JPEG图像压缩算法流程详解

　　JPEG简介

　　JPEG 是Joint Photographic Experts Group（联合图像专家小组）的缩写，是第一个国际图像压缩标准。JPEG图像压缩算法能够在提供良好的压缩性能的同时，具有比较好的重建质量，被广泛应用于图像、视频处理领域。人们日常碰到的“.jpeg”、‘’.jpg“等指代的是图像数据经压缩编码后在媒体上的封存形式，不能与JPEG压缩标准混为一谈。

　　JPEG优缺点

　　优点：摄影作品或写实作品支持高级压缩。

　　利用可变的压缩比可以控制文件大小。支持交错（对于渐近式JPEG文件）。广泛支持Internet标准。

　　缺点：有损耗压缩会使原始图片数据质量下降。

　　当您编辑和重新保存JPEG文件时，JPEG会混合原始图片数据的质量下降。这种下降是累积性的。JPEG不适用于所含颜色很少、具有大块颜色相近的区域或亮度差异十分明显的较简单的图片。

　　JPEG压缩标准

　　JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一个由ISO/IEC JTC1/SC2/WG8和CCITT VIII/NIC于1986年底联合组成的一个专家组，负责制定静态的数字图像数据压缩编码标准。迄今为止，该组织已经指定了3个静止图像编码标准，分别为JPEG、JPEG-LS和JPEG2000。这个专家组于1991年前后指定完毕第一个静止图像压缩标准JPEG标准，并且成为国际上通用的标准。JPEG标准是一个适用范围很广的静态图像数据压缩标准，既可用于灰度图像又可用于彩色图像。

　　JPEG专家组开发了两种基本的静止图像压缩算法，一种是采用以离散余弦变换（Discrete Cosine Transform， DCT）为基础的有损压缩算法，另一种是采用以预测技术为基础的无损压缩算法。使用无损压缩算法时，其压缩比比较低，但可保证图像不失真。使用有损压缩算法时，其算法实现较为复杂，但其压缩比大，按25：1压缩后还原得到的图像与原始图像相比较，非图像专家难于找出它们之间的区别，因此得到了广泛的应用。

　　JPEG有4种工作模式，分别为顺序编码，渐近编码，无失真编码和分层编码，他们有各自的应用场合，其中基于顺序编码工作模式的JPEG压缩系统也称为基本系统，该系统采用单遍扫描完成一个图像分量的编码，扫描次序从左到右、从上到下，基本系统要求图像像素的各个色彩分量都是8bit，并可通过量化线性地改变DCT系统的量化结果来调整图像质量和压缩比。下面介绍图像压缩采用基于DCT的顺序模式有损压缩算法，该算法下的JPEG压缩为基本系统。

　　JPEG压缩基本系统编码器

　　JPEG压缩是有损压缩，它利用了人的视觉系统的特性，将量化和无损压缩编码相结合来去掉视觉的冗余信息和数据本身的冗余信息。基于基本系统的JPEG压缩编码器框图如图1所示，该编码器是对单个图像分量的处理，对于多个分量的图像，则首先应将图像多分量按照一定顺序和比例组成若干个最小压缩单元（MCU），然后同样按该编码器对每个MCU各个分量进行独立编码处理，最终图像压缩数据将由多个MCU压缩数据组成。

　　图1 JPEG压缩编码器结构框图

　　JPEG压缩主要步骤如下：

　　（1）图像压缩预处理；

　　（2）正向离散余弦变换（FDCT）；

　　（3）DCT系数量化；

　　（4）编码

　　JPEG图像压缩算法流程详解

　　在实际应用中，JPEG图像编码算法使用的大多是离散余弦变换、Huffman编码、顺序编码模式。这样的方式，被人们称为JPEG的基本系统。这里介绍的JPEG编码算法的流程，也是针对基本系统而言。基本系统的JPEG压缩编码算法一共分为11个步骤：颜色模式转换、采样、分块、离散余弦变换（DCT）、Zigzag 扫描排序、量化、DC系数的差分脉冲调制编码、DC系数的中间格式计算、AC系数的游程长度编码、AC系数的中间格式计算、熵编码。下面，将一一介绍这11个步骤的详细原理和计算过程。

　　（1）颜色模式转换

　　JPEG采用的是YCrCb颜色空间，而BMP采用的是RGB颜色空间，要想对BMP图片进行压缩，首先需要进行颜色空间的转换。YCrCb颜色空间中，Y代表亮度，Cr，Cb则代表色度和饱和度（也有人将Cb，Cr两者统称为色度），三者通常以Y，U，V来表示，即用U代表Cb，用V代表Cr。RGB和YCrCb之间的转换关系如下所示：

　　Y = 0.299R+0.587G+0.114B

　　Cb = -0.1687R-0.3313G+0.5B+128

　　Cr = 0.5R=0.418G-0.0813B+128

　　一般来说，C 值 （包括 Cb Cr） 应该是一个有符号的数字， 但这里通过加上128，使其变为8位的无符号整数，从而方便数据的存储和计算。

　　R = Y+1.402（Cr-128）

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

　　B = Y+1.772（Cb-128）

　　（2）采样

　　研究发现，人眼对亮度变换的敏感度要比对色彩变换的敏感度高出很多。因此，我们可以认为Y分量要比Cb，Cr分量重要的多。在BMP图片中，RGB三个分量各采用一个字节进行采样，也就是我们常听到的RGB888的模式；而JPEG图片中，通常采用两种采样方式：YUV411和YUV422，它们所代表的意义是Y，Cb，Cr三个分量的数据取样比例一般是4：1：1或者4：2：2（4：1：1含义就是：在2x2的单元中，本应分别有4个Y，4个U，4个V值，用12个字节进行存储。经过4:1：1采样处理后，每个单元中的值分别有4个Y、1个U、1个V，只要用6个字节就可以存储了）。这样的采样方式，虽然损失了一定的精度但也在人眼不太察觉到的范围内减小了数据的存储量。当然，JPEG格式里面也允许将每个点的U，V值都记录下来；