JPEG圖像壓縮編碼原理及格式

第四章TIFF格式TIFF(TaggedImageFileFormat)格式是印前工作流程使用最多的圖像格式之一。TIFF格式特點(diǎn)：1、圖像數(shù)據(jù)：大數(shù)據(jù)量，可支持到4G。2、支持多圖像模式：包括CMYK、Lab等，但是不支持多色調(diào)圖像和多通道圖像。（與EPS格式的重要區(qū)別之處）。3、支持Alpha通道：4、支持多圖層、多分辨率結(jié)構(gòu)5、允許嵌入顏色空間的ICC數(shù)據(jù)和專(zhuān)色。EPS(EncapsulatedPostScript)格式是印前生產(chǎn)事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。EPS格式EPS格式的主要用途：1、支持多色調(diào)、多通道圖像。2、包含加網(wǎng)、分色信息和包含傳遞函數(shù)4、支持屏幕顯示和硬拷貝輸出色彩管理不支持多圖層文件和Alpha通道。DCS(DesktopColorSeparation)格式是標(biāo)準(zhǔn)EPS格式的擴(kuò)展形式。由Quark設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。DCS支持多通道圖像，既支持專(zhuān)色。JPEG圖像壓縮編碼原理

及格式?概況?算法原理(DCT、量化、熵編碼)?格式概述JPEG概況JPEG=JointPictureExpertGroup=聯(lián)合圖像專(zhuān)家組“聯(lián)合”=國(guó)際電話電報(bào)咨詢(xún)委員會(huì)(CCITT)+國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)第1個(gè)灰度及彩色靜止圖像的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)1993年公布。JPEG的模型和算法流程JPEG編碼：原始圖像數(shù)據(jù)

壓縮圖像數(shù)據(jù)原始數(shù)字圖像8x8像素小塊離散余弦變換量化熵編碼壓縮圖像數(shù)據(jù)JPEG的模型和算法流程JPEG解碼：壓縮圖像數(shù)據(jù)

解壓縮圖像數(shù)據(jù)解碼數(shù)字圖像離散余弦逆變換逆量化熵解碼壓縮圖像數(shù)據(jù)JPEG圖像壓縮的核心方法余弦變換：

使空間域像素?cái)?shù)據(jù)頻率域，許多高頻數(shù)據(jù)很小，可以置0；對(duì)頻譜數(shù)據(jù)的“Z”形量化；非等長(zhǎng)的熵編碼(Huffman/算術(shù)編碼)JPEG中的余弦變換余弦變換：

JPEG中的余弦變換在JPEG中，將圖像分割成8x8像素的小塊，

進(jìn)行余弦變換，其變換式為(M=N=8)：JPEG中的余弦變換四個(gè)8x8圖像塊如下：圖像的變化不同pic0pic1pic2pic3JPEG中的余弦變換pic0：pic0圖像灰度級(jí)gray(x,y)JPEG中的余弦變換pic0：pic0圖像灰度級(jí)gray(x,y)

0256210515019422925502562105150193230255025621051501932302550266210515019423025502562104150193229255026621051501932302550256110515119323025502561104150193230255JPEG中的余弦變換對(duì)pic0進(jìn)行DCT：pic0DCT:高頻系數(shù)很小

1.0199-0.71000.0002-0.0254-0.0001-0.00630.0001-0.00140.00040.0003-0.0005-0.0005-0.00030.00030.0009-0.0004-0.0004-0.0005-0.00010.00040.00050.0002-0.00000.00000.00010.0004-0.0003-0.00020.0001-0.00040.0004-0.0002-0.00040.00010.00020.0004-0.0004-0.00060.0009-0.00030.0007-0.0002-0.00060.00040.0001-0.0001-0.0002-0.00050.00000.00020.0002-0.0003-0.00040.00010.0001-0.0002-0.0008-0.0001-0.00010.00010.0007-0.00010.00040.0005(DCT系數(shù)x1000)JPEG中的余弦變換對(duì)pic0進(jìn)行DCT：pic0DCT:高頻系數(shù)很小JPEG中的余弦變換pic1：pic1圖像灰度級(jí)gray(x,y)JPEG中的余弦變換對(duì)pic1進(jìn)行DCT：pic1DCT:高頻系數(shù)很小JPEG中的余弦變換pic2：pic2圖像灰度級(jí)gray(x,y)JPEG中的余弦變換對(duì)pic2進(jìn)行DCT：pic2DCT:高頻系數(shù)很小JPEG中的余弦變換pic3：pic3圖像灰度級(jí)gray(x,y)JPEG中的余弦變換對(duì)pic3進(jìn)行DCT：pic3DCT:高頻系數(shù)較大一些JPEG中的余弦變換在JPEG進(jìn)行余弦變換后，由8x8像素圖像塊獲得8x8個(gè)頻域系數(shù)C(u,v)，如果存儲(chǔ)64個(gè)頻域系數(shù)，則圖像數(shù)據(jù)并不能壓縮。關(guān)鍵點(diǎn)通常，變換后的頻域系數(shù)直流成分C(0,0)最大，低頻域系數(shù)大于高頻域系數(shù)，高頻域的系數(shù)較小，可以用某種算法使其接近于0。采用一些算法，使一定頻率以外的高頻系數(shù)為0，則存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量可以壓縮。JPEG中的量化此處的“量化”不是指：A/D轉(zhuǎn)換中的量化。JPEG量化是：

事先建立1張8x8個(gè)數(shù)據(jù)的“量化表”，“量化表”內(nèi)數(shù)據(jù)大小排布的規(guī)律是：數(shù)值隨頻率上升而上升，直流/低頻位置上的數(shù)值小，高頻位置上的數(shù)值大。用DCT獲得的8x8頻域系數(shù)，除以對(duì)應(yīng)位置上的量化表數(shù)據(jù)，高頻系數(shù)就可能趨于0，而直流成分和低頻系數(shù)則較大。JPEG中的量化量化計(jì)算：計(jì)算后，較多的高頻系數(shù)為0。“量化表”決定了高頻系數(shù)非0的范圍、保留高頻成分的多少。有不同等級(jí)的“量化表”，對(duì)應(yīng)不同的壓縮/還原質(zhì)量。JPEG中的量化例如：8x8像素的圖像：JPEG中的量化例如：8x8個(gè)DCT系數(shù)：JPEG中的量化量化表：JPEG中的量化DCT系數(shù)

量化表系數(shù)舍入取整：JPEG中的量化量化后64個(gè)DCT系數(shù)的排序(Z形)：JPEG中的量化量化后系數(shù)的排序(Z形)：{74,33,31,-1,-2,-1,2,-2,-2,2,0,0,……,0};由于大量的0連續(xù)排列，可以用“行程編碼(RunLengthCoding)”方法節(jié)約存貯空間。JPEG的編碼JPEG編碼：原始圖像數(shù)據(jù)

壓縮圖像數(shù)據(jù)原始數(shù)字圖像8x8像素小塊離散余弦變換量化熵編碼壓縮的圖像數(shù)據(jù)DC:與前一塊DC的差值編碼AC:(Z形)行程編碼RLEHuffman熵編碼對(duì)信息符號(hào)編碼時(shí)，考慮每種符號(hào)在信息流中出現(xiàn)的概率；對(duì)出現(xiàn)概率大的符號(hào)采用“短碼(位數(shù)少)”，對(duì)出現(xiàn)概率小的符號(hào)采用“長(zhǎng)碼(位數(shù)多)”；可以降低“平均碼長(zhǎng)”降低“信息熵”，壓縮數(shù)據(jù)量。Huffman編碼是熵編碼的一種方法。JPEG的編碼整個(gè)圖像由多個(gè)8x8圖像小塊組成，每塊都有1個(gè)直流DC系數(shù)、63個(gè)交流AC系數(shù)；直流DC系數(shù)和交流AC系數(shù)分別采用不同方法編碼。JPEG的編碼DC系數(shù)用的方法是：第1塊圖像的DC系數(shù)是“真值”，以后各塊的DC是與前1塊DC系數(shù)的“差值”：Diff=DC(i)-DC(i-1)JPEG的編碼63個(gè)AC系數(shù)采用“行程編碼(RLE=RunLengthEncoding)”；AC系數(shù)要進(jìn)行位數(shù)非等長(zhǎng)的“熵編碼”。JPEG的編碼JPEG編碼的中間符號(hào)表示法：

每個(gè)DC系數(shù)：用2個(gè)符號(hào)表示

符號(hào)1：DC系數(shù)編碼所用的位數(shù)；符號(hào)2：DC系數(shù)的值。JPEG的編碼JPEG編碼的中間符號(hào)表示法：

每個(gè)AC系數(shù)：用2個(gè)符號(hào)表示

符號(hào)1：行程，位數(shù)；

行程：在Z形矩陣中，

非零的AC系數(shù)前面，連續(xù)的零系數(shù)個(gè)數(shù)；

位數(shù)：AC系數(shù)編碼的位數(shù)；

符號(hào)2：AC系數(shù)的值。JPEG的編碼JPEG編碼例子前1塊的DC系數(shù)=12，本塊DC=15，差值=3，查Huffman表，可以得到：編碼所需的位數(shù)=2，中間格式(2),(3)。符號(hào)1：DC系數(shù)編碼所用的位數(shù)；符號(hào)2：DC系數(shù)的值。JPEG的編碼JPEG編碼例子AC系數(shù)：第1個(gè)非零系數(shù)=-2，前邊有1個(gè)零，即：行程=1，對(duì)-2的編碼為需要2位，中間格式為(1,2)(-2)。JPEG的編碼JPEG編碼例子中間格式：(2),(3);(1,2),(-2);(0,1),(-1);(0,1),(-1);(0,1),(-1);(2,1),(-1);(EOB)“EndOfBlock”JPEG的編碼JPEG編碼例子中間格式：(2),(3);(1,2),(-2);(0,1),(-1);

(0,1),(-1);(0,1),(-1);(2,1),(-1);(EOB)Huffman編碼：查Huffman表得到：11011

1101101

000000

0001110001010共31位，平均每個(gè)數(shù)據(jù)31/64=0.48位，不做壓縮編碼數(shù)據(jù)量=64x8=512位，壓縮比=16.5:1JPEG的應(yīng)用實(shí)例

Tiff,153KB/29KBJpeg,k=12/34KBJPEG的應(yīng)用實(shí)例

Tiff,153KB/29KBJpeg,k=8/7KBJPEG的應(yīng)用實(shí)例

Tiff,153KB/29KBJpeg,k=4/6KBJPEG的應(yīng)用實(shí)例

Tiff,153KB/29KBJpeg,k=2/4KBJPEG的應(yīng)用實(shí)例

Tiff,153KB/29KBJpeg,k=1/3.63KBJPEG的應(yīng)用實(shí)例

Tiff,153KB/29KBJpeg,k=0/3.59KBJPEG的發(fā)展——JPEG2000

不采用離散余弦變換，而采用性能優(yōu)越的“離散小波變換”(DiscreteWaveletTransformation)不進(jìn)行8x8像素分塊，而采用金字塔型的多分辨率分層存貯，可以根據(jù)用戶(hù)需要還原生成不同分辨率圖像。J