JPEG图像编码标准-PPT.ppt
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1、 JPEG图像图像编码标准编码标准本节主要介绍JPEG图像压缩编码算法(DCT变换算法)、图像数据文件格式(JFIF,JPEGFileInterchangeFormat)。最后,对JPEG 2000进行一个简单的介绍。3.43.4内容提要内容提纲内容提纲3.4.1JPEG标准与JPEG图像3.4.2JPEG图像格式3.4.3JPEG图像压缩编码算法3.4.4JPEG2000简介参参 考考 文文 献献 JPEG与与JPEG图像图像一、ISO/IECJPEG(JointPhotographicExpertsGroup)简介二、关于JPEG图像A、参参 考考 文文 献献3.4.13.4.12024年
2、2月24日第三章图形、图像与视频处理技术4一.关于JPEGJPEG:JointPhotographicExpertsGroup由ISO与IEC于1986年联合成立的一个专家委员会(WG1),其宪章(charter)是: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JPEG2000标准。“Digital compression and coding of continuous-tone Digital compression and coding of continuou
3、s-tone still images”still images”2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术5关于JPEG(cont.)已经发布的标准有:ISO/IEC10918-1|ITU-TRec.T.81:Requirements and guidelinesISO/IEC10918-2|ITU-TRec.T.83:Compliance testingISO/IEC10918-3|ITU-TRec.T.84:ExtensionsISO/IEC10918-4|ITU-TRec.T.86:Registration of JPEG Parameters,Profiles,Tags,Co
4、lor Spaces,APPn Markers,Compression Types,and Registration Authorities(REGAUT)DIS14495-1|ITU-TDraftRec.T.87:Lossless and Near-LosslessCompression of Continuous-Tone Still Images BaselineJPEG2000标准(草案)ISO/IECFCD15444-1:2000|ITU-TRec.T.8002024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术6二.关于JPEG图像压缩编码算法主要有:基于离散余弦变换(Discrete
5、CosineTransform,DCT)的有损压缩(lossycompression)算法。该算法还包括熵编码(EntropyCoding),霍夫曼编码(Huffman coding)等算法。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(stillcontinuous-tone)的彩色或灰度(grayscale)图像。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(Sequentialencoding)、累进(Progressiveencoding)、无损(Losslessencoding)、层次(Hierarchicalencoding)编码模型。JPEG图像
6、格图像格式式(一一)JPEG图像格式简介(二二)JFIF(JPEGFileInterchangeFormat,即JPEG图像文件交换格式)(三)JFIF格式图像数据分析3.4.22024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术8(一)(一)JPEG图像格式简介JPEG图像为静止连续色调(stillcontinuous-tone)图像,有广泛的用途。如:数码相机、Webpageimages、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)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JPEG文件交换格式明确定义的详细说明,在相关的“规
7、范”或“建议”(如ITUT.81)中没有见到。目前使用的格式为JFIFv1.02和TIFFJPEG等,其中前者的使用比较广泛,大多数应用程序均加以支持,其他格式比较复杂。2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术9JPEG图像格式简介(cont.)JPEG文件使用的颜色空间为1982年推荐的电视图像数字化标准CCIR601(现为ITU-RBT.601)。在这个色彩空间中,每个分量、每个像素的电平规定为255级,用8位代码表示。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
8、=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年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术10JPEG图像格式简介(cont.)颜色转换从RGB转换成YCbCrYCbCr(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
9、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年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术11JPEG图像格式简介(cont.)颜色转换从YCbCr转换成RGBR
10、GB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年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术12RGB YCbCr
11、RGBYCbCr2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术13JPEG图像格式简介(cont.)JPEG的主要标记(marker)下面为其中的8个主要标记标记名标记名标记值标记值含义含义SOI SOI 0 xD80 xD8图像开始图像开始APP0APP00 xE00 xE0JFIF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(n,115)DQTDQT0 xDB0 xDB量化表量化表SOF0SOF00 xC00 xC0帧开始帧开始DHTDHT0 xC40 xC4霍夫曼霍夫曼(Huffman)表表SOSSOS0 xDA0
12、xDA扫描线开始扫描线开始EOIEOI0 xD90 xD9图像结束图像结束2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术14JPEG图像格式简介(cont.)附表:JPEG定义的标记列表Symbol(符号符号)Code Assignment(标记代代码)Description(说明明)Start Of Frame markers,non-hierarchical Huffman codingSOF00 xFFC0Baseline DCTSOF10 xFFC1Extended sequential DCTSOF20 xFFC2Progressive DCTSOF30 xFFC3Spatial
13、(sequential)lossless Start Of Frame markers,hierarchical Huffman codingSOF50 xFFC5Differential sequential DCTSOF60 xFFC6Differential progressive DCTSOF70 xFFC7Differential spatial lossless2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术15JPEG图像格式简介(cont.)附表:JPEG定义的标记列表(续)Start Of Frame markers,hierarchical arithmetic codi
14、ngSOF130 xFFCDDifferential sequential DCTSOF140 xFFCEDifferential progressive DCTSOF150 xFFCFDifferential spatial LosslessHuffman table specificationDHT0 xFFC4Define Huffman table(s)arithmetic coding conditioning specificationDAC0 xFFCCDefine arithmetic conditioning tableRestart interval termination
15、RSTm0 xFFD00 xFFD7Restart with modulo 8 counter m2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术16JPEG图像格式简介(cont.)附表:JPEG定义的标记列表(续)Other markerSOI0 xFFD8Start of imageEOI0 xFFD9End of imageSOS0 xFFDAStart of scanDQT0 xFFDBDefine quantization table(s)DNL0 xFFDCDefine number of linesDRI0 xFFDDDefine restart intervalDHP0 x
16、FFDEDefine hierarchical progressionEXP0 xFFDFExpand reference image(s)APPn0 xFFE00 xFFEFReserved for application useJPGn0 xFFF00 xFFFDReserved for JPEG extensionCOM0 xFFFECommentReserved markersTEM0 xFF01For temporary use in arithmetic codingRES0 xFF020 xFFBFReserved2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术17JPEG图像
17、格式简介(cont.)附表:APP0域的详细结构 偏移偏移长度长度内容内容块的名称块的名称说明说明02 byte0 xFFD8(Start of Image,SOI)图像开始22 byte0 xFFE0APP0(JFIF application segment)JFIF应用数据块42 byteslength of APP0 blockAPP0块的长度65 bytesJFIF+0识别APP0标记111 byte主要版本号(如版本1.02中的1)121 byte次要版本号(如版本1.02中的02)131 byteX和Y的密度单位units=0:无单位 units=1:点数/英寸units=2:点数
18、/厘米142 bytes水平方向像素密度162 bytes垂直方向像素密度181 byte缩略图水平像素数目191 byte缩略图垂直像素数目3n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 byte0 xFFD9(EOI)end-of-file图像文件结束标记2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术18(二)JFIF文件格式JFIF:JPEGFileInterchangeFormat(JPEG文件交换格式)该格式由EricHamilton于1992年提出,已经成为事
19、实上(defacto)的JPEG图像文件交换格式标准。该格式直接使用JPEG专家组为JPEG图像定义的诸多标记(marker)。JPEG的每个标记都由两个字节组成,前一个字节的值固定为0 xFF(JPEG文件的字节是按正序文件的字节是按正序(big endian)big endian)排列的排列的)。每个标记之前还可以添加数目不限的0 xFF填充字节(fillbyte)。2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术19JFIF文件结构(cont.)JFIF特性:使用JPEG压缩算法使用JPEG交换格式的图像数据压缩表示法PC或 Mac或 Unix工作站均兼容标准的颜色空间:一个或三个颜色
20、分量。(对于三个颜色分量,采用 YCbCr(CCIR601-256级)规范)APP0标记 用于指定 计量单位制、X,Y像素的密度以及缩略图的细节APP0标记同样用于指定JFIF的扩展方法APP0标记还用于指定其他与应用相关的信息2024年2月24日第三章图形、图像与视频处理技术20JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8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(id
21、entifier)(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
22、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年2月
23、24日第三章图形、图像与视频处理技术21JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分组成(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
24、,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年2月24日第三章图形、
25、图像与视频处理技术22JFIF文件结构(cont.)JPEG文件由下面的8个部分组成(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 componen
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