JPEG压缩编码标准
jpeg编码标准
jpeg编码标准JPEG，全称为Joint Photographic Experts Group，是一种广泛应用于图像压缩的标准。
其名称包含三个主要部分：“联合”，“图像”，“专家组”。
专家组是一个处理特殊问题的专家团队，而JPEG 就是这些专家的研究成果被采纳并应用于图像处理的结果。
JPEG编码是一种有损压缩方式，它通过去除图像中的冗余数据来减小文件大小，同时尽可能地保留图像的重要信息，使得图像在查看或打印时仍然具有良好的质量。
这种压缩方式被广泛用于数字图像和视频的传输，包括网络传输和存储等。
二、JPEG编码标准的主要组成部分1. 离散余弦变换（DCT）：JPEG使用了一种特殊的变换方法，称为离散余弦变换。
这种方法将图像从空间域转换到频率域，从而实现了数据的压缩。
通过离散余弦变换，我们可以将高频率部分（也就是图像中的噪声和细节）移除，只保留低频率部分（也就是图像的主要信息）。
2. 量化：在离散余弦变换之后，我们需要对变换后的系数进行量化。
量化过程是将变换后的系数映射到一个有限的离散值集合中。
这个过程有助于进一步减小文件大小，同时尽可能保留图像的质量。
3. 熵编码：熵编码是一种用于减少文件大小的额外技术。
JPEG 使用了一种称为游程编码的技术来进行熵编码，它能够进一步减少文件中的冗余数据。
4. 霍夫曼编码：在JPEG标准中，霍夫曼编码被用于进一步优化文件大小。
它是一种无损的压缩技术，通过创建短的、重复的符号的平均值来减小文件大小。
三、JPEG编码的应用场景JPEG编码广泛应用于数字图像和视频处理领域，如网络传输、存储、打印和显示等。
它尤其适用于需要大量图像或视频数据的场景，如社交媒体、在线购物、视频会议等。
四、JPEG编码的优缺点优点：1. 高压缩率：JPEG编码能够有效地减小图像和视频的文件大小，而不会显著影响图像的质量。
这使得它成为了一种非常实用的技术，尤其是在需要大量数据传输和存储的场景中。
多媒体技术JPEG图像压缩标准
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基于DPCM的无损编码模式
主要采用了三邻域二维预测编码和熵编码
无失真编码器
预测器
熵编码器
源图像数据 表说明 DPCM预测编码框图
压缩的图像数据
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基于DPCM的无损编码模式
主要采用了三邻域二维预测编码和熵编码
减去预测值，得到一个差值，差值不量化，直接进行熵 编码（哈夫曼或者算术编码） 保证无失真地恢复原始 图像
选择值 预测 0 1 2 3 选择值 预测 a+b-c a+(bc)/2 b+(ac)/2 (a+c)/2
c a
b X
非预测 4 a 5 b c 6 7
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基于DCT的渐进的编码模式
基本思想
此模式与顺序模式编码步骤基本一致，不同之处在 于递增模式每个图像分量的编码要经过多次扫描才 完成。第一次扫描只进行一次粗糙的压缩，然后根 据此数据先重建一幅质量低的图像，以后的扫描再 作较细的扫描，使重建图像质量不断提高，直到满 意为止
离散余弦变换(DCT)
1 Y00 = N
邋
N- 1 N- 1
X ij
i= 0 i= 0
DC 系数
12
基于DCT的顺序编码模式
缺省的量化方式
Y Q ( x, y) = IntegerRound[Y ( x, y) / Q( x, y)]
13
基于DCT的顺序编码模式
缺省的量化方式
Y Q ( x, 根据心理视觉加权函数得到的 量化表： y) = IntegerRound[Y ( x, y) / Q( x, y)] 量化:DCT变换系数除以量化步长，四舍五入取整
颜色空间转换不包含在JPEG算法中
图像处理之JPEG编码原理
上式中，R、G、B 和 Y、Cr、Cb 都是 8bit 无符号整数，取值范围为 0-255。另从上式可 看到，计算过程会涉及到小数运算，也就是 浮点运算，所以有必要考虑算法优化，把浮点数 运算转换为移位与加法运算，从而可使计算机更快速的进行处理。 RGB 与 YCrCb 之间的逆变换式如下：
R 1 1.4020 G = 1 − 0.7141 0 1 B
DCT 变换本身并不降低图像质量，而是在丢弃图像细节的对极小幅度频率的忽略过程中降低 了图像质量。 从 DCT 变换式可以看出， 对于每一个 DCT 值 F(u,v)都需要进行 64 次乘法， 完成 8×8=64 个 DCT 系统则需要 64×64=4096 次乘法。对包含了大量 8×8 图像块的整幅图像来说，计算 量之大可想而知。由此可见，计算 DCT 是整个 JPEG 压缩过程中最耗时的操作，很多人研究 过快速算法，更为有效的方法是在 CPU 中增加新指令(专用 CPU)，以便于 DCT 运算。 下面以一个 8×8 图像块的变换过程进行示例说明： 原始图像的像素矩阵为： 52 63 62 63 67 79 85 87 55 59 59 58 61 65 71 79 61 55 68 71 68 60 64 69 66 90 113 122 104 70 59 68 70 109 144 154 126 77 55 65 61 85 104 106 88 68 61 76 64 69 66 70 68 58 65 78 73 72 73 69 70 75 83 94
的图像时，要使用的记录容量为 1024×768×3=2359.296K 字节。需要补充说明的是，文件 作为数据记录载体，除数据内容外还应提供必要的有关存储格式的说明以方便以后读取(具 体可参考相关格式的标准化资料)， 因此实际存储使用的文件要比上面计算的数据容量稍大， 如 1024×768 的 24 位位图文件(bmp 文件)为 2359.350K 字节。 2.1 色彩空间 (color space) 在图像处理中，可以把 RGB 空间表示的彩色图像变换到其他色彩空间。常用的色彩空 间有三种：YIQ，YUV 和 YCrCb。不同的色彩空间通常是对应于不同的物理设备特性，见下 表： 色彩空间 YIQ YUV YCrCb 适用范围 NTSC 制彩色电视 PAL 和 SECAM 制彩色电视 计算机显示器
三大编码及压缩标准
编码和压缩是处理音频、视频和图像等多媒体数据时必不可少的技术。
通过编码，原始数据被转换成适合存储或传输的格式；而压缩则是为了减少数据量，以节省存储空间和加快传输速度。
在众多的编码及压缩标准中，有三大标准被广泛使用，它们分别是：JPEG、MPEG 和 H.264。
1.JPEG（Joint Photographic Experts Group）JPEG 是一种广泛应用于图像压缩的编码标准，它由联合摄影专家组开发。
JPEG 能够提供很好的压缩比例，同时保持较高的图像质量。
这使得JPEG 成为数字摄影、网页设计和许多其他应用的首选格式。
JPEG 支持多种颜色模式，包括 RGB、CMYK 和灰度。
此外，JPEG 还支持渐进式显示，即图像可以逐步加载，让用户在等待完整图像加载时可以看到低分辨率的预览。
JPEG 压缩算法基于离散余弦变换（DCT），通过量化和哈夫曼编码实现数据的压缩。
由于 JPEG 是有损压缩，因此在高压缩比下可能会出现图像质量的损失。
为了在保持较高图像质量的同时实现较大的压缩比，JPEG 提供了多种压缩级别供用户选择。
2.MPEG（Moving Picture Experts Group）MPEG 是一组用于音频和视频编码的标准，由动态图像专家组开发。
MPEG 标准包括多种类型，如 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4 等。
这些标准在不同的应用场景中有不同的特点和优势。
MPEG-1 主要用于 VCD 和 CD 的音视频编码，其视频编码分辨率较低，适用于较低的传输速率。
MPEG-2 则用于 DVD、数字电视和高清电视等领域，提供了更高的分辨率和更好的图像质量。
MPEG-4 是一种面向对象的编码标准，支持更多的交互功能，如虚拟现实、游戏等。
MPEG 编码算法基于运动补偿和离散余弦变换（DCT），通过帧间预测、运动估计和熵编码实现数据的压缩。
与 JPEG 类似，MPEG 也是有损压缩，但在保证一定图像质量的前提下，可以实现较高的压缩比。
JPEG图像编码标准 PT
“Digital compression and coding of continuous-tone still
images”
• 其中的“Joint”还有与ITU联合的意思 • 在过去的十几年中，该委员会制定了一系列的静态连续色
调图像压缩编码标准(如：有损、无损及接近无损等编码 标准)，并于1996年开始制定JPEG 2000标准。
泛的用途。
如：数码相机、Web page images、MPEG的帧内图像(I图像)、…
• JPEG委员会在制定JPEG标准时，定义了许多标记(marker前为 止，关于JPEG文件交换格式明确定义的详细说明，在相 关的“规范”或“建议”(如ITU T.81)中没有见到。
Profiles, Tags, Color Spaces, APPn Markers, Compression Types, and Registration Authorities (REGAUT) DIS 14495-1 | ITU-T Draft Rec. T.87 : Lossless and Near-Lossless Compression of Continuous-Tone Still Images – Baseline
参考文献
§3.4.1 JPEG与JPEG图像
一、ISO/IEC JPEG (Joint Photographic Experts Group)简介
二、关于JPEG图像
A、参 考 文 献
一. 关于JPEG
• JPEG : Joint Photographic Experts Group • 由ISO与IEC于1986年联合成立的一个专家委员会(WG1)，
• 目前使用的格式为JFIF v1.02和TIFF JPEG等，其中前者的
jpeg压缩编码标准
JPEG压缩编码标准是国际标准化组织（ISO）和CCITT联合制定的静态图像的压缩编码标准。
它主要采用预测编码、离散余弦变换以及熵编码的联合编码方式，以去除冗余的图像和彩色数据，属于有损压缩格式。
JPEG压缩编码标准是面向连续色调静止图像的压缩编码标准，具有较高的压缩比，是目前静态图像中压缩比最高的。
它能够将图像压缩在很小的储存空间，一定程度上会造成图像数据的损伤。
JPEG压缩编码标准有多种类型，包括标准JPEG格式、渐进式JPEG格式和JPEG2000格式。
其中，标准JPEG格式在网页下载时只能由上而下依序显示图像，直到图像资料全部下载完毕，才能看到图像全貌；渐进式JPEG格式在网页下载时，先呈现出图像的粗略外观后，再慢慢地呈现出完整的内容；JPEG2000格式是新一代的影像压缩法，压缩品质更高，并可改善在无线传输时，常因信号不稳造成马赛克现象及位置错乱的情况，改善传输的品质。
总之，JPEG压缩编码标准是一种广泛应用于图像处理领域的压缩编码标准，具有较高的压缩比和多种类型，能够满足不同应用场景的需求。
jpeg编码流程
jpeg编码流程
JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一种常见的图像压缩标准，下面是JPEG编码的流程：
1. 图片预处理：对原始图像进行一些预处理操作，如颜色空间转换（RGB转YCbCr），图像采样和分辨率调整等。
2. 分块和变换：将图片分为若干个8x8的块，并对每个块进行离散余弦变换（DCT）。
3. 量化：对DCT变换后的结果进行量化操作，将高频部分的系数舍弃或减小，以降低图像的数据量。
4. 颜色空间压缩：对量化后的Y、Cb、Cr三个分量进行独立的色彩空间压缩处理，通常使用基于哈夫曼编码的方法。
5. 编码：对压缩后的数据进行编码处理，包括使用游程长度编码（Run Length Coding）对连续的零系数进行编码，以及使用霍夫曼编码对非零系数进行编码。
6. 生成压缩数据：将编码后的数据按照一定的格式组织起来，生成最终的JPEG压缩数据。
JPEG编码是一种有损压缩方法，通过对图像进行降低色彩精度、舍弃部分细节信息和压缩系数进行量化等操作，以减小图像的数据量，并通过对DCT系数进行进一步的编码压缩，从
而实现图像数据的压缩和存储。
在解码过程中，需要对压缩数据进行相应的解码和逆操作，来还原原始图像的视觉信息。
JPEG是图像压缩编码标准
JPEG是图像压缩编码标准JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一种常见的图像压缩编码标准，它是一种无损压缩技术，可以有效地减小图像文件的大小，同时保持图像的高质量。
JPEG压缩技术广泛应用于数字摄影、网页设计、打印和传真等领域，成为了图像处理中不可或缺的一部分。
JPEG压缩编码标准的原理是基于人眼对图像细节的感知特性，通过去除图像中的冗余信息和不可见细节，从而实现图像的压缩。
在JPEG压缩中，图像被分割成8x8像素的块，然后对每个块进行离散余弦变换（DCT），将图像从空间域转换到频域。
接着，对DCT系数进行量化和编码，最后使用熵编码对图像进行压缩。
这样的压缩方式可以显著减小图像文件的大小，同时保持图像的视觉质量。
JPEG压缩标准的优点之一是可以根据需要选择不同的压缩比，从而在图像质量和文件大小之间取得平衡。
在数字摄影中，用户可以根据拍摄场景和要求选择不同的压缩比，以满足对图像质量和文件大小的需求。
此外，JPEG格式的图像可以在不同的设备和平台上进行广泛的应用和共享，具有很好的兼容性。
然而，JPEG压缩也存在一些缺点。
由于JPEG是一种有损压缩技术，因此在高压缩比下会出现明显的失真和伪影。
特别是在连续的编辑和保存过程中，图像的质量会逐渐下降，出现“JPEG失真”。
因此，在图像处理中需要注意选择合适的压缩比，避免过度压缩导致图像质量下降。
另外，JPEG格式不支持透明度和动画等高级特性，对于一些特殊的图像处理需求可能不够灵活。
在这种情况下，可以考虑使用其他图像格式，如PNG和GIF，来满足特定的需求。
总的来说，JPEG作为一种图像压缩编码标准，具有广泛的应用和重要的意义。
它在数字摄影、网页设计、打印和传真等领域发挥着重要作用，为图像处理和传输提供了有效的解决方案。
然而，在使用JPEG格式进行图像处理时，需要注意选择合适的压缩比，避免过度压缩导致图像质量下降。
同时，也需要根据具体的需求考虑使用其他图像格式来满足特定的需求。
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WORD xmin,ymin;
WORD xmax,ymax;
WORD hres;
WORD vres;
char palette[48];
char reserved;
char colour_planes;
WORD bytes_per_line;
WORD palette_type;
i;
LONG
x,y;
int
PcxTag;
unsigned char
LineBuffer[6400];
LPSTR
lpPtr;
HFILE
hfbmp;
if((PCXfp=fopen(PcxFileName,"rb"))==NULL){ //文件没有找到
压缩可分为两大类：第一类压缩过程是可逆的，也就是说，从压缩后的图象能够完全恢复出 原来的图象，信息没有任何丢失，称为无损压缩；第二类压缩过程是不可逆的，无法完全恢 复出原图象，信息有一定的丢失，称为有损压缩。选择哪一类压缩，要折衷考虑，尽管我们 希望能够无损压缩，但是通常有损压缩的压缩比(即原图象占的字节数与压缩后图象占的字 节数之比，压缩比越大，说明压缩效率越高)比无损压缩的高。
S0S1S7S0S1S6S2S2S3S4S5S0S0S1
编
码
后
变
成
000001111000001110010010011100101000000001，共用了 42 比特。我们发现 S0，S1，S2
这三个符号出现的频率比较大，其它符号出现的频率比较小，如果我们采用一种编码方案使
得 S0，S1，S2 的码字短，其它符号的码字长，这样就能够减少占用的比特数。例如，我们
替，每个数据的代码各不相同。这些代码都是二进制码，且码的长度是可变的。举个例子：
假设一个文件中出现了 8 种符号 S0,S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7，那么每种符号要编码，至少需要
3 比 特 。 假 设 编 码 成 000,001,010,011,100,101,110,111( 称 做 码 字 ) 。 那 么 符 号 序 列
图象压缩一般通过改变图象的表示方式来达到，因此压缩和编码是分不开的。图象压缩的主 要应用是图象信息的传输和存储，可广泛地应用于广播电视、电视会议、计算机通讯、传真、 多媒体系统、医学图象、卫星图象等领域。
压缩编码的方法有很多，主要分成以下四大类：(1)象素编码；(2)预测编码；(3)变换编码； (4)其它方法。
其它的编码方法也有很多，如混合编码(Hybird Coding)、矢量量化(Vector Quantize，VQ) 、 LZW 算法。在这里，我们只介绍 LZW 算法的大体思想。
值得注意的是，近些年来出现了很多新的压缩编码方法，如使用人工神经元网络(Artificial Neural Network，简称 ANN)的压缩编码算法、分形(Fractl)、小波(Wavelet) 、基于对象(Object Based)的压缩编码算法、基于模型(Model –Based)的压缩编码算法(应用在 MPEG4 及未来的 视频压缩编码标准中)。这些都超出了本书的范围。
PCX 文件最早是 PC Paintbrush 软件所采用的一种文件格式，由于压缩比不高，现在用的并 不是很多了。它也是由头信息、调色板、实际的图象数据三个部分组成。其中头信息的结构 为：
typedef struct{
char manufacturer;
char version;
char encoding;
第 9 章 图象的压缩编码，JPEG 压缩编 码标准
在介绍图象的压缩编码之前，先考虑一个问题：为什么要压缩？其实这个问题不用我回 答，你也能想得到。因为图象信息的数据量实在是太惊人了。举一个例子就明白：一张 A4(210mm×297mm) 幅面的照片，若用中等分辨率(300dpi)的扫描仪按真彩色扫描，其数据 量为多少？让我们来计算一下：共有(300×210/25.4) ×(300×297/25.4)个象素，每个象素占 3 个字节，其数据量为 26M 字节，其数据量之大可见一斑了。
如今在 Internet 上，传统基于字符界面的应用逐渐被能够浏览图象信息的 WWW(World Wide Web)方式所取代。WWW 尽管漂亮，但是也带来了一个问题：图象信息的数据量太大了， 本来就已经非常紧张的网络带宽变得更加不堪重负，使得 World Wide Web 变成了 World Wide Wait。
char filler[58];
} PCXHEAD;
其中值得注意的是以下几个数据：manufacturer 为 PCX 文件的标识，必须为 0x0a；xmin 为 最小的 x 坐标，xmax 最大的 x 坐标，所以图象的宽度为 xmax-xmin+1，同样图象的高度为 ymax-yin+1；bytes_per_line 为每个编码行所占的字节数，下面将详细介绍。
常用的预测编码有Δ调制(Delta Modulation，简称 DM)；微分预测编码(Differential Pulse Code Modulation，DPCM)，具体的细节在此就不详述了。
所谓变换编码是指，将给定的图象变换到另一个数据域(如频域)上，使得大量的信息能用较 少的数据来表示，从而达到压缩的目的。变换编码有很多，如(1)离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform，简称 DFT)；(2)离散余弦变换(Discrete Cosine Transform，简称 DCT)；(3) 离散哈达玛变换(Discrete Hadamard Transform，简称 DHT)。
解码是以行为单位的，该行所占的字节数由 bytes_per_line 给定。为此，我们开一个大小为 bytes_per_line 的解码缓冲区。一开始，将缓冲区的所有内容清零。从文件中读出一个字节 C， 若 C>0xc0，说明是行程(Run Length)信息，即 C 的低 6 位表示后面连续的字节个数(所以最 多 63 个连续颜色相同的象素，若还有颜色相同的象素，将在下一个行程处理)，文件的下一 个字节就是实际的图象数据(即该颜色在调色板中的索引值)。若 C<0xc0，则表示 C 是实际 的图象数据。如此反复，直到这 bytes_per_line 个字节处理完，这一行的解码完成。PCX 就 是有若干个这样的解码行组成。
上述的编码是如何得到的呢？随意乱写是不行的。编码必须保证不能出现一个码字和另一个 的前几位相同的情况，比如说，如果 S0 的码字为 01，S2 的码字为 011，那么当序列中出现 011 时，你不知道是 S0 的码字后面跟了个 1，还是完整的一个 S2 的码字。我们给出的编码 能够保证这一点。
下面给出具体的 Huffman 编码算法。
PCX 的调色板在文件的最后。以 256 色 PCX 文件为例，倒数第 769 个字节为颜色数的标识， 256 时该字节必须为 12，剩下的 768(256×3)为调色板的 RGB 值。
为了叙述方便，我们针对 256 色 PCX 文件，介绍一下它的解码过程。编码是解码的逆过程， 有兴趣的读者可以试着自己来完成。
下面是实现 256 色 PCX 文件解码的源程序，其中第二个函数对一行进行解码，应该把阅读 的重点放在这个函数上。要注意的是，执行时文件 C:\\test.pcx 必须存在，而且是一个 256 色 PCX 文件。
unsigned int PcxBytesPerLine;
BOOL LoadPcxFile (HWND hWnd,char *PcxFileName)
所谓预测编码是指，去除相邻象素之间的相关性和冗余性，只对新的信息进行编码。举个简 单的例子，因为象素的灰度是连续的，所以在一片区域中，相邻象素之间灰度值的差别可能 很小。如果我们只记录第一个象素的灰度，其它象素的灰度都用它与前一个象素灰度之差来 表示，就能起到压缩的目的。如 248，2，1，0，1，3，实际上这 6 个象素的灰度是 248，250， 251，251，252，255。表示 250 需要 8 个比特，而表示 2 只需要两个比特，这样就实现了压 缩。
所谓象素编码是指，编码时对每个象素单独处理，不考虑象素之间的相关性。在象素编码中 常用的几种方法有： (1)脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，简称 PCM)； (2)熵编码(Entropy Coding)；(3)行程编码(Run Length Coding)；(4)位平面编码(Bit Plane Coding)。其中我们要介 绍的是熵编码中的哈夫曼(Huffman)编码和行程编码(以读取.PCX 文件为例)。
总之，大数据量的图象信息会给存储器的存储容量，通信干线信道的带宽，以及计算机的处 理速度增加极大的压力。单纯靠增加存储器容量，提高信道带宽以及计算机的处理速度等方 法来解决这个问题是不现实的，这时就要考虑压缩。
压缩的理论基础是信息论。从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中的冗余，即保留不确 定的信息，去掉确定的信息(可推知的)，也就是用一种更接近信息本质的描述来代替原有冗 余的描述。这个本质的东西就是信息量(即不确定因素)。
9.2 行程编码
行程编码(Run Length Coding)的原理也很简单：将一行中颜色值相同的相邻象素用一个计数 值和该颜色值来代替。例如 aaabccccccddeee 可以表示为 3a1b6c2d3e。如果一幅图象是由很 多块颜色相同的大面积区域组成，那么采用行程编码的压缩效率是惊人的。然而，该算法也 导致了一个致命弱点，如果图象中每两个相邻点的颜色都不同，用这种算法不但不能压缩， 反而数据量增加一倍。所以现在单纯采用行程编码的压缩算法用得并不多，PCX 文件算是 其中的一种。
{
FILE
*PCXfp;
PCXHEAD
header;
LOGhPrevPalette;