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一、JPEG压缩标准概述
JPEG压缩标准由国际标准化组织 (International Organization for Standardization, ISO) 制订#xff0c;用于静态图像压缩。JPEG标准包…分3个博客详细介绍JPEG图像的压缩标准包含压缩和解压缩流程熵编码过程和文件存储格式。
一、JPEG压缩标准概述
JPEG压缩标准由国际标准化组织 (International Organization for Standardization, ISO) 制订用于静态图像压缩。JPEG标准包含有损量化压缩和无损编码压缩两种压缩方式利用了不同视觉信息在人眼中的敏感程度差异在取得更高的压缩性能的同时也有着良好的图像视觉质量。JPEG有基于预测编码技术的无损压缩和基于DCT变换的有损压缩两种压缩格式有霍夫曼编码和算术编码两种编码算法包含渐进编码、分层编码、无损压缩编码和基于DCT的顺序编码四种编码模式。实际应用中使用最为广泛的是基于霍夫曼编码算法DCT顺序编码模式的有损压缩格式也是JPEG标准的基线模式后续介绍的内容所使用的JPEG图像都是由基线模式生成的。
下图展示了空域图像经JPEG标准的压缩和解压缩流程与JPEG图像相互转化的过程。彩色空域图像经颜色空间转换和像素采样由RGB格式转化成YCbCr格式存储经离散余弦变换 (DCT) 量化表量化得到频域的量化DCT系数矩阵使用ZiaZag扫描顺序熵编码成为JPEG图像文件。 1.1、颜色空间转换与采样
在计算机系统中空域图像通常以像素值矩阵存储使用的是RGB颜色空间其中R代表红色G代表绿色B代表蓝色。直接存储完整的矩阵信息需要占用较大的存储空间研究者发现人眼视觉系统对图像的亮度和色度信息敏感程度存在差异对亮度信息比色度信息更为敏感。基于图像视觉质量考虑可以通过损失部分色度信息换取更好的压缩性能这也是JPEG图像采用YCbCr格式的初衷。YCbCr颜色空间中Y代表亮度CbCr分别代表色度和饱和度也可将Cb, Cr两者统称为色度三者通常以YUV来表示即用 U 代表Cb用 V 代表Cr后续本文将以YUV指代YCbCr。在空域图像向JPEG格式转换的第一步会将RGB颜色通道根据式1转换成YCbCr格式同理在JPEG图像转换为空域图像的最后一步会将YCbCr颜色空间转变为RGB格式如式2所示。 (1) (2)
在转换为YUV格式后为压缩存储的矩阵信息会根据相应的采样因子对UV通道下采样这是彩色图像压缩的第一步。目前支持JPEG格式的软件通常提供YUV411 和 YUV422两种采样方式。以YUV411的采样为例水平和垂直采样因子2:2在每个2*2的像素矩阵上3个颜色通道都有4个像素值采样前共需要12字节存储。使用4:1:1采样后Y分量全采样UV分量上只采样1个像素只需要6个字节存储具体采样方式如下图所示。在JPEG转换回空域图像过程中对UV分量上采样Y分量的四个像素Y1Y2Y3Y4共用UV分量的采样像素U1V1。由此可见向下采样会丢失部分色度分量数据使得空域图像和JPEG图像的转换过程不是可逆的但其能够在人眼不易察觉的视觉失真范围内取得良好的压缩性能节省存储空间因此广泛应用于压缩格式图像和视频中。 1.2、DCT变换
DCT变换实现了空域像素与频域系数的相互转换包含二维正向离散余弦变换 (Forward Discrete Cosine Transform, FDCT) 和二维反向离散余弦变换 (Inverse Discrete Cosine Transform, IDCT) 。对采样后的空域图像首先将像素矩阵分成8×8的图像块根据式3进行FDCT变换得到对应的8×8频域系数矩阵。DCT变换不会压缩图像但能将图像重要和不重要的信息分离即将图像块的大部分能量集中在频域矩阵的左上方。8×8矩阵的第一个系数是DC系数包含了图像块的大部分能量其余63个系数表示为AC系数包含图像的纹理信息。FDCT和IDCT变换分别如式3和4所示。 3 4
其中 第一个部分就介绍这些下次再介绍其余部分包括量化、熵编码等部分。
