JPEG原理分析及JPEG解码器的调试

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。

方法解释

JPEG文件格式

SOI

APP0

DQT

SOF0

DHT

SOS

EOI

JPEG编码原理

零偏置（Level Offset）

        对于灰度级是2n的像素，通过减去2n-1，将无符号的整数值变成有符号数。
                对于n=8，即将0 ~ 255的值域，通过减去128，转换为
                值域在-128~127之间的值。
        目的：使像素的绝对值出现3位10进制的概率大大减少

DCT变换

对每个单独的彩色图像分量，把整个分量图像分成8×8的图像块，如图所示，并作为两维离散余弦变换DCT的输入。

量化

根据人眼的视觉特性（对低频敏感，对高频不太敏感）对低频分量采取较细的量化，对高频分量采取较粗的量化

对DC系数编码

DC系数的差分编码

根据这个特点，JPEG算法使用了差分脉冲调制编码(DPCM)技术，对相邻图像块之间量化DC系数的差值DIFF进行编码：

DC系数的熵编码（huffman编码）

对DIFF用Huffman编码：分成类别，类似指数Golomb编码
➢类别ID：一元码编码
➢ 类内索引：采用定长码

对AC系数编码

AC系数的Z字扫描

由于经DCT变换后，系数大多数集中在左上角，即低频分量区，因此采用Z字形按频率的高低顺序读出，可以出现很多连零的机会。可以使用游程编码。尤其在最后，如果都是零，给出EOB (End of Block)即可。

AC系数的游程编码、熵编码（huffman编码）

实验步骤

1．逐步调试JPEG解码器程序。将输入的JPG文件进行解码，将输出文件保存为可供YUVViewer观看的YUV文件。

参数项目设置

修改load.jpeg中的write_yuv函数，添加注释代码以输出yuv文件

/**
 * Save a buffer in three files (.Y, .U, .V) useable by yuvsplittoppm
 */
static void write_yuv(const char* filename, int width, int height, unsigned char** components)
{
   
   
    FILE* F;
    char temp[1024];

    snprintf(temp, 1024, "%s.Y", filename);
    fopen_s(&F,temp, "wb");
    fwrite(components[0], width, height, F);
    fclose(F);
    snprintf(temp, 1024, "%s.U", filename);
    fopen_s(&F,temp, "wb");
    fwrite(components[1], width * height / 4, 1, F);
    fclose(F);
    snprintf(temp, 1024, "%s.V", filename);
    fopen_s(&F,temp, "wb");
    fwrite(components[2], width * height / 4, 1, F);
    fclose(F);
    
	//输出yuv文件
    snprintf(temp, 1024, "%s.yuv", filename);
    fopen_s(&F, temp, "wb");
    fwrite(components[0], width, height, F);
    fwrite(components[1], width * height / 4, 1, F);
    fwrite(components[2], width * height / 4, 1, F);
    fclose(F);

}

输入test.jpg如下图

输出test.yuv,并用YUV viewer打开

2. 程序调试过程中，应做到：

理解程序设计的整体框架

理解三个结构体的设计目的

struct huffman_table

存储Huffman码表

struct huffman_table
{
   
   
	/* Fast look up table, using HUFFMAN_HASH_NBITS bits we can have directly the symbol,
	 * if the symbol is <0, then we need to look into the tree table */
	short int lookup[HUFFMAN_HASH_SIZE];
	/* code size: give the number of bits of a symbol is encoded */
	unsigned char code_size[HUFFMAN_HASH_SIZE];
	/* some place to store value that is not encoded in the lookup table
	 * FIXME: Calculate if 256 value is enough to store all values
	 */
	uint16_t slowtable[16 - HUFFMAN_HASH_NBITS][256];
};

struct component

储存8×8图像块中解码用表的信息

struct component
{
   
   
	unsigned int Hfactor;
	unsigned int Vfactor;
	float* Q_table;		/* Pointer to the quantisation table to use */
	struct huffman_table* AC_table;
	struct huffman_table* DC_table;
	short int previous_DC;	/* Previous DC coefficient */
	short int DCT[64