JPEG文件格式

格式：JFIF(JPEG档的交换格式)
压缩：JPEG(灰阶影像压缩比约为10:1；彩色影像约为20:1)
以JPEG文件格式保存的图像实际上是2个不同格式的混合物：JPEG格式规范本身，用来定义图像的压缩方法，并且被包在定议分辨率和颜色模式的图像数据格式之中。Photoshop和实际上每个能读取和写入JPEG文件格式的其他应用程序，以 JFIF文件格式(JPEG文件交换格式， JPEG File Interchonge Format）或与JFIF格式非常象的其他格式保存图像数据。JFIF文件格式只是将一种图像格或环绕JPEG压缩的一种简单方法，它们没有其他的更多功能。
最初的JFIF文件格式规范史允许8位灰度图像和24位RGB图像；但是Adobe『修改」了此种格式，使之也能处理32位CMYK模式的数据。但是，多数版面设计应用程序实际上不能将 CMYK模式的JPEG图像分离开，所以 Adobe所做的这个修改的意义并不大。JPEG文件格式允许用可变压缩的方法，保存8位、24位、32位深度的图像。例如，当以JPEG格式保存一幅 Photoshop图像时，Photoshop给出了多种保存选项：低压缩率，中等压缩率，高压缩率及最好的分辨率等级别。实验证明，当进行印刷或在显示器上观察时，JPEG一般可将图像压缩为原大小的十分之一而看不出明显差异。图像会分解成8×8像素图像单元的小方块。这种JPEG失真有时会在新闻图片中发现，这些图片在进行电子传输前被大大地压缩了，随後又以高放大倍率进行了印刷。
JPEG使用了有损压缩格式，这就使它成为迅速显示图像并保存较好分辨率的理想格式。也正是由於JPEG格式可以对扫描或自然图像进行大幅度的压缩，利於储存或通过调制解调器进行传送，所以在Internet上得到了广泛的应用。
JPEG格式有一个特殊的变种，名为 「Progressive JPEG」。在创建Progressive JPEG 文件肘，数据是这样安排的：在装入图像时，开始只显示一个模糊的图像，随着数据的装入，图像逐步变得清晰。
JPEG格式的主要不足之处也正是它的最大优点。也就是说，有损压缩算法将JPEG只局限於显示格式，而且每次保存JPEG格式的图像时都会丢失一些数据。因此，通常只在创作的最後阶段以JPEG格式保存一次图像即可。

JPEG简介
微处理机中的存放顺序有正序(big endian)和逆序(little endian)之分。正序存放就是高位元组存放在前低位元组在後，而逆序存放就是低位元组在前高位元组在後。例如，十六进位数爲A02B，正序存放就是A02B，逆序存放就是2BA0。摩托罗拉(Motorola)公司的微处理器使用正序存放，而英代尔(Intel)公司的微处理器使用逆序。JPEG文件中的位元组是按照正序排列的。
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JPEG委员会在制定JPEG标准时，定义了许多标记(marker)用来区分和识别图像资料及其相关资讯，但笔者没有找到JPEG委员会对JPEG文件交换格式的明确定义。直到1998年12月从分析网上具体的JPG图像来看，使用比较广泛的还是JPEG文件交换格式(JPEG File Interchange Format，JFIF)版本号爲1.02。这是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司工作的Eric Hamilton提出的。此外还有TIFF JPEG等格式，但由於这种格式比较复杂，因此大多数应用程式都支援JFIF文件交换格式。
JPEG文件使用的顔色空间是CCIR 601推荐标准进行的彩色空间(参看第7章)。在这个彩色空间中，每个分量、每个图元的电平规定爲255级，用8位代码表示。从RGB转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：
　　　　　　 Y = 256 * E'y
　　　　　 Cb = 256 * [E'Cb] + 128
　　　　　 Cr = 256 * [E'Cr] + 128
其中亮度电平E'y和色差电平E'Cb和E'Cb分别是CCIR 601定义的参数。由於E'y的范围是0～1，E'Cb和E'Cb的范围是-0.5～+0.5，因此Y, Cb和Cr的最大值必须要箝到255。於是RGB和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算。
(1) 从RGB转换成YCbCr
YCbCr(256级)分量可直接从用8位表示的RGB分量计算得到：
　 　　　　 Y =    0.299R + 0.587G + 0.114 B
　　 　    Cb = - 0.1687R - 0.3313G + 0.5B + 128
　　　    Cr =    0.5R - 0.4187G - 0.0813B + 128
需要注意的是不是所有图像文件格式都按照R0，G0，B0，…… Rn，Gn，Bn的次序存储样本资料，因此在RGB文件转换成JFIF文件时需要首先验证RGB的次序。
(2) 从YCbCr转换成RGB
RGB分量可直接从YCbCr(256级)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。这就是说JFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本。

文件结构
JFIF文件格式直接使用JPEG标准爲应用程式定义的许多标记，因此JFIF格式成了事实上JPEG文件交换格式标准。JPEG的每个标记都是由2个位元组组成，其前一个位元组是固定值0xFF。每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充位元组(fill byte)。下面是其中的8个标记：
1.        SOI　 0xD8　　　　　　　　　　　图像开始
2.        APP0 0xE0　　　　　　　　　　　JFIF应用资料块
3.        APPn 0xE1 - 0xEF　　　        其他的应用资料块(n, 1～15)
4.        DQT　 0xDB　　　　　　　　　　　量化表
5.        SOF0 0xC0　　　　　　　　　　　帧开始
6.        DHT　 0xC4　　　　　　　　　　　霍夫曼(Huffman)表
7.        SOS　 0xDA　　　　　　　　　　　扫描线开始
8.        EOI　 0xD9　　　　　　　　　　　图像结束
爲使读者对JPEG定义的标记一目了然，现将JPEG的标记码列於表6-05，并保留英文解释。
表6-05 JPEG定义的标记
Symbol
(符号)        Code Assignment
(标记代码)        Deforbiddenion
(说明)
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个部分组成：
(1) 图像开始SOI(Start of Image)标记
(2) APP0标记(Marker)
① APP0长度(length)
② 识别字(identifier)
③ 版本号(version)
④ X和Y的密度单位(units=0：无单位；units=1：点数/英寸；units=2：点数/厘米)
⑤ X方向图元密度(X density)
⑥ Y方向图元密度(Y density)
⑦ 缩略图水平图元数目(thumbnail horizontal pixels)
⑧ 缩略图垂直图元数目(thumbnail vertical pixels)
⑨ 缩略图RGB点阵图(thumbnail RGB bitmap)
(3) APPn标记(Markers)，其中n=1～15(任选)
① APPn长度(length)
② 由於详细资讯(application specific information)
(4) 一个或者多个量化表DQT(difine quantization table)
① 量化表长度(quantization table length)
② 量化表数目(quantization table number)
③ 量化表(quantization table)
(5) 帧图像开始SOF0(Start of Frame)
① 帧开始长度(start of frame length)
② 精度(precision)，每个顔色分量每个图元的位元数(bits per pixel per color component)
③ 图像高度(image height)
④ 图像宽度(image width)
⑤ 顔色分量数(number of color components)
⑥ 对每个顔色分量(for each component)
o        ID
o        垂直方向的样本因数(vertical sample factor)
o        水平方向的样本因数(horizontal sample factor)
o        量化表号(quantization table#)
(6) 一个或者多个霍夫曼表DHT(Difine Huffman Table)
① 霍夫曼表的长度(Huffman table length)
② 类型、AC或者DC(Type, AC or DC)
③ 索引(Index)
④ 位表(bits table)
⑤ 值表(value table)
(7) 扫描开始SOS(Start of Scan)
① 扫描开始长度(start of scan length)
② 顔色分量数(number of color components)
③ 每个顔色分量
o        ID
o        交流系数表号(AC table #)
o        直流系数表号(DC table #)
④ 压缩图像资料(compressed image data)
(8) 图像结束EOI(End of Image)
表6-06表示了APP0域的详细结构。有兴趣的读者可通过UltraEdit或者PC TOOLS等工具软体打开一个JPG图像文件，对APP0的结构进行分析和验证。
表6-06 JFIF格式中APP0域的详细结构
偏移        长度        内容        块的名称        说明
0        2 byte        0xFFD8        (Start of Image,SOI)        图像开始
2        2 byte        0xFFE0        APP0(JFIF application segment)        JFIF应用资料块
4        2 bytes        　        length of APP0 block        APP0块的长度
6        5 bytes        　        "JFIF"+"0"        识别APP0标记
11        1 byte        　                主要版本号(如版本1.02中的1)
12        1 byte        　                次要版本号(如版本1.02中的02)
13        1 byte        　         and Y densities>        X和Y的密度单位
units=0：无单位
units=1：点数/英寸
units=2：点数/厘米
14        2 bytes        　                水平方向图元密度
16        2 bytes        　                垂直方向图元密度
18        1 byte        　                缩略图水平图元数目
19        1 byte        　                缩略图垂直图元数目
　        3n        　        < Thumbnail RGB bitmap>        缩略RGB点阵图(n爲缩略图的图元数)
　        　        　        Optional JFIF extension APP0 marker segment(s)        任选的JFIF扩展APP0标记段
　        ……        　        ……        　
　        2 byte        0xFFD9        (EOI) end-of-file        图像文件结束标记

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jpg格式分析

偏移	长度	内容	块的名称	说明
0	2 byte	0xFFD8	(Start of Image,SOI)	图像开始
2	2 byte	0xFFE0	APP0(JFIF application segment)	JFIF应用数据块
4	2 bytes		length of APP0 block	APP0块的长度
6	5 bytes		"JFIF"+"0"	识别APP0标记
11	1 byte		<Major version>	主要版本号(如版本1.02中的1)
12	1 byte		<Minor version>	次要版本号(如版本1.02中的02)
13	1 byte		<Units for the X and Y densities>	X和Y的密度单位 units=0：无单位 units=1：点数/英寸 units=2：点数/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>	缩略图水平像素数目
19	1 byte		<Ythumbnail>	缩略图垂直像素数目
	3n		< Thumbnail RGB bitmap>	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 byte	0xFFD9	(EOI) end-of-file	图像文件结束标记

下表表示了APP0域的详细结构。有兴趣可通过UltraEdit或者PC TOOLS等工具软件打开一个JPG图像文件，对APP0的结构进行分析和验证。