可能仅存在于JFIF 1.02及更高版本。它允许以3种不同的格式嵌入缩略图。

缩略图数据取决于缩略图格式：

下图是通过MJPEG从usb摄像头获取到的大小为160*120(w*h)的一帧数据，为了便于显示移除了中间的部分编码数据：关键字段已用红框标注

下图是用UltraEdit打开的一个16*16的jpeg图像：关键字段已用红框标注

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