JPEG图像压缩与编码解析

JPEGExifTIFF格式解读（1）：JEPG图⽚压缩与存储原理分析

JPEG⽂件简介

JPEG的全称是JointPhotographicExpertsGroup（联合图像专家⼩组），它是⼀种常⽤的图像存储格式， jpg/jpeg是24位的图像⽂件格式，

也是⼀种⾼效率的压缩格式，⽂件格式是JPEG（联合图像专家组）标准的产物，该图像压缩标准是国际电信联盟（InternationalTelecommunication Union，ITU）、国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）和国际电⼯委员会

（International Electrotechnical Commission，IEC）共同制定。JPEG标准正式地称为ISO/IEC IS（国际标准）10918-1：连续⾊调静态图

像数字压缩和编码（Digital Compression and Coding of Continuous-tone Still Images）和ITU-T建议T.81。

JPEG是第⼀个国际图像压缩标准，⽤于连续⾊调静态图像（即包括灰度图像和彩⾊图像），其最初⽬的是使⽤64Kbps的通信线路传输

720×576 分辨率压缩后的图像。通过损失极少的分辨率，可以将图像所需存储量减少⾄原⼤⼩的10％。由于其⾼效的压缩效率和标准化要

求，⽬前已⼴泛⽤于彩⾊传真、静⽌图像、电话会议、印刷及新闻图⽚的传送上。但那些被删除的资料⽆法在解压时还原，所以* .jpg/.jpeg

⽂件并不适合放⼤观看，输出成印刷品时品质也会受到影响。

JPEG⽂件格式

JPEG的⽂件格式⼀般有两种⽂件扩展名：.jpg和.jpeg，这两种扩展名的实质是相同的，我们可以把.jpg的⽂件改名为.jpeg，⽽对⽂件本⾝不

会有任何影响。严格来讲，JPEG的⽂件扩展名应该为.jpeg，由于DOS时代的8.3⽂件名命名原则，就使⽤了.jpg的扩展名，这种情况类似

jpeg编码原理

JPEG编码原理

JPEG是一种常用的图像压缩格式，它可以将图像压缩至原始大小的1/10或更小，而且不会影响图像的质量。JPEG编码原理是基于离散余弦变换（DCT）和量化技术。

1. 离散余弦变换（DCT）

在JPEG编码中，图像被分成8x8个像素块，每个块都被视为一个矩阵。通过对这些矩阵进行离散余弦变换（DCT），可以将每个块转换为一组频率系数。

离散余弦变换是一种将时域信号转换为频域信号的方法。在JPEG中，每个块都被视为一个时域信号，并通过离散余弦变换将其转换为频域信号。这些频率系数表示了该块中各种不同频率的分量。

2. 量化

在经过DCT后，得到了每个块的频率系数。但是由于人眼对于高频细节的感知能力较差，因此在JPEG编码中采用了量化技术来减少高频分量。

量化就是将每个频率系数除以一个固定值，并四舍五入取整。由于高频分量较大，因此它们被量化后会变得更小，从而减少了数据量。

3. 压缩

在经过DCT和量化后，每个块都被转换为一组频率系数，并且高频分量已经被减少。这些频率系数可以被进一步压缩，从而减少文件大小。

JPEG编码使用了霍夫曼编码技术来压缩这些频率系数。霍夫曼编码是一种无损压缩技术，它可以将出现频率较高的符号用较短的编码表示，从而减少数据量。

4. 解压

在解压JPEG图像时，首先需要将霍夫曼编码还原为频率系数。然后对这些频率系数进行逆量化和逆离散余弦变换（IDCT），从而恢复原始图像。

逆量化是将每个频率系数乘以一个固定值，并四舍五入取整。逆离散余弦变换是将每个块的频率系数转换回时域信号，从而恢复原始图像。

总结

JPEG编码原理是基于离散余弦变换和量化技术的。通过DCT将图像分解为一组频率系数，并采用量化技术减少高频分量，然后使用霍夫曼编码压缩这些频率系数。在解压时，需要将霍夫曼编码还原为频率系数，并进行逆量化和逆离散余弦变换来恢复原始图像。

图像压缩算法原理：JPEG、PNG等压缩方式

图像压缩算法旨在减小图像文件的大小，同时保持尽可能多的图像质量。JPEG（Joint Photographic Experts Group）和PNG（Portable

Network Graphics）是两种常见的图像压缩方式，它们有不同的原理和适用场景。

JPEG 压缩算法原理：

离散余弦变换（DCT）： JPEG 使用离散余弦变换将图像从空间域变换到频域。DCT将图像分解为一系列频率分量，允许更多的信息被聚焦在低频分量上，这些低频分量对人眼更敏感。

量化： 在DCT之后，通过量化将每个频率分量的数值映射为一个较低的精度。高频分量被更多地量化为零，从而进一步减小数据。

哈夫曼编码： 使用哈夫曼编码对量化后的数据进行熵编码。哈夫曼编码对常见的值使用较短的编码，对不常见的值使用较长的编码，以进一步减小文件大小。

色彩空间转换： JPEG通常将RGB颜色空间转换为YCbCr颜色空间，其中Y表示亮度（灰度），Cb和Cr表示色度（颜色信息）。这样可以将图像的亮度和色度分离，使得在色度上的降采样更容易。

PNG

压缩算法原理：

无损压缩： 与JPEG不同，PNG是一种无损压缩算法，它保留了原始图像的每一个像素的精确信息。这使得PNG适用于需要完整性的图像，如图标、图形等。

差分预测： PNG使用差分预测（Delta Predictive Coding）来减小冗余。通过预测每个像素值与其周围像素值之间的差异，PNG可以用较小的数据表示图像。

LZ77压缩： PNG使用LZ77算法进行数据压缩。该算法通过查找并用指向先前出现的相似数据的指针替换当前数据，从而减小文件大小。

无调色板和透明度支持： PNG支持真彩色图像，并且可以存储图像的透明度信息。这使得PNG在需要保留图像质量的同时支持透明背景。

总体而言，JPEG适用于需要较小文件大小，且可以容忍一些信息损失的场景，而PNG适用于需要无损压缩和透明度支持的场景。选择哪种压缩方式取决于具体的应用需求。

JPEG图像格式详解

JPEG压缩简介

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1.色彩模型

JPEG的图片使用的是YCrCb颜色模型,而不是计算机上最常用的RGB.关于色

彩模型,这里不多阐述.只是说明,YCrCb模型更适合图形压缩.因为人眼对图片上

的亮度Y的变化远比色度C的变化敏感.我们完全可以每个点保存一个8bit的亮

度值,每2x2个点保存一个CrCb值,而图象在肉眼中的感觉不会起太大的变化.

所以,原来用RGB模型,4个点需要4x3=12字节.而现在仅需要4+2=6字节;平均每个点占12bit.当然JPEG格式里允许每个点的C值都记录下来;不过MPEG里

都是按12bit一个点来存放的,我们简写为YUV12.

[RGB]->[YCbCr]转换

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(R,G,B都是8bitunsigned)

|Y||0.2990.5870.114||R||0|

|Cb|=|-0.1687-0.33130.5|*|G|+|128||Cr||0.5-0.4187-0.0813||B||128|

Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B(亮度)

Cb=-0.1687*R-0.3313*G+0.5*B+128

Cr=0.5*R-0.4187*G-0.0813*B+128

[Y,Cb,Cr]->[R,G,B]转换

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R=Y+1.402*(Cr-128)G=Y-0.34414*(Cb-128)-0.71414*(Cr-128)

B=Y+1.772*(Cb-128)

一般,C值(包括CbCr)应该是一个有符号的数字,但这里被处理过了,方法

是加上了128.JPEG里的数据都是无符号8bit的.

2.DCT(离散余弦变换)

JPEG里,要对数据压缩,先要做一次DCT变换.DCT变换的原理,涉及到数学

知识,这里我们不必深究.反正和傅立叶变换(学过高数的都知道)是差不多了.经过这个变换,就把图片里点和点间的规律呈现出来了,更方便压缩.JPEG里是对每8x8个点为一个单位处理的.所以如果原始图片的长宽不是8的倍数,都需要先补成8