JPEG系列一 JPEG图片的文件格式
JPEG图片的文件格式
互联网上广泛使用的image/jpeg 图片，准确来说，全称应该叫做使用 JPEG标准压缩图像，使用JFIF标准封装图像数据的图形文件。
JPEG 是一个压缩标准，JFIF 是一个文件格式标准，总体来说它们不是一个概念。
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。JPEG是有损压缩，压缩后的数据在恢复时会丢失一部分不重要的信息。
JFIF 是 JPEG File Interchange Format 的缩写，也即 JPEG 文件交换格式。JFIF 是一个图片文件格式标准，它是一种使用 JPEG 图像压缩技术存储摄影图像的方法。JFIF 代表了一种"通用语言"文件格式，它是专门为方便用户在不同的计算机和应用程序间传输 JPEG 图像而设计的语言。
JFIF 文件格式定义图形数据如何存储，包括图片长宽、分辨率、颜色空间等基本信息，这些是 JPEG 压缩标准未定义的。JFIF中使用”标记”来保存图片的各种属性信息。
JPEG图片的文件布局
一个典型的EXIF JPEG文件布局
|
JPEG SOI : FF D8 // 图片起始 JPEG APP0：0xFFE0 // APP0 SIZE：1D 23 //当前标记的长度 JFIF Flag：JFIF // JFIF 标识 VERSION：// 版本号 ATTRIBUTION: // 长宽、DPI等信息 JPEG APP1: FF E1 JPEG APPn： FF En // APPn 标记，可选 DQT ：0xFFDB //Define Quantization Table，定义量化表 SOF0：0xFFC0 //Start of Frame，帧图像开始 DHT：0xFFC4 //Difine Huffman Table，定义哈夫曼表 SOS：0xFFDA // Start of Scan，扫描开始 12字节 压缩数据 JPEG EOI : FF D9 // 图片结束 |
JPEG图片的标记
每一个JPEG文件的内容都开始于一个二进制的值 '0xFFD8', 并结束于二进制值'0xFFD9'。
在JPEG的数据中有好几种类似于二进制 0xFFXX 的数据, 它们都统称作 "标记", 代表了一段JPEG的 信息数据。
在JPEG 格式中, 最开始先是用一些标记来描述数据,然后是放置SOS数据流的起始(Startof Scan) 标记。在SOS标记的后面才是, 存放JPEG图像的数据流并终结于EOI标记。
0xFFD8 的意思是SOI图像起始(Start of image)，0xFFD9 则表示 EOI图像结束 (End of image). 这两个特殊的标记的后面都不跟随数据, 而其他的标记在后面则会附带数据。标记的基本格式如下：
|
0xFF+标记号(1个字节) 数据长度(2个字节)(值为数据长度2字节+n字节) 数据内容(n个字节) |
数据长度(2个字节) 是 "Motorola" 的字节顺序, 数据的低位被存放在高地址，也就是BigEndian。
数据长度为数据长度本身的2个字节，加数据内容的n个字节。不包含标记号的2个字节。如果下面的是一个标记的话：
FFC1 00 0C
它就表示这个标记(0xFFC1) 的数据占0x000C(等于12)个字节。'12' 包含了 "数据大小" 描述符, 也就是在0x000C后面只有10 个字节大小的数据。
JPEG文件中重要的标记
这里仅列出几个常用标记的标记代码、长度和表示的意义。
SOI，Start of Image，图像开始，2字节，固定值0xFFD8
JEPG APP0 应用程序保留标记0
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字段名称 |
字段长度 |
Comments |
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标记代码 marker |
2 bytes |
固定值0xFF, 0xE0 |
|
数据长度 length |
2 bytes |
APP0总长度，不过括marker，但是包括length本身 |
|
标识符 identifier |
5 bytes |
固定的字符串"JFIF\0" |
|
版本号 version |
2 bytes |
一般为0x0101或者0x0102,表示JFIF的版本号1.2 |
|
像素单位 unit |
1 bytes |
坐标单位，0没有单位； 1 pixel/inch；2 pixel/cm |
|
水平像素数目 Xdensity |
2 bytes |
取值范围未知 |
|
垂直像素数目 YDensity |
2 bytes |
取值范围未知 |
|
缩略图水平像素数目 |
1 byte |
取值范围未知 |
|
缩略图垂直像素数目 |
1 byte |
取值范围未知 |
|
缩略图RGB位图 |
3n bytes |
n = Xthumbnail * Ythumbnail, 这是一个24bits/piexl的RGB位图 |
APPn 应用程序保留标记
|
字段名称 |
字段长度 |
Comments |
|
标记代码 marker |
2 bytes |
固定值0xFFE1 ~ 0xFFEF, n=1~15 |
|
数据长度 length |
2 bytes |
APPn的总长度，不包括marker的2 bytes |
|
详细信息 |
(length - 2) bytes |
内容是应用特定的。 |
DQT DefineQuantization Table
|
字段名称 |
子字段 |
字段长度 |
Comments |
|
标记代码 marker |
2 bytes |
固定值0xFF, 0xDB |
|
|
量化表长度 length |
2 bytes |
DQT的总长度，不包括marker的2bytes |
|
|
量化表 |
(length-2)bytes |
可以重复出现，表示多个量化表，但最多只能出现4次。 |
|
|
精度及量化表ID |
1 bytes |
高4位：精度，只有两个可选值，0：8bits，1：16bits； |
|
|
表项 |
(64*(精度+1)) bytes |
例如8位精度的量化表,其表项长度为64×(0+1)=64字节 |
JPEG Start ofFrame marker结构，帧图像开始
|
字段名称 |
长度 |
Comments |
|
标记代码 |
2 bytes |
固定值0xFFC0 |
|
数据长度 |
2 bytes |
SOF marker长度，包括长度自身但不包含标记代码 |
|
精度 |
1 bytes |
每个样本数据的位数，通常是８位，一般软件都不支持12位和16位 |
|
图像高度 |
2 bytes |
图像高度，单位：像素 |
|
图像宽度 |
2 bytes |
图像宽度，单位：像素 |
|
颜色分量数 |
1 bytes |
3个数值可选 1：灰度图； |
|
颜色分量信息 |
颜色分量数x3 |
每个颜色分量： |
DHT，Difine HuffmanTable，定义哈夫曼表
|
字段名称 |
长度 |
Comments |
|
标记代码 |
2 bytes |
固定值0xFFC4 |
|
数据长度 |
2 bytes |
包括长度自身但不包含标记代码 |
|
哈夫曼表 |
数据长度-2 bytes |
出现1~4次。 |
|
1 bytes |
表ID和表类型 |
|
|
16 bytes |
不同位数的码字数量 |
|
|
16个不同位数的码字数量之和（字节） |
编码内容 |
DRI，Define Restart Interval，定义差分编码累计复位的间隔
|
字段名称 |
长度 |
Comments |
|
标记代码 |
2 bytes |
固定值0xFFDD |
|
数据长度 |
2 bytes |
固定值0x0004 |
|
MCU块的单元中的重新开始间隔 |
2 bytes |
设其值为n，则表示每n个MCU块就有一个RSTn标记。 |
MCU，Minimum Coded Unit，最小编码单元，通常是8x8，8x16或16x16。
JPEG Startof Scan。扫描开始
|
字段名成 |
长度 |
Comments |
|
标记代码 |
2 bytes |
固定值0xFFDA |
|
数据长度 |
2 bytes |
SOS长度，包括长度自身 |
|
颜色分量数 |
1 bytes |
SOF中的字段值相同，即： |
|
颜色分量信息 |
颜色分量数x3 |
每个样色分量： |
|
压缩图像数据 |
3 bytes |
|
|
1 byte |
谱选择开始固定为0x00 |
|
|
1 byte |
谱选择结束固定为0x3f |
|
|
1 byte |
谱选择 在basic JPEG中总为00 |
SOS标记之后紧接着就是真正的图像信息了。图像信息直至遇到一个标记代码就自动结束，一般就是以EOI标记表示结束。
EOI，End of Image，图像结束。2字节。固定值0xFFD9。
补充说明一下，由于在JPEG文件中0xFF具有标志性的意思，所以在压缩数据流(真正的图像信息)中出现0xFF，就需要作特别处理。
具体方法是，在数据0xFF后添加一个没有意义的0x00。换句话说，如果在图像数据流中遇到0xFF，应该检测其紧接着的字符，如果是
1）0x00，则表示0xFF是图像流的组成部分，需要进行译码；
2）0xD9，则与0xFF组成标记EOI，则图像流结束，同时图像文件结束；
3）0xD0~0xD7,则组成RSTn标记，则要忽视整个RSTn标记，即不对当前0xFF和紧接的0xDn两个字节进行译码，并按RST标记的规则调整译码变量；
4）0xFF，则忽视当前0xFF，对后一个0xFF再作判断；
5）其他数值，则忽视当前0xFF，并保留紧接的此数值用于译码。
JPEG图片中的EXIF 数据
Exif- Exchange Image File Format，是Camera产业联合会发布的，主要目的就是设计一种文件格式，方便交换照片文件的metadata。
Exif使用 APP1(0xFFE1)标记来保存Exif数据，每一个 Exif 文件格式都开始于APP1标记。
Exif按照JPEG的规格在JPEG中插入一些 图像/数字相机 的信息数据以及缩略图像。于是你能通过与JPEG兼容的互联网浏览器/图片浏览器/图像处理等一些软件来查看Exif格式的图像文件，就跟浏览通常的JPEG图像文件一样。
Exif使用TIFF 格式来存储数据。下一篇详细讲解。
JPEG图片中的压缩图像数据
原始的图像数据量太大，于是几十年前一帮牛人想出来压缩图像数据的JPEG压缩标准。JPEG压缩时有损压缩，但是可以通过调整参数控制压缩率，已得到占空间较小的图片，同时将肉眼可分辨的损失降到最低。
JPEG压缩标准主要涉及到量化表（DQT）和哈夫曼表（DHT），这两种表作为压缩时的字典使用。压缩后的数据存储在SOS标记后。
JPEG压缩标准在下下篇讲解。
参考：
http://blog.csdn.net/kickxxx/article/details/8173332
http://www.cnblogs.com/leaven/archive/2010/04/06/1705846.html
http://stackoverflow.com/questions/8748671/jpeg-restart-markers
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