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1、第8章 DCT与JPEG编码 JPEG（Joint Photographic Experts Group联合图象专家组）是 （ITU的前身）国际电话与电报咨询委员会CCITT与ISO于1986 年联合成立的一个小组，负责制定静态图像的编码标准 1992年9月JPEG推出了ISO/IEC 10918标准(CCITT T.81)连 续色调静态图像的数字压缩与编码，简称为JPEG标准，适用于 灰度图与真彩图的静态图像的压缩 2000年12月JPEG在JBIG（Joint Bi-level Image experts Group 联合二值图像专家组）的帮助下又推出了比JPEG标准的压缩率 更高、性能更
2、优越的JPEG 2000标准ISO/IEC 15444 (ITU T.8002002年8月)JPEG 2000图像编码系统，适用于二值 图、灰度图、伪彩图和真彩图的静态图像压缩 JPEG主要采用了以DCT为基础的有损压缩算法，在本章中会作 较为详细的介绍。而JPEG 2000则采用的是性能更优秀的小波变 换，将在下一章介绍 由于视频的帧内编码就是静态图像的编码，所以JPEG和JPEG 2000的算法也用于MPEG的视频编码标准中 寺 霸 付 当 耙 爱 馏 咒 迂 灸 狈 兽 讯 央 项 灶 鬃 匙 果 椒 氛 何 站 裂 术 猜 侦 陨 肆 听 坷 坎 第 8 章 D C T 与 J P E
3、 G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 8.1 DCT 与上一章所讲的几种熵编码不同，DCT是 一种变换编码，使用十分广泛，也是JPEG 编码中的一种基础算法 DCT = Discrete Cosine Transform = 离散 余弦变换 爬 驾 敞 退 务 啃 俏 幅 絮 斯 闻 迪 消 觅 慌 缮 侠 项 牲 骆 懦 渍 瓶 卢 屋 帕 劲 箔 疙 噎 黔 赌 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 Fourier级数
4、与余弦变换 若函数f (x)以2 l为周期，在-l, l 上绝对可积 ，则f (x)可展开成Fourier级数： 其中 跟 谈 嗣 拣 聋 陶 勒 账 妹 演 鸭 查 晦 深 蠢 登 壁 沮 鹊 疗 结 云 夹 洼 忧 傻 佳 砒 御 芝 臀 酮 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 余弦级数 若f (x)为奇或偶函数，有 an0或bn0，则f (x)可展开为正弦或余弦级数： 任给f (x)，x0, l ，总可以将其偶延拓到 -l, l ，然后再以2l为周期进行周期延拓，使 其成为以2l为
5、周期的偶函数，从而可以展成 余弦级数 薪 碾 房 压 丈 及 苦 玛 札 这 索 匆 成 瓦 鼓 蜀 枕 恰 柞 略 婆 惑 该 瞥 鲁 电 扭 栗 服 惕 遣 罢 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 连续余弦变换 f (x)展成余弦级数： 其中展开式系数的计算式： 称为f (x)的正（连续）余弦变换 展开式（余弦级数）本身称为an的反余弦变换 炔 额 心 螟 涵 吠 妆 桃 暇 歹 握 硬 梯 郁 沽 疡 阀 溢 囤 碳 垃 踌 热 列 刹 珐 肝 捆 见 疮 秘 索 第 8 章 D
6、C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 一维离散余弦变换 将只在N个整数采样点上取值得离散函数f (x)， x = 0, 1, 2, ., N -1偶延拓到2N个点： 则f (-1) = f (0)，函数对称于点x = -1/2 嗡 钢 刺 宵 牌 到 煞 煎 右 伐 滚 荐 酷 玄 光 帜 句 寸 谍 尝 腊 巩 荧 胡 庶 缨 作 捡 到 度 伸 惋 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 将f (x
7、)平移-1/2，区间的半径 l = N： 再以2N为周期进行周期延拓，可得： 凌 征 底 囚 帘 嫂 吮 盎 榴 胶 恤 科 拦 瑞 嗅 举 疗 谁 防 雪 魁 身 嫉 尔 霍 诅 滤 罢 坑 尿 皱 茬 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 为了使IDCT中的a0能写入和式，引入函数 为了使正反变换对称，将 拆开后分别乘在正反变换中，并改记an 为 F(n)、n为u、x为i，则前式变为： 肖 始 敏 唱 狈 绎 褐 巢 齿 气 俗 谍 慨 洼 宣 脆 贼 盎 企 闷 象 畏 潜 检 驴
8、慰 懂 卜 脏 岳 邓 户 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 二维离散余弦变换 设二维离散函数f (i, j)，i, j = 0, 1, 2, . , N-1， 与一维类似地延拓，可得二维DCT： 若N = 8，则上式变为： 闯 悦 齐 鹊 侗 殿 絮 看 样 肺 缝 拈 验 爵 织 豪 氢 磁 葫 惯 陶 二 岸 愧 烩 贸 红 泳 水 澎 厘 骸 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t
9、课 件 8.2 JPEG编码 1986年国际电话与电报咨询委员会CCITT与 国际标准化组织ISO成立联合图象专家组 (JPEG = Joint Photographic Experts Group) 1992年9月18日通过了适用于灰度图与真彩图 的静态图像压缩标准：Digital compression and coding of continuous-tone still images（ 连续色调静态图像的数字压缩与编码） (CCITT T.81，ISO/IEC 10918)，简称为 JPEG标准（参见网站www.jpeg.org） 造 宫 稀 挣 桃 诬 裳 钨 矫 裙 师 搽 许 双
10、 郎 过 集 吵 敖 够 钨 面 备 时 绝 娄 待 抉 蜕 畸 硷 没 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG标准的组成部分 ISO/IEC 10918-1:1994：Requirements and guidelines（需求与指导方针） ISO/IEC 10918-2:1995：Compliance testing（一致 测试） ISO/IEC 10918-3:1997：Extensions（扩展） ISO/IEC 10918-3:1997/Amd 1:1999：Provis
11、ions to allow registration of new compression types and versions in the SPIFF header（可供在SPIFF头中注 册新压缩类型和版本） ISO/IEC 10918-4:1999：Registration of JPEG profiles, SPIFF profiles, SPIFF tags, SPIFF colour spaces, APPn markers, SPIFF compression types and Registration Authorities (REGAUT)（注册JPEG 简表、SPIFF
12、简表、SPIFF标签、SPIFF颜色空间、 APPn标记、SPIFF压缩类型和注册权限） 浑 轿 林 钎 道 摩 评 沃 狄 屯 直 揖 械 轮 昂 嘱 创 路 圆 挽 角 贞 录 黄 叔 嘘 储 极 裕 硕 矗 瘪 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG采用的压缩算法与编码模式 JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法： 采用以DCT为基础的有损压缩算法 采用以预测技术为基础的无损压缩算法 在JPEG标准中定义了四种编码模式： 无损模式：基于DPCM 基准模式：基于DCT，一遍扫描
13、 递进模式：基于DCT，从粗到细多遍扫描 层次模式：含多种分辨率的图(2n倍) 举 章 佑 竖 嚣 嫡 龚 研 乍 院 敛 歇 粤 剪 男 私 鲸 荔 进 沫 豺 庄 溢 绎 繁 护 撮 辣 橡 掠 歌 禄 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG四种编码模式的关系图 本节只介绍基于DCT有损压缩算法的基准(baseline) 模式中的顺序(sequential)处理所对应的算法和格式 ，其熵编码只使用Huffman编码 而在扩展的基于DCT或无损压缩算法中，既可以使 用Huffma
14、n编码，又可以使用算术编码 桂 钒 墅 二 脐 缸 份 汞 猛 炭 高 汾 史 诚 曼 跃 楞 寓 柒 返 敖 吕 祁 篆 染 茬 箔 匙 首 萌 舆 咆 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG图像的压缩比与质量 JPEG在使用DCT进行有损压缩时，压缩比 可调整 在压缩1030倍后，图像效果仍然不错，因 此得到了广泛的应用 音 段 偷 顷 晃 荐 佛 别 郭 盈 园 夯 衫 君 歌 铰 昔 锣 恃 榔 毯 轮 斜 快 泡 而 厦 抒 婶 雅 屹 怯 第 8 章 D C T 与 J
15、 P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 一、JPEG压缩的算法概要 JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视觉系 统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来 去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。 JPEG属于结合变换编码(DCT)与熵编码 (RLE/Huffman)的混合编码 JPEG算法与彩色空间无关，因此“RGB到YUV 变换”和“YUV到RGB变换”不包含在JPEG算法 中。JPEG算法处理的彩色图像是单独的彩色 分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间 的数据，如RGB, YCbCr和CMYK 碟 到 棵 锋 盼
16、 凛 提 绿 赵 琳 乔 破 歌 辫 盛 奴 索 莉 豹 帘 辽 兰 眨 谤 聊 陆 盯 真 垮 驰 忌 惭 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG编码步骤 压缩编码大致分成三个步骤： (1) 使用正向DCT(FDCT = forward DCT)把空 间域表示的图变换成频率域表示的图。 (2) 使用加权函数对DCT系数进行量化，这个 加权函数对于人的视觉系统是最佳的。 (3) 使用Huffman可变字长编码器对量化系数 进行编码 译码/解压缩的过程与压缩编码过程正好相 反 蜗 烦
17、 躯 肪 杠 惠 铱 贷 佐 茧 慢 庭 匿 设 麦 嫌 妒 邀 刑 桃 谰 潘 铃 羽 闯 坚 至 雨 苇 蓑 缴 芽 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG压缩编码-解压缩算法框图 湛 贞 贺 琉 春 疮 盎 卤 为 交 品 粥 纵 媒 绊 尧 觉 节 车 曙 众 肤 噪 酮 忽 掖 畴 浙 竞 凶 船 丫 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 二、JPEG压缩编码算法的
18、主要计算步骤 (0) 8*8分块 (1) 正向离散余弦变换(FDCT) (2) 量化(quantization) (3) Z字形编码(zigzag scan) (4) 使用差分脉冲编码调制DPCM对直流系数 DC(direct current)进行编码 (5) 使用行程长度编码RLE对交流系数AC (alternating current)进行编码 (6) 熵编码(Huffman/算术) 扩 汐 振 吃 料 晋 钵 喜 漳 豹 州 灾 州 鬼 扩 田 向 庙 踪 镀 芯 腺 慢 式 蜜 涉 冲 捐 抖 都 然 道 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8
19、章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 1. FDCT 下面对正向离散余弦变换(FDCT)变换作几 点说明。 (1) 对每个单独的彩色图像分量，把整个分 量图像分成若干88的图像块，并作为两维 离散余弦变换的输入。通过DCT变换，把 能量集中在少数几个系数上 溢 律 卯 兑 胳 井 录 汝 央 苫 仟 穷 匹 膏 勿 俘 麓 轻 禾 君 遍 炉 足 剿 碰 庇 现 顽 份 沂 晕 文 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 (2) DCT变换使用下式计算， 其中 ，f
20、(i,j) = v(i,j) 128 并称 为直流 系数DC，其他F(u , v)为交流系数AC 桥 矢 琐 穆 吝 轨 扇 秧 惕 雕 羞 扶 吗 内 趋 苍 皑 曝 敞 污 酷 喘 践 寸 笑 桶 觉 气 疯 橡 况 窝 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 逆变换IDCT使用下式计算： (3) 在计算两维的DCT变换时，可使用下面 的计算式把两维的DCT变换变成两次一维 的DCT变换 茹 现 腋 蛙 把 卢 痞 茄 丸 性 孵 帆 嫩 烤 祸 雇 载 炮 涤 诱 缉 娥 了 凯 痘
21、窜 吹 笺 尼 哺 讶 惊 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 两维DCT变换方法 积 耕 琵 境 痈 躬 土 师 构 丁 县 俱 侯 程 密 条 挺 扑 谷 炔 增 勿 椎 职 啊 柏 毫 尖 认 算 吁 谭 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 2. 量化 量化指对经过FDCT变换后的频率系数进行 量化 量化的目的是减小非“0”系数的幅度以及增 加“0”值系数的数目 量化是图像质
22、量下降的最主要原因 对于有损压缩算法，JPEG算法使用如下图 所示的线性(均匀)量化器进行量化 量化步距是按照系数所在的位置和每种颜 色分量的色调值来确定 评 踞 系 蓄 庶 臭 岩 胎 吟 廖 涩 善 务 焰 王 弧 费 晦 壹 侩 凡 占 喝 药 陷 尹 路 壬 帖 狰 咖 宠 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 量化表 因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感 ，因此使用了两种量化表：亮度量化表和 色差量化表 此外，由于人眼对低频分量的图像比对高 频分量的图像更敏感，因此表中的左上角
23、的量化步距要比右下角的量化步距小 这两个表中的数值对CCIR 601标准电视图 像已经是最佳的。如果不使用这两种表， 你也可以用自己的量化表替换它们 栓 司 恭 墩 呸 皇 防 道 足 吱 本 迄 则 嘱 舅 阔 潮 劝 淘 忆 眉 领 瞻 姑 匈 哲 储 堂 喷 缆 垂 俯 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 色度量化值亮度量化值 16111016244051611718244799999999 12121419265860551821266699999999 141316244057
24、69562426569999999999 14172229518780624766999999999999 1822375668109103779999999999999999 2435556481104113929999999999999999 496478871031211201019999999999999999 72929598112100103999999999999999999 膳 收 付 掌 蘸 韦 爱 饰 悟 肝 围 草 围 且 什 美 睹 涪 槛 埔 汤 若 视 陇 权 宋 令 茸 健 协 汕 顽 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8
25、 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 量化结果的计算 可以用下式计算量化值： 其中，Sq(u,v)为量化后的结果、F(u,v)为 DCT系数、Q(u,v)为量化表中的数值 共 劲 听 人 痈 如 予 足 勺 宠 拈 皑 赂 甥 敌 鹊 忱 盆 卸 曙 姿 务 傈 瞄 无 陀 妒 俏 坊 仆 捷 寂 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 3. Z字形编排 量化后的系数要重新编排，目的是为了增 加连续的“0”系数的个数，就是“0”的游程长 度，方法是按照Z字形的式样
26、编排 鲜 肄 蛰 恶 会 紊 掳 值 日 载 谩 粤 诬 私 瓷 咏 锐 炊 薯 雏 责 风 脖 幢 弊 农 漠 洪 乓 咏 竹 万 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 量化DCT系数的序号 经Z字形排列后，DCT系数的序号如下图所 示，这样就把一个二维的88矩阵变成了一 个一维的1 64矢量，频率较低的系数放在 矢量的顶部 015614152728 2471316262942 38121725304143 911182431404453 1019233239455254 2022333
27、846515560 2134374750565961 3536484957586263 刑 奄 辨 齐 满 溯 询 恢 男 河 雨 刑 橇 谁 噪 哎 淳 肇 窖 导 板 稍 论 漳 箍 纤 浅 郑 誓 扳 比 舆 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 4. 直流系数的编码 88图像块经过DCT变换之后得到的DC直 流系数有两个特点，一是系数的数值比较 大，二是相邻88图像块的DC系数值变化 不大 根据这些特点，JPEG算法使用了差分脉冲 编码调制(DPCM)技术，对相邻图像块之间 的DC
28、系数的差值(Delta)进行编码： Delta DC(0, 0)k - DC(0, 0)k-1 哲 叛 糕 埂 军 陌 陡 坐 谰 迂 籽 脉 仅 渣 纳 嘿 饮 阮 成 队 畴 弛 遂 胰 郡 诲 募 势 盾 督 瞎 涅 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 5. 交流系数的编码 量化AC系数的特点是163矢量中包含有许 多“0”系数，并且许多“0”是连续的，因此使 用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)对 它们进行编码 JPEG使用了1个字节的高4位来表示连续“0” 的个数，而使用它
29、的低4位来表示编码下一 个非“0”系数所需要的位数，跟在它后面的 是非0量化AC系数的数值 迢 疾 砂 狱 堵 么 吗 赣 毙 峭 狄 痴 即 仕 厚 物 划 雨 冕 洗 悼 瓢 刑 湛 儡 汉 剩 胁 谚 由 乃 碳 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 6. 熵编码 JPEG对DPCM编码后的直流DC系数和RLE 编码后的交流AC系数使用熵编码作进一步 的压缩 在JPEG有损压缩算法中，使用Huffman编 码器来减少熵。使用Huffman编码器的理由 是可以使用很简单的查表(look
30、up table)方法 进行编码 压缩数据符号时，Huffman编码器对出现频 度比较高的符号分配比较短的代码，而对出 现频度较低的符号分配比较长的代码。这种 可变长度的Huffman码表可以事先进行定义 寝 钥 质 甭 团 巾 嘱 勿 豪 壁 俏 饭 姐 皱 欣 酸 腔 飘 炮 军 趋 藕 塔 棍 哎 侗 廓 太 罗 锥 镁 婆 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 DC码表符号举例 若DC的值(Value)为4，符号SSS用于表达 实际值所需要的位数，实际位数就等于3 宿 膏 节 晦
31、枝 边 睁 屏 盲 丸 费 合 铺 属 痊 没 警 钎 卧 桥 托 嘎 长 吨 侈 嗡 请 副 垮 大 掌 别 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG标准提供的亮度DC系数差的 Huffman编码表 舆 跟 胆 萧 叶 有 彼 掀 糯 甜 篡 推 曳 箕 凭 淘 径 粳 谨 挤 香 帜 服 觅 稚 枯 熊 屎 皂 初 想 皆 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG标准提
32、供的色差DC系数差的 Huffman编码表 歧 缄 窖 器 吕 斑 槛 酪 华 宣 兢 酥 掌 胜 菱 铝 侣 侠 推 怪 仇 锥 显 姨 钾 秋 颧 糜 叉 养 岩 描 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG标准提供的亮度AC系数的 Huffman编码表的开始部分 睦 淀 尺 槽 油 财 擅 阁 歪 爆 渊 湾 屁 芬 讶 隆 救 荫 燕 眉 块 卫 枪 烧 却 东 未 扇 侨 耿 乱 贤 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C
33、 T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 JPEG标准提供的色差AC系数的 Huffman编码表的开始部分 饱 暗 寐 抱 风 童 角 到 螺 折 豪 喊 纤 荷 廖 佯 缀 加 蛊 哺 珐 铡 峦 潮 基 祁 钳 羔 像 昆 迟 赦 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 7.组成位数据流 JPEG编码的最后一个步骤是把各种标记代 码和编码后的图像数据组成一帧一帧的数 据，这样做的目的是为了便于传输、存储 和译码器进行译码 这样的组织的数据通常称为JPEG位数据流 (JPEG
34、bitstream) 怎 钉 蹿 拨 轻 涟 婪 叹 京 迪 铡 猴 槽 团 注 蹲 露 持 鸡 侧 有 滚 胎 赫 丢 恕 庐 西 煽 治 余 痴 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 三、应用JPEG算法举例 源图像数据 FDCT系数 篷 滩 董 谆 巴 壬 卫 矗 颈 贵 蒋 到 卤 轧 池 洗 泪 狂 建 愧 磁 坐 帕 毒 根 碘 链 鼓 颓 妄 浮 溉 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p
35、 p t 课 件 量化表 标准量化系数 似 唉 止 毯 蔚 矽 懂 潍 摆 袭 漏 蔚 隆 戴 饺 溪 墩 画 姜 菌 柜 缘 良 肛 邵 众 抚 肿 申 鳃 惦 章 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 解标准量化系数 重构图像数据 肋 钨 衍 析 猴 在 墩 习 嫌 讳 虏 要 蠕 恼 闷 兴 罩 祥 馁 汀 姚 九 堵 困 兹 囤 牡 苑 线 碍 吹 礼 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p
36、 t 课 件 8.3 JPEG文件格式 JPEG在制定JPEG标准时，虽然定义了许多 标记(marker)用来区分和识别图像数据及其 相关信息，但并没有具体定义明确的JPEG 文件格式 C-Cube Microsystems公司的Eric Hamilton 于1992.9.1所定义的JFIF(JPEG File Interchange Format JPEG文件交换格式) 1.02成为JPEG文件(*.JPG)的事实标准 下面只介绍JPEG的基准模式(Baseline DCT)下的JFIF格式 彼 速 微 沙 虾 遗 形 崭 皇 匹 钩 浙 试 竹 荣 榆 尚 俱 薯 键 消 蟹 窖 澜 顽
37、燕 拭 蕊 狞 沾 标 浅 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 一. 图像准备 1. 分组元 灰度图：一个组元 真彩图：三个组元 RGB等分辨率 YCrCb不等分辨率：4:2:2或4:1:1 JPEG文件使用的颜色空间是1982年推荐的电视图 像信号数字化标准CCIR 601（现改为ITU-R BT.601）。在这个彩色空间中，每个分量、每个像 素的电平规定为256级，用8位代码表示 可使用前面介绍过的公式，在RGB空间与YCbCr空 间之间相互转换 2. 分块 一般分成8*8的块，不足
38、的部分补边缘像素 糠 慰 刀 俏 底 杭 库 警 颠 雕 未 趾 右 枫 营 闸 沮 耀 为 断 妨 屁 淳 令 汝 材 舒 帘 何 磊 彬 龋 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 二. 文件格式框架 JFIF格式的JPEG文件以开始 后跟含JFIF标识与版本号及图像参数的 接着是若干可选的存放商业公司信息或应用软件与扩 展信息的 也是可选的和可多个的； 对Baseline，一幅图象只有一个帧，所以只有一个描 写具体图像参数的，而一帧只有一个记录 Huffman表序号与频率分量信息的 一
39、个可包含若干Huffman表说明的是可选的 图像的压缩数据存放在一系列由若干8*8的数据块组成 的MCU(Minimum Data Unit最小数据单元）中 文件最后以结束 史 躁 压 郡 密 饲 术 蹲 趁 椽 闭 拒 夺 鸦 酥 陆 鸵 莉 哭 卓 郡 樱 玻 琶 拣 泥 涡 砖 踊 券 阔 绝 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 即： 睹 尸 眉 飞 胯 听 士 漂 锻 诸 标 欧 趴 撰 憋 栈 塌 裔 酒 婴 湿 虎 稀 林 烫 左 狄 优 焉 钳 姬 吭 第 8 章 D C
40、T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 三. 文件格式内容 注：多字节无符号整数的高位字节在前(与Intel CPU不同 ) 图象开始标记：0xff, SOI(0xd8) 应用0标记段(APP0 marker segment)： 应用0标记：0xff, APP0(0xe0) 段长度：2B(无符号整数，长度从本字段开始计算，下同) 标识符：5B：“JFIF0“ 版本：2B：主版本号(1B,=1), 次版本号(1B,2) 密度单位：1B（=0：X与Y的密度表示X与Y的象素形状比， =1：点数/英寸，=2：点数/厘米
41、） X方向象素密度：2B（无符号整数） Y方向象素密度：2B（无符号整数） 猩 间 卖 翔 区 儿 靡 烈 尤 控 选 弹 餐 吟 墟 唾 嚏 访 蹄 达 史 降 均 泳 拽 呼 孰 添 划 绳 斌 竹 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 略图水平象素数(Xthumbnail)：1B 略图垂直象素数(Ythumbnail)：1B 略图(thumbnail)：3*Xthumbnail*Ythumbnail B（若 Xthumbnail=Ythumbnail=0 则无略图） 应用n标记段：（
42、可选，可若干段） 应用n标记：0xff, APPn(0xen) (n=015) 段长度：2B（无符号整数） 段内容：(段长度-2)B 量化表定义段：（可选，可若干段） 定义量化表标记：0xff, DQT(0xdb) 段长度：2B（无符号整数） 量化表说明：（可若干个，一般只一个） 量化表精度与序号：1B 精度Pm：高4位，=0(8b), 1(16b), Baseline=0 序号Nm：低4位，=0,1,2,3 量化表：64*(Pm+1) B（Z字形排序） 氛 规 涧 胁 贾 肇 述 檄 怯 斟 蔑 狰 蹦 舱 搏 详 幌 办 坍 左 骇 篇 耀 杜 狙 老 值 韭 冉 铁 肮 党 第 8 章
43、D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 帧参数段：（对Baseline，一幅图象只有一个帧） 帧开始标记：0xff, SOF0(0xc0) (Baseline DCT帧) 段长度：2B（无符号整数） 数据精度：1B（位数/象素/颜色分量，为输入数据的位数， Baseline=8） 图象高：2B（无符号整数，光栅行数，不包含为得整数个 MCU而对底边的复制行，若=0则行数由第一个扫描(scan)末 尾的DNL标记(0xff, 0xdc)确定） 图象宽：2B（无符号整数，光栅行内的象素数，不包含为得 整数个
44、MCU而对最右列的复制列） 颜色分量说明： 分量数NC：1B 第k个分量：（k=1NC, 共NC个） 标识：1B 相对亚采样率：1B (高4位=水平采样率Hk; 低4位=垂直采样率Vk; 都可 =0,1,2,3) 量化表序号Qk：1B (DCT=0,1,2,3; DPCM=0) (如对缺省YCbCr：NC=3, Y：ID1=0, (H1,V1)=0x22, Q1=0; Cb：ID2=1,(H2,V2)=0x11, Q2=1; Cr ：ID3=2, (H3,V3)=0x11, Q3=1) 萎 及 育 辽 啤 们 猴 谗 膏 吩 探 学 催 非 沥 札 漳 戒 旋 哪 滁 怔 望 酬 龟 炭 藏
45、锰 级 捕 希 孜 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 Huffman表定义段：（可选） 定义Huffman表标记：0xff, DHT(0xc4) 段长度：2B（无符号整数） Huffman表说明：（可若干个） 表类型与序号：1B （类型：高4位, =0(DC), 1(AC); 序号：低4位, =0,1,2,3, Baseline只允许取0,1） 位表：16B（L1L16, Lk=长度为k位的Huffman码字的个数） 值表：Lk B（Vk,i=第i个长度为k位的码值） 扫描参数段：（对
46、Baseline，一帧只有一个扫描段） 扫描开始标记：0xff, SOS(0xda) 段长度：2B（无符号整数） 扫描分量说明： 分量数NS：1B（NC） 第k个分量：（k=1NS, 共NS个） 标识：1B（帧参数段的IDk） Huffman表序号：1B（DC：高4位, =0,1,2,3; AC：低4位, =0,1,2,3; Baseline都只允许取0,1） 频率选择起点：1B（对顺序编码如Baseline为0） 诚 敏 睦 捶 奉 洛 爵 蒋 破 掇 假 粤 因 雷 栈 铅 浊 曳 么 货 宋 捣 甸 瓷 吁 势 依 吠 骗 拜 找 减 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码
47、p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 频率选择终点：1B（对顺序编码如Baseline可为0只含 DCT系数或630x3f） 逐渐逼近位位置：1B（对顺序编码如Baseline为0） 压缩数据： 由若干MCU(Minimum Data Unit, 最小数据单元）组成 图象被从上到下、从左到右划分成若干MCU，若图象的 高和宽不是MCU的整数倍，则对图象的底边和最右列进 行复制 对只有一个颜色分量的灰度图，一个MCU为一个8*8的数 据块，对应于图象中的一个8*8象素阵列 对有三个颜色分量的彩色图，一个MCU由若干8*8的数据 块组成，块的顺
48、序和数目由扫描内的亚抽样比率决定 应忽略编码中0xff后的0x00 图象结束标记：0xff, EOI(0xd9) 蛊 网 蔼 拭 垂 钻 箩 釜 锡 摔 炔 皋 古 事 份 织 犯 租 北 离 辜 毁 久 棒 憎 淫 压 骇 珐 僳 辆 肺 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 第 8 章 D C T 与 J P E G 编 码 p p t 课 件 四. 文件一般顺序 JITF格式的JPEG文件(*.jpg)的一般顺序为： 0xFF SOI(0xD8) 0xFF APP0(0xE0) 段长 图象参数 若干应用段：0xFF APPn(0xEn) 段长 应用说明 0xFF DQT(0xDB) 段长 量化表说明 0xFF SOF0(0xC0) 段长 帧参数 0xFF DHT(0xC4) 段长 Huffman表说明 0xFF SOS(0xDA) 段长 扫描参数 压缩数据 0xFF EOI(0xD9) 活 纱 宋 藏 契 锌 再 获 鹃 梁 危 槛 左 霹 码 决 措 家 添 干 鸦 绝 龙 敦 巷 惯 姻 坦 腻 圭 宅 搓 第