6.3.1簡介
微處理機中的存放順序有正序(big endian)和逆序(little endian)之分。正序存放就是高字節存放在前低字節在后，而逆序存放就是低字節在前高字節在后。例如，十六進制數為A02B，正序存放就是A02B，逆序存放就是2BA0。摩托羅拉(Motorola)公司的微處理器使用正序存放，而英特爾(Intel)公司的微處理器使用逆序。JPEG文件中的字節是按照正序排列的。
JPEG委員會在制定JPEG標准時，定義了許多標記(marker)用來區分和識別圖像數據及其相關信息，但筆者沒有找到JPEG委員會對JPEG文件交換格式的明確定義。直到1998年12月從分析網上具體的JPG圖像來看，使用比較廣泛的還是JPEG文件交換格式(JPEG File Interchange Format，JFIF)版本號為1.02。這是1992年9月由在C-Cube Microsystems公司工作的Eric Hamilton提出的。此外還有TIFF JPEG等格式，但由於這種格式比較復雜，因此大多數應用程序都支持JFIF文件交換格式。
JPEG文件使用的顏色空間是CCIR 601推薦標准進行的彩色空間(參看第7章)。在這個彩色空間中，每個分量、每個像素的電平規定為255級，用8位代碼表示。從RGB轉換成YCbCr空間時，使用下面的精確的轉換關系：
Y = 256 * E'y
Cb = 256 * [E'Cb] + 128
Cr = 256 * [E'Cr] + 128
其中亮度電平E'y和色差電平E'Cb和E'Cb分別是CCIR 601定義的參數。由於E'y的范圍是0～1，E'Cb和E'Cb的范圍是-0.5～+0.5，因此Y, Cb和Cr的最大值必須要箝到255。於是RGB和YCbCr之間的轉換關系需要按照下面的方法計算。
(1) 從RGB轉換成YCbCr
YCbCr(256級)分量可直接從用8位表示的RGB分量計算得到：
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圖像文件格式都按照R0，G0，B0，…… Rn，Gn，Bn的次序存儲樣本數據，因此在RGB文件轉換成JFIF文件時需要首先驗證RGB的次序。
(2) 從YCbCr轉換成RGB
RGB分量可直接從YCbCr(256級)分量計算得到：
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，圖像樣本的存放順序是從左到右和從上到下。這就是說JFIF文件中的第一個圖像樣本是圖像左上角的樣本。
學習這些標記最好就是用UltraEdit編輯工具打開一個.jpg或.jpeg文件，參照着格式去分析，加深對這些格式的理解。
JFIF文件格式直接使用JPEG標准為應用程序定義的許多標記，因此JFIF格式成了事實上JPEG文件交換格式標准。JPEG的每個標記都是由2個字節組成，其前一個字節是固定值0xFF。每個標記之前還可以添加數目不限的0xFF填充字節(fill byte)。下面是其中的8個標記：
- SOI 0xD8 圖像開始
- APP0 0xE0 JFIF應用數據塊
- APPn 0xE1 - 0xEF 其他的應用數據塊(n, 1～15)
- DQT 0xDB 量化表
- SOF0 0xC0 幀開始
- DHT 0xC4 霍夫曼(Huffman)表
- SOS 0xDA 掃描線開始
- EOI 0xD9 圖像結束
為使讀者對JPEG定義的標記一目了然，現將JPEG的標記碼列於表6-05，並保留英文解釋。
表6-05 JPEG定義的標記
| Symbol (符號) |
Code Assignment (標記代碼) |
Description (說明) |
| 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 |
JPEG文件由下面的8個部分組成：
(1) 圖像開始SOI(Start of Image)標記
(2) APP0標記(Marker)
① APP0長度(length)
② 標識符(identifier)
③ 版本號(version)
④ X和Y的密度單位(units=0：無單位；units=1：點數/英寸；units=2：點數/厘米)
⑤ X方向像素密度(X density)
⑥ Y方向像素密度(Y density)
⑦ 縮略圖水平像素數目(thumbnail horizontal pixels)
⑧ 縮略圖垂直像素數目(thumbnail vertical pixels)
⑨ 縮略圖RGB位圖(thumbnail RGB bitmap)
(3) APPn標記(Markers)，其中n=1～15(任選)
① APPn長度(length)
② 由於詳細信息(application specific information)
(4) 一個或者多個量化表DQT(difine quantization table)
① 量化表長度(quantization table length)
② 量化表數目(quantization table number)
③ 量化表(quantization table)
(5) 幀圖像開始SOF0(Start of Frame)
① 幀開始長度(start of frame length)
② 精度(precision)，每個顏色分量每個像素的位數(bits per pixel per color component)
③ 圖像高度(image height)
④ 圖像寬度(image width)
⑤ 顏色分量數(number of color components)
⑥ 對每個顏色分量(for each component)
- ID
- 垂直方向的樣本因子(vertical sample factor)
- 水平方向的樣本因子(horizontal sample factor)
- 量化表號(quantization table#)
(6) 一個或者多個霍夫曼表DHT(Difine Huffman Table)
① 霍夫曼表的長度(Huffman table length)
② 類型、AC或者DC(Type, AC or DC)
③ 索引(Index)
④ 位表(bits table)
⑤ 值表(value table)
(7) 掃描開始SOS(Start of Scan)
① 掃描開始長度(start of scan length)
② 顏色分量數(number of color components)
③ 每個顏色分量
- ID
- 交流系數表號(AC table #)
- 直流系數表號(DC table #)
④ 壓縮圖像數據(compressed image data)
(8) 圖像結束EOI(End of Image)
表6-06表示了APP0域的詳細結構。有興趣的讀者可通過UltraEdit或者PC TOOLS等工具軟件打開一個JPG圖像文件，對APP0的結構進行分析和驗證。
表6-06 JFIF格式中APP0域的詳細結構
| 偏移 |
長度 |
內容 |
塊的名稱 |
說明 |
| 0 |
2 byte |
0xFFD8 |
(Start of Image,SOI) |
圖像開始 |
| 2 |
2 byte |
0xFFE0 |
APP0(JFIF application segment) |
JFIF應用數據塊 |
| 4 |
2 bytes |
length of APP0 block |
APP0塊的長度 |
|
| 6 |
5 bytes |
"JFIF"+"0" |
識別APP0標記 |
|
| 11 |
1 byte |
<Major version> |
主要版本號(如版本1.02中的1) |
|
| 12 |
1 byte |
<Minor version> |
次要版本號(如版本1.02中的02) |
|
| 13 |
1 byte |
<Units for the X |
X和Y的密度單位 units=0：無單位 units=1：點數/英寸 units=2：點數/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> |
縮略圖水平像素數目 |
|
| 19 |
1 byte |
<Ythumbnail> |
縮略圖垂直像素數目 |
|
| 3n |
< Thumbnail RGB bitmap> |
縮略RGB位圖(n為縮略圖的像素數) |
||
| Optional JFIF extension APP0 marker segment(s) |
任選的JFIF擴展APP0標記段 |
|||
| …… |
…… |
|||
| 2 byte |
0xFFD9 |
(EOI) end-of-file |
圖像文件結束標記 |