靜態(tài)圖像的JPEG技術(shù)標準

1、4 43 3 靜態(tài)圖像的靜態(tài)圖像的JPEGJPEG技術(shù)標準技術(shù)標準 JPEG JPEG 全名為全名為 Joint Photographic Experts GroupJoint Photographic Experts Group（聯(lián)合攝影專家組），它是一個在國際標準組織（聯(lián)合攝影專家組），它是一個在國際標準組織(ISO)(ISO)下從事靜態(tài)圖像壓縮標準制定的委員會。下從事靜態(tài)圖像壓縮標準制定的委員會。 JPEGJPEG專家組開發(fā)了專家組開發(fā)了兩種基本的壓縮算法兩種基本的壓縮算法，一種是采，一種是采用以離散余弦變換用以離散余弦變換(Discrete Cosine Transform(Discr

2、ete Cosine Transform，DCT)DCT)為基礎(chǔ)的有損壓縮算法為基礎(chǔ)的有損壓縮算法，另一種是采用以預(yù)測技術(shù)為基另一種是采用以預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法礎(chǔ)的無損壓縮算法。 為了在保證圖像質(zhì)量的前提下進一步提高壓縮比，為了在保證圖像質(zhì)量的前提下進一步提高壓縮比，近年來近年來JPEGJPEG專家組正在制定專家組正在制定JPEG 2000(JPEG 2000(簡稱簡稱JP 2000)JP 2000)標標準，這個標準中將采用小波變換準，這個標準中將采用小波變換(wavelet)(wavelet)算法算法 JPEGJPEG壓縮是有損壓縮，它利用了人的視角系統(tǒng)的特壓縮是有損壓縮，它利用了人

3、的視角系統(tǒng)的特性，使用量化和無損壓縮編碼相結(jié)合來去掉性，使用量化和無損壓縮編碼相結(jié)合來去掉視角的冗余視角的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息。JPEGJPEG算法框圖如下圖所示算法框圖如下圖所示 JPEG壓縮編碼-解壓縮算法框圖 由于由于JPEGJPEG希望滿足各種應(yīng)用的需要希望滿足各種應(yīng)用的需要, ,而實際上用一種算法而實際上用一種算法是很難做到這一點是很難做到這一點. .于是于是JPEGJPEG算法分成兩類：算法分成兩類：基本算法基本算法和和擴展擴展算法算法。其中基本算法又包括：。其中基本算法又包括：有失真算法和無失真算法有失真算法和無失真算法。下面。下面以基本算法為例加

4、于說明。以基本算法為例加于說明。 有失真算法是基于有失真算法是基于DCTDCT變換的。包括最簡單的基本順序過程和變換的。包括最簡單的基本順序過程和基于基本順序的四種擴展順序?；诨卷樞虻乃姆N擴展順序。 JPEGJPEG壓縮編碼算法的主要計算步驟如下：壓縮編碼算法的主要計算步驟如下：1.1. 正向離散余弦變換正向離散余弦變換(FDCT)(FDCT)。 2.2. 量化量化(quantization)(quantization)。 3.3. Z Z字形編碼字形編碼(zigzag scan)(zigzag scan)。 4.4. 使用差分脈沖編碼調(diào)制使用差分脈沖編碼調(diào)制(differential p

5、ulse code (differential pulse code modulationmodulation，DPCM)DPCM)對直流系數(shù)對直流系數(shù)(DC)(DC)進行編碼。進行編碼。 5.5. 使用行程長度編碼使用行程長度編碼(run-length encoding(run-length encoding，RLE)RLE)對交流對交流系數(shù)系數(shù)(AC)(AC)進行編碼。進行編碼。 1. 1. 正向離散余弦變換正向離散余弦變換下面對正向離散余弦變換(FDCT)變換作幾點說明。(1) 對每個單獨的彩色圖像分量，把整個分量圖像分成88的圖像塊，如下圖所示，并作為兩維離散余弦變換DCT的輸入。通過

6、通過DCT變換，把能量集中在少數(shù)幾個系數(shù)上。變換，把能量集中在少數(shù)幾個系數(shù)上。 (2) DCT變換使用下式計算 它的逆變換使用下式計算， 上面兩式中， C(u), C(v) = 1/, 當u, v = 0； C(u), C(v) = 1, 其他。 f(i, j)經(jīng)DCT變換之后，F(xiàn)(0，0)是直流系數(shù)，其他為交流系數(shù)。(3) 在計算兩維的DCT變換時，可使用下面的計算式把兩維的DCT變換變成一維的DCT變換， 兩維DCT變換方法 2. 2. 量量 化化 量化是對經(jīng)過FDCT變換后的頻率系數(shù)頻率系數(shù)進行量化。量化的目的是量化的目的是減小非減小非“0”0”系數(shù)的幅度以及增加系數(shù)的幅度以及增加“0”

7、0”值系數(shù)的數(shù)目值系數(shù)的數(shù)目。量化是圖量化是圖像質(zhì)量下降的最主要原因。像質(zhì)量下降的最主要原因。 對于有損壓縮算法，對于有損壓縮算法，JPEGJPEG算法使用均勻量化器進行量化，量化算法使用均勻量化器進行量化，量化步距是按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來確定。步距是按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值來確定。均勻量化器均勻量化器 亮度量化值亮度量化值 色度量化值色度量化值 3. Z3. Z字形編排字形編排 量化后的系數(shù)要重新編排，目的是為了增加連續(xù)的量化后的系數(shù)要重新編排，目的是為了增加連續(xù)的“0”0”系數(shù)系數(shù)的個數(shù)，就是的個數(shù)，就是“0”0”的游程長度，方法是按照的游程長度，方法是

8、按照Z Z字形的式樣編排，字形的式樣編排，如如下下圖所示。這樣就把一個圖所示。這樣就把一個8 8 * * 8 8的矩陣變成一個的矩陣變成一個1 1* * 64 64的矢量，的矢量，頻率較低的系數(shù)放在矢量的頂部。頻率較低的系數(shù)放在矢量的頂部。4. 4. 直流系數(shù)的編碼直流系數(shù)的編碼 8 8 * *8 8圖像塊經(jīng)過圖像塊經(jīng)過DCTDCT變換之后得到的變換之后得到的DCDC直流系數(shù)有兩個特點，直流系數(shù)有兩個特點，一是系數(shù)的數(shù)值比較大，二是相鄰一是系數(shù)的數(shù)值比較大，二是相鄰8 8 * * 8 8圖像塊的圖像塊的DCDC系數(shù)值變化不系數(shù)值變化不大（大（具有一定的相關(guān)性）具有一定的相關(guān)性）。根據(jù)這個特點，

9、。根據(jù)這個特點，JPEGJPEG算法使用了差分脈算法使用了差分脈沖調(diào)制編碼沖調(diào)制編碼(DPCM)(DPCM)技術(shù)，對相鄰圖像塊之間量化技術(shù)，對相鄰圖像塊之間量化DCDC系數(shù)的差值系數(shù)的差值(Delta)(Delta)進行編碼，進行編碼，DeltaDeltaDCDC(0, 0)(0, 0)k k- -DCDC(0, 0)(0, 0)k k-1-1 5. 5. 交流系數(shù)的編碼交流系數(shù)的編碼 量化量化ACAC系數(shù)的特點是系數(shù)的特點是1 1* *6464矢量中包含有許多矢量中包含有許多“0”0”系數(shù)，并且系數(shù)，并且許多許多“0”0”是連續(xù)的，因此使用非常簡單和直觀的游程長度編碼是連續(xù)的，因此使用非常簡

10、單和直觀的游程長度編碼(RLE)(RLE)對它們進行編碼。對它們進行編碼。6. 6. 熵編碼熵編碼 使用熵編碼還可以對使用熵編碼還可以對DPCMDPCM編碼后的直流編碼后的直流DCDC系數(shù)和系數(shù)和RLERLE編碼后的交編碼后的交流流ACAC系數(shù)作進一步的壓縮。系數(shù)作進一步的壓縮。 在在JPEGJPEG有損壓縮算法中，使用有損壓縮算法中，使用HuffmanHuffman編碼器來減少熵。使用霍編碼器來減少熵。使用霍夫曼編碼器的理由是可以使用很簡單的查表夫曼編碼器的理由是可以使用很簡單的查表(lookup table)(lookup table)方法進方法進行編碼。壓縮數(shù)據(jù)符號時，霍夫曼編碼器對出現(xiàn)

11、頻度比較高的符號行編碼。壓縮數(shù)據(jù)符號時，霍夫曼編碼器對出現(xiàn)頻度比較高的符號分配比較短的代碼，而對出現(xiàn)頻度較低的符號分配比較長的代碼。分配比較短的代碼，而對出現(xiàn)頻度較低的符號分配比較長的代碼。這種可變長度的霍夫曼碼表可以事先進行定義。這種可變長度的霍夫曼碼表可以事先進行定義。DCDC系數(shù)的編碼分兩步進行：系數(shù)的編碼分兩步進行：1 1：由分組：由分組ssssssss和和DCDC系數(shù)構(gòu)造系數(shù)構(gòu)造中間碼中間碼。( (中間碼中間碼=(ssss)(差分差分DC系數(shù)系數(shù))2 2：利用中間碼的分組大小查找亮度（或色度）：利用中間碼的分組大小查找亮度（或色度）DCDC系數(shù)的霍夫曼編系數(shù)的霍夫曼編碼表，碼表， 得

12、到該分組的編碼得到該分組的編碼, ,將此編碼放在前面。將此編碼放在前面。3 3：在查得分組編碼的后面附加上：在查得分組編碼的后面附加上DCDC系數(shù)的編碼值（采用補碼形系數(shù)的編碼值（采用補碼形式）。式）。即：即：DCDC系數(shù)的編碼系數(shù)的編碼 = =（分組（分組ssssssss的編碼）（的編碼）（DCDC系數(shù)的編碼值）系數(shù)的編碼值） ACAC系數(shù)的編碼系數(shù)的編碼 = =（行程長度（行程長度/ /分組大小）（分組大?。ˋCAC系數(shù)的編碼值）系數(shù)的編碼值）其中：其中：行程長度行程長度 = = 非零系數(shù)前的零的個數(shù)非零系數(shù)前的零的個數(shù)分組大小分組大小 = = 非零值的分組大小非零值的分組大小ACAC系

13、數(shù)的編碼值系數(shù)的編碼值 = AC= AC系數(shù)的補碼系數(shù)的補碼舉例：舉例：大小（ssss)DC或AC系數(shù)值001-1，12-3,-2,2,33-7,-6,-5-4,4,5,6,74-15-8,8155-31-16,1631差分差分DC及規(guī)格化及規(guī)格化AC系數(shù)分組表系數(shù)分組表一、一、DCDC系數(shù)的編碼系數(shù)的編碼1 1：DCDC系數(shù)系數(shù)1515，假如其前一個樣本的，假如其前一個樣本的DCDC系數(shù)系數(shù)1313，則差值為，則差值為2 2，查表得分組大小為，查表得分組大小為2.2.2 2：用分組大小查亮度或色度：用分組大小查亮度或色度DCDC系數(shù)系數(shù)HuffmanHuffman表，得該分組的編碼為表，得該

14、分組的編碼為011011。3 3：在分組的編碼為：在分組的編碼為011011的后面附加上的后面附加上DCDC系數(shù)系數(shù)2 2的補碼（的補碼（1010），得），得DCDC系數(shù)的輸出編系數(shù)的輸出編碼為碼為0111001110。二、二、ACAC系數(shù)的編碼系數(shù)的編碼1 1：對：對ACAC系數(shù)進行系數(shù)進行“Z”Z”字排序，得：字排序，得：0-2-1-100-10000-2-1-100-10000000002:2:第一個非零值為第一個非零值為-2-2，查表得分組大小為，查表得分組大小為2 2，其前面的零的個數(shù)為，其前面的零的個數(shù)為1 1，即行程長度，即行程長度為為1 1，于是中間碼的前半部分為，于是中間碼的

15、前半部分為1/21/2；而后半部分為；而后半部分為-2-2的補碼表示的補碼表示1010。3 3：再由中間碼的前半部分為：再由中間碼的前半部分為1/21/2查查JPEGJPEG提供的亮度或色度提供的亮度或色度ACAC系數(shù)系數(shù)HUFFMANHUFFMAN表，得表，得此系數(shù)的編碼為此系數(shù)的編碼為1101111011。三：綜上所述，我們可用中間碼的形式表示前面所舉三：綜上所述，我們可用中間碼的形式表示前面所舉8 8* *8 8樣本子塊：樣本子塊：(2)(2),(1/2)(-2),(0/1)(-1),(0/1)(-1),(0/1)(-1),(2/1)(-1),(0/0)(2)(2),(1/2)(-2),

16、(0/1)(-1),(0/1)(-1),(0/1)(-1),(2/1)(-1),(0/0)利用利用JPEGJPEG提供的提供的HUFFMANHUFFMAN表，可得到最后的熵編碼的輸出序列為：表，可得到最后的熵編碼的輸出序列為：01110110110100000000011100010100111011011010000000001110001010 可見，經(jīng)過處理后，表示可見，經(jīng)過處理后，表示8 8* *8 8樣本只需要樣本只需要31bit31bit。壓縮后，每樣本不到。壓縮后，每樣本不到0.50.5個個bitbit. .總之，有失真編碼過程的關(guān)鍵步驟如下：總之，有失真編碼過程的關(guān)鍵步驟如下：1 1、對、對8 8* *8 8子塊進行快速離散余弦變化（子塊進行快速離散余弦變化（FDCTFDCT）2 2、利用、利用JPEGJPEG提供的量化間隔表對系數(shù)進行量化。提供的量化間隔表對系數(shù)進行量化。3 3、對、對DCDC系數(shù)取差分，對系數(shù)取差分，對ACAC系數(shù)進行系數(shù)進行“Z”Z”字形排列。字形排列。4 4：對：對DCDC系數(shù)和系數(shù)和ACAC系數(shù)進行熵編碼。先找出中間碼，再系數(shù)進行熵編碼。先找出中間碼，再利用利用JPEGJPEG給出的表，查表即可輸出。給出的表，查表即