数据压缩 JPEG解码

本文主要是介绍数据压缩 JPEG解码，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

JPEG解码

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实验原理

JPEG压缩编码基本原理

JPEG（Joint Photographic Experts Group）是在国际标准化组织(ISO)领导之下制定静态图像压缩标准的委员会，第一套国际静态图像压缩标准ISO 10918-1(JPEG)就是该委员会制定的。由于JPEG优良的品质，使他在短短几年内获得了成功，被广泛应用于互联网和数码相机领域，网站上80%的图像都采用了JPEG压缩标准。
JPEG编码算法主要有以下一个重要步骤：
（1）对DCT去除图像数据的空间冗余；
（2）用人眼视觉最佳效果的量化表来量化DCT系数F(u，v），去除视觉冗余；
（3）对量化后的DCT系数F（u，v）数据进行熵编码，去除熵冗余。
JPEG编码原理图

1. 预处理
   
   • 像块分割
     把源图像分割成互相不重叠矩形块，每一个像块作为一个独立的单元进行变化和编解码。JPEG的像块大小为8×8，各像素数据值分布比较均匀，像素件的相关性较强。
     
   • 零偏置（Level Offset）
     对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，将无符号 的整数值变成有符号数。 对于n=8，即将0~255的值域，通过减去128，转换为值 域在-128~127之间的值  目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大 减少
2. DCT
   性质：
   （1）能量守恒
   （2）能量集中
   （3）去相关
   经过DCT变换后，图像中的低频分量会集中在左上角，由于图像低频能量高，故而左上角数值大，右下角有较多的0值。
   
3. 量化
   （1）根据人眼的视觉特性（对低频敏感，对高频不太敏感）对 低频分量采取较细的量化，对高频分量采取较粗的量化。
   -> 如果原始图象中细节丰富，则去掉的数据较多，量化后的系数与 量化前差别
   ->反之，细节少的原始图象在压缩时去掉的数据少些
   （2）因为人眼对亮度信号比对色差信号更敏感，因此使用了两 种量化表：亮度量化值和色差量化值 。
4. 之字形扫描
   由于量化之后右下角高频系数大部分为0，在编码是为了制造更长的0游程提高编码效率，采用之字形扫描读取法。经过之字形扫描读出后把二维系数矩阵转换为一维数据序列。在最后， 如果都是零，给出 EOB (End of Block) 即可。
   zig-zag序
   
5. DC系数的差分编码
   由于直流系数F（0，0）代表了该像块中包含的直流成分，数值较大，又由于两个相邻像块的直流系数通常具有较大的相关性，所以对DC系数采用差分编码（DPCM），传送当前快与前一个块之间的DC系数差值。
   
   码字=类别ID+类内索引
   
   类别ID同时也是解码类内索引时，还需读几位的码流，存在DC系数Huffman码表的权值中。
   例：DC=8，上一DC=5，则DIFF=8-5=3 类别ID=2，类内索引=3，则码流=10011
6. AC系数的游程编码
   编码规则：（run，level）
   表示连续run个0，后面跟着值为level的AC系数。
   
   • run：最多15个，故用4位表示。
   • level：类似DC系数，分为类别ID与类内索引。用4位表示类别ID。
     （run，level的类别ID）合成1字节存在AC系数码表的权值中。

JPEG文件格式

英文缩写	英文全称	说明	标志代码
SOI	Start of Image	图像开始	0xFFD8
APPn	Application	应用程序保留标记n	0xFFEn
DQT	Define Quantization Table	定义量化表	0XFFDB
SOF0	Start of Frame	帧图像开始	0xFFC0
DHT	Define Huffman Table	定义哈夫曼表	0xFFC4
SOS	Start of Scan	扫描开始,12字节	0xFFDA
EOI	End of Image	图像结束,2字节	0xFFD9

1.DQT量化表
（1）标记代码：0xFFDB
（2）数据长度：2字节 包括字段（2）和多个字段（3）总长度。
（3）量化表：
① 精度及量化表ID 1字节
高4位：精度，只有两个可选值 0：8位；1：16位
②表项 (64×(精度+1))字节

2.DHT哈夫曼表
（1）标记代码：0xFFC4
（2）数据长度：2字节
（3）huffman表
- 表ID和表类型：1字节
高4位：类型，只有两个值可选（ 0：DC直流；1：AC交流 ）
低4位：哈夫曼表ID（注意，DC表和AC表分开编码）
- 不同位数的码字数量：16字节
- 编码内容
16个不同位数的码字数量之和（字节）本标记段中，字段（3）可以重复出现（一般4次），也可以只出现1次。
在DC系数码表中，此项为权值，其权值就是解码时再需要 读入的bit位数。这个再次读入的位数通过查表得到真正的 码值。
在AC系数码表，权值的高4位表示当前数值前面有多少个连续的零，低4 位表示该交流分量数值的二进制位数，也就是接下来需要 读入的位数。
JPEG解码是编码的逆过程。

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实验流程

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。
2. 程序调试过程中，应做到：
- 理解程序设计的整体框架
- 理解三个结构体的设计目的
struct huffman_table
struct component
struct jdec_private
- 理解在视音频编解码调试中TRACE的目的和含义
- 会打开和关闭TRACE
- 会根据自己的要求修改TRACE
3. 以txt文件输出所有的量化矩阵和所有的HUFFMAN码表。
4. 输出DC图像并经过huffman统计其概率分布（使用第三个实验中的Huffman编码器）。
5. 输出某一个AC值图像并统计其概率分布（使用第三个实验中的Huffman编码器）。

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代码分析

1.理解三个结构体
struct jdec_private处在最上层，支配整个图像，其中包含了struct huffman_table和 struct component。其中struct huffman_table用来存放DC系数、AC系数的哈夫曼码表；struct component 用来存放8*8数据块组成的MCU(Minimum Data Unit,最小数据单元)数据值，相当于移动的像块，每次访问下一个像块就给该结构体更新值。

struct huffman_table
{/* Fast look up table, using HUFFMAN_HASH_NBITS bits we can have directly the symbol,* if the symbol is <0, then we need to look into the tree table */short int lookup[HUFFMAN_HASH_SIZE];/* code size: give the number of bits of a symbol is encoded */unsigned char code_size[HUFFMAN_HASH_SIZE];/* some place to store value that is not encoded in the lookup table * FIXME: Calculate if 256 value is enough to store all values*/uint16_t slowtable[16-HUFFMAN_HASH_NBITS][256];
};struct component 
{unsigned int Hfactor;//水平采样因子unsigned int Vfactor;//垂直采样因子float *Q_table;       /* Pointer to the quantisation table to use */struct huffman_table *AC_table;struct huffman_table *DC_table;short int previous_DC;    /* Previous DC coefficient */short int DCT[64];        /* DCT coef */
#if SANITY_CHECKunsigned int cid;
#endif
};//Frage stellen von susu

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