JPEG圖像壓縮算法流程詳解

　　JPEG簡(jiǎn)介

　　JPEG 是Joint Photographic Experts Group（聯(lián)合圖像專家小組）的縮寫，是第一個(gè)國(guó)際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)。JPEG圖像壓縮算法能夠在提供良好的壓縮性能的同時(shí)，具有比較好的重建質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用于圖像、視頻處理領(lǐng)域。人們?nèi)粘Ｅ龅降摹?jpeg”、‘’.jpg“等指代的是圖像數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮編碼后在媒體上的封存形式，不能與JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)混為一談。

　　JPEG優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：攝影作品或?qū)憣?shí)作品支持高級(jí)壓縮。

　　利用可變的壓縮比可以控制文件大小。支持交錯(cuò)（對(duì)于漸近式JPEG文件）。廣泛支持Internet標(biāo)準(zhǔn)。

　　缺點(diǎn)：有損耗壓縮會(huì)使原始圖片數(shù)據(jù)質(zhì)量下降。

　　當(dāng)您編輯和重新保存JPEG文件時(shí)，JPEG會(huì)混合原始圖片數(shù)據(jù)的質(zhì)量下降。這種下降是累積性的。JPEG不適用于所含顏色很少、具有大塊顏色相近的區(qū)域或亮度差異十分明顯的較簡(jiǎn)單的圖片。

　　JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)

　　JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一個(gè)由ISO/IEC JTC1/SC2/WG8和CCITT VIII/NIC于1986年底聯(lián)合組成的一個(gè)專家組，負(fù)責(zé)制定靜態(tài)的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。迄今為止，該組織已經(jīng)指定了3個(gè)靜止圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，分別為JPEG、JPEG-LS和JPEG2000。這個(gè)專家組于1991年前后指定完畢第一個(gè)靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG標(biāo)準(zhǔn)，并且成為國(guó)際上通用的標(biāo)準(zhǔn)。JPEG標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)適用范圍很廣的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)，既可用于灰度圖像又可用于彩色圖像。

　　JPEG專家組開發(fā)了兩種基本的靜止圖像壓縮算法，一種是采用以離散余弦變換（Discrete Cosine Transform， DCT）為基礎(chǔ)的有損壓縮算法，另一種是采用以預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的無損壓縮算法。使用無損壓縮算法時(shí)，其壓縮比比較低，但可保證圖像不失真。使用有損壓縮算法時(shí)，其算法實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，但其壓縮比大，按25：1壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

　　JPEG有4種工作模式，分別為順序編碼，漸近編碼，無失真編碼和分層編碼，他們有各自的應(yīng)用場(chǎng)合，其中基于順序編碼工作模式的JPEG壓縮系統(tǒng)也稱為基本系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單遍掃描完成一個(gè)圖像分量的編碼，掃描次序從左到右、從上到下，基本系統(tǒng)要求圖像像素的各個(gè)色彩分量都是8bit，并可通過量化線性地改變DCT系統(tǒng)的量化結(jié)果來調(diào)整圖像質(zhì)量和壓縮比。下面介紹圖像壓縮采用基于DCT的順序模式有損壓縮算法，該算法下的JPEG壓縮為基本系統(tǒng)。

　　JPEG壓縮基本系統(tǒng)編碼器

　　JPEG壓縮是有損壓縮，它利用了人的視覺系統(tǒng)的特性，將量化和無損壓縮編碼相結(jié)合來去掉視覺的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息?；诨鞠到y(tǒng)的JPEG壓縮編碼器框圖如圖1所示，該編碼器是對(duì)單個(gè)圖像分量的處理，對(duì)于多個(gè)分量的圖像，則首先應(yīng)將圖像多分量按照一定順序和比例組成若干個(gè)最小壓縮單元（MCU），然后同樣按該編碼器對(duì)每個(gè)MCU各個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立編碼處理，最終圖像壓縮數(shù)據(jù)將由多個(gè)MCU壓縮數(shù)據(jù)組成。

　　圖1 JPEG壓縮編碼器結(jié)構(gòu)框圖

　　JPEG壓縮主要步驟如下：

　?。?）圖像壓縮預(yù)處理；

　?。?）正向離散余弦變換（FDCT）；

　?。?）DCT系數(shù)量化；

　?。?）編碼

　　JPEG圖像壓縮算法流程詳解

　　在實(shí)際應(yīng)用中，JPEG圖像編碼算法使用的大多是離散余弦變換、Huffman編碼、順序編碼模式。這樣的方式，被人們稱為JPEG的基本系統(tǒng)。這里介紹的JPEG編碼算法的流程，也是針對(duì)基本系統(tǒng)而言?；鞠到y(tǒng)的JPEG壓縮編碼算法一共分為11個(gè)步驟：顏色模式轉(zhuǎn)換、采樣、分塊、離散余弦變換（DCT）、Zigzag 掃描排序、量化、DC系數(shù)的差分脈沖調(diào)制編碼、DC系數(shù)的中間格式計(jì)算、AC系數(shù)的游程長(zhǎng)度編碼、AC系數(shù)的中間格式計(jì)算、熵編碼。下面，將一一介紹這11個(gè)步驟的詳細(xì)原理和計(jì)算過程。

　?。?）顏色模式轉(zhuǎn)換

　　JPEG采用的是YCrCb顏色空間，而BMP采用的是RGB顏色空間，要想對(duì)BMP圖片進(jìn)行壓縮，首先需要進(jìn)行顏色空間的轉(zhuǎn)換。YCrCb顏色空間中，Y代表亮度，Cr，Cb則代表色度和飽和度（也有人將Cb，Cr兩者統(tǒng)稱為色度），三者通常以Y，U，V來表示，即用U代表Cb，用V代表Cr。RGB和YCrCb之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下所示：

　　Y = 0.299R+0.587G+0.114B

　　Cb = -0.1687R-0.3313G+0.5B+128

　　Cr = 0.5R=0.418G-0.0813B+128

　　一般來說，C 值 （包括 Cb Cr） 應(yīng)該是一個(gè)有符號(hào)的數(shù)字， 但這里通過加上128，使其變?yōu)?位的無符號(hào)整數(shù)，從而方便數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。

　　R = Y+1.402（Cr-128）

　　G = Y-0.34414（Cb-128）-0.71414（Cr-128）

　　B = Y+1.772（Cb-128）

　?。?）采樣

　　研究發(fā)現(xiàn)，人眼對(duì)亮度變換的敏感度要比對(duì)色彩變換的敏感度高出很多。因此，我們可以認(rèn)為Y分量要比Cb，Cr分量重要的多。在BMP圖片中，RGB三個(gè)分量各采用一個(gè)字節(jié)進(jìn)行采樣，也就是我們常聽到的RGB888的模式；而JPEG圖片中，通常采用兩種采樣方式：YUV411和YUV422，它們所代表的意義是Y，Cb，Cr三個(gè)分量的數(shù)據(jù)取樣比例一般是4：1：1或者4：2：2（4：1：1含義就是：在2x2的單元中，本應(yīng)分別有4個(gè)Y，4個(gè)U，4個(gè)V值，用12個(gè)字節(jié)進(jìn)行存儲(chǔ)。經(jīng)過4:1：1采樣處理后，每個(gè)單元中的值分別有4個(gè)Y、1個(gè)U、1個(gè)V，只要用6個(gè)字節(jié)就可以存儲(chǔ)了）。這樣的采樣方式，雖然損失了一定的精度但也在人眼不太察覺到的范圍內(nèi)減小了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。當(dāng)然，JPEG格式里面也允許將每個(gè)點(diǎn)的U，V值都記錄下來；