6.3.1简介
微处理机中的存放顺序有正序(big endian)和逆序(little endian)之分。正序存放就是高字节存放在前低字节在后，而逆序存放就是低字节在前高字节在后。例如，十六进制数为A02B，正序存放就是A02B，逆序存放就是2BA0。摩托罗拉(Motorola)公司的微处理器使用正序存放，而英特尔(Intel)公司的微处理器使用逆序。JPEG文件中的字节是按照正序排列的。
JPEG委员会在制定JPEG标准时，定义了许多标记(marker)用来区分和识别图像数据及其相关信息，但笔者没有找到JPEG委员会对JPEG文件交换格式的明确定义。直到1998年12月从分析网上具体的JPG图像来看，使用比较广泛的还是JPEG文件交换格式(JPEG File Interchange Format，JFIF)版本号为1.02。这是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司工作的Eric Hamilton提出的。此外还有TIFF JPEG等格式，但由于这种格式比较复杂，因此大多数应用程序都支持JFIF文件交换格式。
JPEG文件使用的颜色空间是CCIR 601推荐标准进行的彩色空间(参看第7章)。在这个彩色空间中，每个分量、每个像素的电平规定为255级，用8位代码表示。从RGB转换成YCbCr空间时，使用下面的精确的转换关系：
Y = 256 * E'y
Cb = 256 * [E'Cb] + 128
Cr = 256 * [E'Cr] + 128
其中亮度电平E'y和色差电平E'Cb和E'Cb分别是CCIR 601定义的参数。由于E'y的范围是0～1，E'Cb和E'Cb的范围是-0.5～+0.5，因此Y, Cb和Cr的最大值必须要箝到255。于是RGB和YCbCr之间的转换关系需要按照下面的方法计算。
(1) 从RGB转换成YCbCr
YCbCr(256级)分量可直接从用8位表示的RGB分量计算得到：
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114 B
Cb = - 0.1687R - 0.3313G + 0.5 B + 128
Cr = 0.5 R - 0.4187G - 0.0813 B + 128
需要注意的是不是所有图像文件格式都按照R0，G0，B0，…… Rn，Gn，Bn的次序存储样本数据，因此在RGB文件转换成JFIF文件时需要首先验证RGB的次序。
(2) 从YCbCr转换成RGB
RGB分量可直接从YCbCr(256级)分量计算得到：
R = Y + 1.402 (Cr-128)
G = Y - 0.34414 (Cb-128) - 0.71414 (Cr-128)
B = Y + 1.772 (Cb-128)
在JFIF文件格式中，图像样本的存放顺序是从左到右和从上到下。这就是说JFIF文件中的第一个图像样本是图像左上角的样本。
学习这些标记最好就是用UltraEdit编辑工具打开一个.jpg或.jpeg文件，参照着格式去分析，加深对这些格式的理解。
JFIF文件格式直接使用JPEG标准为应用程序定义的许多标记，因此JFIF格式成了事实上JPEG文件交换格式标准。JPEG的每个标记都是由2个字节组成，其前一个字节是固定值0xFF。每个标记之前还可以添加数目不限的0xFF填充字节(fill byte)。下面是其中的8个标记：
- SOI 0xD8 图像开始
- APP0 0xE0 JFIF应用数据块
- APPn 0xE1 - 0xEF 其他的应用数据块(n, 1～15)
- DQT 0xDB 量化表
- SOF0 0xC0 帧开始
- DHT 0xC4 霍夫曼(Huffman)表
- SOS 0xDA 扫描线开始
- EOI 0xD9 图像结束
为使读者对JPEG定义的标记一目了然，现将JPEG的标记码列于表6-05，并保留英文解释。
表6-05 JPEG定义的标记
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Symbol (符号) |
Code Assignment (标记代码) |
Description (说明) |
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Start Of Frame markers, non-hierarchical Huffman coding |
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SOF0 |
0xFFC0 |
Baseline DCT |
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SOF1 |
0xFFC1 |
Extended sequential DCT |
|
SOF2 |
0xFFC2 |
Progressive DCT |
|
SOF3 |
0xFFC3 |
Spatial (sequential) lossless |
|
Start Of Frame markers, hierarchical Huffman coding |
||
|
SOF5 |
0xFFC5 |
Differential sequential DCT |
|
SOF6 |
0xFFC6 |
Differential progressive DCT |
|
SOF7 |
0xFFC7 |
Differential spatial lossless |
|
Start Of Frame markers, non-hierarchical arithmetic coding |
||
|
JPG |
0xFFC8 |
Reserved for JPEG extensions |
|
SOF9 |
0xFFC9 |
Extended sequential DCT |
|
SOF10 |
0xFFCA |
Progressive DCT |
|
SOF11 |
0xFFCB |
Spatial (sequential) Lossless |
|
Start Of Frame markers, hierarchical arithmetic coding |
||
|
SOF13 |
0xFFCD |
Differential sequential DCT |
|
SOF14 |
0xFFCE |
Differential progressive DCT |
|
SOF15 |
0xFFCF |
Differential spatial Lossless |
|
Huffman table specification |
||
|
DHT |
0xFFC4 |
Define Huffman table(s) |
|
arithmetic coding conditioning specification |
||
|
DAC |
0xFFCC |
Define arithmetic conditioning table |
|
Restart interval termination |
||
|
RSTm |
0xFFD0～0xFFD7 |
Restart with modulo 8 counter m |
|
Other marker |
||
|
SOI |
0xFFD8 |
Start of image |
|
EOI |
0xFFD9 |
End of image |
|
SOS |
0xFFDA |
Start of scan |
|
DQT |
0xFFDB |
Define quantization table(s) |
|
DNL |
0xFFDC |
Define number of lines |
|
DRI |
0xFFDD |
Define restart interval |
|
DHP |
0xFFDE |
Define hierarchical progression |
|
EXP |
0xFFDF |
Expand reference image(s) |
|
APPn |
0xFFE0～0xFFEF |
Reserved for application use |
|
JPGn |
0xFFF0～0xFFFD |
Reserved for JPEG extension |
|
COM |
0xFFFE |
Comment |
|
Reserved markers |
||
|
TEM |
0xFF01 |
For temporary use in arithmetic coding |
|
RES |
0xFF02～0xFFBF |
Reserved |
JPEG文件由下面的8个部分组成：
(1) 图像开始SOI(Start of Image)标记
(2) APP0标记(Marker)
① APP0长度(length)
② 标识符(identifier)
③ 版本号(version)
④ X和Y的密度单位(units=0：无单位；units=1：点数/英寸；units=2：点数/厘米)
⑤ X方向像素密度(X density)
⑥ Y方向像素密度(Y density)
⑦ 缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)
⑧ 缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)
⑨ 缩略图RGB位图(thumbnail RGB bitmap)
(3) APPn标记(Markers)，其中n=1～15(任选)
① APPn长度(length)
② 由于详细信息(application specific information)
(4) 一个或者多个量化表DQT(difine quantization table)
① 量化表长度(quantization table length)
② 量化表数目(quantization table number)
③ 量化表(quantization table)
(5) 帧图像开始SOF0(Start of Frame)
① 帧开始长度(start of frame length)
② 精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数(bits per pixel per color component)
③ 图像高度(image height)
④ 图像宽度(image width)
⑤ 颜色分量数(number of color components)
⑥ 对每个颜色分量(for each component)
- ID
- 垂直方向的样本因子(vertical sample factor)
- 水平方向的样本因子(horizontal sample factor)
- 量化表号(quantization table#)
(6) 一个或者多个霍夫曼表DHT(Difine Huffman Table)
① 霍夫曼表的长度(Huffman table length)
② 类型、AC或者DC(Type, AC or DC)
③ 索引(Index)
④ 位表(bits table)
⑤ 值表(value table)
(7) 扫描开始SOS(Start of Scan)
① 扫描开始长度(start of scan length)
② 颜色分量数(number of color components)
③ 每个颜色分量
- ID
- 交流系数表号(AC table #)
- 直流系数表号(DC table #)
④ 压缩图像数据(compressed image data)
(8) 图像结束EOI(End of Image)
表6-06表示了APP0域的详细结构。有兴趣的读者可通过UltraEdit或者PC TOOLS等工具软件打开一个JPG图像文件，对APP0的结构进行分析和验证。
表6-06 JFIF格式中APP0域的详细结构
|
偏移 |
长度 |
内容 |
块的名称 |
说明 |
|
0 |
2 byte |
0xFFD8 |
(Start of Image,SOI) |
图像开始 |
|
2 |
2 byte |
0xFFE0 |
APP0(JFIF application segment) |
JFIF应用数据块 |
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4 |
2 bytes |
length of APP0 block |
APP0块的长度 |
|
|
6 |
5 bytes |
"JFIF"+"0" |
识别APP0标记 |
|
|
11 |
1 byte |
<Major version> |
主要版本号(如版本1.02中的1) |
|
|
12 |
1 byte |
<Minor version> |
次要版本号(如版本1.02中的02) |
|
|
13 |
1 byte |
<Units for the X |
X和Y的密度单位 units=0：无单位 units=1：点数/英寸 units=2：点数/厘米 |
|
|
14 |
2 bytes |
<Xdensity> |
水平方向像素密度 |
|
|
16 |
2 bytes |
<Ydensity> |
垂直方向像素密度 |
|
|
18 |
1 byte |
<Xthumbnail> |
缩略图水平像素数目 |
|
|
19 |
1 byte |
<Ythumbnail> |
缩略图垂直像素数目 |
|
|
3n |
< Thumbnail RGB bitmap> |
缩略RGB位图(n为缩略图的像素数) |
||
|
Optional JFIF extension APP0 marker segment(s) |
任选的JFIF扩展APP0标记段 |
|||
|
…… |
…… |
|||
|
2 byte |
0xFFD9 |
(EOI) end-of-file |
图像文件结束标记 |