JPEG编码JPEG是联合图象专家组(Joint Picture Expert Group)的英文缩写，是国际标准化组织(ISO)和CCITT联合制定的静态图象的压缩编码标准。
和相同图象质量的其它常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前静态图象中压缩比最高的。
我们给出具体的数据来对比一下。
例图采用Windows95目录下的Clouds.bmp，原图大小为640*480，256色。
用工具SEA(version1.3)将其分别转成24位色BMP、24位色JPEG、GIF(只能转成256色)压缩格式、24位色TIFF压缩格式、24位色TGA压缩格式。
得到的文件大小(以字节为单位)分别为：921,654，17,707，177,152，923,044，768,136。
可见JPEG比其它几种压缩比要高得多，而图象质量都差不多(JPEG处理的颜色只有真彩和灰度图)。
正是由于JPEG的高压缩比，使得它广泛地应用于多媒体和网络程序中，例如HTML语法中选用的图象格式之一就是JPEG(另一种是GIF)。
这是显然的，因为网络的带宽非常宝贵，选用一种高压缩比的文件格式是十分必要的。
JPEG有几种模式，其中最常用的是基于DCT变换的顺序型模式，又称为基线系统(Baseline)，以下将针对这种格式进行讨论。
1.JPEG的压缩原理JPEG的压缩原理其实上面介绍的那些原理的综合，博采众家之长，这也正是JPEG有高压缩比的原因。
其编码器的流程为：图9.3 JPEG编码器流程解码器基本上为上述过程的逆过程：图9.4 解码器流程DCT下面对正向离散余弦变换(FDCT)变换作几点说明。
（1）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，如图所示，并作为两维离散余弦变换DCT的输入。
通过DCT变换，把能量集中在少数几个系数上。
（2）DCT变换使用下式计算：它的逆变换使用下式计算：上面两式中，C(u)，C(v) = (2)-1/2，当u, v = 0；C(u)，C(v) = 1，其他。
f(i, j)经DCT变换之后，F(0，0)是直流系数，其他为交流系数。
（3）在计算两维的DCT变换时，可使用下面的计算式把两维的DCT变换变成一维的DCT变换：量化8×8的图象经过DCT变换后，其低频分量都集中在左上角，高频分量分布在右下角(DCT变换实际上是空间域的低通滤波器)。
由于该低频分量包含了图象的主要信息(如亮度)，而高频与之相比，就不那么重要了，所以我们可以忽略高频分量，从而达到压缩的目的。
如何将高频分量去掉，这就要用到量化，它是产生信息损失的根源。
这里的量化操作，就是将某一个值除以量化表中对应的值。
由于量化表左上角的值较小，右上角的值较大，这样就起到了保持低频分量，抑制高频分量的目的。
JPEG使用的颜色是YUV格式。
我们提到过，Y分量代表了亮度信息，UV分量代表了色差信息。
相比而言，Y分量更重要一些。
我们可以对Y采用细量化，对UV采用粗量化，可进一步提高压缩比。
所以上面所说的量化表通常有两张，一张是针对Y的；一张是针对UV的。
如果不使用这两种表，你也可以把自己的量化表替换它们。
亮度量化值表和色度量化值表直流编码、交流编码上面讲了，经过DCT变换后，低频分量集中在左上角，其中F(0，0)(即第一行第一列元素)代表了直流(DC)系数，即8×8子块的平均值，要对它单独编码。
由于两个相邻的8×8子块的DC系数相差很小，所以对它们采用差分编码DPCM，可以提高压缩比，也就是说对相邻的子块DC系数的差值进行编码。
Delta＝DC(0,0)k-DC(0,0)k-1 8×8的其它63个元素是交流(AC)系数，采用行程编码。
这里出现一个问题：这63个系数应该按照怎么样的顺序排列？为了保证低频分量先出现，高频分量后出现，以增加行程中连续“0”的个数，这63个元素采用了“之”字型(Zig-Zag)的排列方法，如图9. 5所示。
图9.5 Zig-Zag量化DCT系数序号0 1 5 6 14 15 27 252 4 7 13 16 26 29 423 8 12 17 25 30 41 439 11 18 24 31 40 44 5310 19 23 32 39 45 52 5420 22 33 38 46 51 55 6021 34 37 47 50 56 59 6135 36 48 49 57 58 62 63这63个AC系数行程编码的码字用两个字节表示，如图9.6所示。
图9.6 行程编码熵编码上面，我们得到了DC码字和AC行程码字。
为了进一步提高压缩比，需要对其再进行熵编码，这里选用Huffman编码，分成两步：(1)熵编码的中间格式表示对于AC系数，有两个符号。
符号1为行程和尺寸，即上面的(RunLength，Size)。
(0，0)和(15，0)是两个比较特殊的情况。
(0，0)表示块结束标志(EOB)，(15，0)表示ZRL，当行程长度超过15时，用增加ZRL的个数来解决，所以最多有三个ZRL(3×16+15=63)。
符号2为幅度值(Amplitude)。
对于DC系数，也有两个符号。
符号1为尺寸(Size)；符号2为幅度值(Amplitude)。
(2)熵编码对于AC系数，符号1和符号2分别进行编码。
零行程长度超过15个时，有一个符号(15，0)，块结束时只有一个符号(0，0)。
对符号1进行Hufffman编码(亮度，色差的Huffman码表不同)。
对符号2进行变长整数VLI编码。
举例来说：Size=6时，Amplitude的范围是-63~-32，以及32~63，对绝对值相同，符号相反的码字之间为反码关系。
所以AC 系数为32的码字为100000，33的码字为100001，-32的码字为011111，-33的码字为011110。
符号2的码字紧接于符号1的码字之后。
对于DC系数，Y和UV的Huffman码表也不同。
掉了这么半天的书包，你可能已经晕了，呵呵。
举个例子来说明上述过程就容易明白了。
下面为8×8的亮度(Y)图象子块经过量化后的系数。
15 0 -1 0 0 0 0 0-2 -1 0 0 0 0 0 0-1 -1 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0可见量化后只有左上角的几个点(低频分量)不为零，这样采用行程编码就很有效。
第一步，熵编码的中间格式表示：先看DC系数。
假设前一个8×8子块DC 系数的量化值为12，则本块DC系数与它的差为3，根据下表Size Amplitude0 01 –1,12 –3,-2,2,33 –7~-4，4~74 –15~-8，8~155 –31~-16，16~316 –63~-32，32~637 –127~-64，64~1278 –255~-128，128~2559 –511~-256，256~51110 –1023~512，512~102311 –2047~-1024，1024~2047 查表得Size=2，Amplitude=3，所以DC中间格式为(2)(3)。
下面对AC系数编码。
经过Zig-Zag扫描后，遇到的第一个非零系数为-2，其中遇到零的个数为1(即RunLength)，根据下面这张AC系数表：Size Amplitude1 –1,12 –3,-2,2,33 –7~-4，4~74 –15~-8，8~155 –31~-16，16~316 –63~-32，32~637 –127~-64，64~1278 –255~-128，128~2559 –511~-256，256~51110 –1023~512，512~1023查表得Size=2。
所以RunLength=1,Size=2,Amplitude=3，所以AC中间格式为(1,2)(-2)。
其余的点类似，可以求得这个8×8子块熵编码的中间格式为(DC)(2)(3),(1,2)(-2),(0,1)(-1),(0,1)(-1),(0,1)(-1),(2,1)(-1),(EOB)(0,0)第二步，熵编码：对于(2)(3)：2查DC亮度Huffman表得到11，3经过VLI编码为011；对于(1,2)(-2)：(1,2)查AC亮度Huffman表得到11011，-2是2的反码，为01；对于(0,1)(-1)：(0,1)查AC亮度Huffman表得到00，-1是1的反码，为0；……最后，这一8×8子块亮度信息压缩后的数据流为11011, 1101101, 000, 000, 000, 111000,1010。
总共31比特，其压缩比是64×8/31=16.5，大约每个象素用半个比特。
可以想见，压缩比和图象质量是呈反比的，以下是压缩效率与图象质量之间的大致关系，可以根据你的需要，选择合适的压缩比。
表9.1 压缩比与图象质量的关系以上我们介绍了JPEG压缩的原理，其中DC系数使用了预测编码DPCM，AC系数使用了变换编码DCT，二者都使用了熵编码Huffman，可见几乎所有传统的压缩方法在这里都用到了。
这几种方法的结合正是产生JPEG 高压缩比的原因。
顺便说一下，该标准是JPEG小组从很多种不同中方案中比较测试得到的，并非空穴来风。
上面介绍了JPEG压缩的基本原理，下面介绍一下JPEG的文件格式。
2.JPEG的文件格式JPEG文件大体上可以分成以下两个部分：标记码(Tag)加压缩数据。
先介绍标记码部分。
标记码部分给出了JPEG图象的所有信息(有点类似于BMP中的头信息，但要复杂的多)，如图象的宽、高、Huffman表、量化表等等。
标记码有很多，但绝大多数的JPEG文件只包含几种。
标记码的结构为：SOIDQTDRISOF0DHTSOS…EOI标记码由两个字节组成，高字节为0XFF，每个标记码之前可以填上个数不限的填充字节0XFF。
下面介绍一些常用的标记码的结构及其含义。
(1)SOI(Start of Image)标记结构字节数0XFF 10XD8 1可作为JPEG格式的判据(JFIF还需要APP0的配合)(2)APP0(Application)标记结构字节数意义0XFF 10XE0 1Lp 2 APP0标记码长度，不包括前两个字节0XFF，0XE0Identifier 5 JFIF识别码0X4A，0X46，0X49，0X46，0X00 Version 2 JFIF版本号可为0X0101或者0X0102 Units 1 单位，等于零时表示未指定，为1表示英寸，为2表示厘米Xdensity 2 水平分辨率Ydensity 2 垂直分辨率Xthumbnail 1 水平点数Ythumbnail 1 垂直点数RGB0 3 RGB的值RGB1 3 RGB的值…RGBn 3 RGB的值，n=Xthumbnail*Ythumbnail APP0是JPEG保留给Application所使用的标记码，而JFIF将文件的相关信息定义在此标记中。