【数据压缩】JPEG原理分析及解码器调试

目录

一.实验目的

二.实验原理

三.JPEG文件格式

四.实验步骤

1.理解三个结构体的设计目的

2.TRACE的目的和含义

3.将输出文件保存为可供YUVViewer观看的YUV文件

4.以txt文件输出

（1）所有的量化矩阵

 (2)所有的Huffman码表

5.输出DC图像并经过Huffman统计其概率分布

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一.实验目的

掌握JPEG编解码系统的基本原理。初步掌握复杂的数据压缩算法实现，并能根据理论分析需要实现所对应数据的输出。

二.实验原理

1.零偏置

将灰度级为256的图像减去256/2=128，则图像像素范围变为【-128，128】，无符号数变为有符号数。可以减小绝对值大的数字出现的概率，进而提高编码效率。

2.8×8DCT变换

将图像分为若干8×8的子块，对每一个子块进行DCT变换。

实现能量集中和去相关，去除空间冗余，提高编码效率。

3.量化

JPEG编码采取均匀量化。

4.DC系数

使用差分编码。

5.AC系数

之字形扫描＋游程编码。

三.JPEG文件格式

JPEG 在文件中以 Segment 的形式组织，它具有以下特点：

•  均以 0xFF 开始，后跟 1 byte 的 Marker 和 2 byte 的 Segment length（包含表示 Length 本身所占用的 2 byte，不含“0xFF” + “Marker” 所占用的 2 byte）；

•  采用 Motorola 序（相对于 Intel 序），即保存时高位在前，低位在后；

•  Data 部分中，0xFF 后若为 0x00，则跳过此字节不予处理；

四.实验步骤

1.理解三个结构体的设计目的

• struct huffman_table:存储Huffman表，实现快速查找

struct huffman_table
{
	/* 快速查找表，使用 HUFFMAN_HASH_NBITS 位我们可以直接得到符号，
	 * 如果符号 <0，那么我们需要查看树表 */
	short int lookup[HUFFMAN_HASH_SIZE];
	/* 码字长度：给出一个符号被编码的位数 */
	unsigned char code_size[HUFFMAN_HASH_SIZE];
	/* 存储未在查找表中编码的值的空间
	 * FIXME：计算256个值是否足以存储所有值 */
	uint16_t slowtable[16-HUFFMAN_HASH_NBITS][256];
};

• struct component：定义水平和垂直采样因子和DCT系数

struct component 
{
	unsigned int Hfactor;     /* 水平采样因子 */
	unsigned int Vfactor;     /* 垂直采样因子 */
	float *Q_table;		    /* 指向要使用的量化表的指针 */
	struct huffman_table *AC_table;  /* 交流哈夫曼表 */
	struct huffman_table *DC_table;  /* 直流哈夫曼表 */
	short int previous_DC;	/* 前直流系数 */
	short int DCT[64];		/* DCT系数 */
#if SANITY_CHECK  // 调试使用
	unsigned int cid;
#endif
};

• struct jdec_private:指示解码中的所有信息

struct jdec_private
{
	/* 全局变量 */
	uint8_t *components[COMPONENTS];
	unsigned int width, height;	/* 图像大小 */
	unsigned int flags;
 
	/* 私有变量 */
	const unsigned char *stream_begin, *stream_end;
	unsigned int stream_length;
 
	const unsigned char *stream;	/* 指向当前流的指针 */
	unsigned int reservoir, nbits_in_reservoir;
 
	struct component component_infos[COMPONENTS];
	float Q_tables[COMPONENTS][64];		/* 量化表 */
	struct huffman_table HTDC[HUFFMAN_TABLES];	/* 直流哈夫曼表 */
	struct huffman_table HTAC[HUFFMAN_TABLES];	/* 交流哈夫曼表 */
	int default_huffman_table_initialized;
	int restart_interval;
	int restarts_to_go;				/* 在此重启间隔内剩余的 MCU */
	int last_rst_marker_seen;