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JPEG文件格式简单分析

作者:HaoQiao | 时间:2016-10-11 14:57:52 | 阅读:2712| 显示全部楼层
一、    JPEG文件格式概述:
图像和动画的存储方式是一个很重要的问题。幸好我们有了数据压缩,有了JPEG等多种压缩存储图像的文件格式,我们今天才能够拿着小小的一个存储器,却存上许多张色彩鲜艳的图片。如果没有图像压缩算法,也许我们的多媒体时代就会晚到来许多年。
JPEG图像存储格式一个比较成熟的图像有损压缩格式,虽然一个图片经过转化为JPEG图像后,一些数据会丢失,但是,人眼是很不容易分辨出来这种差别的。也就是说,JPEG图像存储格式既满足了人眼对色彩和分辨率的要求,又适当的去除了图像中很难被人眼所分辨出的色彩,在图像的清晰与大小中JPEG找到了一个很好的平衡点。
虽然图像转化为JPEG格式会减小很多,但是并不是文件就变得简单了,相反,JPEG文件的格式是比较复杂的。不经过认真地分析,是不容易弄懂它的。
二、    JPEG文件的存储方式:
JPEG文件的格式是分为一个一个的段来存储的(但并不是全部都是段),段的多少和长度并不是一定的。只要包含了足够的信息,该JPEG文件就能够被打开,呈现给人们。JPEG文件的每个段都一定包含两部分一个是段的标识,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,这个值是不同的。紧接着的两个字节存放的是这个段的长度(除了前面的两个字节0xFF和0xXX,X表示不确定。他们是不算到段的长度中的)。注意:这个长度的表示方法是按照高位在前,低位在后的,与Intel的表示方法不同。比方说一个段的长度是0x12AB,那么它会按照0x12,0xAB的顺序存储。但是如果按照Intel的方式:高位在后,低位在前的方式会存储成0xAB,0x12,而这样的存储方法对于JPEG是不对的。这样的话如果一个程序不认识JPEG文件某个段,它就可以读取后两个字节,得到这个段的长度,并跳过忽略它。
下面是一个JPEG图片的信息片断:
SOI
        APP0    Length: 0x10
        DQT
                DQT [0]:
        8       6       5       8       12      20      26      31
        6       6       7       10      13      29      30      28
        7       7       8       12      20      29      35      60
        7       9       11      15      26      44      50      31
        9       11      19      28      34      56      52      0
        12      18      28      32      61      52      0       46
        25      32      39      57      52      0       60      0
        36      46      39      49      253     50      0       50
        Length: 0x43
        DQT
                DQT [1]:
        9       9       12      24      50      50      50      50
        9       11      13      33      50      50      50      50
        12      13      28      50      50      50      50      50
        24      33      50      50      50      50      50      50
        50      50      50      50      50      50      50      0
        50      50      50      50      50      50      0       50
        50      50      50      50      50      0       50      0
        50      50      50      50      253     50      0       50
        Length: 0x43
        SOF0
                Image Height: 173
                Image Width: 401
                Number of Frame(s): 3
                ****************
                Content ID: 1
                H Factor: 2
                V Factor: 2
                QT ID: 0
                ****************
                Content ID: 2
                H Factor: 1
                V Factor: 1
                QT ID: 1
                ****************
                Content ID: 3
                H Factor: 1
                V Factor: 1
                QT ID: 1
        Length: 0x11
        DHT
                Type: DC TABLE
                ID: 0
        Length: 0x1f
        DHT
                Type: AC TABLE
                ID: 0
        Length: 0xb5
        DHT
                Type: DC TABLE
                ID: 1
        Length: 0x1f
        DHT
                Type: AC TABLE
                ID: 1
        Length: 0xb5
        SOS     Length: 0xc     <-Will Not Process This Seg.
FATAL ERROR: File Structure Does NOT Support.
你首先会想到为什么最后会出现一个错误的信息呢?这是因为,在SOS(Start Of Scan)段的后面,就是编码后的一行一行的图像信息。不再是段的结构了。在开始的SOI(Start Of Image)不是一个段,它是文件的开始,它的值也是类似于0xFF,0xXX的结构(SOI的具体数值清自己察看相关书籍,本文章中将不作重点介绍),但是后面没有段的长度。在文件的最后,有一个EOI(End Of Image)的标识,它的结构和SOI是类似的。它标志着文件的结束。
在这中间,包含了APP0段,DQT段,SOF0段,DHT段,SOS段。有的段的个数是不唯一的,比方说DQT段。我们现在重点地介绍各个段的作用。
三、    JPEG文件中段的介绍:
APP0段中主要存储的是图片的识别信息(字符串”JFIF\0”)、一些分辨率的信息以及缩略图的信息。在我的实际测试中,发现并不是所有的JPEG文件都有APP0段的,有的仅是有APP2之类的其他段,但是每个文件中肯定是包含APPX的段(X可以取得的值可以查阅相关文档)。我个人估计,这些APPX的段的信息应该是大同小异。这个的验证还有待本人进一步的学习,目前只能说到这里。
DQT段的内容是量化表的信息。众所周知,一个颜色可以分为RGB(红、绿、兰)三个分量,这三色光组成了我们可以见到的所有色彩。但是,在JPEG文件中,RGB色彩格式需要先转化为YUV的格式。Y分量代表了亮度信息,UV分量代表了色差信息。相比之下,人眼对于Y分量更为敏感。量化表的作用就是对于一些不需要的量进行去除,这也是JPEG有损压缩损失数据的关键。上面的输出可以看到两个量化表,一个给Y分量,另一个给UV分量。其实,他们也可以共用一个量化表。一个量化的结果如下所示(摘自《JPEG压缩编码标准》):
15    0     -1    0     0     0     0     0
-2    -1    0     0     0     0     0     0
-1    -1    0     0     0     0     0     0
0     0     0     0     0     0     0     0
0     0     0     0     0     0     0     0
0     0     0     0     0     0     0     0
0     0     0     0     0     0     0     0
0     0     0     0     0     0     0     0
我们可以看到,量化后出现了大量的0,这种结果很有利于进行下一步的数据压缩的。
SOF0段的内容是图像的大小信息,每个像素的位数信息,以及YUV每个分量分别得的采样信息。JPEG文件图像的编码是一个方块一个方块进行的,每块的大小为8x8大小(如果图像不是整数个方块的大小那么就对图像补齐为整数个大小)。简略地说采样信息,就是如何按组记录YUV的信息,即若干个Y方块,若干个U方块,若干个V方块经过量化的数据再次经过编码后组成一组记录,保存在SOS段结束后。
DHT段的内容是一个重头戏,如果没有它,JPEG压缩效率就不会那么高了。它内部定义的是一个Huffman表,不同的DHT段定义不同的Huffman表,有的是直流量的表,有的是交流量的表。什么是直流量,什么是交流量呢?待会我再作介绍。最多的Huffman表示几个呢?YUV各一个,直流交流各一个,因为YUV每个分量都有直流和交流,所以最多时,Huffman表有3x2个,也就是可以有6个DHT段。该文件中有4个DHT表,您可以大概猜出来是哪几个表么?Y的直流和交流各一个Huffman表,UV和起来直流和交流各一个Huffman表。
所谓交流量,是经过量化后的块内部除了左上角15那个值的其余值。实际上,块与块之间左上角那个值是用直流Huffman表来单独编码的。不与块内部一同编码。虽然不同的编码,但是要注意的事,不同的编码方式并不意味着它们是不在一起的,具体的存储编码后的数据的时候,还是按照若干个Y方块,若干个U方块,若干个V方块经过量化的数据再次经过编码后组成一组记录来存储的。
SOS段的内容是关于YUV每个分量的直流和交流各使用那个Huffman表来编码的。
      
四、    JPEG文件十六进制代码解析
如果想要的了解JPEG,对十六进制代码的观察是必不可少的。要记住,每个段的开始是0xFF,0xXX,紧接着两个字节是长度信息。
可以看到,上图被选定的标记是SOI标记。
上图被选定的段是APP0段。
紧接着的段是DQT段,这个JPEG文件有两个DQT段。这里需要强调一点的是,包括量化表在内8x8的块的值是按照Z形来保存量化表8x8的数据的。而不是按照一行一行的保存的。这样做的好处是,能够让实际上相邻的像素点保存后也排列得比较近,便于压缩和编码。
上面标记的DHT段,一共有4个DHT段。
SOS段的后面就是所有压缩后的数据。
五、    图像数据块内的编码方式
其实,图像数据块的编码是比较麻烦的,它涉及到了行程编码,Huffman编码等编码方式。这部分很多文档说得都不是很清楚,我力求去除内部比较麻烦的部分,再通过简单的语言让大家明白原理,这样大家如果有兴趣进行下一步的研究,也会比较容易上手的。
我们还是使用那刚才那个包含很多0的量化后的8x8的数据块来说明。我们把块内剩余的63个数据用行程编码来编码。经过行程编码后的数据的格式是:(x,y)。x表示的是从当前位置开始有多少个连续的零,y表示这些连续的0的后面的第一个非零的数是多少。但是为了解决存储的问题和进行进一步的压缩。最后的压缩格式变为:(x,y)z。xy占有一个字节的长度。z的长度不固定,需要根据y的值来判断。x仍代表从当前位置开始有几个连续的零,但是因为x只能占有四位的长度,也就是它的最大值是15,所以,当多于16个连续的零的时候。会用一个字节的(15,0)来代替前面的16个0,然后继续编码(注意:这时候没有z部分)。当块结束或者当前块后面剩余的都是零的时候,就用(0,0)即EOB代替(同样也是没有z部分)。前面说到z的长度不固定,需要根据y的值来判断,这是为什么呢?简单的来说,z的长度是不一定的,在1~15的范围内。Y的作用简单的来说表示的是z的二进制位数(1~15),也正好是4位二进制的值能够表示的。然后,把xy合成的一个字节单独提取出来,利用DHT里面的Huffman表来进行编码。这样,编码的长度又能够被压缩了。

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大神点评4

huhaiqiang 发表于:2016-10-11 15:22:35
楼主,大腿让抱吗~~
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halleyhuang 发表于:2016-10-11 16:34:20
huhaiqiang 发表于 2016-10-11 15:22
楼主,大腿让抱吗~~

请伸出你的象腿
该会员没有填写今日想说内容.
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wujunxian 发表于:2016-10-14 14:28:15
赞赞赞,科普了
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furuihai 发表于:2016-10-14 17:57:38
图片解析显示经常出问题,好资料
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