JPEG编码原理详解

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1、【转】JPEG编码原理JPEG是联合图象专家组(JointPictureExpertGroup)的英文缩写,是国际标准化组织(ISO)和CCITT联合制定的静态图象的压缩编码标准。和相同图象质量的其它常用文件格式(如GIF,TIFF,PCX)相比,JPEG是目前静态图象中压缩比最高的。我们给出具体的数据来对比一下。例图采用Windows95目录下的Clouds.bmp,原图大小为640*480,256色。用工具SEA(version1.3)将其分别转成24位色BMP、24位色JPEG、GIF(只能转成256色)压缩格式、24位色TIFF压缩格式、24位色T

2、GA压缩格式。得到的文件大小(以字节为单位)分别为:921,654,17,707,177,152,923,044,768,136。可见JPEG比其它几种压缩比要高得多,而图象质量都差不多(JPEG处理的颜色只有真彩和灰度图)。正是由于JPEG的高压缩比,使得它广泛地应用于多媒体和网络程序中,例如HTML语法中选用的图象格式之一就是JPEG(另一种是GIF)。这是显然的,因为网络的带宽非常宝贵,选用一种高压缩比的文件格式是十分必要的。JPEG有几种模式,其中最常用的是基于DCT变换的顺序型模式,又称为基线系统(Baseline),以下将针对这种格式进行讨论。

3、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9.3JPEG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8×8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

4、值。由于量化表左上角的值较小,右上角的值较大,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8×8子块的平均值,要对它单独编码。由于两个相邻的8×8子块的DC系数相差很小,所以对它们采用差分编码DPCM

5、,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。8×8的其它63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9.5Zig-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

6、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(15,0)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(3×16+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

7、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-63~-32,以及32~63,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8×8的亮度(Y)图象子块经过量化后的系数。

8、150-100000-2-1000000-1-1000000000

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