计算机视觉
图像处理

JPEG文件格式介绍

JPEG文件的存储格式有很多种,但最常用的是JFIF格式,即JPEG File Interchange Format。JPEG文件大体可以分为两个部分:

(1)标记码;由两个字节构成,其中,前一个字节是固定值0XFF代表了一个标记码的开始,后一个字节不同的值代表着不同的含义。需要提醒的是,连续的多个0XFF可以理解为一个0XFF,并表示一个标记码的开始。另外,标记码在文件中一般是以标记代码的形式出现的。例如,SOI的标记代码是0XFFD8,即,如果JPEG文件中出现了0XFFD8,则代表此处是一个SOI标记。

(2)压缩数据;一个完整的两字节标记码的后面,就是该标记码对应的压缩数据了,它记录了关于文件的若干信息。

一些典型的标记码,及其所代表的含义如下所示:

SOI,Start Of Image, 图像开始,标记代码为固定值0XFFD8,用2字节表示;

APP0,Application 0, 应用程序保留标记0,标记代码为固定值0XFFE0,用2字节表示;该标记码之后包含了9个具体的字段:

(1)数据长度:2个字节,用来表示(1)–(9)的9个字段的总长度,即不包含标记代码但包含本字段;

(2)标示符:5个字节,固定值0X4A6494600,表示了字符串“JFIF0”;

(3)版本号:2个字节,一般为0X0102,表示JFIF的版本号为1.2;但也可能为其它数值,从而代表了其它版本号;

(4)X,Y方向的密度单位:1个字节,只有三个值可选,0:无单位;1:点数每英寸;2:点数每厘米;

(5)X方向像素密度:2个字节,取值范围未知;

(6)Y方向像素密度:2个字节,取值范围未知;

(7)缩略图水平像素数目:1个字节,取值范围未知;

(8)缩略图垂直像素数目:1个字节,取值范围未知;

(9)缩略图RGB位图:长度可能是3的倍数,保存了一个24位的RGB位图;如果没有缩略位图(这种情况更常见),则字段(7)(8)的取值均为0;

APPn, Application n, 应用程序保留标记n(n=1—15),标记代码为2个字节,取值为0XFFE1–0XFFFF;包含了两个字段:

(1)数据长度,2个字节,表示(1)(2)两个字段的总长度;即,不包含标记代码,但包含本字段;

(2)详细信息:数据长度-2个字节,内容不定;

DQT,Define Quantization Table, 定义量化表;标记代码为固定值0XFFDB;包含9个具体字段:

(1)数据长度:2个字节,表示(1)和多个(2)字段的总长度;即,不包含标记代码,但包含本字段;

(2)量化表:数据长度-2个字节,其中包括以下内容:

(a)精度及量化表ID,1个字节,高4位表示精度,只有两个可选值,0:8位;1:16位;低4位表示量化表ID,取值范围为0–3;

(b)表项,64*(精度取值+1)个字节,例如,8位精度的量化表,其表项长度为64*(0+1)=64字节;

本标记段中,(2)可以重复出现,表示多个量化表,但最多只能出现4次;

SOFO,Start Of Frame, 帧图像开始,标记代码为固定值0XFFC0;包含9个具体字段:

(1)数据长度:2个字节,(1)–(6)共6个字段的总长度;即,不包含标记代码,但包含本字段;

(2)精度:1个字节,代表每个数据样本的位数;通常是8位;

(3)图像高度:2个字节,表示以像素为单位的图像高度,如果不支持DNL就必须大于0;

(4)图像宽度:2个字节,表示以像素为单位的图像宽度,如果不支持DNL就必须大于0;

(5)颜色分量个数:1个字节,由于JPEG采用YCrCb颜色空间,这里恒定为3;

(6)颜色分量信息:颜色分量个数*3个字节,这里通常为9个字节;并依此表示如下一些信息:

(a)颜色分量ID: 1个字节;

(b)水平/垂直采样因子:1个字节,高4位代表水平采样因子,低4位代表垂直采样因子;

(c)量化表:1个字节,当前分量使用的量化表ID;

本标记段中,字段(6)应该重复出现3次,因为这里有3个颜色分量;

DHT,Define Huffman Table定义Huffman表,标记码为0XFFC4;包含2个字段:

(1)数据长度,2个字节,表示(1)–(2)的总长度,即,不包含标记代码,但包含本字段;

(2)Huffman表,数据长度-2个字节,包含以下字段:

(a)表ID和表类型,1个字节,高4位表示表的类型,取值只有两个;0:DC直流;1:AC交流;低4位,Huffman表ID;需要提醒的是,DC表和AC表分开进行编码;

(b)不同位数的码字数量,16个字节;

(c)编码内容,16个不同位数的码字数量之和(字节);

本标记段中,字段(2)可以重复出现,一般需要重复4次。

DRI,Define Restart Interval,定义差分编码累计复位的间隔,标记码为固定值0XFFDD;

包含2个具体字段:

(1)数据长度:2个字节,取值为固定值0X0004,表示(1)(2)两个字段的总长度;即,不包含标记代码,但包含本字段;

(2)MCU块的单元中重新开始间隔:2个字节,如果取值为n,就代表每n个MCU块就有一个RSTn标记;第一个标记是RST0,第二个是RST1,RST7之后再从RST0开始重复;如果没有本标记段,或者间隔值为0,就表示不存在重开始间隔和标记RST;

SOS,Start Of Scan,扫描开始;标记码为0XFFDA,包含2个具体字段:

(1)数据长度:2个字节,表示(1)–(4)字段的总长度;

(2)颜色分量数目:1个字节,只有3个可选值,1:灰度图;3:YCrCb或YIQ;4:CMYK;

(3)颜色分量信息:包括以下字段,

(a)颜色分量ID:1个字节;

(b)直流/交流系数表ID,1个字节,高4位表示直流分量的Huffman表的ID;低4位表示交流分量的Huffman表的ID;

(4)压缩图像数据

(a)谱选择开始:1个字节,固定值0X00;

(b)谱选择结束:1个字节,固定值0X3F;

(c)谱选择:1个字节,固定值0X00;

本标记段中,(3)应该重复出现,有多少个颜色分量,就重复出现几次;本段结束之后,就是真正的图像信息了;图像信息直到遇到EOI标记就结束了;

EOI,End Of Image,图像结束;标记代码为0XFFD9;

另外,需要说明的是,在JPEG中0XFF具有标记的意思,所以在压缩数据流(真正的图像信息)中,如果出现了0XFF,就需要做特别处理了。方法是,如果在图像数据流中遇到0XFF,应该检测其紧接着的字符,如果是:

(1)0X00,表示0XFF是图像流的组成部分;需要进行译码;

(2)0XD9,表示与0XFF组成标记EOI,即,代表图像流的结束,同时,图像文件结束;

(3)0XD0–0XD7,组成RSTn标记,需要忽视整个RSTn标记,即不对当前0XFF和紧接着的0XDn两个字节进行译码,并按RST标记的规则调整译码变量;

(4)0XFF,忽略当前0XFF,对后一个0XFF进行判断;

(5)其它数值,忽然当前0XFF,并保留紧接着此数值用于译码;

需要说明的是,JPEG文件格式中,一个字(16位)的存储使用的是Motorola格式,而不是Intel格式。也就是说,一个字的高字节(高8位)在数据流的前面,低字节(低8位)在数据流的后面,与平时习惯的Intel格式有所不同。这种字节顺序问题的起因在于早期的硬件发展上。在8位CPU的时代,许多8位CPU都可以处理16位的数据,但它们显然是分两次进行处理的。这个时候就出现了先处理高位字节还是先处理低位字节的问题。以Intel为代表的厂家生产的CPU采用先低字节后高字节的方式;而以Motorola,IBM为代表的厂家生产的CPU则采用了先高字节后低字节的方式。Intel的字节顺序也称为little-endian,而Motorola的字节顺序就叫做big-endian。而JPEG/JFIF文件格式则采用了big-endian格式。下面的函数,实现了从intel格式到motolora格式的转换
USHORT Intel2Moto(USHORT val)
{
BYTE highBits = BYTE(val / 256);
BYTE lowBits = BYTE(val % 256);
return lowBits * 256 + highBits;
}

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