ImageSharp源码详解之JPEG编码原理（1）JPEG介绍
最近在看GitHub上的一个很火的项目是：ImageSharp。这是一个纯.net core的图像处理库，没有使用其他的任何依赖。在看这个项目过程中激发了我对图像文件编码解码的兴趣。于是从最简单的BMP图像开始看，到GIF格式卡了一段时间（主要卡在lzw编码过程和数据块中），到最后的JPEG格式（PNG格式不打算看了），经历了半个月时间才梳理出个大概。趁着这个热乎劲，我想写下关于JPEG格式的系列文章，文章目录暂定如下：
ImageSharp源码详解之JPEG编码原理（1）JPEG介绍
ImageSharp源码详解之JPEG压缩原理（3）DCT变换
ImageSharp源码详解之JPEG压缩原理（4）量化
ImageSharp源码详解之JPEG压缩原理（6）C#源码解析及调试技巧
1.JPEG介绍
JPEG（Joint Photographic Experts Group）是联合图像专家小组的英文缩写。它由国际电话与电报咨询委员会CCITT（The International Telegraph and Telephone Consultative Committee）与国际标准化组织ISO于1986年联合成立的一个小组，负责制定静态数字图像的编码标准。
小组一直致力于标准化工作，开发研制出连续色调、多级灰度、静止图像的数字图像压缩编码方法，即JPEG算法。JPEG算法被确定为国际通用标准，其适用范围广泛，除用于静态图像编码外，还推广到电视图像序列的帧内图像压缩。而用JPEG算法压缩出来的静态图片文件称为JPEG文件，扩展名通常为*.jpg、*.jpe*.jpeg。
JPEG专家组开发了两种基本的压缩算法、两种数据编码方法、四种编码模式。具体如下：
压缩算法：
1有损的离散余弦变换（Discrete Cosine Transform，DCT）；
2 无损的预测技术压缩。
数据编码方法：
1哈夫曼编码；
2算术编码；
编码模式：
1基于DCT顺序模式：编/解码通过一次扫描完成；
2基于DCT递进模式：编/解码需要多次扫描完成，扫描效果从粗糙到精细，逐级递进；
3无损模式：基于DPCM，保证解码后完全精确恢复到原图像采样值；
4层次模式：图像在多个空间多种分辨率进行编码，可以根据需要只对低分辨率数据作解码，放弃高分辨率信息。
在我阅读的源码中，我关注的是离散余弦变换、哈夫曼编码、基于DCT顺序模式的编码，这也是JPRG图像常用的技术。
整体文件的大致结构如下：
SOI(0xFFD8)
APP0(0xFFE0)
[APPn(0xFFEn)]可选
DQT(0xFFDB)
SOF0(0xFFC0)
DHT(0xFFC4)
SOS(0xFFDA)
压缩数据
EOI(0xFFD9)
我们解码的时候大致都是按照上面顺序进行解码，关于上面这些标记，大家可以从文章结尾参考资料中看到他们的详细信息，这里我不对这些标记展开描述，在后面用到的时候会提到。
2.JPEG压缩的大致过程
2.1 编码
对于一副图像，编码器首先需要填充这个图像的一些头信息，量化表，霍夫曼表。我们可以看ImageSharp中JpegEncoderCore这个类里面的的Encode方法如下：
1 ... 2 // Write the Start Of Image marker. 3 this.WriteApplicationHeader(metadata); 4 // Write Exif and ICC profiles 5 this.WriteProfiles(metadata); 6 // Write the quantization tables. 7 this.WriteDefineQuantizationTables(); 8 // Write the image dimensions. 9 this.WriteStartOfFrame(image.Width, image.Height, componentCount); 10 // Write the Huffman tables. 11 this.WriteDefineHuffmanTables(componentCount); 12 // Write the image data. 13 this.WriteStartOfScan(image); 14 // Write the End Of Image marker. 15 this.buffer[0] = JpegConstants.Markers.XFF; 16 this.buffer[1] = JpegConstants.Markers.EOI; 17 stream.Write(this.buffer, 0, 2); 18 stream.Flush(); 19 }
这一系列都是围绕着WriteStartOfScan这个方法展开，这个方法就是对于图像数据进行编码，过程如下图：
注意我们看到过程中YUV采样后面是DCT变换、量化、熵编码。实际过程中，YUV采样过程中就包含后面DCT变换、量化、熵编码这三个过程，只不过我们在描述的时候将其分开。在ImageSharp源码中我们可以看到它使用的是标准霍夫曼表来进行编码，这也是一般JPEG编码器常用的方法，但这样就和常规的霍夫曼编码不一致，我们可以通过其他资料学习到霍夫曼编码需要对原始数据遍历两次，一次构建霍夫曼树，一次进行编码。我在谷歌的guetzli项目中看到了针对不同图像数据，构建不同霍夫曼树结构的方法。
2.2 解码
作为编码的互逆过程，大致流程如下：
虽然我们了解了如何编码，就能大致知道如何解码，但是ImageSharp源码中，对于解码和编码在代码实现还是有区别的，后续我只分析JPEG的编码过程。
3.后续
后面计划是先把量化和熵编码的相关文章写完，然后把imagesharp这个项目中调试技巧做一下分析解读，最后再写DCT变换。DCT涉及到傅里叶变换，如果要深入理解，其背后复杂的数学知识不是我所能讲解的，在这一章尽量讲解代码技巧，数学公式不敢牵涉太多。
参考文献：
学习JPEG编码需要参考大量的资料，这些资料侧重点都不一样，需要相互印证。对我来说看代码比看文献更快，我的方法就是通过调试代码来验证我的猜想，下面是我看过的一些资料，后面文章不在赘述：
1.itu-t81.pdf JPEG文件格式，标准的霍夫曼编码参考的是这个资料，在ImageSharp源码中可以下载获取。
2.impulseadventure 这个网站里面可以找到一个叫JPEGsnoop的开源软件，可以分析JPEG各个标记的具体数值，同时这个网站里面很多教程都是关于JPEG的编码和解码，我文章里面一些图片都来自上面。
3.JPEG压缩原理，一位大牛的博客，值得一看。
4.FluxJpeg 这个源码只针对JPEG格式进行编码与解析，所以看起来相对ImageSharp简单很多，我前期就是先对照资料看的这个源码，后面换成ImageSharp。
5.数据压缩导论（第4版） 这本书很好，理论讲解的很深入，例子举的也很容易看懂。
6.实用数字信号处理-从原理到应用 这本书关于DFT的讲解很深入，值得一看。
