6.3 JPEG格式
6.3.1 簡介
微處理機中的存放順序有正序(big endian)和逆序(little endian)之分。正序存放就是高字節(jié)存放在前低字節(jié)在后，而逆序存放就是低字節(jié)在前高字節(jié)在后。例如，十六進(jìn)制數(shù)為A02B，正序存放就是A02B，逆序存放就是2BA0。摩托羅拉(Motorola)公司的微處理器使用正序存放，而英特爾(Intel)公司的微處理器使用逆序。JPEG文件中的字節(jié)是按照正序排列的。
JPEG委員會在制定JPEG標(biāo)準(zhǔn)時，定義了許多標(biāo)記(marker)用來區(qū)分和識別圖像數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息，但筆者沒有找到JPEG委員會對JPEG文件交換格式的明確定義。直到1998年12月從分析網(wǎng)上具體的JPG圖像來看，使用比較廣泛的還是JPEG文件交換格式(JPEG File Interchange Format，JFIF)版本號為1.02。這是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司工作的Eric Hamilton提出的。此外還有TIFF JPEG等格式，但由于這種格式比較復(fù)雜，因此大多數(shù)應(yīng)用程序都支持JFIF文件交換格式。
JPEG文件使用的顏色空間是CCIR 601推薦標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的彩色空間(參看第7章)。在這個彩色空間中，每個分量、每個像素的電平規(guī)定為255級，用8位代碼表示。從RGB轉(zhuǎn)換成YCbCr空間時，使用下面的精確的轉(zhuǎn)換關(guān)系：
Y = 256 * E'y
Cb = 256 * [E'Cb] + 128
Cr = 256 * [E'Cr] + 128
其中亮度電平E'y和色差電平E'Cb和E'Cb分別是CCIR 601定義的參數(shù)。由于E'y的范圍是0～1，E'Cb和E'Cb的范圍是-0.5～+0.5，因此Y, Cb和Cr的最大值必須要箝到255。于是RGB和YCbCr之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系需要按照下面的方法計算。
(1) 從RGB轉(zhuǎn)換成YCbCr
YCbCr(256級)分量可直接從用8位表示的RGB分量計算得到：
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圖像文件格式都按照R0，G0，B0，…… Rn，Gn，Bn的次序存儲樣本數(shù)據(jù)，因此在RGB文件轉(zhuǎn)換成JFIF文件時需要首先驗證RGB的次序。
(2) 從YCbCr轉(zhuǎn)換成RGB
RGB分量可直接從YCbCr(256級)分量計算得到：
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，圖像樣本的存放順序是從左到右和從上到下。這就是說JFIF文件中的第一個圖像樣本是圖像左上角的樣本。
6.3.2
文件結(jié)構(gòu)
JFIF文件格式直接使用JPEG標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)用程序定義的許多標(biāo)記，因此JFIF格式成了事實上JPEG文件交換格式標(biāo)準(zhǔn)。JPEG的每個標(biāo)記都是由2個字節(jié)組成，其前一個字節(jié)是固定值0xFF。每個標(biāo)記之前還可以添加數(shù)目不限的0xFF填充字節(jié)(fill byte)。下面是其中的8個標(biāo)記：
- SOI 0xD8 圖像開始
- APP0 0xE0 JFIF應(yīng)用數(shù)據(jù)塊
- APPn 0xE1 - 0xEF 其他的應(yīng)用數(shù)據(jù)塊(n, 1～15)
- DQT 0xDB 量化表
- SOF0 0xC0 幀開始
- DHT 0xC4 霍夫曼(Huffman)表
- SOS 0xDA 掃描線開始
- EOI 0xD9 圖像結(jié)束
為使讀者對JPEG定義的標(biāo)記一目了然，現(xiàn)將JPEG的標(biāo)記碼列于表6-05，并保留英文解釋。
表6-05 JPEG定義的標(biāo)記
|
Symbol
(符號) |
Code Assignment
(標(biāo)記代碼) |
Description
(說明) |
|
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) |
|
APPn |
0xFFE0～0xFFEF |
Reserved for application use |
|
JPGn |
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個部分組成：
(1) 圖像開始SOI(Start of Image)標(biāo)記
(2) APP0標(biāo)記(Marker)
① APP0長度(length)
② 標(biāo)識符(identifier)
③ 版本號(version)
④ X和Y的密度單位(units=0：無單位；units=1：點數(shù)/英寸；units=2：點數(shù)/厘米)
⑤ X方向像素密度(X density)
⑥ Y方向像素密度(Y density)
⑦ 縮略圖水平像素數(shù)目(thumbnail horizontal pixels)
⑧ 縮略圖垂直像素數(shù)目(thumbnail vertical pixels)
⑨ 縮略圖RGB位圖(thumbnail RGB bitmap)
(3) APPn標(biāo)記(Markers)，其中n=1～15(任選)
① APPn長度(length)
② 由于詳細(xì)信息(application specific information)
(4) 一個或者多個量化表DQT(difine quantization table)
① 量化表長度(quantization table length)
② 量化表數(shù)目(quantization table number)
③ 量化表(quantization table)
(5) 幀圖像開始SOF0(Start of Frame)
① 幀開始長度(start of frame length)
② 精度(precision)，每個顏色分量每個像素的位數(shù)(bits per pixel per color component)
③ 圖像高度(image height)
④ 圖像寬度(image width)
⑤ 顏色分量數(shù)(number of color components)
⑥ 對每個顏色分量(for each component)
- ID
- 垂直方向的樣本因子(vertical sample factor)
- 水平方向的樣本因子(horizontal sample factor)
- 量化表號(quantization table#)
(6) 一個或者多個霍夫曼表DHT(Difine Huffman Table)
① 霍夫曼表的長度(Huffman table length)
② 類型、AC或者DC(Type, AC or DC)
③ 索引(Index)
④ 位表(bits table)
⑤ 值表(value table)
(7) 掃描開始SOS(Start of Scan)
① 掃描開始長度(start of scan length)
② 顏色分量數(shù)(number of color components)
③ 每個顏色分量
- ID
- 交流系數(shù)表號(AC table #)
- 直流系數(shù)表號(DC table #)
④ 壓縮圖像數(shù)據(jù)(compressed image data)
(8) 圖像結(jié)束EOI(End of Image)
表6-06表示了APP0域的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。有興趣的讀者可通過UltraEdit或者PC TOOLS等工具軟件打開一個JPG圖像文件，對APP0的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和驗證。
表6-06 JFIF格式中APP0域的詳細(xì)結(jié)構(gòu)
|
偏移 |
長度 |
內(nèi)容 |
塊的名稱 |
說明 |
|
0 |
2 byte |
0xFFD8 |
(Start of Image,SOI) |
圖像開始 |
|
2 |
2 byte |
0xFFE0 |
APP0(JFIF application segment) |
JFIF應(yīng)用數(shù)據(jù)塊 |
|
4 |
2 bytes |
|
length of APP0 block |
APP0塊的長度 |
|
6 |
5 bytes |
|
"JFIF"+"0" |
識別APP0標(biāo)記 |
|
11 |
1 byte |
|
<Major version> |
主要版本號(如版本1.02中的1) |
|
12 |
1 byte |
|
<Minor version> |
次要版本號(如版本1.02中的02) |
|
13 |
1 byte |
|
<Units for the X
and Y densities> |
X和Y的密度單位
units=0：無單位
units=1：點數(shù)/英寸
units=2：點數(shù)/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> |
縮略圖水平像素數(shù)目 |
|
19 |
1 byte |
|
<Ythumbnail> |
縮略圖垂直像素數(shù)目 |
| |
3n |
|
< Thumbnail RGB bitmap> |
縮略RGB位圖(n為縮略圖的像素數(shù)) |
| |
|
|
Optional JFIF extension APP0 marker segment(s) |
任選的JFIF擴展APP0標(biāo)記段 |
| |
…… |
|
…… |
|
| |
2 byte |
0xFFD9 |
(EOI) end-of-file |
圖像文件結(jié)束標(biāo)記 |
posted on 2005-06-22 16:53
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