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1、1. JPEG的压缩原理JPEG的压缩原理其实上面介绍的那些原理的综合，博采众家之长，这也正是JPEG有高压缩比的原因。其编码器的流程为：图9.3 JPEG编码器流程解码器基本上为上述过程的逆过程：图9.4 解码器流程88的图象经过DCT变换后，其低频分量都集中在左上角，高频分量分布在右下角(DCT变换实际上是空间域的低通滤波器)。由于该低频分量包含了图象的主要信息(如亮度)，而高频与之相比，就不那么重要了，所以我们可以忽略高频分量，从而达到压缩的目的。如何将高频分量去掉，这就要用到量化，它是产生信息损失的根源。这里的量化操作，就是将某一个值除以量化表中对应的值。由于量化表左上角的值较小，右上
2、角的值较大，这样就起到了保持低频分量，抑制高频分量的目的。JPEG使用的颜色是YUV格式。我们提到过，Y分量代表了亮度信息，UV分量代表了色差信息。相比而言，Y分量更重要一些。我们可以对Y采用细量化，对UV采用粗量化，可进一步提高压缩比。所以上面所说的量化表通常有两张，一张是针对Y的；一张是针对UV的。上面讲了，经过DCT变换后，低频分量集中在左上角，其中F(0，0)(即第一行第一列元素)代表了直流(DC)系数，即88子块的平均值，要对它单独编码。由于两个相邻的88子块的DC系数相差很小，所以对它们采用差分编码DPCM，可以提高压缩比，也就是说对相邻的子块DC系数的差值进行编码。88的其它63
3、个元素是交流(AC)系数，采用行程编码。这里出现一个问题：这63个系数应该按照怎么样的顺序排列？为了保证低频分量先出现，高频分量后出现，以增加行程中连续“0”的个数，这63个元素采用了“之”字型(Zig-Zag)的排列方法，如图9.5所示。图9.5 Zig-Zag这63个AC系数行程编码的码字用两个字节表示，如图9.6所示。图9.6 行程编码上面，我们得到了DC码字和 AC行程码字。为了进一步提高压缩比，需要对其再进行熵编码，这里选用Huffman编码，分成两步：(1)熵编码的中间格式表示对于AC系数，有两个符号。符号1为行程和尺寸，即上面的(RunLength，Size)。(0，0)和(15
4、，0)是两个比较特殊的情况。(0，0)表示块结束标志(EOB)，(15，0)表示ZRL，当行程长度超过15时，用增加ZRL的个数来解决，所以最多有三个ZRL(316+15=63)。符号2为幅度值(Amplitude)。对于DC系数，也有两个符号。符号1为尺寸(Size)；符号2为幅度值(Amplitude)。(2)熵编码对于AC系数，符号1和符号2分别进行编码。零行程长度超过15个时，有一个符号(15，0)，块结束时只有一个符号(0，0)。对符号1进行Hufffman编码(亮度，色差的Huffman码表不同)。对符号2进行变长整数VLI编码。举例来说：Size=6时，Amplitude的范围是
5、-63-32，以及3263，对绝对值相同，符号相反的码字之间为反码关系。所以AC系数为32的码字为100000，33的码字为100001，-32的码字为011111，-33的码字为011110。符号2的码字紧接于符号1的码字之后。对于DC系数，Y和UV的Huffman码表也不同。掉了这么半天的书包，你可能已经晕了，呵呵。举个例子来说明上述过程就容易明白了。下面为88的亮度(Y)图象子块经过量化后的系数。15 0 -1 0 0 0 0 0-2 -1 0 0 0 0 0 0-1 -1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00
6、 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0可见量化后只有左上角的几个点(低频分量)不为零，这样采用行程编码就很有效。第一步，熵编码的中间格式表示：先看DC系数。假设前一个88子块DC系数的量化值为12，则本块DC系数与它的差为3，根据下表Size Amplitude0 01 1,12 3,-2,2,33 7-4，474 15-8，8155 31-16，16316 63-32，32637 127-64，641278 255-128，1282559 511-256，25651110 1023512，512102311 2047-1024，10242047查表得Size=2，Ampl
7、itude=3，所以DC中间格式为(2)(3)。下面对AC系数编码。经过Zig-Zag扫描后，遇到的第一个非零系数为-2，其中遇到零的个数为1(即RunLength)，根据下面这张AC系数表：Size Amplitude1 1,12 3,-2,2,33 7-4，474 15-8，8155 31-16，16316 63-32，32637 127-64，641278 255-128，1282559 511-256，25651110 1023512，5121023查表得Size=2。所以RunLength=1,Size=2,Amplitude=3，所以AC中间格式为(1,2)(-2)。其余的点类似，
8、可以求得这个88子块熵编码的中间格式为(DC)(2)(3),(1,2)(-2),(0,1)(-1),(0,1)(-1),(0,1)(-1),(2,1)(-1),(EOB)(0,0)第二步，熵编码：对于(2)(3)：2查DC亮度Huffman表得到11，3经过VLI编码为011；对于(1,2)(-2)：(1,2)查AC亮度Huffman表得到11011，-2是2的反码，为01；对于(0,1)(-1)：(0,1)查AC亮度Huffman表得到00，-1是1的反码，为0；最后，这一88子块亮度信息压缩后的数据流为11011, 1101101, 000, 000, 000, 111000,1010。总
9、共31比特，其压缩比是648/31=16.5，大约每个象素用半个比特。可以想见，压缩比和图象质量是呈反比的，以下是压缩效率与图象质量之间的大致关系，可以根据你的需要，选择合适的压缩比。表9.1 压缩比与图象质量的关系压缩效率(单位：bits/pixel)图象质量0.250.50中好，可满足某些应用0.500.75好很好，满足多数应用0.751.5极好，满足大多数应用1.52.0与原始图象几乎一样以上我们介绍了JPEG压缩的原理，其中DC系数使用了预测编码DPCM，AC系数使用了变换编码DCT，二者都使用了熵编码Huffman，可见几乎所有传统的压缩方法在这里都用到了。这几种方法的结合正是产生J
10、PEG高压缩比的原因。顺便说一下，该标准是JPEG小组从很多种不同中方案中比较测试得到的，并非空穴来风。上面介绍了JPEG压缩的基本原理，下面介绍一下JPEG的文件格式。2. JPEG的文件格式JPEG文件大体上可以分成以下两个部分：标记码(Tag)加压缩数据。先介绍标记码部分。标记码部分给出了JPEG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。标记码有很多，但绝大多数的JPEG文件只包含几种。标记码的结构为：SOIDQT DRI SOF0 DHT SOS EOI标记码由两个字节组成，高字节为0XFF，每个标记码之前可以填上个数不限的填充字节0XFF。下面介绍一些常用的标记码的结构及其含义。(1)SOI(Start of Image)标记结构 字节数0XFF 10XD8 1可作为JPEG格式的判据(JFIF还需要APP0的配合)(2)APP0(Application)标记结构 字节数 意义0XFF 10XE0 1Lp 2 APP0标记码长度，不包括前两个字节0XFF，0XE0Identifier 5 JFIF识别码 0X4A，0X46，0X49，0X46，0X00Version 2 JFIF版本号 可为0X0101或者0X0102Units
