JPEG文件格式简单分析.docx
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JPEG文件格式简单分析
摘要:
这篇文章大体上介绍了JPEG文件的结构信息以及它的压缩算法和编码方式。
使读者能够对JPEG文件格式有大体上的了解。
为读者进一步进行学习JPEG文件压缩做好准备
关键字：
十六进制，段格式，编码
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。
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OxFF，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OxFF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，OxAB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OxAB,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。
本人曾经编写过一个读取JPEG文件信息的程序，该程序能够读取JPEG文件中包含的段的信息并显示出来。
下面是一个JPEG图片的信息片断：
SOI
APP0Length:
0x10
DQT
DQT[0]:
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Length:
0x43
DQT
DQT[1]:
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Length:
0x43
SOFO
ImageHeight:
173
ImageWidth:
401
NumberofFrame（s）:
3
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ContentID:
1
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0
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2
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ContentID:
3
HFactor:
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VFactor:
1
QTID:
1
Length:
0x11
DHT
Type:
DCTABLE
ID:
0
Length:
0x1f
DHT
Type:
ACTABLE
ID:
0
Length:
0xb5
DHT
Type:
DCTABLE
ID:
1
Length:
0x1f
DHT
Type:
ACTABLE
ID:
1
Length:
0xb5
SOS
Length:
0xc
v-WillNotProcessThisSeg.
FATALERROR:
FileStructureDoesNOTSupport.
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
（StartOfSean）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（StartOfImage）不是一个段，它是文件的开始，它的值也是类似于OxFF,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（EndOfImage）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，SOFO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”JFIIO”）、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。
丫分量代表了亮度信息，UV分量代表了色差信息。
相比之下，人眼对于丫分量更为敏感。
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，一个给丫分量，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》
）：
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0
我们可以看到，
量化后出现了大量的
0,
这种结果很有利于我们进行下一步
的数据压缩的。
至于为什么是
8x8的大小，待会你就知道了。
SOFO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（这部分如果读者想要进一步学习，请参考相应书籍和文档）。
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，即若干个丫
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？
丫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。
这样说应该比较合理吧。
好了，现在我们应该弄明白什么是交流量，什么是直流量了。
还举上面那个有许多个0的8x8的表的例子说，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，还是按照若干个丫方块，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
我觉得，如果想要的了解JPEG,对十六进制代码的观察是必不可少的。
不要认为这样有多难，我会让你知道这是很简单的。
目前我们只需要了解我们能够了解的东西就可以了。
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
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