大家在瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)，總能看到各種各樣的精美圖片，將這些圖片下載下來(lái)后，有可能是JPG格式，也可能是JPEG格式，當(dāng)然還有其它PNG、GIF等格式，相對(duì)于PNG等格式來(lái)說(shuō)，JPG格式的體積相對(duì)較小，這也是JPG格式受歡迎的原因。相信很多伙伴都不曉得JPG和JPEG格式有何關(guān)系吧？為了不讓大家總是云里霧里的，今天小編將給大家科普J(rèn)PG和JPEG的相關(guān)知識(shí)。

一、前言

JPG格式的圖片體積相對(duì)較小，是因?yàn)樗捎昧艘幌盗械膲嚎s算法，壓縮圖片弊端就是和原始的圖片相比，它犧牲掉了一些畫(huà)面細(xì)節(jié)，這些丟失的細(xì)節(jié)或許可被人的肉眼看出，或許以人的肉眼難以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這種通過(guò)犧牲畫(huà)面的精細(xì)程度來(lái)達(dá)到縮小體積的目的的壓縮算法，我們稱之為“有損壓縮”或者“破壞性壓縮”，今天，IT之家就和大家聊聊JPEG圖片壓縮的基本原理。

二、JPEG和JPG的關(guān)系

很多讀者可能會(huì)有這樣的疑惑，JPEG和JPG看起來(lái)如此相像，它們到底是不是同一種圖片格式？JPEG和JPG之間的關(guān)系到底是怎樣的？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們首先要了解，JPEG的來(lái)頭。

JPEG，全稱為“Joint Photographic Experts Group”，翻譯成中文，則是“聯(lián)合圖像專家小組”，這是一個(gè)成立于1986年的組織，1992年，該組織發(fā)布了“JPEG標(biāo)準(zhǔn)”，這是一種針對(duì)圖像的壓縮而制定的標(biāo)準(zhǔn)。

使用JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮的圖片文件，被稱為“JPEG文件”，這種文件的擴(kuò)展名通常是JPG、JPEG、JPE、JFIF以及JIF，在這些文件格式中，以JPG的使用最為廣泛。

如果這里JPEG指的是聯(lián)合圖像專家小組，那JPEG與JPG則是制定壓縮標(biāo)準(zhǔn)的組織與采用該組織制定的壓縮標(biāo)準(zhǔn)壓縮成的圖片的一種的格式的關(guān)系；

如果JPEG指的是JPEG壓縮標(biāo)準(zhǔn)，那JPEG與JPG則是一種圖像的壓縮標(biāo)準(zhǔn)與采用該標(biāo)準(zhǔn)壓縮成的圖片的一種格式的關(guān)系；

如果JPEG指的是一張圖片文件的后綴名，那JPEG與JPG的關(guān)系則是采用JPEG標(biāo)準(zhǔn)壓縮的圖片的兩種不同的格式。

三、色彩空間轉(zhuǎn)換

要壓縮圖片，首先要知道這個(gè)圖片中都包含了些什么內(nèi)容，在對(duì)圖片的內(nèi)容進(jìn)行分解時(shí)，第一步就要進(jìn)行色彩空間轉(zhuǎn)換。

所謂的色彩空間，指的是描述圖像的顏色的一組數(shù)值，比較常見(jiàn)的色彩空間有RGB、CMYK。

RGB，即是分別用三組數(shù)值，來(lái)表示紅、綠、藍(lán)，而紅、綠、藍(lán)三種顏色經(jīng)過(guò)不同程度的配比，就會(huì)顯示出不同的顏色。通常RGB的色彩模型用于顯示屏的顯示。

CMYK，即是分別用四組數(shù)值，來(lái)表示青色、品紅、黃色和黑色，而青色、品紅、黃色和黑色四種顏色經(jīng)過(guò)不同程度的配比，就會(huì)顯示出不同的顏色。通常CMYK的色彩模型用于印刷。

在JPEG壓縮圖像過(guò)程中，是怎么用數(shù)值來(lái)表示圖像內(nèi)容的呢？事實(shí)上，JPEG量化圖像的顏色時(shí)并非采用RGB模式，也非CMYK模式，而是YCbCr模式，其中，Y表示的是亮度，Cb表示的是彩度（藍(lán)），Cr表示的是彩度（紅）。那么問(wèn)題來(lái)了，為什么JPEG在壓縮圖像時(shí)，不采用RGB和CMYK的色彩模型，而偏偏采用YCbCr這種看似奇葩的模式呢？這還要從人眼的工作機(jī)制談起。

我們的眼睛之所以能感知圖像，是因?yàn)槿搜蹆?nèi)含有視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞，其中，視錐細(xì)胞具有感知顏色的能力，而視桿細(xì)胞具有感知亮度的能力，通常，我們的眼睛中，視桿細(xì)胞數(shù)量相對(duì)較多，所以人眼對(duì)亮度的敏感程度要高于對(duì)色彩的敏感程度。就像你熄燈時(shí)，你可以在暗光下漸漸地看清周圍的事物，而對(duì)周圍事物的顏色，你可能就不那么敏感了。

JPEG正是利用了人眼的這一特性，在壓縮圖像時(shí)，將亮度和顏色分開(kāi)處理。

由于人眼對(duì)亮度很敏感，所以JPEG不會(huì)對(duì)亮度做太多改變，而人眼對(duì)顏色不甚敏感（科學(xué)研究表明，人眼大概可以區(qū)分出1000萬(wàn)種不同的顏色，這種感知能力相比于電腦，就沒(méi)那么精確了），所以在人眼開(kāi)始察覺(jué)色彩不對(duì)了之前，JPEG對(duì)顏色進(jìn)行壓縮處理，這樣就算圖像損失了部分細(xì)節(jié)，人眼也不太容易捕捉得到。

JPEG在壓縮圖像時(shí)所進(jìn)行的色彩空間轉(zhuǎn)換，指的就是將RGB轉(zhuǎn)換為YCbCr。

四、縮減取樣

在YCbCr模型中，Cb通道和Cr通道中所包含的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于Y通道中包含的信息量，同時(shí)，人眼對(duì)色彩的敏感程度有限，因此，JPEG的壓縮算法主要對(duì)Cb和Cr通道中的數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減取樣，取樣的比例可以是4:4：4（無(wú)縮減取樣）、4:2：2（在水平方向2的倍數(shù)中取樣）和4:2：0（在水平方向和垂直方向的2的倍數(shù)中取樣），其中，以4:2：0最為常見(jiàn)。

五、離散余弦變換（DCT）

通常我們認(rèn)為，在8*8像素的一塊方格里，它里面的像素往往非常相似，因此，當(dāng)進(jìn)行到這一步時(shí)，JPEG會(huì)將圖像分為一個(gè)又一個(gè)的8*8的像素塊。

一個(gè)8*8的像素塊，圖片來(lái)自維基百科

每一個(gè)像素塊都利用離散余弦變換來(lái)編碼，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉告訴我們，幾乎所有的周期函數(shù)，都可以用一系列的“弦波”來(lái)表示，也就是說(shuō)，靠著帶權(quán)重的一系列不同余弦值的相加，就可以重構(gòu)出我們的原圖。最后，每個(gè)8*8的像素塊都會(huì)通過(guò)特定的函數(shù)，來(lái)生成一個(gè)新的8*8的數(shù)字矩陣。

一個(gè)8*8的數(shù)字矩陣，圖片來(lái)自維基百科

六、量化

事情到這里還沒(méi)算完，通過(guò)離散余弦變換所得到的數(shù)字可不能被直接壓縮，他們還需要再處理一下，這就是量化。

量化的過(guò)程，實(shí)際上就是對(duì)DTC系數(shù)的一個(gè)優(yōu)化過(guò)程，在一個(gè)8*8像素的區(qū)域中，每個(gè)像素點(diǎn)間的差異都很大時(shí)，它的弦波頻率就很高，我們稱之為高頻區(qū)，相反地，一個(gè)8*8像素的區(qū)域中，每個(gè)像素點(diǎn)間的差異很小，那它的弦波頻率就很低，我們稱之為低頻區(qū)，剛剛的DCT算法已經(jīng)把哪里頻率高、哪里頻率低給整理出來(lái)了。

越接近左上，頻率越低，越接近右下，頻率越高。

人眼對(duì)高頻區(qū)（小范圍、高復(fù)雜度）的辨識(shí)能力較差，而對(duì)低頻區(qū)（大范圍、低復(fù)雜度）的辨識(shí)能力較好，因此JPEG就根據(jù)人眼的這一特征將高頻區(qū)進(jìn)行大幅的簡(jiǎn)化和壓縮，量化的過(guò)程，實(shí)際上就是把頻率領(lǐng)域上的每個(gè)成分，除以一個(gè)特定的常數(shù)，然后將計(jì)算結(jié)果四舍五入，取一個(gè)整數(shù)，JPEG會(huì)將高頻區(qū)的成分通過(guò)算法，使其接近于0，然后四舍五入，取該成分的值為0，最后，我們大概會(huì)得到這樣一個(gè)矩陣：

圖片來(lái)源：維基百科

可以看到，這個(gè)矩陣中有很多連續(xù)的0，這就對(duì)壓縮非常有利了。

七、熵編碼

終于到了最后一步了，那就是壓縮，仔細(xì)觀察剛剛得到的最終的矩陣，可以看到，從左上角到右下角，連續(xù)的0的數(shù)量急劇上升，這種情況就要用熵編碼技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

JPEG從左上角開(kāi)始，以Z字形來(lái)回穿梭，直至經(jīng)歷了矩陣中的所有數(shù)字，到達(dá)右下角。

Z字形穿梭掃描的路徑，圖片來(lái)自維基百科

此時(shí)的編碼就變成了這樣：

當(dāng)剩下的數(shù)字都是0，且過(guò)早結(jié)束的編碼，可以將連續(xù)的0的部分采用霍夫曼編碼表示為“EOB”，最后，這串編碼就成了這個(gè)樣子：

現(xiàn)在，我們就得到了JPEG的編碼了。通過(guò)一系列的處理，可以看到，圖像中的信息達(dá)到了壓縮和簡(jiǎn)化的目的。這就是一幅原始圖像被壓縮為JPEG的大概過(guò)程。

八、圖片質(zhì)量

在生成一張JPG圖像文件時(shí)，你通常需要設(shè)置圖像質(zhì)量參數(shù)，這個(gè)參數(shù)的數(shù)值越大，圖像的質(zhì)量也就越高，同時(shí)圖片文件的體積也就越大，相反地，數(shù)值越小，圖像的質(zhì)量就越低，同時(shí)圖片文件的體積越小，下面是三張圖片：

圖片一

圖片二

圖片三

第一張圖片的質(zhì)量參數(shù)是100，第二張圖片的質(zhì)量參數(shù)是60，第三張圖片的質(zhì)量參數(shù)是20，很容易可以看出，第一張圖片的細(xì)節(jié)較為豐富，第二張圖片的畫(huà)面中好像稍微有一些噪點(diǎn)，第三章圖片的直接可以看到大塊的馬賽克了。

九、代碼示例

現(xiàn)在你已經(jīng)了解了JPEG算法的工作原理，如果你想更進(jìn)一步地學(xué)習(xí)，那么在GitHub中有這樣一個(gè)代碼示例，其作用就是進(jìn)行JPEG壓縮，感興趣的同學(xué)可以點(diǎn)擊這里查看和研究。

上述便是小編給大家科普J(rèn)PG和JPEG圖像格式的相關(guān)知識(shí)講解，相信大家對(duì)于JPG圖片格式有更深的了解了吧，JPG是一種有損壓縮圖像格式，體積相對(duì)較小，打開(kāi)速度較快，但是圖片相對(duì)沒(méi)有那么清晰，大家可以根據(jù)自己的需求來(lái)選擇圖片格式。