JFIF-JPEG文件

JFIF文件

一．            简介

微处理机中的数据存放顺序有大端(big endian)小端(little endian)之分。大端顺序是指高字节数据存放在低地址处，低字节数据存放在高地址处，而小端顺序是指低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处。例如，十六进制数为A02B，按大端顺序存放就是A02B，按小端顺序存放就是2BA0。摩托罗拉(Motorola)公司的微处理器使用大端顺序存放，而英特尔(Intel)公司的微处理器使用小端顺序。JPEG文件中的字节是按照大端顺序排列的。

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YCbCr空间。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。

二．            文件结构

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：

1. SOI　 0xD8　　　　　　　　　　　 图像开始
2. APP0 0xE0　　　　　　　　　　　 JFIF应用数据块
3. APPn 0xE1 - 0xEF　　　 其他的应用数据块(n, 1～15)
4. DQT　 0xDB　　　　　　　　　　　量化表
5. SOF0 0xC0　　　　　　　　　　　 帧开始
6. DHT　 0xC4　　　　　　　　　　　霍夫曼(Huffman)表
7. SOS　 0xDA　　　　　　　　　　　扫描线开始
8. 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

Symbol (符号)	Code Assignment (标记代码)	Description (说明)
Start Of Frame markers, non-hierarchical Huffman coding
SOF0	0xFFC0	Baseline DCT
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

 

 

 

 

一般的JFIF文件由下面的9个部分组成：（字段偏移量字段长度（若未说明“长度不定”则表明在任何情况下长度均为所写的值） 字段内容（若未说明“内容不定”则在任何情况下内容均为所写的值，为方便表示还可以把内容设为某值））,

 

( 1 ) 图像开始SOI(Start of Image)标记

 

0h 2字节 0xFFD8

 

( 2 )       APP0标记(Marker)

 

0h 2字节 0xFFE0

 

①      APP0长度(length)（①~⑨九个字段的总长度）

 

2h 2字节 内容不定（①~⑨九个字段的总长度）

 

②      标识符(identifier)

 

4h 5字节 0x4A46494600 即“JFIF0”

 

③      版本号(version)

 

9h 2字节 0x0102 JFIF的版本号目前基本上都是1.2

 

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)

 

bh 1字节 只有0，1，2三个值可选，其分别代表的意义如上]

 

⑤      X方向像素密度(X density)

 

ch 2字节 取值范围未知

 

⑥      Y方向像素密度(Y density)

 

eh 2字节 取值范围未知

 

⑦      缩略图水平像素数目(thumbnail horizontal pixels)

 

10h 1字节 取值范围未知

 

⑧      缩略图垂直像素数目(thumbnail vertical pixels)

 

11h 1字节 取值范围未知

 

⑨      缩略图RGB位图(thumbnail RGB bitmap)

 

                        12h 长度可能是3的倍数 内容不定

 

    本段（APP0）可以包含图像的一个微缩版本，存为24位的RGB像素。如果没有微缩图像（这种情况更常见），则⑦“缩略图水平像素数目”和⑧“缩略图垂直像素数目”的值均为0。

 

( 3 )       APPn标记(Markers)，其中n=1～15(任选)

 

①      APPn长度(length)（①②两个字段的总长度）

 

②      详细信息(application specific information)

 

对每个APP：

 

若为APPN（N＝1～F（以16进制表示，N任选其中一个））

 

·   标记： mh 2字节 0xFFEN

 

·   长度：(m+2)h 2字节 内容不定（设为n（10进制））（本字段与下一字段的总长度）

 

·   详细信息： (m+4)h n－2字节（即长度减2）内容不定

 

( 4 )       一个或者多个量化表DQT(Difine Quantization Table)

 

       0h 2字节 0xFFDB

 

①      量化表长度(quantization table length)（①~②两个字段的总长度）

 

2h 2字节 内容不定（①~②两个字段的总长度）

 

②      量化表(quantization table)

 

A.      P/T(高四位：精度，低四位：表ID)

 

B.      表项

 

对每个量化表：

 

·  P/T(高四位：精度，低四位：表ID)  mh 1字节 精度, 0 表示 8 bit, 1表示 16 bit；ID取值范围为0～3, 否则错误

 

·  表项    (m+1)h (64×(精度+1))字节 内容长，故略

 

( 5 )       帧图像开始SOF0(Start of Frame)

 

       0h 2字节 0xFFC0

 

①      帧开始长度(start of frame length) （①~⑥六个字段的总长度）

 

2h 2字节 内容不定（①~⑥六个字段的总长度）

 

②      精度(precision)，每个颜色分量每个像素的位数(bits per pixel per color component)

 

4h 1字节 每个样本位数, 通常是 8 (大多数软件不支持 12 和 16)

 

③      图像高度(image height)  5h 2字节 内容不定（如果不支持 DNL 就必须 >0）

 

④      图像宽度(image width)   7h 2字节 内容不定（如果不支持 DNL 就必须 >0）

 

⑤      颜色分量数(number of color components)

 

9h 1字节 内容不定（灰度图是 1, YCbCr/YIQ 彩色图是 3, CMYK 彩色图是 4，我们这里讨论的JFIF使用的是YCbCr，故这里颜色分量数为3）

 

⑥      对每个颜色分量(for each component)

 

A.      ID

 

B.      垂直方向的样本因子(vertical sample factor)

 

C.      水平方向的样本因子(horizontal sample factor) B、C共占用1字节，B占用低4位，C占用高4位）

 

D.      量化表号(quantization table#)

 

JFIF格式使用的是YCbCr所以有3个分量（这里特别要注意的是颜色分量的ID号是有含义的，1代表Y，2代表Cb，3代表Cr，4代表I，5代表Q）：

 

1)       ID

    ah 1字节 0x01

（高四位）水平（低四位）垂直样本因子

    bh 共1字节 0x227

量化表号

    ch 1字节 内容不定（本分量使用的量化表的ID号）

 

2)       ID

    dh 1字节 0x02

（高四位）水平（低四位）垂直样本因子

    eh 共1字节 0x11J

量化表号

    fh 1字节 内容不定（本分量使用的量化表的ID号）

 

3)       ID

    10h 1字节 0x03

（高四位）水平（低四位）垂直样本因子

    11h 共1字节 0x11

量化表号

    12h 1字节 内容不定（本分量使用的量化表的ID号）

 

( 6 )       一个或者多个霍夫曼表DHT(Difine Huffman Table)

 

       0h 2字节 0xFFC4

 

①      霍夫曼表的长度(Huffman table length) （①~②两个字段的总长度）

 

2h 2字节 内容不定（①~②两个字段的总长度）

 

②      对每个霍夫曼表(一般情况下，霍夫曼表不止一个，但是绝对不多于4个)

 

A.      表号

 

B.      类型：AC或者DC(其中0：DC表，1：AC表)；A、B共占用1字节，A占用低4位，B占用高4位）

 

C.      长16个字节的编码，其代码代数和为接下来的编码的长度

 

D.      内容编码

 

对每个霍夫曼表：

 

· （高四位）类型和（低四位）表号： mh 共1字节 内容不定（有四个可能：0x00表示第0个DC表，0x01表示第1个DC表，0x10表示第0个AC表，0x11表示第1个AC表）

 

·  长16个字节的编码： (m+1)h 16字节 内容不定（设这16个字节上数据之和为n）

 

·  内容编码： (m+17)h  n字节 内容长，故略)

 

( 7 )       定义重新开始间隔DRI(Difine Restart Interval)

 

    （在没有DRI标记，或间隔为零时，就不存在重新开始间隔和重开始标记）

 

        0h 2字节 0xFFDD

 

①     长度  2h 2字节 0x0004（①~②两个字段的总长度）

 

②     MCU 块的单元中的重新开始间隔

 

4h 2字节 内容不定（设为n，则意思是说，每n个MCU块就有一个RSTn标记。第一个标记是RST0，然后是RST1等，RST7后再从RST0重复）

 

( 8 )       扫描开始SOS(Start of Scan)

 

       0h 2字节 0xFFDA

 

①      扫描开始长度(start of scan length)

 

2h 2字节 内容不定（①~③再加上④的A/B/C的总长度）

 

②      颜色分量数(number of color components)

 

4h 1字节 应该和⑸⑤的值相同（灰度图是1, YCbCr/YIQ 彩色图是3, CMYK 彩色图是4）

 

③      每个颜色分量

 

A.      ID

 

B.      交流系数表号(AC table #)

 

C.      直流系数表号(DC table #)

 

（B、C共占用1字节，B：占用低4位，C：占用高4位）

 

由②得到这里的颜色分量数为3（这里的颜色分量的ID号的含义和⑸⑥的一样，1代表Y，2代表Cb，3代表Cr，4代表I，5代表Q）：

 

1）   ID

5h 1字节 0x01 （高四位）直流（低四位）交流数表号

6h 共1字节 0x00

 

2）   ID

7h 1字节 0x027 （高四位）直流（低四位）交流数表号

8h 共1字节 0x11

 

3）   ID

9h 1字节 0x03  （高四位）直流（低四位）交流数表号

ah 共1字节 0x11

 

④      压缩图像数据(compressed image data)

 

A.      谱选择开始   bh 1字节 0x00

 

B.      谱选择结束   ch 1字节 0x3F

 

C.      两个4位字段，高位和低位的谱选择  dh 1字节 在基本JPEG中总为0x00

 

D.      数据   eh 长度不定内容长，故略

 

( 9 )       图像结束EOI(End of Image)

 

     0h 2字节 0xFFD9

 

 

 

表6-06表示了APP0域的详细结构。

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
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 and Y densities>	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

 

 

 

 

 

 

 

另：JPEG定义的标记（中文版）

标记名	标记代码	说明
帧开始标记，Start of Frame，非层次哈夫曼编码
SOF0	0xFFC0	基线离散余弦变换
SOF1	0xFFC1	扩展顺序离散余弦变换
SOF2	0xFFC2	递进离散余弦变换
SOF3	0xFFC3	空间顺序无损
帧开始标记，Start of Frame，层次哈夫曼编码
SOF5	0xFFC5	差分离散余弦变换
SOF6	0xFFC6	差分层次离散余弦变换
SOF7	0xFFC7	差分空间无损
帧开始标记，Start of Frame，非层次算术编码
JPEG	0xFFC8	为JPEG扩展保留
SOF9	0xFFC9	扩展顺序离散余弦变换
SOF10	0xFFCA	递进离散余弦变换
SOF11	0xFFCB	空间顺序无损
帧开始标记，Start of Frame，层次算术编码
SOF13	0xFFCD	差分离散余弦变换
SOF14	0xFFCE	差分层次离散余弦变换
SOF15	0xFFCF	差分空间无损
其他标记
DHT	0xFFC4	定义哈夫曼树表
DAC	0xFFCC	定义算术编码表
RST0	OxFFD0	差分编码累计复位，共8个
……	……
RST7	OxFFD7
SOI	OxFFD8	图像开始
EOI	OxFFD9	图像结束
SOS	0xFFDA	开始扫描，图像数据开始
DQT	0xFFDB	定义量化表
DNL	0xFFDC	定义线数
DRI	0xFFDD	定义差分编码累计复位的间隔
DHP	0xFFDE	定义层次级数
EXP	0xFFDF	展开参考图像
APP0	0xFFE0	为应用程序保留，共15个
……	……
APP15	0xFFEE
JPG0	0xFFF0	为JPEG扩展保留，共14个
……	……
JPG13	0xFFFD
COM	0xFFFE	注释
TEM	0xFF01	算术编码中作临时之用
RES	0xFF02	保留，共189个
……	……
RES	0xFFBF