1、JPEG编码压缩技术,吴鸿汉 计算机与软件学院 ,JPEG,a commonly used method of lossy compression for digital photography (image). allowing a selectable tradeoff between storage size and image quality JPEG typically achieves 10:1 compression with little perceptible loss in image quality,概述-历史,JPEG 发音为jay-peg, IPA：depg） Joi
2、nt Photographic Experts Group JPEG工作组 1986年成立 1992年发布JPEG的标准 JPEG标准的正式名称： ISO/IEC IS 10918-1,概述-应用于推广,应用（文档格式和示例程序） 主贡献人：Eric Hamilton (C-Cube Microsystems) 文件格式规范： JFIF(JPEG File Interchange Format)推广 IJG(Independent JPEG Group) 尤其是Tom Lane JPEG开源实现 （被图像编辑工具，浏览器广泛采用） 1991/10/07第一版本，最新版为2012/01/15,重
3、要人物之一：Tom Lane,计算机科学家 开源领域 2000年被评为开源领域10大最具贡献人物之一 主要项目： IJG PostgreSQL PNG TIFF,JPEG编码压缩技术,科学文献,设计目标,具有最先进的压缩率和图像保真度 用户可以通过参数来权衡图像保真度和压缩率 可以应用在任何图像上（不论内容、复杂性、颜色范围、统计特性等等） 在普通的硬件设施上具有较好的计算复杂度,定义了一组标准,无损JPEG（lossless JPEG） 有损基本系统（lossy Baseline） 扩展系统（Extended Systems）,一组压缩操作模式,顺序编码（Sequential encodin
4、g） 每个组成部分（component）在一次扫描中完成编码 渐进式编码（Progressive encoding） 全图采取渐进式的，从粗粒度开始逐步精细的编码方式 无损编码方式（Lossless encoding） 可完全恢复原图的编码方式 层次化编码方式（Hierarchical encoding） 多种分辨率压缩（低分辨率版本可独立获取）,JPEG基本系统 （Baseline System）,Baseline System(基本系统),步骤1：颜色转换,目的： 去除RGB各颜色分量中的相关性 人眼对颜色亮度比较敏感而对色度相对比较“迟钝”，从而可以有针对性地进行压缩 RGB - YUV
5、 YUV 为电视信号系统广泛采用，Y：明亮度（Luma），UV：色度（Chroma）,步骤1：颜色转换,步骤1：颜色转换 缩减采样,步骤2：级别位移（Level offset）,目标： 让数值对于0点对称 使得后续步骤处理的数据在特定的范围之内,步骤3：8X8 DCT,预备工作 每个分量分别切分88的小块 每个88的小块独立处理 每个小块被分解为一组系数，这些系数对应于64个正交基函数,步骤3：DCT公式,DCT基函数,步骤3：DCT变换之数学含义,步骤3：DCT变换之数学含义,步骤3：DCT变换示例,u=4,v=4的点，F(u,v)计算方法,步骤3：DCT变换,DC系数和AC系数,u=v=0
6、, DC系数，其它AC系数 频率越高绝对数值越小 基函数直方图分布，具有显著区别,步骤4：量化,目标： 去除人眼不敏感的高频信号,步骤4：量化表,量化表元素值越大，对应的系数被惩罚的程度也就越大 明亮度和色度通常采用不同的量化表,步骤4：量化表（压缩比选择）,控制压缩比：量化表按给定比例缩放 用户给定一个0-100的数值表示质量因子（Quality Factor） 质量因子将用来乘上量化表,量化示例 1,量化-有损压缩,量化示例 2,量化示例 2,量化示例 2,步骤5：熵编码,编码目标： 将2维信号转换为1维序列 使得0值尽量连续（增加空间冗余度）,步骤5：熵编码,步骤5：熵编码之基本方法,D
7、C 系数 预测编码（依据邻居的88方格的DC系数） AC系数 （0值游程编码，幅度）,步骤5：熵编码之数值编码,不对数值直接编码 采用双层模型（分两步） 基于分类对照表,比如：数值6 Cat: 3 Index:6,步骤5：熵编码之DC编码,步骤5：熵编码之AC编码,完整处理步骤示例,不同AC量化系数对比,质量因子 vs 图像大小,JPEG扩展系统 （Extended System）,扩展系统概述,支持12bpp 支持对DCT系数的算术编码（下节介绍） *渐进式的数据组织*,顺序 vs 渐进式,部分数据有全局图像 图片预览,部分数据=部分图像,低质量,高质量,顺序 vs 渐进式,以“扫描”的方式逐步组织数据,变换编码的图像本质,基本系统的顺序编码模式,扫描模式之一：顺序渐进模式,顺序渐进模式 光谱选择,扫描模式之一：顺序渐进模式,顺序渐进模式 逐次逼近,扫描模式之二：层次化,层次化渐进 第一次扫描：图像的低分辨率版本 后续扫描：逐次提高精度,
