JPEG原理分析及JPEG解码器的调试

一插代码块网页就卡，所以代码都用截图来了
一实验原理
1.JPEG原理及编码流程

JPEG是常见的一种图像格式，由ISO与CCITT建立并开发，是一个国际数字图像压缩标准。JPEG文件的扩展名为.jpg或.jpeg，用有损方式去除冗余的图像与彩色数据，在获取极高的压缩率同时能展现十分生动的静态图像，JPEG被认为是目前压缩比最高的静态图像，它被广泛地应用于多媒体与网络程序中。 JPEG编码流程如图，解码为逆过程：

JPEG原理分析及JPEG解码器的调试

（1）零偏置（level offset）

对于灰度级是2^n 的像素，通过减去2^(n-1)，将无符号的整数值变成有符号数；可使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大减少。

（2）8x8 DCT变换

DCT变换是指对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分成8×8的图像块，再以8x8的图像块为一个单位进行量化和编码处理。可以利用DCT变换去相关的特性，去除冗余信息，提高编码效率。

（3）量化

使用根据人眼视觉特性设计的量化的量化矩阵对DCT变换之后的结果进行量化，从而进而减少视觉冗余。

（4）DC系数差分编码

8×8图像块经过DCT变换之后得到的DC直流系数有两个特点：系数的数值比较大和相邻8×8图像块的DC系数值变化不大：冗余；根据这个特点， JPEG算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)技术，对相邻图像块之间量化DC系数的差值DIFF进行编码：DIFFk=DCK−DCK−1，再对DIFF进行Huffman编码。

（5）AC系数的之字形扫描与游程编码

由于经DCT变换后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此采用Z字形按频率的高低顺序读出，可以出现很多连零的机会。可以使用游程编码。尤其在最后，如果都是零，给出EOB (End of Block)即可。在经过之字形扫描排序后的AC系数，存在很多连0。为了进一步提高编码效率，因此对AC系数进行游程编码（RLC）处理之后，再进一步进行Huffman编码。

（6）AC和DC系数分别进行Huffman编码

JPEG中共采用了四张Huffman码表：亮度DC、亮度AC、色度DC、色度AC，即分别对图像的亮度和色度，直流和交流数据进行编码处理。

2.JPEG文件格式分析
JPEG文件的存储格式有很多种，但最常用的是JFIF格式，即JPEG File Interchange Format。大体可以分为两个部分：

（1）标记码：由两个字节构成，其中，前一个字节是固定值0XFF代表了一个标记码的开始，后一个字节不同的值代表着不同的含义。
注意：连续的多个0XFF可以理解为一个0XFF，并表示一个标记码的开始。另外，标记码在文件中一般是以标记代码的形式出现的。例如，SOI的标记代码是0XFFD8，即如果JPEG文件中出现了0XFFD8，则代表此处是一个SOI标记。

（2）压缩数据：一个完整的两字节标记码的后面，就是该标记码对应的压缩数据了，它记录了关于文件的若干信息。

3.JPEG解码流程

1 .读取文件
2. 解析 SegmentMarker
（1）解析 SOI
（2）解析 APP0:检查标识“ JFIF”及版本，得到一些参数
（3）解析 DQT: 得到量化表长度，量化表的精度，检查量化表的序号，量化表内容
（4）解析 SOF0:得到每个 sample 的比特数、长宽、颜色分量数，每个颜色分量的 ID、水平采样因子、垂直采样因子、使用的量化表序号。
（5）解析 DHT:得到 Huffman 表的类型和序号。依据数据重建 Huffman 表
（6）解析 SOS:得到解析每个颜色分量的 DC、 AC 值所使用的
Huffman 表序号（与 DHT中序号对应）
3. 依据每个分量的水平、垂直采样因子计算 MCU 的大小，并得到每个 MCU 中8*8宏块的个数
4. 对每个 MCU 解码：依照各分量水平、垂直采样因子对 MCU 中每个分量宏块解码。对每个宏块进行 Huffman 解码，得到 DCT 系数。对每个宏块的 DCT 系数进行 IDCT，得到 Y、 Cb、 Cr 。遇到 Segment Marker RST 时，清空之前的 DC DCT 系数
5. 解析到 EOI，解码结束
6. 将 Y、 Cb、 Cr 转化为需要的色彩空间并保存。

二实验步骤

1．逐步调试JPEG解码器程序。将输入的JPG文件进行解码，将输出文件保存为可供YUVViewer观看的YUV文件。
JPEG原理分析及JPEG解码器的调试

2.三个结构体的设计目的
struct huffman_table

struct component

struct jdec_private

3.理解在视音频编解码调试中TRACE的目的和含义，调试trace