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JPEG文件格式简单分析

已有 652 次阅读2007-11-16 14:51 |个人分类:图像处理

微处理机中的存放顺序有正序(big endian)和逆序(little endian)之分。正序存放就是高字节存放在前低字节在后，而逆序存放就是低字节在前高字节在后。例如，十六进制数为A02B，正序存放就是A02B，逆序存放就是2BA0。摩托罗拉(Motorola)公司的微处理器使用正序存放，而英特尔(Intel)公司的微处理器使用逆序。JPEG文件中的字节是按照正序排列的。

JPEG委员会在制定JPEG标准时，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，但笔者没有找到JPEG委员会对JPEG文件交换格式的明确定义。直到1998年12月从分析网上具体的JPG图像来看，使用比较广泛的还是JPEG文件交换格式(JPEG File Interchange Format，JFIF)版本号为1.02。这是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司工作的Eric Hamilton提出的。此外还有TIFF JPEG等格式，但由于这种格式比较复杂，因此大多数应用程序都支持JFIF文件交换格式。

JPEG文件使用的颜色空间是CCIR 601推荐标准进行的彩色空间(参看第7章)。在这个彩色空间中，每个分量、每个像素的电平规定为255级，用8位代码表示。从RGB转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：

　　　　　　 Y = 256 * E'y

　　　　　 Cb = 256 * [E'_Cb] + 128

　　　　　 Cr = 256 * [E'_Cr] + 128
其中亮度电平E'_y和色差电平E'_Cb和E'_Cb分别是CCIR 601定义的参数。由于E'_y的范围是0～1，E'_Cb和E'_Cb的范围是-0.5～+0.5，因此Y, Cb和Cr的最大值必须要箝到255。于是RGB和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算。

(1) 从RGB转换成YCbCr

YCbCr(256级)分量可直接从用8位表示的RGB分量计算得到：

　　　　　 Y =　　 0.299 R + 0.587　G　 + 0.114 B

　　　 Cb = - 0.1687R - 0.3313G　 + 0.5　　　B + 128

　　　 Cr = 0.5 R - 0.4187G - 0.0813 B + 128

需要注意的是不是所有图像文件格式都按照R0，G0，B0，…… Rn，Gn，Bn的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成JFIF文件时需要首先验证RGB的次序。

(2) 从YCbCr转换成RGB

RGB分量可直接从YCbCr(256级)分量计算得到：

　　　　 R = Y　　　　　　　　　　　　　　　　 + 1.402 (Cr-128)

　　　　　 G = Y - 0.34414 (Cb-128) - 0.71414 (Cr-128)

　　　　　 B = Y + 1.772 (Cb-128)

在JFIF文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。这就是说JFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本。

2 文件结构
JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记，因此JFIF格式成了事实上JPEG文件交换格式标准。JPEG的每个标记都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF。每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节(fill byte)。下面是其中的8个标记：

SOI　 0xD8　　　　　　　　　　　图像开始
APP0 0xE0　　　　　　　　　　　 JFIF应用数据块
APPn 0xE1 - 0xEF　　　其他的应用数据块(n, 1～15)
DQT　 0xDB　　　　　　　　　　　量化表
SOF0 0xC0　　　　　　　　　　　帧开始
DHT　 0xC4　　　　　　　　　　　霍夫曼(Huffman)表
SOS　 0xDA　　　　　　　　　　　扫描线开始
EOI　 0xD9　　　　　　　　　　　图像结束

为使读者对JPEG定义的标记一目了然，现将JPEG的标记码列于表6-05，并保留英文解释。

表6-05 JPEG定义的标记

Symbol

(符号)

Code Assignment

(标记代码)

Description

(说明)

Start Of Frame. markers, non-hierarchical Huffman coding

SOF₀

0xFFC0

Baseline DCT

SOF₁

0xFFC1

Extended sequential DCT

SOF₂

0xFFC2

Progressive DCT

SOF₃

0xFFC3

Spatial (sequential) lossless

Start Of Frame. markers, hierarchical Huffman coding

SOF₅

0xFFC5

Differential sequential DCT

SOF₆

0xFFC6

Differential progressive DCT

SOF₇

0xFFC7

Differential spatial lossless

Start Of Frame. markers, non-hierarchical arithmetic coding

JPG

0xFFC8

Reserved for JPEG extensions

SOF₉

0xFFC9

Extended sequential DCT

SOF₁₀

0xFFCA

Progressive DCT

SOF₁₁

0xFFCB

Spatial (sequential) Lossless

Start Of Frame. markers, hierarchical arithmetic coding

SOF₁₃

0xFFCD

Differential sequential DCT

SOF₁₄

0xFFCE

Differential progressive DCT

SOF₁₅

0xFFCF

Differential spatial Lossless

Huffman table specification

DHT

0xFFC4

Define Huffman table(s)

arithmetic coding conditioning specification

DAC

0xFFCC

Define arithmetic conditioning table

Restart interval termination

RSTm

0xFFD0～0xFFD7

Restart with modulo 8 counter m

Other marker

SOI

0xFFD8

Start of image

EOI

0xFFD9

End of image

SOS

0xFFDA

Start of scan

DQT

0xFFDB

Define quantization table(s)

DNL

0xFFDC

Define number of lines

DRI

0xFFDD

Define restart interval

DHP

0xFFDE

Define hierarchical progression

EXP

0xFFDF

Expand reference image(s)

APP_n

0xFFE0～0xFFEF

Reserved for application use

JPG_n

0xFFF0～0xFFFD

Reserved for JPEG extension

COM

0xFFFE

Comment

Reserved markers

TEM

0xFF01

For temporary use in arithmetic coding

RES

0xFF02～0xFFBF

Reserved

JPEG文件由下面的8个部分组成：

(1) 图像开始SOI(Start of Image)标记

(2) APP0标记(Marker)

① APP0长度(length)

② 标识符(identifier)

③ 版本号(version)

④ X和Y的密度单位(units=0：无单位；units=1：点数/英寸；units=2：点数/厘米)

⑤ X方向像素密度(X density)

⑥ Y方向像素密度(Y density)

⑦ 缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)

⑧ 缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)

⑨ 缩略图RGB位图(thumbnail RGB bitmap)

(3) APPn标记(Markers)，其中n=1～15(任选)

① APPn长度(length)

② 由于详细信息(application specific information)

(4) 一个或者多个量化表DQT(difine quantization table)

① 量化表长度(quantization table length)

② 量化表数目(quantization table number)

③ 量化表(quantization table)

(5) 帧图像开始SOF0(Start of Frame)

① 帧开始长度(start of frame. length)

② 精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数(bits per pixel per color component)

③ 图像高度(image height)

④ 图像宽度(image width)

⑤ 颜色分量数(number of color components)

⑥ 对每个颜色分量(for each component)

ID
垂直方向的样本因子(vertical sample factor)
水平方向的样本因子(horizontal sample factor)
量化表号(quantization table#)

(6) 一个或者多个霍夫曼表DHT(Difine Huffman Table)

① 霍夫曼表的长度(Huffman table length)

② 类型、AC或者DC(Type, AC or DC)

③ 索引(Index)

④ 位表(bits table)

⑤ 值表(value table)

(7) 扫描开始SOS(Start of Scan)

① 扫描开始长度(start of scan length)

② 颜色分量数(number of color components)

③ 每个颜色分量

ID
交流系数表号(AC table #)
直流系数表号(DC table #)

④ 压缩图像数据(compressed image data)

(8) 图像结束EOI(End of Image)

表6-06表示了APP0域的详细结构。有兴趣的读者可通过UltraEdit或者PC TOOLS等工具软件打开一个JPG图像文件，对APP0的结构进行分析和验证。

表6-06 JFIF格式中APP0域的详细结构

偏移

长度

内容

块的名称

说明

0

2 byte

0xFFD8

(Start of Image,SOI)

图像开始

2

2 byte

0xFFE0

APP0(JFIF application segment)

JFIF应用数据块

4

2 bytes
　
length of APP0 block

APP0块的长度

6

5 bytes
　
"JFIF"+"0"

识别APP0标记

11

1 byte
　
<Major version>

主要版本号(如版本1.02中的1)

12

1 byte
　
<Minor version>

次要版本号(如版本1.02中的02)

13

1 byte
　
<Units for the X
and Y densities>

X和Y的密度单位

units=0：无单位

units=1：点数/英寸

units=2：点数/厘米

14

2 bytes
　
<Xdensity>

水平方向像素密度

16

2 bytes
　
<Ydensity>

垂直方向像素密度

18

1 byte
　
<Xthumbnail>

缩略图水平像素数目

19

1 byte
　
<Ythumbnail>

缩略图垂直像素数目

　
3n
　
< Thumbnail RGB bitmap>

缩略RGB位图(n为缩略图的像素数)

　　　
Optional JFIF extension APP0 marker segment(s)

任选的JFIF扩展APP0标记段

　
……
　
……
　

　
2 byte

0xFFD9

(EOI) end-of-file

图像文件结束标记

注:转载自http://blog.21ic.com/user1/942/archives/2006/11364.html

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