JPG文件结构分析

  一、简述
JPEG是一个压缩标准，又可分为标准 JPEG、渐进式JPEG及JPEG2000三种:

①标准JPEG：以24位颜色存储单个光栅图像，是与平台无关的格式，支持最高级 别的压缩，不过，这种压缩是有损耗的。此类型图片在网页下载时只能由上而下依序显示图片，直到图片资料全部下载完毕，才能看到全貌。
②渐进式 JPEG：渐进式JPG为标准JPG的改良格式，支持交错，可以在网页下载时，先呈现出图片的粗略外观后，再慢慢地呈现出完整的内容，渐进式JPG的文件 比标准JPG的文件要来得小。
③JPEG2000：新一代的影像压缩法，压缩品质更好，其压缩率比标准JPEG高约30％左右，同时支持有损 和无损压缩。一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，让图像由朦胧到清晰显示。

以一幅24 位彩色图像为例，JPEG的压缩分为四个步骤：

①颜色转换：在将彩色图像进行压缩之前，必须先对颜色模式进行数据转换。转换完成之后 还需要进行数据采样。
②DCT 变换：是将图像信号在频率域上进行变换，分离出高频和低频信息的处理过程，然后再对图像的高频部分（即图像细 节）进行压缩。首先以象素为单位将图像划分为多个8×8的矩阵，然后对每一个矩阵作DCT 变换。把8×8的象素矩阵变成8×8的频率系数矩阵（所谓频率 就是颜色改变的速度），频率系数都是浮点数。
③量化：由于下面第四步编码过程中使用的码本都是整数，因此要对频率系数进行量化，将之转换为整 数。数据量化后，矩阵中的数据都是近似值，和原始图像数据之间有了差异，这一差异是造成图像压缩后失真的主要原因。这一过程中，质量因子的选取至为重要。 值选得大，可以大幅度提高压缩比，但是图像质量就比较差，质量因子越小图像重建质量越好，但是压缩比越低。
④编码：编码是基于统计特性的方 法。

四个步骤都完成后的JPEG文件，其基本数据结构为两大类型：“段”和经过压缩编码的图像数据。


二、数 据结构

1.段的一般结构如下表所示：

表1：段的一般结构
-----------------------------------------------------------------
名 称    字节数 数据  说明
-----------------------------------------------------------------
段 标识   1     FF    每个新段的开始标识
段类型   1           类型编码（称作“标记码”）
段长 度   2           包括段内容和段长度本身,不包括段标识和段类型
段内容               ≤65533字节
-----------------------------------------------------------------
说明：
①JPG 文件中所有关于宽度高度长度间隔这一类数据，凡是＞１字节的，均采用Motorola格式，即：高位在前，低位在后。
② 有些段没有长度描述也没有内容，只有段标识和段类型。文件头和文件尾均属于这种段。
③段与段之间无论有多少FF都是合法的，这些FF称为“填充字 节”，必须被忽略掉。


2.段类型有30种，但只有10种是必须被所有程序识别的，其它的类型都可以忽略。所以下面只列出这 10种类型。

表2：段类型
---------------------------------------
名称  标 记码  说明
---------------------------------------
SOI    D8     文件头
EOI    D9     文 件尾
SOF0   C0     帧开始（标准 JPEG）
SOF1   C1     同上
DHT    C4     定 义 Huffman 表（霍夫曼表）
SOS    DA     扫描行开始
DQT    DB     定义量化表
DRI    DD     定 义重新开始间隔
APP0   E0     定义交换格式和图像识别信息
COM    FE     注释
-----------------------------------------------------------
说明：有的文章也将DNL段（标记码＝DC，定义扫描行数）列为必须段。


3.以下按一般JPEG文件的段排列顺序详细介绍 各种段的结构：

表3：SOI（文件头）
-----------------
名称  字节数   值
-----------------
段 标识   1     FF
段类型   1     D8 
-----------------
说明：这两个字节构成了 JPEG文件头。


表4：APP0（图像识别信息）
--------------------------------------------------------------------------
名 称       字节数 值          说明
--------------------------------------------------------------------------
段 标识        1   FF
段类型        1   E0
段长度        2   0010        如果有 RGB缩略图就＝16＋3n
（以下为段内容）
交换格式      5   4A46494600  “JFIF”的ASCII码
主 版本号      1
次版本号      1  
密度单位      1               0＝无单位；1＝点数/英 寸；2＝点数/厘米
X像素密度     2               水平方向的密度   
Y像素密 度     2               垂直方向的密度
缩略图X像素   1               缩略图水平像素数目  
缩 略图Y像素   1               缩略图垂直像素数目
（如果“缩略图X像素”和“缩略图Y像素”的值均＞0，那么才有下面的数 据）
RGB缩略图    3×n             n＝缩略图像素总数＝缩略图X像素×缩略图Y像素
--------------------------------------------------------------------------
说明：
①JFIF是JPEG File Interchange Format的缩写，即JPEG文件交换格式，另外还有TIFF等格式，很少 用
②“如果有RGB缩略图就＝16＋3n”是什么意思呢？比如说“缩略图X像素”和“缩略图Y像素”的值均为48，就表示有一个48×48像素的 缩略图（ｎ＝48×48），缩略图是24位真彩位图，用３个字节来表示一个像素，所以共占用3n个字节。但大多数JPG文件都没有这个“鸡肋”缩略图。


表 5：COM（注释）
--------------------------------------------------------------------------
名 称    字节数   值    说明
--------------------------------------------------------------------------
段 标识    1      FF
段类型    1      FE
段长度    2            其值＝注释字符的字节数＋2
段 内容                 注释字符
--------------------------------------------------------------------------
说明：有的JPEG文件没有这个段。

 

作者：一 江秋水      发表时间：2010-1-30 9:59:00 　第1楼   表6：DQT（定义量化表） -------------------------------------------------------------------------- 名 称    字节数   值    说明 -------------------------------------------------------------------------- 段 标识    1      FF 段类型    1      DB 段长度    2      43    其值＝3＋n（当只有一个 QT时） （以下为段内容） QT信息    1            0－3位：QT号 4－7 位：QT精度（0＝8bit，1字节；否则＝16bit，2字节） QT        n            n＝64×QT精度的字节数 -------------------------------------------------------------------------- 说明： ①JPEG文件一般有２个DQT段，为Y值（亮度）定义１个, 为C值（色度）定义１个。  ②一个DQT段可以包含多个 QT, 每个都有自己的信息字节 表7：SOF0（图像基本信息） -------------------------------------------------------------------------- 名 称  字节数   值    说明 -------------------------------------------------------------------------- 段 标识   1     FF 段类型   1     C0 段长度   2           其值＝8＋组件数量×3 （以 下为段内容） 样本精度  1    8     每个样本位数（大多数软件不支持12和16） 图片高度  2 图片宽度  2 组 件数量  1    3     1＝灰度图，3＝YCbCr/YIQ 彩色图，4＝CMYK 彩色图 （以下每个组件占用３字节） 组 件 ID   1          1＝Y, 2＝Cb, 3＝Cr, 4＝I, 5＝Q 采样系数  1          0－3位：垂直采 样系数 4－7位：水平采样系数 量化表号  1 --------------------------------------------------------------------------- 说明： ①JPEG大都采用yCrCb色彩模型（y表示亮度，Cr红色分量，Cb表示蓝色分量），所以组件数量一般＝3 ②样本就是单个像 素的颜色分量，也可理解为一个样本就是一个组件 ③采样系数是实际采样方式与最高采样系数之比，而最高采样系数一般＝0.5（分数表示为1/2）。 比如说，垂直采样系数＝2，那么2×0.5＝1，表示实际采样方式是每个点采一个样，也就是逐点采样；如果垂直采样系数＝1，那 么：1×0.5＝0.5（分数表示为1/2），表示每２个点采一个样 表8：DHT（定义Huffman表） -------------------------------------------------------------------------- 名 称    字节数   值    说明 -------------------------------------------------------------------------- 段 标识    1      FF 段类型    1      C4 段长度    2            其值＝19＋n（当只有一个 HT表时） （以下为段内容） HT信息    1            0－3位：HT号 4 位：   HT类型, 0＝DC表，1＝AC表 5－7位：必须＝0 HT位 表    16           这16个数的和应该≤256 HT值表    n            n＝表头16个数的和 -------------------------------------------------------------------------- 说明： ①JPEG文件里有２类Haffman 表：一类用于DC（直流量），一类用于AC（交流量）。一般有４个表：亮度的DC和AC，色度的 DC和AC。最多可有６个。 ②一个DHT 段可以包含多个HT表, 每个都有自己的信息字节 ③HT表是一个按递增次序代码长度排列的符号 表。 表9：DRI（定义重新开始间隔） -------------------------------------------------------------------------- 名 称    字节数   值    说明 -------------------------------------------------------------------------- 段 标识    1      FF 段类型    1      DD 段长度    2      4  （以下为段内容） 开 始间隔  2      n   　复位标记的间隔距离 --------------------------------------------------------------------------- 说明： ①开始间隔表示在压缩数据流中，每隔ｎ个MCU 块就有一个RST标记，RST标记将Huffman 的解码数据流复位，DC也重新从０ 开始，因此，RST标记是一种复位标记 ②RST 标记是一种特殊的段，它只具有段标识和段类型（长度＝２字节），但它不是独立的段，只能穿插在数 据流中（文件头和文件尾段也只有段标识和段类型，却都是独立的段）。 ③RST标记共有８个（RST0－RST7），从RST0起开始使用，然后是 RST1....直至RST7，再从RST0重复。 ④RST标记的标识码是 FFD0－FFD7，对应 RST0－RST7 ⑤笔者查看了 许多自己电脑上的JPG文件的数据，未发现DRI段和RST标记，所以无法进行详尽的考察 表10：SOS（扫描行开始） -------------------------------------------------------------------------- 名 称          字节数   值    说明 -------------------------------------------------------------------------- 段 标识           1     FF 段类型           1     DA 段长 度           2     000C  其值＝6＋2×扫描行内组件数量 （以下为段内容） 扫描行内组件数 量 1     3     必须≥1，≤4（否则错误），通常＝3 （以下每个组件占用２字节） 组件 ID           1           1 = Y, 2 = Cb, 3 = Cr, 4 = I, 5 = Q Huffman表 号      1           0－3位：AC表号 (其值＝0...3) 4－7 位：DC表号(其值＝0...3) 3           最后３个字节用途不明，忽略 -------------------------------------------------------------------------- 说明：紧接SOS段后的是压缩的图像数据（一个个扫描行），数据存放顺序是从左到右、从上到下。 表11：EOI（文件尾） ------------------ 名 称  字节数   值 ------------------ 段标识   1     FF 段类型   1     D9  ------------------ 说明：这两个字节构成了JPEG文件尾。

三、实例分析
用系统自带的画图程序画一个32×24的红色方块，另存为JPG文件，这个文件的全部数据如下：

0000: FF D8 FF E0 00 10 4A 46 49 46 00 01 01 01 00 60
0010: 00 60 00 00 FF DB 00 43 00 08 06 06 07 06 05 08
0020: 07 07 07 09 09 08 0A 0C 14 0D 0C 0B 0B 0C 19 12
0030: 13 0F 14 1D 1A 1F 1E 1D 1A 1C 1C 20 24 2E 27 20
0040: 22 2C 23 1C 1C 28 37 29 2C 30 31 34 34 34 1F 27
0050: 39 3D 38 32 3C 2E 33 34 32 FF DB 00 43 01 09 09
0060: 09 0C 0B 0C 18 0D 0D 18 32 21 1C 21 32 32 32 32
0070: 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32
0080: 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32
0090: 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 FF C0
00A0: 00 11 08 00 18 00 20 03 01 22 00 02 11 01 03 11
00B0: 01 FF C4 00 1F 00 00 01 05 01 01 01 01 01 01 00
00C0: 00 00 00 00 00 00 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09
00D0: 0A 0B FF C4 00 B5 10 00 02 01 03 03 02 04 03 05
00E0: 05 04 04 00 00 01 7D 01 02 03 00 04 11 05 12 21
00F0: 31 41 06 13 51 61 07 22 71 14 32 81 91 A1 08 23
0100: 42 B1 C1 15 52 D1 F0 24 33 62 72 82 09 0A 16 17
0110: 18 19 1A 25 26 27 28 29 2A 34 35 36 37 38 39 3A
0120: 43 44 45 46 47 48 49 4A 53 54 55 56 57 58 59 5A
0130: 63 64 65 66 67 68 69 6A 73 74 75 76 77 78 79 7A
0140: 83 84 85 86 87 88 89 8A 92 93 94 95 96 97 98 99
0150: 9A A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 AA B2 B3 B4 B5 B6 B7
0160: B8 B9 BA C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 CA D2 D3 D4 D5
0170: D6 D7 D8 D9 DA E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 EA F1
0180: F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 FA FF C4 00 1F 01 00 03
0190: 01 01 01 01 01 01 01 01 01 00 00 00 00 00 00 01
01A0: 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B FF C4 00 B5 11 00
01B0: 02 01 02 04 04 03 04 07 05 04 04 00 01 02 77 00
01C0: 01 02 03 11 04 05 21 31 06 12 41 51 07 61 71 13
01D0: 22 32 81 08 14 42 91 A1 B1 C1 09 23 33 52 F0 15
01E0: 62 72 D1 0A 16 24 34 E1 25 F1 17 18 19 1A 26 27
01F0: 28 29 2A 35 36 37 38 39 3A 43 44 45 46 47 48 49
0200: 4A 53 54 55 56 57 58 59 5A 63 64 65 66 67 68 69
0210: 6A 73 74 75 76 77 78 79 7A 82 83 84 85 86 87 88
0220: 89 8A 92 93 94 95 96 97 98 99 9A A2 A3 A4 A5 A6
0230: A7 A8 A9 AA B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 BA C2 C3 C4
0240: C5 C6 C7 C8 C9 CA D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 DA E2
0250: E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 EA F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9
0260: FA FF DA 00 0C 03 01 00 02 11 03 11 00 3F 00 E2
0270: E8 A2 8A F9 93 F7 10 A2 8A 28 00 A2 8A 28 00 A2
0280: 8A 28 03 FF D9

分 析：
0000-0001：FF D8（文件头）
0002-0013：APP0段，其中：
0002-0003：FF E0（段 标记）
0004-0005：00 10（段长度＝16字节）
0006-000A：4A 46 49 46 00（“JFIF”的 ASCII码）
000B-000C：01 01（主次版本号＝1.01）
000D     ：01（密度单位为 点数/英寸）
000E-0011：00 60 00 60（水平和垂直的密度均为每英寸96像素）
0012-0013：00 00（没有缩略图）
0014-0058：DQT 段，其中：
0014-0015：FF DB（段标记）
0016-0017：00 43（段长度＝67字节）
0018     ：00（QT号＝0，QT精度＝8bit）
0019-0058：QT
0059-009D：DQT段，其中：
0059-005A：FF DB（段标记）
005B-005C：00 43（段长度＝67字节）
005D     ：01（QT号＝1，QT精度＝8bit）
005E-009D：QT
009E-00B0：SOF0段，其中：
009E-009F：FF C0（段标记）
00A0-00A1：00 11（段长度＝17字节）
00A2     ：08（样 本精度＝8bit）
00A3-00A6：00 18 00 20（图像高＝24，图像宽＝32）
00A7     ：03（组件 数量＝3，YCbCr彩色图）
00A8     ：01（ID号＝1，这是亮度Y组件）
00A9     ：22（化为二进 制＝00100010，表明垂直和水平采样系数均＝2）
00AA     ：00（使用QT号＝0的量化表）
00AB     ：02（ID号＝2，这是色度Cb组件）
00AC     ：11（化为二进制＝00010001，表明垂直和水平采样系 数均＝1）
00AD     ：01（使用QT号＝1的量化表）
00AE     ：03（ID号＝3，这是色度Cr组件）
00AF     ：11（化为二进制＝00010001，表明垂直和水平采样系数均＝1）
00B0     ：01（使用QT号＝1的量 化表）
00B1-00D1：DHT段，其中：
00B1-00B2：FF C4（段标记）
00B3-00B4：00 1F（段长度＝31字节）
00B5     ：00（HT号＝0，DC表）
00B6-00C5：这 16个数字之和＝12，说明下面的HT值表的长度＝12字节）
00C6-00D1：HT值表
00D2-0188：DHT段，这是HT 号＝0的AC表，参照上面分析
0189-01A9：DHT段，这是HT号＝1的DC表，参照上面分析
01AA-0260：DHT段，这是 HT号＝1的AC表，参照上面分析
0261-026E：SOS段，其中：
0261-0262：FF DA（段标记）
0263-0264：00 0C（段长度＝12字节）
0265     ：03（组件数量＝3）
0266-0267：01 00（组件ID＝1，Y组件，使用HT表号＝0的AC表）
0268-0269：02 11（组件ID＝2，Cb组 件，使用HT表号＝1的DC表）
026A-026B：03 11（组件ID＝3，Cr组件，使用HT表号＝1的DC表）
026C-026E：00 3F 00（几乎每个JPG文件中这３个字节的值都相同，但用途不明）
026F-0282：图像压缩数据
0283-0284：FF D9（文 件尾）