JPEG編碼過程詳解

1、JPEG (Joint Photographic Experts Group)是聯(lián)合圖像專家小組的英文縮 寫。它由國際電話與電報(bào)咨詢委員會CCITT The International Telegraph and Telephone Consultative Committee)與 IS拆標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 于 1986 年聯(lián)合咸立的一個(gè)小繪負(fù)貴弒定靜態(tài)數(shù)字圖嫁的編碼標(biāo)準(zhǔn)。小組一直致力于標(biāo)準(zhǔn)化工作，開發(fā)研制出連續(xù)色調(diào)、多級灰度、靜止圖像的 數(shù)字圖像壓縮編碼方法，即JPEG算法。JPEG算法被確定為國際翅用標(biāo)準(zhǔn)，其適用范圖廣泛，玲用于存態(tài)圖像編珂外，還推廣到電視圖像芹列的慎內(nèi)圖像匡縮.而用JPE

2、G算法匡韁出來的轉(zhuǎn)態(tài)圖片文件稱為JPEG文件.擴(kuò)展名通常為*. jpg. . jpe*. jpeg,JPEG專家組開發(fā)了兩種基本的壓縮算法、兩種數(shù)據(jù)編碼方法、四種編碼模式。 具體如下：壓縮算法：有損的離散余弦變換(Discrete Cosine Transform, DCT)；無損的預(yù)測技術(shù)壓縮。數(shù)據(jù)編碼方法：哈夫曼編碼；算術(shù)編碼；編碼模式：基于DCT順序模式：編/解碼通過一次掃描完成；基于DCT遞進(jìn)模式：編/解碼需要多次掃描完成，掃描效果從粗糙到精細(xì), 逐級遞進(jìn)；無損模式：基于DPCM,保證解碼后完全精確恢復(fù)到原圖像采樣值；層次模式：圖像在多個(gè)空間多種分辨率進(jìn)行編碼，可以根據(jù)需要只對低 分辨

3、率數(shù)據(jù)作解碼，放棄高分辨率信息。在實(shí)際應(yīng)用中，JPEG圖像使用的是離散余弦變換、哈夫曼編碼、順序模式。JPEG壓縮編碼算法的主要計(jì)算步驟如下：(0) 8*8 分塊。(1) 正向離散余弦變換(FDCT) o(2) 量化(quantization) (3) Z 字形編碼(zigzag scan) 0 使用差分脈沖編碼調(diào)制(DPCM)對直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼。(5) 使用行程長度編碼(RLE)對交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼。(6) 爛編碼。筆者在實(shí)踐過程中查閱了大量的資料，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)書籍資料和網(wǎng)上資料都是 從編碼角度分析JPEG的編/解碼方式，井且都只是介紹編碼過程中的主要方法所以.本文從解碼角度讒細(xì)

4、分析JPEG的編/簞碼過稚.并且加入許多筆者實(shí)踐過程中遇到的問題和解決方法.希莖從另一個(gè)角度說明問題以更好毎助讀者結(jié)合其他資料解決問題。不過，介紹解碼過程之前，首先要了解JPEG文件中數(shù)據(jù)的存儲格式。一、JPEG文件格式介紹JPEG文件使用的數(shù)據(jù)存儲方式有多種。最常用的格式稱為JPEG文件交換格 式(JPEG File Interchange Format, JFIF).丙jpeg文件大體上可以分成兩個(gè)初分：標(biāo)記碼(T昭)和匡縮數(shù)據(jù)。標(biāo)記碼由兩個(gè)字節(jié)構(gòu)成，其前一個(gè)字節(jié)是固定值OxFF,后一個(gè)字節(jié)則根據(jù)不 同意義有不同數(shù)值。在每個(gè)標(biāo)記碼之前還可以滾加數(shù)目不限的無倉義的0MF填充.也就說連續(xù)的多個(gè)

5、OxFF可以被理解為一個(gè)OxFR井表示一個(gè)標(biāo)記碼的開始。而在一個(gè)完整的兩字節(jié)的標(biāo)記碼后.就是該標(biāo)記碼對應(yīng)的壓縮敦?fù)?jù)流，記錄了關(guān)于文件的諸種佑息。常用的標(biāo)記有 SOL APPO. DQT. SOTO. DHT. DRL SOS EOU注意，SOI等都是標(biāo)記的名稱。在文件中，標(biāo)記碼是以標(biāo)記代碼形式出現(xiàn)。 例如SOI的標(biāo)記代碼為0xFFD8.訊在JPEG文件中的如果出現(xiàn)OxHDS.則表示此處為一個(gè)SOI標(biāo)記。本文附錄列出一張完整的JPEG定義的標(biāo)記表，供讀者查閱.這里儀列出幾個(gè)常用標(biāo)記的掙記代碼.占用字節(jié)長度和表示的意義SOI, Start of Image,圖像開始標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值0xFFD8

6、APPO, Application,應(yīng)用程序保留標(biāo)記0標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值OxFFEO包含9個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度2字節(jié)仝個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 標(biāo)識符5字節(jié)固定值0x4A,即字符串“JFIFO” 版本號2字節(jié)一般是0x0102,表示JFIF的版本號可能會有其他數(shù)值代表其他版本 X和Y的密度單位1字節(jié)只有三個(gè)值可選0：無單位；1:點(diǎn)數(shù)/英寸；2：點(diǎn)數(shù)/厘米 X方向像素密度2字節(jié)取值范圍未知 Y方向像素密度2字節(jié)取值范圍未知 縮略圖水平像素?cái)?shù)目1字節(jié)取值范圍未知 縮略圖垂直像素?cái)?shù)目1字節(jié)取值范圍未知 縮略圖RGB位圖長度可能是3的倍數(shù)縮略圖RGB位圖數(shù)據(jù)本標(biāo)記段可以包含圖像

7、的一個(gè)微縮版本，存為24位的RGB像素。如果沒 有微縮圖像（這種情況更常見），則字段縮略圖水平嫁素救目”和字段縮略圖垂貞橡素?cái)?shù)目-的值均為SAPPn, Application,應(yīng)用程序保留標(biāo)記n,其中nl15（任選）標(biāo)記代碼2字節(jié) 固定值0xFFEl0xFFF包含2個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度、2字節(jié)&T2個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 詳細(xì)信息數(shù)據(jù)長度-2字節(jié)內(nèi)容不定例如，Adobe Photoshop生成的JPEG圖像中就用了 APP1和APP13兩個(gè) 標(biāo)記段分別存儲了一幅圖像的副本。DQT, Define Quantization Table,定義量化表）標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值Ox

8、FFDB包含9個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度2字節(jié)字段和多個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 量化表數(shù)據(jù)長度-2字節(jié)a）精度及量化表ID 1字節(jié)高4位：精度，只有兩個(gè)可選值0： 8 位；1： 16 位低4位：量化表ID,取值范圍為03b）表項(xiàng)（64X（精度+1）字節(jié)例如8位精度的量化表其表項(xiàng)長度為64X （0+1）二64字節(jié)本標(biāo)記段中，字段可以重復(fù)出現(xiàn)，表示多個(gè)量化表，但最多只能出現(xiàn)4 次。SOFO, Start of Frame,幀圖像開始標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值OxFFCO包含9個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度、2字節(jié)&T六個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 精度1字節(jié)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本的位數(shù)通常

9、是8位，一般軟件都不支持12位和16位 圖像髙度2字節(jié)圖像高度（單位：像素）,如果不支持DNL就必須0 圖像寬度2字節(jié)圖像寬度（單位：像素），如果不支持DNL就必須0 顏色分量數(shù)1字節(jié)只有3個(gè)數(shù)值可選1:灰度圖；3： YCrCb 或 YIQ； 4： CMYK而JFIF中使用YCrCb,故這里顏色分量數(shù)恒為3 顏色分量信息顏色分量數(shù)X3字節(jié)（通常為9字節(jié)）a）顏色分量ID 1字節(jié)b）水平/垂直采樣因子1字節(jié)髙4位：水平釆樣因子低4位：垂直采樣因子（曾經(jīng)看到某資料把這兩者調(diào)無了）C）量化表1字節(jié)當(dāng)前分量使用的量化表的ID本標(biāo)記段中，字段應(yīng)該重復(fù)出現(xiàn)，有多少個(gè)顏色分量（字段），就出 現(xiàn)多少次（一般為

10、3次）。DHT, Difine Huffman Table,定義哈夫曼表標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值0xFFC4包含2個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度2字節(jié)字段和多個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 哈夫曼表數(shù)據(jù)長度-2字節(jié)a）表ID和表類型1字節(jié)髙4位：類型，只有兩個(gè)值可選0： DC直流；1： AC交流低4位:哈夫曼表ID,注意，DC表和AC表分開編碼b）不同位數(shù)的碼字?jǐn)?shù)量16字節(jié)C）編碼內(nèi)容16個(gè)不同位數(shù)的碼字?jǐn)?shù)量之和（字節(jié)）本標(biāo)記段中，字段可以重復(fù)出現(xiàn)（一般4次），也可以致出現(xiàn)1次。例 如，Adobe Photoshop 生成的JPEG圖片文件中只有I個(gè)DIIT標(biāo)記段，里邊包含了 4個(gè)哈夫曼表；

11、而Macromedia Eireworks生成的JPEG圖片文件則有4個(gè)DHT標(biāo)記段.毎個(gè)D1IT標(biāo)記段只有一個(gè)哈夫曼表。DRI, Define Restart Interval,定義差分編碼累計(jì)復(fù)位的間隔標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值OxFFDD包含2個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度2字節(jié)固定值0x0004,兩個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 MCU塊的單元中的重新開始間隔2字節(jié)設(shè)其值為m則表示每n個(gè)MCU塊就有一個(gè)RSTn標(biāo)記。第一個(gè)標(biāo)記是RST0,第二個(gè)是RST1等，RST7后再從RST0重復(fù)。如果沒有本標(biāo)記段，或間隔值為0時(shí)，就表示不存在重開始間隔和標(biāo)記RSTSOS, Start of Sca

12、n,掃描開始12字節(jié)標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值OxFFDA包含2個(gè)具體字段： 數(shù)據(jù)長度2字節(jié)兩個(gè)字段的總長度即不包括標(biāo)記代碼，但包括本字段 顏色分量數(shù)1字節(jié)應(yīng)該和SOF中的字段的值相同，即：1:灰度圖是；3： YCrCb 或 YIQ； 4： CMYK。而JFIF中使用YCrCb,故這里顏色分量數(shù)恒為3 顏色分量信息a）顏色分量ID 1字節(jié)b）直流/交流系數(shù)表號1字節(jié)髙4位：直流分量使用的哈夫曼樹編號低4位：交流分量使用的哈夫曼樹編號 壓縮圖像數(shù)據(jù)a）譜選擇開始1字節(jié)固定值0x00b）譜選擇結(jié)束1字節(jié)固定值0x3Fc）譜選擇1字節(jié) 在基本JPEG中總為00本標(biāo)記段中，字段應(yīng)該重復(fù)出現(xiàn)，有多少個(gè)顏色分量

13、（字段），就出 現(xiàn)多少次（一般為3次）。本段皓束后，緊機(jī)著就是真正的圖像佑息了。圖蠻信息直至遇到一個(gè)標(biāo)記代碼就自動結(jié)束，一般就是以EO1標(biāo)記表示蠟束。EOI, End of Image,圖像結(jié)束2字節(jié)標(biāo)記代碼2字節(jié)固定值0xFFD9這里補(bǔ)充說明一下，由于在JPEG文件中OxFF具有標(biāo)志性的意思，所以在 壓縮數(shù)據(jù)流（真正的圖像信息）中出現(xiàn)OxFF,就需要作符別處理，具體方法是，在數(shù)據(jù)OxFF后添加一個(gè)沒有站義的0x00,決句話說，如果在圖嫁數(shù)撼流中璉到OxIT,應(yīng)該檢測其緊檳著的字符，如果是1）0x00,則表示OxFF是圖像流的組成部分，需要進(jìn)行譯碼；2）0xD9,則與OxFF組成標(biāo)記E0I,則

14、圖像流結(jié)束，同時(shí)圖像文件結(jié)束；3）0xD00xD7,則組成RSTn標(biāo)記，則要忽視整個(gè)RSTn標(biāo)記,即不對當(dāng)前OxFF 和緊接的OxDn兩個(gè)字節(jié)進(jìn)行譯碼，并按RST標(biāo)記的規(guī)則調(diào)整譯碼變量；3）OxFF,則忽視當(dāng)前OxFF,對后一個(gè)OxFF再作判斷；4）其他數(shù)值，則忽視當(dāng)前OxFF,并保留緊接的此數(shù)值用于譯碼。二、JPEG解碼過程詳解下面來詳細(xì)講述JPEG文件的解碼過程。1. 讀入文件的相關(guān)信息按照上述的JPEG文件數(shù)據(jù)存儲方式，把要解碼的文件的相關(guān)信息一一讀出, 為接下來的解碼工作做好準(zhǔn)備。參考方法是，設(shè)計(jì)一系列的結(jié)構(gòu)體對應(yīng)各個(gè)標(biāo)記，并存儲標(biāo)記內(nèi)興示的倍息.其中圖橡長寬、多個(gè)量化來和哈夫曼來、水

15、平/垂宜采樣因子等多項(xiàng)佶息比較至要以下給岀讀瑕孩程中的兩個(gè)問趣。1）整個(gè)文件的大體結(jié)構(gòu)JFIF格式的JPEG文件（*. jpg）的一般順序?yàn)?SOI（0xFFD8）APPO（OxFFEO）APPn （OxFFEn）可選DQT（OxFFDB）SOFO(OxFFCO)DHT（0xFFC4）SOS（OxFFDA） 壓縮數(shù)據(jù)EOI（0xFFD9）2）字的髙低位問題JPEG文件格式中，一個(gè)字（16位）的存儲使用的是Motorola格式，而不是 Intel格式。也就是說，一個(gè)字的商字節(jié)（高8位在數(shù)據(jù)流的前面.低字節(jié)（低8（4）在數(shù)據(jù)說的后面，與平時(shí)習(xí)慣的Intel格式不一樣。.3）讀出哈夫曼表數(shù)據(jù)a）理論

16、說明在標(biāo)記段DHT內(nèi)，包含了 一個(gè)或者多個(gè)的哈夫曼表。對于單一個(gè)哈夫曼表， 應(yīng)該包括了三部分：哈夫曼表ID和表類型這個(gè)字節(jié)的值為一般只有四個(gè)0x00、0x01、0x10、Oxllo0x00表示DC直流0號表；0x01表示DC直流1號表；0x10表示AC交流0號表；0x11表示AC交流1號表。不同位數(shù)的碼字?jǐn)?shù)量JPEG文件的哈夫曼編碼只能是116位。這個(gè)字段的16個(gè)字節(jié)分別表示 廣16位的編碼碼字在哈夫曼樹中的個(gè)數(shù)。編碼內(nèi)容這個(gè)字段記錄了哈夫曼樹中各個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)的權(quán)。所以，上一字段（不同 位數(shù)的碼字?jǐn)?shù)量）的16個(gè)數(shù)值之和就應(yīng)該是本字段的長度，也就是哈夫曼樹中葉子結(jié)點(diǎn)個(gè)敦，b）舉例說明以下面一段哈夫

17、曼表數(shù)據(jù)舉例說明（數(shù)據(jù)全部以16進(jìn)制表示）：11 00 02 02 00 05 01 06 01 00 00 00 00 00 00 00 0000 01 11 02 21 03 31 41 12 51 61 71 81 91 22 13 32紅色部分（第1字節(jié)）為哈夫曼表ID和表類型，其值0x11表示此部分?jǐn)?shù)據(jù) 描述的是AC交流1號表。藍(lán)色部分（217字節(jié)）為不同位數(shù)的碼字的數(shù)量。這16個(gè)數(shù)值實(shí)際意義為： 沒有1位和4位的哈夫曼碼字：2位和3位的碼字各有2個(gè)；5位碼字有5個(gè)；6位和8字各有1個(gè)：7位碼字各有6個(gè)；沒有9位或以上的琦字綠色部分（1834字節(jié)）為編碼內(nèi)容。由藍(lán)色部分?jǐn)?shù)據(jù)知道，此哈

18、夫曼樹有 0+2+2+0+5+1+6+1=17 個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)，即本字段應(yīng)該有17個(gè)字節(jié).這段數(shù)據(jù)浪示17個(gè)葉子皓點(diǎn)按從小到大排列.其權(quán)值依次為0、1、11. 2、21、3、31、414）建立哈夫曼樹a）理論說明在讀岀哈夫曼表的數(shù)據(jù)后，就要建立哈夫曼樹。具體方法為：1）第一個(gè)碼字必定為0o如果第一個(gè)碼字位數(shù)為1,則碼字為0；如果第一個(gè)碼字位數(shù)為2,則碼字為00；如此類推。2）從第二個(gè)碼字開始，如果它和它前面的碼字位數(shù)相同，則當(dāng)前碼字為它前面的碼字加1;如果它的位數(shù)比它前面的碼字位數(shù)大，則當(dāng)前碼字是前面的碼字加1后再在 后邊添若干個(gè)0,直至滿足位數(shù)長度為止。b）舉例說明繼續(xù)以上邊的例子說明問題。由于

19、沒有1位的碼字，所以第一個(gè)碼字的位數(shù)為2,即碼字為00； 由于2位的碼字有兩個(gè)，所以第二個(gè)碼字位數(shù)仍為2,即碼字為00+1=01；第三個(gè)碼字為3位，比第二個(gè)碼字長1位，所以第三個(gè)碼字為：01 + 1二10, 然后再添1個(gè)“0”，得100；如此類推，最后得到這個(gè)哈夫曼樹如下:序 號碼字長 度碼字權(quán)值12000x0022010x01331000x11431010x0255110000x2165110010x0375110100x3185110110x4195111000x1210Y61110100x5111711101100x6112711101110x718114711

20、110010x9115711110100x2216711110110x131780x32特別注意的是，如果中間有某個(gè)位數(shù)的碼字缺失，例如沒有4位碼字，則應(yīng) 該在3位碼字加1后，添加“00”補(bǔ)足5位，形成下一個(gè)5位碼字。在準(zhǔn)備好所有的圖片信息后，就可以對圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼了。I2. 初步了解圖像數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)1)理論說明分析圖像數(shù)據(jù)流的結(jié)構(gòu)，筆者準(zhǔn)備以一個(gè)從宏觀到微觀的順序?yàn)樽x者詳細(xì)剖析， 即：數(shù)據(jù)流最小編碼單元數(shù)據(jù)單元與顏色分量。a)在圖片像素?cái)?shù)據(jù)流中，信息可以被分為一段接一段的最小編碼單元(Minimum Coded Unit, MCU)數(shù)據(jù)流。所iSMCU,是圖像中一個(gè)正方矩陣像素的敦錯(cuò).矩陣

21、的大小是這樣確定的：查閱標(biāo)記S0F0,可以得到圖像不同顏色分量的采樣因子，即Y、Cr. Cb 三個(gè)分量各自的水平采樣因子和垂直采樣因子。大多圖片的采樣因子為4： 1： 1或1： 1： 1.其中，4： 1： 1(2*2) :(1*1) ：1*1) ) ： 1： 1： 1即(1*1) :(1*1) :(1*1).記三個(gè)分量中水平采樣因子最大值為Umax,垂直采樣因子最大值為Vmax,那么如果，整幅圖像的寬度和髙度不是MCU寬度和高度的整較倍，那么編碼時(shí)會用某些較偵填充進(jìn)去.保證解碼過程中HCU的完整性（解碼完成后，可直接忽視圖像寬度和高度外的救期）。在數(shù)據(jù)流中，MCU的排列方法是從左到右，從上到下

22、。b）每個(gè)MCI；又分為若干個(gè)數(shù)據(jù)單元。數(shù)據(jù)單元的大小必定為8*8,所以每個(gè)MCU 的數(shù)據(jù)單元個(gè)數(shù)為Hmax*Vmaxo另外JPEG的壓縮方法與BMP文件有所不同，它不是把毎個(gè)後素的顏色分量連續(xù)存儲在一起的.而是把圖片分咸Y, Cr. Cb三張子圖，然后分別壓縮。而三個(gè)顏色分量的采樣密度（即采樣因子）可能一樣（例如1： 1： 1也可能不一樣（例如4： I： I每個(gè)MCU內(nèi)部，數(shù)據(jù)的順序是Y、Cr、Cbo如果一個(gè)顏色分量有多個(gè)數(shù)據(jù)單 元，則順序是從左到右，從上到下。2）舉例說明下面通過一幅32*35的圖像，對上面兩個(gè)問題列出兩種采樣因子的具體說明。圖1整張完整的圖像（4： 1： 1）圖2將圖像的

23、MCU1放大圖1及圖3中灰色部分為實(shí)際圖像大?。?2px*35px）；粗虛線表示各個(gè)MCU 的分界；細(xì)虛線表示MCU內(nèi)部數(shù)據(jù)單元的分界。a）采樣因子為4： 1： 1此時(shí)，Hmax=max （2, 1, 1） =2, Vmax=max （2, 1, 1） =2 所以，MCU 的 寬為 Hmax*8=16像素，高為恤曲8二16像札 圖像冥際的寛剛好是2個(gè)MCU,但商愿稍稍大于2個(gè)HCU的高度，所以要補(bǔ)足3行HCI；在數(shù)據(jù)流中，MCU 的順序是 MCU1 MCU2 MCU3 MCU4 MCU5 MCl6 每個(gè)MCU又分為Hmax*Vmax=2*2=4個(gè)數(shù)據(jù)單元。由于采樣因子是4： 1： 1, 即（2

24、*2） :（1*1） :（1*1）,所以Y分量的水平和垂直方向都是密2個(gè)很素釆樣2次；分量和Cb分量的水平和垂宜方向都是毎2個(gè)像疾釆樣1次。因此，在一個(gè)MCU來里邊，Y分量禰256個(gè)采樣點(diǎn)，即4個(gè)完整的數(shù)捱單元：Ci分量和Cb分量各自只有64個(gè)采樣點(diǎn)。如果以MCU1說明MCU數(shù)據(jù)的次序，則依次為Y.、丫2、丫5 X、Cg 1256 O 圖2中全部256個(gè)點(diǎn)均是Y的采樣點(diǎn)，紅色部分為Cr分量和Cr分量的采樣 點(diǎn)。換句話說，對于整張圖片來說，數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)依次是：Cb347&、Yi、丫2、丫5、丫6、Crl256、Cb1256、丫3、Y.、Y八人、Cr3.178、9、 Y10、 Y13、 M x C

25、rgiO13H x CbgiO13H 圖3整張完整的圖像（1： 1： 1）b）采樣因子為1： 1： 1如圖 3。Hmax=max （1, 1, 1） =1, Vmax=max （1, 1, 1）二2。所以，MCU 的寬為Hmax*8=8像素，高為Vmax*8=8像素。圖錢實(shí)際的寛換好是4個(gè)HOJ.但高則稍稍大于4個(gè)MCU的高度所以要補(bǔ)足5 ft MCU,在數(shù)據(jù)流中，MCU的順序是：MCU1 MCU2 MCU3 MCU4 MCU18MCU19 MCU20。每個(gè)MCU又分為Hmax岬max=l*l=l個(gè)數(shù)據(jù)單元，也就是一個(gè)數(shù)據(jù)單元就是 一個(gè)MCU。由于采樣因子是1： 1： 1,即（1*1） : （

26、1*1） : （1*1） 所以Y分Cr分量和Cb分的水平和垂克方向都是每】個(gè)橡素采樣I次，也就是圖取的每一個(gè)像素都是采樣點(diǎn).因此.在一個(gè)MCU來里邊，Y分量、Ci分量和Cb分長各自有64個(gè)采樣點(diǎn)。有因此，對于整張圖片來說，數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)依次是：Y!、Cm CbJ、丫2、Cr2、CbJ、Y3、Cm CbJ、 Y】9、Cm、CbJ、Yr、Cr20、Cb20 o3. 顏色分量單元的內(nèi)部解碼1）理論說明顏色分量單元”是筆者為說明問題而建立的概念，指的是MCU中某個(gè)顏 色分量中的一個(gè)8*8數(shù)據(jù)塊，例如上面提到的Y- Cr,. Cb都是一個(gè)顏色分 量單元。圖像數(shù)據(jù)流是以位（bit）為單位存儲信息的。并且內(nèi)部

27、的數(shù)據(jù)都是在編 碼時(shí)通過正向離散余弦變換（FDCT）進(jìn)行時(shí)空城向頻率域變換而得到的結(jié)果，所以對于每個(gè)頷色分量單元都應(yīng)該由兩部分姐成：I個(gè)宜流分量和63個(gè)交流分解碼的過程其實(shí)就是哈夫曼樹的查找過程。首先查閱標(biāo)記段SOS中的顏色分量信息，可以得出各個(gè)顏色分量對應(yīng)使用 的直流分量和交流分量使用的哈夫曼樹編號。一般來說，Y分量：直流分量：直流0號哈夫曼樹，交流分量：交流0號哈夫曼樹;Cr分量：直流分量：直流1號哈夫曼樹，交流分量：交流1號哈夫曼樹； Cb分量：直流分量：直流1號哈夫曼樹，交流分量：交流1號哈夫曼樹。顏色分量單元內(nèi)部綜合運(yùn)用了 RLE行程編碼和哈夫曼編碼來壓縮數(shù)據(jù)。每個(gè) 像素的數(shù)據(jù)流由兩

28、部分構(gòu)成：編碼和數(shù)值，并且兩者基本以互相隔開方式出現(xiàn)（陰非該編碼的權(quán)值為篆）具體讀入草個(gè)顏色分量單元的步腺如下：a）從此顏色分量單元數(shù)據(jù)流的起點(diǎn)開始一位一位的讀入，直到讀入的編碼與該 分量直流哈夫曼樹的某個(gè)碼字（葉子結(jié)點(diǎn)）一致.然后用直謊哈夫曼樹查得該瑪字對應(yīng)的權(quán)值。權(quán)值（共8位）錄示該直流分量數(shù)值的二進(jìn)制lift.也就是接下來需妾瀆入 的位九b）繼續(xù)讀入位數(shù)據(jù)，直到讀入的編碼與該分量交流哈夫曼樹的某個(gè)碼字（葉子 結(jié)點(diǎn)）一致，然后用交流哈夫曼樹查得該碼字對應(yīng)的權(quán)值。權(quán)值的商4位表示當(dāng)前數(shù)值做面有多少個(gè)連續(xù)的篆低4位表示該交流分量敦值的二進(jìn)制位盤，也就是接下來需 要瀆入的位數(shù)。c）不斷重復(fù)步驟b

29、,直到滿足交流分量數(shù)據(jù)結(jié)束的條件。而結(jié)束條件有兩個(gè), 只要滿足其中一個(gè)即可： 當(dāng)讀入碼字的權(quán)值為零，表示往后的交流變量全部為零； 已經(jīng)讀入63個(gè)交流分量。d）各個(gè)數(shù)值的譯碼是按下表進(jìn)行的:實(shí)際數(shù)值編碼長度編碼00-1,110,1- 3 廠2 2 3200,01,10,117,-6,5,一4,4,5,6,73000,001,010,011,100,101,110,11115,8,8,1540000,0111,1000,1111-31,，一16,16,31500000,01111,10000,1111163,32.32,636-127,，-64,64,1277-255,，-128,128,2558

30、-511,-256,256,5119-1023,-512,512,102310-2047,，-1024,1024,204711-4095,-2048,2048,409512-8191，-4096,4096,，819113-16383,3，-8192,8192，-,163814-32767,767，-16384,16384,，32152）舉例說明下面舉例說明以上幾點(diǎn)。某個(gè)顏色分量單元數(shù)據(jù)如下：D3 5E 6E 4D 35 f5 8A若以二進(jìn)制表示，則為：1101 0011 0101 1110 0110 1110 0100 1101 0011 0101 1111 0101 1000 1010假設(shè)該

31、顏色分量單元對應(yīng)以下直流哈夫曼樹和交流哈夫曼樹，則可將各個(gè) 以位為單位的數(shù)據(jù)流拆分如下：詳細(xì)說明一下：讀入數(shù)據(jù)流并對照直流哈夫曼樹，第一個(gè) 哈夫曼編碼為110,其權(quán)值為6,所以往后讀 入6位數(shù)據(jù)“ 1001101,譯碼成數(shù)值為77。 因?yàn)槊總€(gè)顏色分量單元只有一個(gè)直流分量，所 以下一個(gè)就是第一個(gè)交流分量了。繼續(xù)讀入數(shù)據(jù)流并對照交流哈夫曼樹，得 哈夫曼編碼為01,其權(quán)值為1,所以它的前面 沒有零，并往后讀如1位數(shù)據(jù)“1”，譯碼成 數(shù)值為lo如此往復(fù)，最后讀到哈夫曼編碼 “00”，其權(quán)值為0,所以滿足交流變量結(jié)束 條件（最后剩余的“01010對本顏色分量單 元來說是冗余的，它可能屬于下一個(gè)顏色分量

32、單元）。實(shí)際上，這段數(shù)據(jù)譯碼為：77,(0,(0, 1) , (0, 5) , (0, -6),-3) , (5, 1) , (2, 3)因此，把它置于1個(gè)8*8的矩陣中應(yīng)為:7715-6-3t000001003000000000000000000000000Y00000000000)0000000000000000022010x01331000x11431010x0255110000x2165110010x0375110100x3185110110x4195111000x121061110100x5111711101100x6112711101110x7113711110000x811471

33、1110010x9115711110100x2216711110110x131780x324. 直流系數(shù)的差分編碼把所有的顏色分量單元按顏色分量（Y、Cr. Cb）分類。每一種顏色分量 內(nèi)，相鄰的兩個(gè)顏色分量單元的直流變量是以差分來編碼的.也就是說，通過步驟3劇碼出來的宜流變量數(shù)值只是當(dāng)號頷色分量單元的實(shí)際直流變量純?nèi)デ耙粋€(gè)頷魚分量單元的實(shí)際直流變量，也就是說，當(dāng)前克流變長要通過前一個(gè)顏色分量單元的實(shí)際（非解碼）直流分量來校正：DCn=DCn-l+Diff其中Diff為差分校正變量，也就是直接解碼出來的直流系數(shù)。但如果當(dāng) 前顏色分量單元是第一個(gè)單元，則解碼出來的直流數(shù)值就是真正的直流變量。再次

34、提醒的是，3個(gè)顏色分量的直流變量是分開進(jìn)行差分編碼的。也就是 說，為1張圖片解碼時(shí)應(yīng)設(shè)置3個(gè)獨(dú)立的直流校正變量.另一個(gè)問題是，當(dāng)數(shù)錯(cuò)流中出現(xiàn)標(biāo)記RSTn.則3個(gè)頷色分量的立謙差分校正Diff都需要至新復(fù)位到O5. 反量化不同的顏色分量使用不同的量化表，這個(gè)可以從標(biāo)記段S0F中的顏色分量 信息字段查得。一般是Y分量使用量化表0,而Cr、Cb兩個(gè)分量共同使用量 化表lo反量化的過程比較簡單。只需要對8*8的顏色分量單元的64個(gè)值逐一乘 以對應(yīng)的量化表內(nèi)位置相同的值則可。圖像內(nèi)全部的顏色分量單元都要進(jìn)行 反量化。6. 反Zig-zag編碼如果將反量化后的每個(gè)8*8顏色分量單元的每個(gè)元素編號，如下圖4

35、,那 么各反Zig-zag編碼的過程就是把矩陣元素按圖5重新排列。圖4將顏色分量單元元素編碼圖5反Zig-zag編碼關(guān)于量化和反Zig-zag編碼的先后順序，筆者查閱的幾份資料有不同的見 解。經(jīng)過實(shí)踐試驗(yàn)，解碼的過程中，是應(yīng)該直接用文件根供的量化表反量化矩庫敦?fù)u，再將其反Zig-zng編珂才能正確解碼。7. 隔行的正負(fù)糾正這個(gè)問題比較特別，因?yàn)樵诠P者認(rèn)真閱讀的幾份資料中都沒有提及此問題。 而是筆者通過對已知圖像進(jìn)行JPEG編碼壓縮，熱馬和該圖的JPEG文件數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)的問題。具體黒因不明.實(shí)際上，就是必須對每個(gè)顏色分量單元的奇數(shù)行（每個(gè)顏色分量單元有8 行，假設(shè)把它按0、1、6、7編出行號），

36、即1、3、5. 7行，進(jìn)行瑕相反數(shù)擬作（正的變負(fù)，負(fù)的變正）8. 反離散余弦變換之前提到，文件中的數(shù)據(jù)是在編碼時(shí)通過正向離散余弦變換（FDCT）進(jìn)行 時(shí)空域向頻率域變換而得到的結(jié)果，所以現(xiàn)在解碼就必須將具反向離敢余弦變茯（IDCT）,就是把顏色分量單元矩陣中的頻率城數(shù)值向時(shí)空域林換。并且原 來的頻率城的拒陣大小為8*8,則經(jīng)過反向離散余技交換后，時(shí)空城的矩陣仍然是8*8,設(shè)正負(fù)糾正后的頻率域矩陣為Fuv,而反向離散余弦變換后的矩陣為 fij,其中0Wu,v,i,jW7具體使用的公式如下：,其中C （u）=（當(dāng) u二0） , C （u） =1 （當(dāng) 11H0）；C （v）=（當(dāng) v=0） , C

37、 （u） =1 （當(dāng) vHO）；I1另外補(bǔ)充一下正向離散余弦變換的公式，用于編碼：9. YCrCb 向 RGB 轉(zhuǎn)換要在屏幕上顯示圖像，就必須以RGB模式表示圖像的顏色。所以，解碼時(shí) 需要把YCrCb模式向RGB模式轉(zhuǎn)換。正如前面提到，并不是每種顏色分量的采樣因子都一樣，所以轉(zhuǎn)換時(shí)需要 注意。如果采樣因子是1: 1: 1,則每一個(gè)像素點(diǎn)的3個(gè)顏色分fW采樣，所以沒有間題但1： 1： 1的采樣因子就不一樣了.由了解圖像數(shù)據(jù)流的二一節(jié)中對4： 1： 1的采樣因子的分析.可以知邀一個(gè)NCU星有4個(gè)Y分量單元，而Cr分量和Cb分量各自只有I個(gè)分量單元以圖2為例，僅有的一個(gè)Ci分量單元（紅色的64個(gè)采樣點(diǎn)應(yīng)該平鋪用于4個(gè)Y分量單元，即左上危16個(gè)值用于YI,右 上角16個(gè)值用于丫2,左下金16個(gè)值用于Y5,右下兔16個(gè)值用于Y6。換句話說一個(gè)Ci采樣點(diǎn)服務(wù)于4個(gè)Y采樣點(diǎn).對于Cb分量，追理一樣。另外，由于離散余弦變化要求定義域的對稱，所以在編碼時(shí)把RGB的數(shù)值 范圍從0, 255統(tǒng)一減去128偏移成-128, 127。因此解碼時(shí)必須為毎個(gè)分量加上12&具體公式如下：r二Y +*Cb +128；G=*Cr