原创 JPEG文件格式(转)

 JPEG文件格式

      微处理机中的存放顺序有正序(big endian)和逆序(little endian)之分。正序存放就是高字节存放在前低字节在后，而逆序存放就是低字节在前高字节在后。例如，十六进制数为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，而英特尔(Intel)公司的微处理器使用逆序。JPEG文件中的字节是按照正序排列的。

    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数据及其相关信息，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)版本号为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，但由于这种格式比较复杂，因此大多数应用程序都支持JFIF文件交换格式。 JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记，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个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF。每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节(fill byte)。下面是其中的8个标记：

JPEG的标记码列于下表:

JPEG定义的标记

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 标识符(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方向像素密度(X density)

        ⑥ Y方向像素密度(Y density)

        ⑦ 缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)

        ⑧ 缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)

        ⑨ 缩略图RGB位图(thumbnail RGB bitmap)

    (3) APPn标记(Markers)，其中n=1～15(任选)

        ① APPn长度(length)

        ② 由于详细信息(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)，每个颜色分量每个像素的位数(bits per pixel per color component)

        ③ 图像高度(image height)

        ④ 图像宽度(image width)

        ⑤ 颜色分量数(number of color components)

        ⑥ 对每个颜色分量(for each component)

• 
  
  • 
    
  • ID
    
  • 垂直方向的样本因子(vertical sample factor)
    
  • 水平方向的样本因子(horizontal sample factor)
    
  • 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 颜色分量数(number of color components)

        ③ 每个颜色分量

• 
  
  • 
    
  • ID
    
  • 交流系数表号(AC table #)
    
  • 直流系数表号(DC table #)

        ④ 压缩图像数据(compressed image data)

    (8) 图像结束EOI(End of Image)

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。

JFIF格式中APP0域的详细结构

    JPEG文件使用的颜色空间是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、每个像素的电平规定为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。由于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。于是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 + 0.114B

        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的次序存储样本数据，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。

1. 
   
2. SOI　 0xD8　　　　　 图像开始
   
3. APP0  0xE0　　　　 　JFIF应用数据块
   
4. APPn  0xE1 - 0xEF    其他的应用数据块(n, 1～15)
   
5. DQT　 0xDB　　　　　 量化表
   
6. SOF0  0xC0　　　　　 帧开始
   
7. DHT　 0xC4　　　　　 霍夫曼(Huffman)表
   
8. SOS　 0xDA　　　　　 扫描线开始
   
9. EOI　 0xD9　　　　　 图像结束