JPEG 原理详细实例分析及其在嵌入式 Linux 中的应用（2）原理分析-1

look_w

三、JPEG 原理详细分析下面将更加详细地介绍这两步中的各个细节。
JPEG 编码中主要涉及到的内容主要包括：
    1. Color Model Conversion (色彩模型)
    2. DCT (Discrete Cosine Transform 离散余弦变换)
    3. 重排列 DCT 结果
    4. 量化
    5. RLE 编码
    6. 范式 Huffman 编码
    7. DC 的编码
1、色彩空间 color space在图像处理中，为了利用人的视角特性，从而降低数据量，通常把 RGB 空间表示的彩色图像变换到其他色彩空间。
现在采用的色彩空间变换有三种：YIQ，YUV 和 YCrCb。
每一种色彩空间都产生一种亮度分量信号和两种色度分量信号，而每一种变换使用的参数都是为了适应某种类型的显示设备。
YUV 不是哪个英文单词的缩写，而只是符号，Y 表示亮度，UV 用来表示色差，U、V 是构成彩色的两个分量；
YUV 表示法的重要性是它的亮度信号(Y)和色度信号(U、V)是相互独立的，也就是 Y 信号分量构成的黑白灰度图与用 U、V 信号构成的另外两幅单色图是相互独立的。由于 Y、U、V 是独立的，所以可以对这些单色图分别进行编码。此外，黑白电视能接收彩色电视信号也就是利用了 YUV 分量之间的独立性。
举例来说明一下：
要存储 RGB 8∶8∶8的彩色图像，即 R、G 和 B 分量都用8位二进制数（1个字节）表示，图像的大小为640×480像素，那么所需要的存储容量为640×480×(1+1+1)=921 600字节，即900KB，其中(1+1+1)表示 RGB 各占一个字节。
如果用 YUV 来表示同一幅彩色图像，Y 分量仍然为640×480，并且 Y 分量仍然用8位表示，而对每四个相邻像素(2×2)的 U、V 值分别用相同的一个值表示，那么存储同样的一幅图像所需的存储空间就减少到640×480×(1+1/(2*2)+1/(2*2))=460 800字节，即450KB。也就是把数据压缩了一半。
无论是用 YIQ、YUV 和 YCrCb 还是其他模型来表示的彩色图像，由于现在所有的显示器都采用 RGB 值来驱动，这就要求在显示每个像素之前，须要把彩色分量值转换成 RGB 值。
对电视机，在考虑人的视觉系统和电视阴极射线管(CRT)的非线性特性之后，RGB 和 YUV 的对应关系可以近似地用下面的方程式表示：
即：
Y=0.3R+0.59G+0.11B
U=B-Y
V=R-Y
对计算机而言，计算机用的数字域的色彩空间变换与电视模拟域的色彩空间变换不同，它们的分量使用 Y、Cr 和 Cb 来表示，与 RGB 空间的转换关系如下：
从这里，就可以看出，计算出来的 Y、Cr 和 Cb 分量，会出现大量的小数，即浮点数，从而导致了在 JPEG 编码过程中会出现大量的浮点数的运算，当然经过一定的优化，这些浮点数运算可以用移位与加法这些计算机能更快速处理的方式来对其进行编码。
RGB 与 YCrCb 之间的逆变换关系可写成如下的形式：
总体来说，上面讲的这些内容，主要就是对原始图片，可以先进行色彩空间的处理，使采集到的图像数据有所减少。
请注意，实际上，JPEG 算法与色彩空间无关，色彩空间是涉及到图像采样的问题，它和数据的压缩并没有直接的关系。
因此“RGB 到 YUV 变换”和“YUV 到 RGB 变换”不包含在 JPEG 算法中。JPEG 算法处理的彩色图像是单独的彩色分量图像，因此它可以压缩来自不同色彩空间的数据，如 RGB，YcbCr 和 CMYK。
2、色彩深度 color depth在图像中，它是由很多个点来组成的，那么存储每个像素点所用的位数就叫做像素深度。对一个图片，这个值是可以有所不同的，从而会使得图片的数据有多和少的区别。
一幅彩色图像的每个像素用 R，G，B 三个分量表示，若每个分量用8位，那么一个像素共用3X8=24位表示，就说像素的深度为24 bit，每个像素可以是2的24次方=16 777 216种颜色中的一种。表示一个像素的位数越多，它能表达的颜色数目就越多。
在用二进制数表示彩色图像的像素时，除 R，G，B 分量用固定位数表示外，往往还增加1位或几位作为属性(Attribute)位。例如，RGB 5∶5∶5表示一个像素时，用2个字节共16位表示，其中 R，G，B 各占5位，剩下一位作为属性位。在这种情况下，像素深度为16位，而图像深度为15 位。
在用32位表示一个像素时，若 R，G，B 分别用8位表示，剩下的8位常称为 alpha 通道(alpha channel)位，或称为覆盖(overlay)位、中断位、属性位。它的用法可用一个预乘 α 通道(premultiplied alpha)的例子说明。假如一个像素(A，R，G，B)的四个分量都用归一化的数值表示，(A，R，G，B)为(1，1，0，0)时显示红色。当像素为 (0.5，1，0，0)时，预乘的结果就变成(0.5，0.5，0，0)，这表示原来该像素显示的红色的强度为1，而现在显示的红色的强度降了一半。
这个 alpha 值，在这里就用来表示该像素如何产生特技效果。
总体来说，图像的宽高、分辨率越高，就是组成一幅图的像素越多，则图像文件越大；像素深度越深，就是表达单个像素的颜色和亮度的位数越多，图像文件就越大。
只有黑白两种颜色的图像称为单色图像(monochrome)，每个像素的像素值用1位存储，它的值只有“0”或者“1”，一幅640×480的单色图像需要占据37.5 KB的存储空间。
而灰度图像，即有色深的黑白图像，如果每个像素的像素值用一个字节表示，而不是仅仅只有一位，那么灰度值级数就等于256级，每个像素可以是0～255之间的任何一个值，一幅640×480的灰度图像就需要占用300 KB的存储空间，类似上面说到过的 Y 分量。