JPEG簡介

　　JPEG 是Joint Photographic Experts Group（聯合圖像專家小組）的縮寫，是第一個國際圖像壓縮標準。JPEG圖像壓縮算法能夠在提供良好的壓縮性能的同時，具有比較好的重建質量，被廣泛應用于圖像、視頻處理領域。人們日常碰到的“.jpeg”、‘’.jpg“等指代的是圖像數據經壓縮編碼后在媒體上的封存形式，不能與JPEG壓縮標準混為一談。

　　JPEG優缺點

　　優點：攝影作品或寫實作品支持高級壓縮。

　　利用可變的壓縮比可以控制文件大小。支持交錯（對于漸近式JPEG文件）。廣泛支持Internet標準。

　　缺點：有損耗壓縮會使原始圖片數據質量下降。

　　當您編輯和重新保存JPEG文件時，JPEG會混合原始圖片數據的質量下降。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域或亮度差異十分明顯的較簡單的圖片。

　　JPEG壓縮標準

　　JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一個由ISO/IEC JTC1/SC2/WG8和CCITT VIII/NIC于1986年底聯合組成的一個專家組，負責制定靜態的數字圖像數據壓縮編碼標準。迄今為止，該組織已經指定了3個靜止圖像編碼標準，分別為JPEG、JPEG-LS和JPEG2000。這個專家組于1991年前后指定完畢第一個靜止圖像壓縮標準JPEG標準，并且成為國際上通用的標準。JPEG標準是一個適用范圍很廣的靜態圖像數據壓縮標準，既可用于灰度圖像又可用于彩色圖像。

　　JPEG專家組開發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）為基礎的有損壓縮算法，另一種是采用以預測技術為基礎的無損壓縮算法。使用無損壓縮算法時，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，其算法實現較為復雜，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別，因此得到了廣泛的應用。

　　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，他們有各自的應用場合，其中基于順序編碼工作模式的JPEG壓縮系統也稱為基本系統，該系統采用單遍掃描完成一個圖像分量的編碼，掃描次序從左到右、從上到下，基本系統要求圖像像素的各個色彩分量都是8bit，并可通過量化線性地改變DCT系統的量化結果來調整圖像質量和壓縮比。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。

　　JPEG壓縮基本系統編碼器

　　JPEG壓縮是有損壓縮，它利用了人的視覺系統的特性，將量化和無損壓縮編碼相結合來去掉視覺的冗余信息和數據本身的冗余信息。基于基本系統的JPEG壓縮編碼器框圖如圖1所示，該編碼器是對單個圖像分量的處理，對于多個分量的圖像，則首先應將圖像多分量按照一定順序和比例組成若干個最小壓縮單元（MCU），然后同樣按該編碼器對每個MCU各個分量進行獨立編碼處理，最終圖像壓縮數據將由多個MCU壓縮數據組成。

　　圖1 JPEG壓縮編碼器結構框圖

　　JPEG壓縮主要步驟如下：

　　（1）圖像壓縮預處理；

　　（2）正向離散余弦變換（FDCT）；

　　（3）DCT系數量化；

　　（4）編碼

　　JPEG圖像壓縮算法流程詳解

　　在實際應用中，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。這里介紹的JPEG編碼算法的流程，也是針對基本系統而言。基本系統的JPEG壓縮編碼算法一共分為11個步驟：顏色模式轉換、采樣、分塊、離散余弦變換（DCT）、Zigzag 掃描排序、量化、DC系數的差分脈沖調制編碼、DC系數的中間格式計算、AC系數的游程長度編碼、AC系數的中間格式計算、熵編碼。下面，將一一介紹這11個步驟的詳細原理和計算過程。

　　（1）顏色模式轉換

　　JPEG采用的是YCrCb顏色空間，而BMP采用的是RGB顏色空間，要想對BMP圖片進行壓縮，首先需要進行顏色空間的轉換。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之間的轉換關系如下所示：

　　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） 應該是一個有符號的數字， 但這里通過加上128，使其變為8位的無符號整數，從而方便數據的存儲和計算。

　　R = Y+1.402（Cr-128）

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

　　B = Y+1.772（Cb-128）

　　（2）采樣

　　研究發現，人眼對亮度變換的敏感度要比對色彩變換的敏感度高出很多。因此，我們可以認為Y分量要比Cb，Cr分量重要的多。在BMP圖片中，RGB三個分量各采用一個字節進行采樣，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三個分量的數據取樣比例一般是4：1：1或者4：2：2（4：1：1含義就是：在2x2的單元中，本應分別有4個Y，4個U，4個V值，用12個字節進行存儲。經過4:1：1采樣處理后，每個單元中的值分別有4個Y、1個U、1個V，只要用6個字節就可以存儲了）。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減小了數據的存儲量。當然，JPEG格式里面也允許將每個點的U，V值都記錄下來；