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：。这是⼀个纯 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：
图片下载站源码压缩算法：
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.
3this.WriteApplicationHeader(metadata);
4// Write Exif and ICC profiles
5this.WriteProfiles(metadata);
6// Write the quantization tables.
7this.WriteDefineQuantizationTables();
8// Write the image dimensions.
9this.WriteStartOfFrame(image.Width, image.Height, componentCount);
10// Write the Huffman tables.
11this.WriteDefineHuffmanTables(componentCount);
12// Write the image data.
13this.WriteStartOfScan(image);
14// Write the End Of Image marker.
15this.buffer[0] = JpegConstants.Markers.XFF;
16this.buffer[1] = JpegConstants.Markers.EOI;
17            stream.Write(this.buffer, 0, 2);
18            stream.Flush();
19        }
View Code
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. 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.这个⽹站⾥⾯可以到⼀个叫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.，⼀位⼤⽜的博客，值得⼀看。
4. 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。

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