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JPEG图像压缩原理简介（图像压缩比）

实习编辑 • 2023-11-08 16:20:30 • 常见问答 • 阅读 3

图像压缩比（jpeg图像压缩原理简介）

jpeg（发音：[ˈdʒeɪpɛg]）是一种针对照片视频而广泛使用的有损压缩标准方法。

这个名称代表jointphotographicexpertsgroup（联合图像专家小组）。联合图像专家小组1992年发布了jpeg的标准而在1994年获得了iso10918-1的认定。jpeg与视频音频压缩标准的mpeg（movingpictureexpertsgroup）很容易混淆，但两者是不同的组织及标准。

其实jpeg不是一种文件格式，它是由联合图像专家小组推出的一种图像压缩方法（类似于视频中的h.264等编解码标准）。而jpg或者jfif格式仅仅是一种数据的包装容器（类似于视频中mp4、mov等封装格式）。

1.概述

JPEG图像压缩原理简介（图像压缩比）

jpeg编码的主要流程是：色彩空间转换(colorconversion)、下采样（downsampling）、分块(dividingpatch)、离散余弦变换（discretecosinetransform）、量化（quantization）、熵编码技术（entropycoding）。

2.色彩空间转换(colorconversion)

我们使用传感器采集到的原始（raw）图像使用的是rgb色彩空间来表示的。也就是说，按照每一个像素的rgb（red,green,blue）值填充到对应的像素位置。

首先，我们将rgb（红绿蓝）转换为一种称为ycrcb(yuv)的不同色彩空间。

•y成分表示一个像素的亮度(luminance)•u成分表示色度（饱和度）(chrominance）•v成分表示色度（饱和度）

rgb空间到yuv空间转换公式为：

下图为分解开的y、u、v的示例：

3.采样（downsampling）

下采样、也就是减少人类视觉系统不敏感的色度（u和v的成分）。虽然减少了颜色数量，但是人眼并不会察觉到图像质量有任何的差异。

jpeg上这种缩减取样的比例可以是4:4:4（无缩减取样），4:2:2（在水平方向2的倍数中取一个，颜色为之前的1/2），以及最普遍的4:2:0（在水平和垂直方向2的倍数中取一个，颜色为之前的1/4）。

如图：

4.分块(dividingpatch)

源图像中每点的3个分量是交替出现的，先要把这3个分量分开，存放到3张表中去。然后由左及右，由上到下依次读取8*8的子块，存放在长度为64的表中，即可以进行dct变换。如果原始图片的长宽不是8的倍数,都需要先补成8的倍数,使其可以进行一块块的处理。编码时，程序从源数据中读取一个8*8的数据块后，进行dct变换，量化，编码，然后再读取、处理下一个8\times8的数据块。图像的数据值必须减去128，是因为dct公式所接受的数字范围是-128到127之间。

5、离散余弦变换（discretecosinetransform）

离散余弦变换是一种类似于傅里叶变换的数学工具（不清楚傅里叶变换的同学可以移步：
https:///video/av19141078来简单了解傅里叶变换）.它将信号从时间域转换到频率域。

这一步，将视频中的每个成分(y,u,v)生成三个区域，每一个区域再划分成如瓷砖般排列的一个个的8*8子区域，每一子区域使用二维的离散余弦变换（dct）转换到频率空间。

如果有一个如这样的的8*8的8-比特（0~255）子区域：

如图：

用矩阵表示为：

原始数据每个值的范围是[0-255]，使每个数字减去128，标准化。

且接着使用离散余弦变换，和舍位取最接近的整数，得到结果为

左上角相当大的数值称为dc系数（直流系数）；其他63个值称为ac系数（交流系数）。

6.量化

利用人眼对低频数据敏感对高频数据不敏感的特性，我们可以将离散余弦变换后的很多更高频率的成分舍位成为接近0，且剩下很多会变成小的正或负数。

jpeg标准中定义了量化表。

使用qyqy量化矩阵与前面所得到的dct系数矩阵逐项相除，得到结果为：

7.熵编码技术（entropycoding）

熵编码是一种无损压缩的技术,它使用z字形（zigzag）将矩阵数据排列。然后将排列后的数据使用哈夫曼编码（哈夫曼编码的资料请自行查找））。

对于前者量化的系数所作的z字体序列会是：

−3,0,−3,−2,−6,2,−4,1,−3,1,1,5,1,2,−1,1,−1,2,0,0,0,0,0,−1,−1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0

当剩下的所有系数都是零，对于过早结束的序列，jpeg有一个特别的霍夫曼编码用词。使用这个特殊的编码用词，eob，该序列变为

−3,0,−3,−2,−6,2,−4,1−3,1,1,5,1,2,−1,1,−1,2,0,0,0,0,0,−1,−1,eob

在这一步数据量得到了极大的压缩。

8.结果

jpeg是一种有损压缩算法。所以不同程度的压缩比例，会呈现出不同的文件大小，以及差异化的可视化呈现。以下，呈现了相关的压缩比例与原始图像的对比。从上到下，呈现了压缩比从小到大的结果。每一个图片中，左边是原始图像，右边是压缩后的图像。对应的文件大小显示在图线的上方。

9.引用

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