JPEG文件格式簡單分析

作者：小爽

摘要：

這篇文章大體上介紹了JPEG文件的結構信息以及它的壓縮算法和編碼方式。使讀者能夠對JPEG文件格式有大體上的了解。為讀者進一步進行學習JPEG文件壓縮做好準備

關鍵字：十六進制，段格式，編碼

一、    JPEG文件格式概述：

圖像和動畫的存儲方式是一個很重要的問題。幸好我們有了數據壓縮，有了JPEG等多種壓縮存儲圖像的文件格式，我們今天才能夠拿著小小的一個存儲器，卻存上許多張色彩鮮艷的圖片。如果沒有圖像壓縮算法，也許我們的多媒體時代就會晚到來許多年。

JPEG圖像存儲格式一個比較成熟的圖像有損壓縮格式，雖然一個圖片經過轉化為JPEG圖像后，一些數據會丟失，但是，人眼是很不容易分辨出來這種差別的。也就是說，JPEG圖像存儲格式既滿足了人眼對色彩和分辨率的要求，又適當的去除了圖像中很難被人眼所分辨出的色彩，在圖像的清晰與大小中JPEG找到了一個很好的平衡點。

雖然圖像轉化為JPEG格式會減小很多，但是并不是文件就變得簡單了，相反，JPEG文件的格式是比較復雜的。不經過認真地分析，是不容易弄懂它的。

二、    JPEG文件的存儲方式：

JPEG文件的格式是分為一個一個的段來存儲的（但并不是全部都是段），段的多少和長度并不是一定的。只要包含了足夠的信息，該JPEG文件就能夠被打開，呈現給人們。JPEG文件的每個段都一定包含兩部分一個是段的標識，它由兩個字節構成：第一個字節是十六進制0xFF，第二個字節對于不同的段，這個值是不同的。緊接著的兩個字節存放的是這個段的長度（除了前面的兩個字節0xFF和0xXX，X表示不確定。他們是不算到段的長度中的）。注意：這個長度的表示方法是按照高位在前，低位在后的，與Intel的表示方法不同。比方說一個段的長度是0x12AB，那么它會按照0x12，0xAB的順序存儲。但是如果按照Intel的方式：高位在后，低位在前的方式會存儲成0xAB，0x12，而這樣的存儲方法對于JPEG是不對的。這樣的話如果一個程序不認識JPEG文件某個段，它就可以讀取后兩個字節，得到這個段的長度，并跳過忽略它。

本人曾經編寫過一個讀取JPEG文件信息的程序，該程序能夠讀取JPEG文件中包含的段的信息并顯示出來。下面是一個JPEG圖片的信息片斷：

SOI

        APP0    Length: 0x10

        DQT

                DQT [0]:

        8       6       5       8       12      20      26      31

        6       6       7       10      13      29      30      28

        7       7       8       12      20      29      35      60

        7       9       11      15      26      44      50      31

        9       11      19      28      34      56      52      0

        12      18      28      32      61      52      0       46

        25      32      39      57      52      0       60      0

        36      46      39      49      253     50      0       50

        Length: 0x43

        DQT

                DQT [1]:

        9       9       12      24      50      50      50      50

        9       11      13      33      50      50      50      50

        12      13      28      50      50      50      50      50

        24      33      50      50      50      50      50      50

        50      50      50      50      50      50      50      0

        50      50      50      50      50      50      0       50

        50      50      50      50      50      0       50      0

        50      50      50      50      253     50      0       50

        Length: 0x43

        SOF0

                Image Height: 173

                Image Width: 401

                Number of Frame(s): 3

                ****************

                Content ID: 1

                H Factor: 2

                V Factor: 2

                QT ID: 0

                ****************

                Content ID: 2

                H Factor: 1

                V Factor: 1

                QT ID: 1

                ****************

                Content ID: 3

                H Factor: 1

                V Factor: 1

                QT ID: 1

        Length: 0x11

        DHT

                Type: DC TABLE

                ID: 0

        Length: 0x1f

        DHT

                Type: AC TABLE

                ID: 0

        Length: 0xb5

        DHT

                Type: DC TABLE

                ID: 1

        Length: 0x1f

        DHT

                Type: AC TABLE

                ID: 1

        Length: 0xb5

        SOS     Length: 0xc     <-Will Not Process This Seg.

FATAL ERROR: File Structure Does NOT Support.

你首先會想到為什么最后會出現一個錯誤的信息呢？這是因為，在SOS（Start Of Scan）段的后面，就是編碼后的一行一行的圖像信息。不再是段的結構了。在開始的SOI（Start Of Image）不是一個段，它是文件的開始，它的值也是類似于0xFF，0xXX的結構（SOI的具體數值清自己察看相關書籍，本文章中將不作重點介紹），但是后面沒有段的長度。在文件的最后，有一個EOI（End Of Image）的標識，它的結構和SOI是類似的。它標志著文件的結束。

在這中間，包含了APP0段，DQT段，SOF0段，DHT段，SOS段。有的段的個數是不唯一的，比方說DQT段。我們現在重點地介紹各個段的作用。

三、    JPEG文件中段的介紹：

APP0段中主要存儲的是圖片的識別信息（字符串”JFIF\0”）、一些分辨率的信息以及縮略圖的信息。在我的實際測試中，發現并不是所有的JPEG文件都有APP0段的，有的僅是有APP2之類的其他段，但是每個文件中肯定是包含APPX的段（X可以取得的值可以查閱相關文檔）。我個人估計，這些APPX的段的信息應該是大同小異。這個的驗證還有待本人進一步的學習，目前只能說到這里。

DQT段的內容是量化表的信息。眾所周知，一個顏色可以分為RGB（紅、綠、蘭）三個分量，這三色光組成了我們可以見到的所有色彩。但是，在JPEG文件中，RGB色彩格式需要先轉化為YUV的格式。Y分量代表了亮度信息，UV分量代表了色差信息。相比之下，人眼對于Y分量更為敏感。量化表的作用就是對于一些不需要的量進行去除，這也是JPEG有損壓縮損失數據的關鍵。上面的輸出可以看到兩個量化表，一個給Y分量，另一個給UV分量。其實，他們也可以共用一個量化表。一個量化的結果如下所示（摘自《JPEG壓縮編碼標準》）：

15    0     -1    0     0     0     0     0

-2    -1    0     0     0     0     0     0

-1    -1    0     0     0     0     0     0

0     0     0     0     0     0     0     0

0     0     0     0     0     0     0     0

0     0     0     0     0     0     0     0

0     0     0     0     0     0     0     0

0     0     0     0     0     0     0     0

我們可以看到，量化后出現了大量的0，這種結果很有利于我們進行下一步的數據壓縮的。至于為什么是8x8的大小，待會你就知道了。

SOF0段的內容是圖像的大小信息，每個像素的位數信息，以及YUV每個分量分別得的采樣信息（這部分如果讀者想要進一步學習，請參考相應書籍和文檔）。JPEG文件圖像的編碼是一個方塊一個方塊進行的，每塊的大小為8x8大小（如果圖像不是整數個方塊的大小那么就對圖像補齊為整數個大小）。簡略地說采樣信息，就是如何按組記錄YUV的信息，即若干個Y方塊，若干個U方塊，若干個V方塊經過量化的數據再次經過編碼后組成一組記錄，保存在SOS段結束后。

DHT段的內容是一個重頭戲，如果沒有它，JPEG壓縮效率就不會那么高了。它內部定義的是一個Huffman表，不同的DHT段定義不同的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？待會我再作介紹。最多的Huffman表示幾個呢？YUV各一個，直流交流各一個，因為YUV每個分量都有直流和交流，所以最多時，Huffman表有3x2個，也就是可以有6個DHT段。該文件中有4個DHT表，您可以大概猜出來是哪幾個表么？Y的直流和交流各一個Huffman表，UV和起來直流和交流各一個Huffman表。這樣說應該比較合理吧。

好了，現在我們應該弄明白什么是交流量，什么是直流量了。還舉上面那個有許多個0的8x8的表的例子說，所謂交流量，是經過量化后的塊內部除了左上角15那個值的其余值。實際上，塊與塊之間左上角那個值是用直流Huffman表來單獨編碼的。不與塊內部一同編碼。雖然不同的編碼，但是要注意的事，不同的編碼方式并不意味著它們是不在一起的，具體的存儲編碼后的數據的時候，還是按照若干個Y方塊，若干個U方塊，若干個V方塊經過量化的數據再次經過編碼后組成一組記錄來存儲的。

SOS段的內容是關于YUV每個分量的直流和交流各使用那個Huffman表來編碼的。

四、    JPEG文件十六進制代碼解析

我覺得，如果想要的了解JPEG，對十六進制代碼的觀察是必不可少的。不要認為這樣有多難，我會讓你知道這是很簡單的。目前我們只需要了解我們能夠了解的東西就可以了。要記住，每個段的開始是0xFF，0xXX，緊接著兩個字節是長度信息。

可以看到，上圖被選定的標記是SOI標記。

上圖被選定的段是APP0段。

緊接著的段是DQT段，這個JPEG文件有兩個DQT段。這里需要強調一點的是，包括量化表在內8x8的塊的值是按照Z形來保存量化表8x8的數據的。而不是按照一行一行的保存的。這樣做的好處是，能夠讓實際上相鄰的像素點保存后也排列得比較近，便于壓縮和編碼。如下圖所示：

（摘自《JPEG壓縮編碼標準》）

上圖標記的段是DHT段，一共有4個DHT段。

這個段是SOS段，在這個段的后面就是所有壓縮后的數據。

每段的具體信息在這里我就不詳細介紹了，網上有很多相關的文章，如果有興趣的話，可以去查找閱讀。

五、    圖像數據塊內的編碼方式

其實，圖像數據塊的編碼是比較麻煩的，它涉及到了行程編碼，Huffman編碼等編碼方式。這部分很多文檔說得都不是很清楚，我力求去除內部比較麻煩的部分，再通過簡單的語言讓大家明白原理，這樣大家如果有興趣進行下一步的研究，也會比較容易上手的。

我們還是使用那剛才那個包含很多0的量化后的8x8的數據塊來說明。我們把塊內剩余的63個數據用行程編碼來編碼。經過行程編碼后的數據的格式是：（x,y）。x表示的是從當前位置開始有多少個連續的零，y表示這些連續的0的后面的第一個非零的數是多少。但是為了解決存儲的問題和進行進一步的壓縮。最后的壓縮格式變為：（x,y）z。xy占有一個字節的長度。z的長度不固定，需要根據y的值來判斷。x仍代表從當前位置開始有幾個連續的零，但是因為x只能占有四位的長度，也就是它的最大值是15，所以，當多于16個連續的零的時候。會用一個字節的(15,0)來代替前面的16個0，然后繼續編碼（注意：這時候沒有z部分）。當塊結束或者當前塊后面剩余的都是零的時候，就用（0,0）即EOB代替（同樣也是沒有z部分）。前面說到z的長度不固定，需要根據y的值來判斷，這是為什么呢？簡單的來說，z的長度是不一定的，在1~15的范圍內。Y的作用簡單的來說表示的是z的二進制位數（1~15），也正好是4位二進制的值能夠表示的。然后，把xy合成的一個字節單獨提取出來，利用DHT里面的Huffman表來進行編碼。這樣，編碼的長度又能夠被壓縮了。

六、    總結

敘述了這么多，相信大家對于JPEG已經有了一個大概的了解了吧，如果你通過閱讀這篇文章，對JPEG文件的結構和算法有了一個大體上的認識，那么這篇文章的目的也就達到了。下一步進行具體研究就不會有太大問題了。祝愿大家能夠在數據壓縮的路上走好。

參考文獻：

1．             《JPEG壓縮編碼標準》

2．             《JPEG格式》

3．             《JPEG簡易文檔》        作者：風云