JPEG图像编码标准课件

内容提纲3.4.1JPEGJPEG标准与标准与JPEGJPEG图像图像3.4.2JPEGJPEG图像格式图像格式3.4.3JPEGJPEG图像压缩编码算法图像压缩编码算法3.4.4JPEG2000JPEG2000简介简介参参 考考 文文 献献2024/7/121JPEG内容提纲3.4.1 JPEG标准与JPEG图像参JPEG与JPEG图像一、一、ISO/IECJPEG(JointPhotographicExpertsISO/IECJPEG(JointPhotographicExpertsGroup)Group)简介简介二、关于二、关于JPEGJPEG图像图像A、参参参参 考考考考 文文文文 献献献献3.4.13.4.12024/7/122About JPEG JPEG与JPEG一.关于JPEGJPEGJPEG:JointPhotographicExpertsGroup:JointPhotographicExpertsGroup由由ISOISO与与IECIEC于于19861986年联合成立的一个专家委员会年联合成立的一个专家委员会(WG1)(WG1)，其宪章其宪章(charter)(charter)是：是：其中的其中的“Joint”Joint”还有与还有与ITUITU联合的意思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调图像压缩编码标准(如：有损、无损及接近无损等编码如：有损、无损及接近无损等编码标准标准)，并于，并于20192019年开始制定年开始制定JPEG2000JPEG2000标准。标准。“Digital compression and coding of continuous-tone Digital compression and coding of continuous-tone still images”still images”2024/7/122024/7/123 3 3 3第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术一.关于JPEGJPEG:Joint Photogr关于JPEG(cont.)(cont.)已经发布的标准有：已经发布的标准有：ISO/IEC10918-1|ITU-TRec.T.81:ISO/IEC10918-1|ITU-TRec.T.81:Requirements and guidelinesRequirements and guidelinesISO/IEC10918-2|ITU-TRec.T.83:ISO/IEC10918-2|ITU-TRec.T.83:Compliance testingCompliance testingISO/IEC10918-3|ITU-TRec.T.84:ISO/IEC10918-3|ITU-TRec.T.84:ExtensionsExtensionsISO/IEC10918-4|ITU-TRec.T.86:ISO/IEC10918-4|ITU-TRec.T.86:Registration of JPEG Registration of JPEG Parameters,Profiles,Tags,Color Spaces,APPn Markers,Compression Parameters,Profiles,Tags,Color Spaces,APPn Markers,Compression Types,and Registration Authorities(REGAUT)Types,and Registration Authorities(REGAUT)DIS14495-1|ITU-TDraftRec.T.87:DIS14495-1|ITU-TDraftRec.T.87:Lossless and Near-LosslessLossless and Near-LosslessCompression of Continuous-Tone Still Images BaselineCompression of Continuous-Tone Still Images BaselineJPEG2000JPEG2000标准标准(草案草案)ISO/IECFCD15444-1:2000|ISO/IECFCD15444-1:2000|ITU-TRec.T.800ITU-TRec.T.8002024/7/122024/7/124 4 4 4第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术关于JPEG(cont.)已经发布的标准有：2023/8/二.关于JPEG图像压缩编码算法主要有：压缩编码算法主要有：基于离散余弦变换基于离散余弦变换(DiscreteCosineTransform,DCT)(DiscreteCosineTransform,DCT)的有损压缩的有损压缩(lossycompression)(lossycompression)算法。该算法还包括熵编码算法。该算法还包括熵编码(EntropyEntropy CodingCoding),),霍霍夫曼编码夫曼编码(Huffman codingHuffman coding)等算法。等算法。基于预测的无损数据压缩算法。基于预测的无损数据压缩算法。算法所处理的图像为静态连续色调算法所处理的图像为静态连续色调(stillcontinuous-tone)(stillcontinuous-tone)的的彩色或灰度彩色或灰度(grayscale)(grayscale)图像。图像。压缩算法与彩色空间无关，颜色变换不包括在算法中。压缩算法与彩色空间无关，颜色变换不包括在算法中。编码模型有：顺序编码模型有：顺序(SequentialencodingSequentialencoding)、累进、累进(ProgressiveProgressiveencodingencoding)、无损、无损(LosslessencodingLosslessencoding)、层次、层次(HierarchicalHierarchicalencodingencoding)编码模型。编码模型。2024/7/122024/7/125 5 5 5第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术二.关于JPEG图像压缩编码算法主要有：2023/8/1JPEG图像格式(一一一一)JPEGJPEG图像格式简介图像格式简介(二二二二)JFIFJFIF(JPEGFileInterchangeFormat(JPEGFileInterchangeFormat，即，即 JPEGJPEG图像文件交换格式图像文件交换格式)(三三)JFIFJFIF格式图像数据分析格式图像数据分析3.4.22024/7/126 JPEG图像格式(一)JPEG（一）（一）JPEG图像格式简介JPEGJPEG图像为静止连续色调图像为静止连续色调(stillcontinuous-tone)(stillcontinuous-tone)图像，有广图像，有广泛的用途。泛的用途。如：数码相机、如：数码相机、WebpageimagesWebpageimages、MPEGMPEG的帧内图像的帧内图像(I(I图像图像)、JPEGJPEG委员会在制定委员会在制定JPEGJPEG标准时，定义了许多标记标准时，定义了许多标记(marker)(marker)来区分和识别图像数据及其相关的信息。但是，到目前为来区分和识别图像数据及其相关的信息。但是，到目前为止，关于止，关于JPEGJPEG文件交换格式明确定义的详细说明，在相关文件交换格式明确定义的详细说明，在相关的的“规范规范”或或“建议建议”(如如ITUT.81)ITUT.81)中没有见到。中没有见到。目前使用的格式为目前使用的格式为JFIFv1.02JFIFv1.02和和TIFFJPEGTIFFJPEG等，其中前者的等，其中前者的使用比较广泛，大多数应用程序均加以支持，其他格式比使用比较广泛，大多数应用程序均加以支持，其他格式比较复杂。较复杂。2024/7/122024/7/127 7 7 7第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术（一）JPEG图像格式简介JPEG图像为静止连续色调(stiJPEG图像格式简介(cont.)(cont.)JPEGJPEG文件使用的颜色空间为文件使用的颜色空间为19821982年推荐的电视图像数字化年推荐的电视图像数字化标准标准CCIR601(CCIR601(现为现为ITU-RBT.601)ITU-RBT.601)。在这个色彩空间中，。在这个色彩空间中，每个分量、每个像素的电平规定为每个分量、每个像素的电平规定为255255级，用级，用8 8位代码表示。位代码表示。颜色转换颜色转换 从从RGB转换成转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：空间时，使用下面的精确的转换关系：Y=256 Ey Cb=256 ECb+128 Cr=256 ECr+128其中亮度电平其中亮度电平Ey和色差电平和色差电平ECb和和ECb分别是分别是CCIR 601定义的参数。由于定义的参数。由于Ey的范围是的范围是01，ECb和和ECb的范围是的范围是-0.5+0.5，因此，因此Y,Cb和和Cr的最大值的最大值必须要到必须要到255。于是。于是RGB和和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算。之间的转换关系需要按照下面的方法计算。2024/7/122024/7/128 8 8 8第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)JPEG文件使用的颜色空JPEG图像格式简介(cont.)(cont.)颜色转换颜色转换从从RGBRGB转换成转换成YCYCb bC Cr rYCbCr(256级级)分量可直接从用分量可直接从用8位表示的位表示的RGB分量计算得到：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：需要注意的是：需要注意的是：需要注意的是：不是所有图像文件格式都按照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，因此在的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成文件转换成JFIF文件时需要首文件时需要首先验证先验证RGB的次序。的次序。2024/7/122024/7/129 9 9 9第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)颜色转换YCbCr(25JPEG图像格式简介(cont.)(cont.)颜色转换颜色转换从从YCYCb bC Cr r 转换成转换成RGBRGBRGB分量可直接从分量可直接从YCbCr(256级级)分量计算得到：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。文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。这就是说这就是说JFIFJFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本。2024/7/122024/7/1210101010第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)颜色转换RGB分量可直接RGBYCbCrRGBYCbCr2024/7/122024/7/1211111111第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术RGB YCbCrRGBYCbCr2023/8/1411JPEG图像格式简介(cont.)(cont.)JPEGJPEG的主要标记的主要标记(marker)(marker)下面为其中的下面为其中的8 8个主要标记个主要标记标记名标记名标记值标记值含义含义SOISOI0 xD80 xD8图像开始图像开始图像开始图像开始APP0APP00 xE00 xE0JFIFJFIF应用数据块应用数据块应用数据块应用数据块APPnAPPn0 xE1-0 xEF0 xE1-0 xEF其他的应用数据块其他的应用数据块其他的应用数据块其他的应用数据块(n,1(n,115)15)DQTDQT0 xDB0 xDB量化表量化表量化表量化表SOF0SOF00 xC00 xC0帧开始帧开始帧开始帧开始DHTDHT0 xC40 xC4霍夫曼霍夫曼霍夫曼霍夫曼(Huffman)(Huffman)表表表表SOSSOS0 xDA0 xDA扫描线开始扫描线开始扫描线开始扫描线开始EOIEOI0 xD90 xD9图像结束图像结束图像结束图像结束2024/7/122024/7/1212121212第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)JPEG的主要标记(maJPEG图像格式简介(cont.)(cont.)附表：附表：JPEGJPEG定义的标记列表定义的标记列表Symbol Symbol(符号符号符号符号)Code AssignmentCode Assignment(标记代码标记代码标记代码标记代码)DescriptionDescription(说明说明说明说明)Start Of Frame markers,non-hierarchical Huffman codingStart Of Frame markers,non-hierarchical Huffman codingSOFSOF0 00 xFFC00 xFFC0BaselineDCTBaselineDCTSOFSOF1 10 xFFC10 xFFC1ExtendedsequentialDCTExtendedsequentialDCTSOFSOF2 20 xFFC20 xFFC2ProgressiveDCTProgressiveDCTSOFSOF3 30 xFFC30 xFFC3Spatial(sequential)losslessSpatial(sequential)losslessStart Of Frame markers,hierarchical Huffman codingStart Of Frame markers,hierarchical Huffman codingSOFSOF5 50 xFFC50 xFFC5DifferentialsequentialDCTDifferentialsequentialDCTSOFSOF6 60 xFFC60 xFFC6DifferentialprogressiveDCTDifferentialprogressiveDCTSOFSOF7 70 xFFC70 xFFC7DifferentialspatiallosslessDifferentialspatiallossless2024/7/122024/7/1213131313第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：JPEG定义的标记JPEG图像格式简介(cont.)(cont.)附表：附表：JPEGJPEG定义的标记列表定义的标记列表(续续)Start Of Frame markers,hierarchical arithmetic codingStart Of Frame markers,hierarchical arithmetic codingSOFSOF13130 xFFCD0 xFFCDDifferentialsequentialDCTDifferentialsequentialDCTSOFSOF14140 xFFCE0 xFFCEDifferentialprogressiveDCTDifferentialprogressiveDCTSOFSOF15150 xFFCF0 xFFCFDifferentialspatialLosslessDifferentialspatialLosslessHuffman table specificationHuffman table specificationDHTDHT0 xFFC40 xFFC4DefineHuffmantable(s)DefineHuffmantable(s)arithmetic coding conditioning specificationarithmetic coding conditioning specificationDACDAC0 xFFCC0 xFFCCDefinearithmeticconditioningtableDefinearithmeticconditioningtableRestart interval terminationRestart interval terminationRSTmRSTm0 xFFD00 xFFD00 xFFD70 xFFD7Restartwithmodulo8countermRestartwithmodulo8counterm2024/7/122024/7/1214141414第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：JPEG定义的标记JPEG图像格式简介(cont.)(cont.)附表：附表：JPEGJPEG定义的标记列表定义的标记列表(续续)Other markerOther markerSOISOI0 xFFD80 xFFD8StartofimageStartofimageEOIEOI0 xFFD90 xFFD9EndofimageEndofimageSOSSOS0 xFFDA0 xFFDAStartofscanStartofscanDQTDQT0 xFFDB0 xFFDBDefinequantizationtable(s)Definequantizationtable(s)DNLDNL0 xFFDC0 xFFDCDefinenumberoflinesDefinenumberoflinesDRIDRI0 xFFDD0 xFFDDDefinerestartintervalDefinerestartintervalDHPDHP0 xFFDE0 xFFDEDefinehierarchicalprogressionDefinehierarchicalprogressionEXPEXP0 xFFDF0 xFFDFExpandreferenceimage(s)Expandreferenceimage(s)APPAPPn n0 xFFE00 xFFE00 xFFEF0 xFFEFReservedforapplicationuseReservedforapplicationuseJPGJPGn n0 xFFF00 xFFF00 xFFFD0 xFFFDReservedforJPEGextensionReservedforJPEGextensionCOMCOM0 xFFFE0 xFFFECommentCommentReserved markersReserved markersTEMTEM0 xFF010 xFF01FortemporaryuseinarithmeticcodingFortemporaryuseinarithmeticcodingRESRES0 xFF020 xFF020 xFFBF0 xFFBFReservedReserved2024/7/122024/7/1215151515第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：JPEG定义的标记JPEG图像格式简介(cont.)(cont.)附表：附表：APP0APP0域的详细结构域的详细结构 偏移偏移偏移偏移长度长度长度长度内容内容内容内容块的名称块的名称块的名称块的名称说明说明说明说明0 02byte2byte0 xFFD80 xFFD8(StartofImage,SOI)(StartofImage,SOI)图像开始图像开始2 22byte2byte0 xFFE00 xFFE0APP0(JFIFapplicationsegment)APP0(JFIFapplicationsegment)JFIFJFIF应用数据块应用数据块4 42bytes2byteslengthofAPP0blocklengthofAPP0blockAPP0APP0块的长度块的长度6 65bytes5bytesJFIF+0JFIF+0识别识别APP0APP0标记标记11111byte1byte主要版本号主要版本号(如版本如版本1.021.02中的中的1)1)12121byte1byte次要版本号次要版本号(如版本如版本1.021.02中的中的02)02)13131byte1byteX X和和Y Y的密度单位的密度单位units=0units=0：无单位：无单位 units=1units=1：点数：点数/英寸英寸units=2units=2：点数：点数/厘米厘米14142bytes2bytes水平方向像素密度水平方向像素密度16162bytes2bytes垂直方向像素密度垂直方向像素密度18181byte1byte缩略图水平像素数目缩略图水平像素数目19191byte1byte缩略图垂直像素数目缩略图垂直像素数目3n3n缩略缩略RGBRGB位图位图(n(n为缩略图的像素数为缩略图的像素数)OptionalJFIFextensionAPP0markersegment(s)OptionalJFIFextensionAPP0markersegment(s)任选的任选的JFIFJFIF扩展扩展APP0APP0标记段标记段2byte2byte0 xFFD90 xFFD9(EOI)end-of-file(EOI)end-of-file图像文件结束标记图像文件结束标记2024/7/122024/7/1216161616第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JPEG图像格式简介(cont.)附表：APP0域的详细结（二）JFIF文件格式JFIFJFIF:JPEGFileInterchangeFormat(:JPEGFileInterchangeFormat(JPEGJPEG文件交文件交换格式换格式)该格式由该格式由EricHamiltonEricHamilton于于19921992年提出，已经成为事年提出，已经成为事实上实上(defacto)(defacto)的的JPEGJPEG图像文件交换格式标准。图像文件交换格式标准。该格式直接使用该格式直接使用JPEGJPEG专家组为专家组为JPEGJPEG图像定义的诸图像定义的诸多多标记标记(marker)(marker)。JPEGJPEG的每个标记都由的每个标记都由两个两个字节字节组成，前一个字节的值固定为组成，前一个字节的值固定为0 xFF(0 xFF(JPEGJPEG文件的文件的文件的文件的字节是按正序字节是按正序字节是按正序字节是按正序(big endian)(big endian)(big endian)(big endian)排列的排列的排列的排列的)。每个标记。每个标记之前还可以添加数目不限的之前还可以添加数目不限的0 xFF0 xFF填充字节填充字节(fill(fillbyte)byte)。2024/7/122024/7/1217171717第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术（二）JFIF文件格式JFIF:JPEG File InJFIF文件结构(cont.)(cont.)JFIFJFIF特性：特性：使用使用JPEGJPEG压缩算法压缩算法使用使用JPEGJPEG交换格式的图像数据压缩表示法交换格式的图像数据压缩表示法PCPC或或 MacMac或或 UnixUnix工作站均兼容工作站均兼容标准的颜色空间标准的颜色空间:一个或三个颜色分量。一个或三个颜色分量。(对于三个颜色分量，采对于三个颜色分量，采用用 YCYCbbC Cr r(CCIR601-256(CCIR601-256级级)规范规范)APP0APP0标记标记 用于指定用于指定 计量单位制、计量单位制、X,YX,Y像素的密度以及缩略图的像素的密度以及缩略图的细节细节APP0APP0标记同样用于指定标记同样用于指定JFIFJFIF的扩展方法的扩展方法APP0APP0标记还用于指定其他与应用相关的信息标记还用于指定其他与应用相关的信息2024/7/122024/7/1218181818第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JFIF特性：2023/8/JFIF文件结构(cont.)(cont.)JPEGJPEG文件由下面的文件由下面的8 8个部分组成个部分组成(1)(1)图像开始图像开始SOI(Start of Image)SOI(Start of Image)标记标记(2)APP0(2)APP0标记标记(Marker)(Marker)APP0 APP0长度长度(length)(length)标识符标识符(identifier)(identifier)版本号版本号(version)(version)X X和和Y Y的密度单位的密度单位 (units=0(units=0：无单位；：无单位；units=1units=1：点数：点数/英寸；英寸；units=2units=2：点数：点数/厘米厘米)X X方向像素密度方向像素密度(X density)(X density)Y Y方向像素密度方向像素密度(Y density)(Y density)缩略图水平像素数目缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)(thumbnail horizontal pixels)缩略图垂直像素数目缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)(thumbnail vertical pixels)缩略图缩略图RGBRGB位图位图(thumbnail RGB bitmap)(thumbnail RGB bitmap)(3)APPn(3)APPn标记标记(Markers)(Markers)，其中，其中n=1n=115(15(任选任选)APPn APPn长度长度(length)(length)由于详细信息由于详细信息(application specific information)(application specific information)2024/7/122024/7/1219191919第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分JFIF文件结构(cont.)(cont.)JPEGJPEG文件由下面的文件由下面的8 8个部分组成个部分组成(续续)(4)一个或者多个量化表一个或者多个量化表DQT(define quantization table)量化表长度量化表长度(quantization table length)量化表数目量化表数目(quantization table number)量化表量化表(quantization table)(5)帧图像开始帧图像开始SOF0(Start of Frame)帧开始长度帧开始长度(start of frame length)精度精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数，每个颜色分量每个像素的位数 (bits per pixel per color component)图像高度图像高度(image height)图像宽度图像宽度(image width)颜色分量数颜色分量数(number of color components)对每个颜色分量对每个颜色分量(for each component)ID 垂直方向的样本因子垂直方向的样本因子(vertical sample factor)水平方向的样本因子水平方向的样本因子(horizontal sample factor)量化表号量化表号(quantization table#)2024/7/122024/7/1220202020第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分JFIF文件结构(cont.)(cont.)JPEGJPEG文件由下面的文件由下面的8 8个部分组成个部分组成(续续)(6)一个或者多个霍夫曼表一个或者多个霍夫曼表DHT(Define Huffman Table)霍夫曼表的长度霍夫曼表的长度(Huffman table length)类型、类型、AC或者或者DC(Type,AC or DC)索引索引(Index)位表位表(bits table)值表值表(value table)(7)扫描开始扫描开始SOS(Start of Scan)扫描开始长度扫描开始长度(start of scan length)颜色分量数颜色分量数(number of color components)每个颜色分量每个颜色分量 ID 交流系数表号交流系数表号(AC table#)直流系数表号直流系数表号(DC table#)压缩图像数据压缩图像数据(compressed image data)(8)图像结束图像结束EOI(End of Image)2024/7/122024/7/1221212121第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分（三）JFIF格式图像数据分析一个一个 16161616像素图像像素图像(JFIF(JFIF格式格式)数据数据sampleimage(1616Pixels)markerblocks:000000 0001e0文件类型标识2024/7/122024/7/1222222222第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术（三）JFIF格式图像数据分析一个 1616像素图像(JFJFIF格式图像数据分析(cont.)(cont.)一个一个 16161616像素图像像素图像(JFIF(JFIF格式格式)数据数据blocks:0001f0 000350originalBitmapimagesampleimage(1616Pixels)2024/7/122024/7/1223232323第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术JFIF格式图像数据分析(cont.)一个 1616像素参考文献 GregoryK.Wallace.GregoryK.Wallace.TheJPEGStillPictureCompressionStandardTheJPEGStillPictureCompressionStandard.Communications of the ACMCommunications of the ACM.1991,34(4):3044.1991,34(4):3044.StillPictureInterchangeFileFormat(SPIFF)StillPictureInterchangeFileFormat(SPIFF)EricHamilton.EricHamilton.JPEGFileInterchangeFormatJPEGFileInterchangeFormat,Version1.02.1992.,Version1.02.1992.ITURecommendationT.81:ITURecommendationT.81:INFORMATIONTECHNOLOGYINFORMATIONTECHNOLOGYDIGITALCOMPRESSIONANDCODINGOFCONTINUOUS-TONEDIGITALCOMPRESSIONANDCODINGOFCONTINUOUS-TONESTILLIMAGESREQUIREMENTSANDGUIDELINESSTILLIMAGESREQUIREMENTSANDGUIDELINES.JPEGimagecompressionFAQ,part1&2.JPEGimagecompressionFAQ,part1&2.faqs.org/faqs/jpeg-faq/faqs.org/faqs/jpeg-faq/A.Skodras,C.Christopoulos,andT.Ebrahimi.A.Skodras,C.Christopoulos,andT.Ebrahimi.JEPG2000StillImageJEPG2000StillImageCompressionStandardCompressionStandard.IEEE Signal Processing MagazineIEEE Signal Processing Magazine,2019.,2019.2024/7/122024/7/1224242424第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术参考文献Gregory K.Wallace.The JJPEG图像压缩编码JPEGJPEG图像压缩编码算法概要图像压缩编码算法概要JPEGJPEG图像压缩编码算法的主要步骤图像压缩编码算法的主要步骤基于基于DCTDCT的算法举例的算法举例基于基于DCTDCT的扩展编码的扩展编码(累进、分层编码累进、分层编码)3.4.32024/7/1225JPEG JPEG图像压缩编码 JPEG算法概要JPEGJPEG专家组开发了两种基本的压缩算法：专家组开发了两种基本的压缩算法：以离散余弦变换以离散余弦变换(DiscreteCosineTransform(DiscreteCosineTransform，DCT)DCT)为基为基础的有损压缩算法础的有损压缩算法以预测技术为基础的无损压缩算法以预测技术为基础的无损压缩算法算法的特点算法的特点JPEG有损压缩算法利用了人的视角系统的特性，使用量化和无损压缩编码相结合来去掉视角的冗余信息和数据本身的冗余信息。在压缩比为25:1的情况下，压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。JPEG算法与彩色空间无关，因此“RGB到YUV变换”和“YUV到RGB变换”不包含在JPEG算法中。JPEG算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同彩色空间的数据，如RGB,YCbCr和CMYK。1.1.2024/7/122024/7/1226262626第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术算法概要JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法：JPEG有损算法概要(cont.)(cont.)压缩编码大致分成三个步骤：压缩编码大致分成三个步骤：使用正向离散余弦变换使用正向离散余弦变换(f forwardorwardd discreteiscretec cosineosinet transformransform，FDCT)FDCT)把空间域表示的图变换成频率域表示的图。把空间域表示的图变换成频率域表示的图。使用加权函数对使用加权函数对DCTDCT系数进行量化，这个加权函数对系数进行量化，这个加权函数对于人的视觉系统是最佳的。于人的视觉系统是最佳的。使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。使用霍夫曼可变字长编码器对量化系数进行编码。译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好译码或者叫做解压缩的过程与压缩编码过程正好相反。相反。2024/7/122024/7/1227272727第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术算法概要(cont.)压缩编码大致分成三个步骤：2023/算法概要(cont.)(cont.)JPEGJPEG压缩编码压缩编码-解压缩算法框图解压缩算法框图2024/7/122024/7/1228282828第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术算法概要(cont.)JPEG压缩编码-解压缩算法框图20主要计算步骤JPEGJPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：压缩编码算法的主要计算步骤如下：正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)量化量化(quantization)(quantization)Z Z字形编码字形编码(zigzagscan)(zigzagscan)使用差分脉冲编码调制使用差分脉冲编码调制(differentialpulsecode(differentialpulsecodemodulationmodulation，DPCM)DPCM)对直流系数对直流系数(DC)(DC)进行编码进行编码使用行程长度编码使用行程长度编码(run-lengthencoding(run-lengthencoding，RLE)RLE)对交流系对交流系数数(AC)(AC)进行编码进行编码熵编码熵编码(entropycoding)(entropycoding)2.2.2024/7/122024/7/1229292929第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术主要计算步骤JPEG压缩编码算法的主要计算步骤如下：2.20主要计算步骤：正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)2024/7/122024/7/1230303030第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术主要计算步骤：正向离散余弦变换(FDCT)2023/8/1主要计算步骤：（cont.cont.）正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)f(i,j)经变换之后，经变换之后，F(0,0)是是直流系数直流系数(DC,即即64个空域图像采样值的个空域图像采样值的平均值平均值)，其他为，其他为交流系数交流系数(AC)。2024/7/122024/7/1231313131第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术主要计算步骤：（cont.）正向离散余弦变换(FDCT)计算步骤：（cont.cont.）正向离散余弦变换正向离散余弦变换(FDCT)(FDCT)2024/7/122024/7/1232323232第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：（cont.）正向离散余弦变换(FDCT)20计算步骤：量化量化(Quantization)(Quantization)量化是对经过量化是对经过FDCTFDCT变换后的频率系数进行量化，其目变换后的频率系数进行量化，其目的是减小非的是减小非“0”0”系数的幅度以及增加系数的幅度以及增加“0”0”值系数的值系数的数目。数目。对于有损压缩算法，使用均匀量化器进行量化。量化对于有损压缩算法，使用均匀量化器进行量化。量化步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值步距是按照系数所在的位置和每种颜色分量的色调值来确定。来确定。2024/7/122024/7/1233333333第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：量化(Quantization)2023/8/1计算步骤：（cont.cont.）量化量化(Quantization)(Quantization)因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两种量化表：了两种量化表：亮度亮度量化值和量化值和色差色差量化值。量化值。由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏由于人眼对低频分量的图像比对高频分量的图像更敏感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化感，因此图中的左上角的量化步距要比右下角的量化步距小。步距小。（亮度量化值表）（色度量化值）2024/7/122024/7/1234343434第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：（cont.）量化(Quantization)计算步骤：Z Z字形编排字形编排(ZigzagScan)(ZigzagScan)量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的量化后的系数要重新编排，目的是为了增加连续的“0”0”系数的个数，就是系数的个数，就是“0”0”的游程长度，方法是按的游程长度，方法是按照照Z Z字形的式样编排，其结果是把一个字形的式样编排，其结果是把一个8888的矩阵变成的矩阵变成一个一个164164的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。的矢量，频率较低的系数放在矢量的顶部。0 01 15 56 614141515272728282 24 47 7131316162626292942423 38 81212171725253030414143439 9111118182424313140404444535310101919232332323939454552525454202022223333383846465151555560602121343437374747505056565959616135353636484849495757585862626363量化DCT系数的序号2024/7/122024/7/1235353535第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：Z字形编排(Zigzag Scan)015614计算步骤：直流系数直流系数(DC)(DC)的编码的编码DCDC系数的特点系数的特点：8888图像块经过图像块经过DCTDCT变换之后得到的变换之后得到的DCDC直流系数有两个特点，一是系数的数值比较大，二直流系数有两个特点，一是系数的数值比较大，二是相邻是相邻8888图像块的图像块的DCDC系数值变化不大。系数值变化不大。JPEGJPEG算法使用了差分脉冲调制编码算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)(DPCM)技术，对相技术，对相邻图像块之间量化邻图像块之间量化DCDC系数的差值系数的差值(Delta)(Delta)进行编码。进行编码。DCi-1DCiblocki-1blocki2024/7/122024/7/1236363636第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：直流系数(DC)的编码DCi-1DCiblock计算步骤：交流系数交流系数(AC)(AC)的编码的编码ACAC系数的特点系数的特点：164164矢量中包含有许多矢量中包含有许多“0”0”系数，系数，并且许多并且许多“0”0”是连续的。是连续的。JPEGJPEG使用非常简单和直观的游程长度编码使用非常简单和直观的游程长度编码(RLE)(RLE)对它们对它们进行编码。进行编码。JPEGJPEG使用了使用了1 1个字节的高个字节的高4 4位来表示连续位来表示连续“0”0”的个数，的个数，而使用它的低而使用它的低4 4位来表示编码下一个非位来表示编码下一个非“0”0”系数所需系数所需要的位数，跟在它后面的是量化要的位数，跟在它后面的是量化ACAC系数的数值。系数的数值。2024/7/122024/7/1237373737第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：交流系数(AC)的编码2023/8/1437第三计算步骤：熵熵(Entropy)(Entropy)编码编码使用熵编码的原因使用熵编码的原因：对：对DPCMDPCM编码后的直流编码后的直流DCDC系数和系数和RLERLE编码后的交流编码后的交流ACAC系数作进一步的压缩。系数作进一步的压缩。在在JPEGJPEG有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵，有损压缩算法中，使用霍夫曼编码器来减少熵，霍夫曼编码器使用很简单的查表霍夫曼编码器使用很简单的查表(lookuptable)(lookuptable)方法进行方法进行编码编码。DCDC码表符号举例码表符号举例压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的压缩数据符号时，霍夫曼编码器对出现频度比较高的符号分配比较短的代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍代码，而对出现频度较低的符号分配比较长的代码。这种可变长度的霍夫曼码表可以事先进行定义。夫曼码表可以事先进行定义。ValueValueSSSSSS0 00 0-1,1-1,11 1-3,-2,2,3-3,-2,2,32 2-7.-4,4.7-7.-4,4.73 3如果如果DC的值的值(Value)为为4，符号，符号SSS用于表达用于表达实际值所需要的位数，实际位数就等于实际值所需要的位数，实际位数就等于3。2024/7/122024/7/1238383838第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术计算步骤：熵(Entropy)编码压缩数据符号时，霍夫曼编基于DCT的算法举例3.3.2024/7/122024/7/1239393939第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术基于DCT的算法举例3.2023/8/1439第三章 图形基于DCT的算法举例（cont.cont.）2024/7/122024/7/1240404040第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术基于DCT的算法举例（cont.）2023/8/1440第三基于DCT的扩展编码JPEGJPEG的扩展编码系统的扩展编码系统顺序编码模型顺序编码模型(sequentialencodingmodel)(sequentialencodingmodel)自上而下，从左至右方式发送。自上而下，从左至右方式发送。4.4.2024/7/122024/7/1241414141第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术基于DCT的扩展编码JPEG的扩展编码系统4.2023/8/基于DCT的扩展编码(cont.)(cont.)JPEGJPEG的扩展编码系统的扩展编码系统(续续)累进编码模型累进编码模型(Progressiveencoding)(Progressiveencoding)采用多扫描采用多扫描(multiplescans)(multiplescans)图像部分信息分阶段传输，这些信息被接收后立即解码。图像部分信息分阶段传输，这些信息被接收后立即解码。如果觉得不满意图像的内容，可立即停止传输。如果觉得不满意图像的内容，可立即停止传输。适合于在低带宽信道上传输高分辨率的图像适合于在低带宽信道上传输高分辨率的图像 累进编码有频谱选择与按位逼近两种方法，前者第一次扫描时只累进编码有频谱选择与按位逼近两种方法，前者第一次扫描时只对对DCDC系数某些频带的系数进行编码、传送，在随后的扫瞄中对系数某些频带的系数进行编码、传送，在随后的扫瞄中对其他频带编码、传送，直到全部系数传送完为止。分组选择方式其他频带编码、传送，直到全部系数传送完为止。分组选择方式如如(0,1,2),(3,4,5),(0,1,2),(3,4,5),。后者沿着量化系数的有效位。后者沿着量化系数的有效位(量化精度位数量化精度位数)方向分段累进编码，假设量化精度为方向分段累进编码，假设量化精度为8 8位，则第一次传送高位，则第一次传送高4 4位，位，然后传送低然后传送低4 4位。位。2024/7/122024/7/1242424242第三章第三章 图形、图像与视频处理技术图形、图像与视频处理技术基于DCT的扩展编码(cont.)JPEG的扩展编码系统 基于DCT的扩展编码(cont.)(cont.)JPEGJPEG的扩展编码系统的扩展编码系统(续续)层次编码模型层次编码模型(Hierarchicalencodingmodel)(Hierarchicalencodingmodel)采用多分辨率方式编码采用多分辨率方式编