多媒體概論報告多媒體概論報告報告主題：報告主題： .jpg.jpg

組別：第三組組別：第三組成員：成員： 9730012 9730012 羅巧欣羅巧欣 (( 製作製作 PPPT)PT)

9730013 9730013 許峻榮許峻榮 (( 找資找資料料 ) )

9730028 9730028 陳建發陳建發 (( 找資找資料料 ))

9730035 9730035 邱一晉邱一晉 (( 找資找資料料 ) )

9730026 9730026 何宗益何宗益 (( 寫程寫程式式 ) )

9730038 9730038 許明凱許明凱 (( 報告報告 ))

目錄目錄.壹.壹 JPGJPG 簡介簡介.貳.貳 JPGJPG 的形成技術的形成技術1.1. 編碼編碼

①① 色彩空間轉換色彩空間轉換②② 縮減取樣縮減取樣 (Downsampling)(Downsampling)

③③ 離散餘弦變換離散餘弦變換 (Discrete cosine transfor(Discrete cosine transform)m)

※※ 離散餘弦變換離散餘弦變換 (DCT)(DCT)

④④ 量化量化 (Quantization) (Quantization)

⑤⑤ 熵編碼技術熵編碼技術 (entropy coding)(entropy coding)

⑥⑥ 壓縮比率與不自然痕跡壓縮比率與不自然痕跡 (artifact)(artifact)

2.2. 壓縮比率與不自然痕跡壓縮比率與不自然痕跡 (artifact)(artifact)

.壹.壹 JPGJPG 簡介簡介JPEGJPEG 是一種針對相片影像而廣泛使用的一是一種針對相片影像而廣泛使用的一

種種失真壓縮標準方法失真壓縮標準方法，這個名稱代表，這個名稱代表 Joint Joint

Photographic Experts Group(Photographic Experts Group( 聯合圖像專家聯合圖像專家小組小組 )()( 國際標準化組織國際標準化組織 (ID)(ID) 和國際電報電話和國際電報電話咨詢委員會咨詢委員會 (CCITT)(CCITT) )) 。。此團隊創立於西元此團隊創立於西元 19861986 年，年， 19921992 年發布了年發布了JPEGJPEG 的標準而在的標準而在 19941994 年獲得了年獲得了 ISO 10991ISO 10991

8-8-

11 的認定。 的認定。

JPEGJPEG 本身只有描述如何將一個影像轉換為位本身只有描述如何將一個影像轉換為位元組的數據串流元組的數據串流 (streaming)(streaming) ，但並沒有說明，但並沒有說明這些位元組如何在任何特定的儲存媒體上被這些位元組如何在任何特定的儲存媒體上被封存起來。封存起來。JPEGJPEG 的壓縮方式通常是破壞性資料壓縮的壓縮方式通常是破壞性資料壓縮(lossy compression)(lossy compression) ，意即在壓縮過程中圖，意即在壓縮過程中圖像的品質會遭受到可見的破壞，有一種以像的品質會遭受到可見的破壞，有一種以JPEGJPEG 為基礎的標準為基礎的標準 Progressive JPEGProgressive JPEG 是採是採

用用無失真的壓縮方式，但無失真的壓縮方式，但 Progressive JPEGProgressive JPEG 並並沒有受到廣泛的支援。 沒有受到廣泛的支援。

使用使用 JPEGJPEG 格式壓縮的圖片檔案一般也被稱格式壓縮的圖片檔案一般也被稱為為

JPEG FilesJPEG Files ，最普遍被使用的副檔名格式為，最普遍被使用的副檔名格式為.jpg.jpg ，其他常用的副檔名還包，其他常用的副檔名還包 .jpeg.jpeg ，， .jpe.jpe ，， ..

jfifjfif

以及以及 .jif.jif 。。 JPEGJPEG 格式的資料也能被嵌進其他格式的資料也能被嵌進其他類類

型的檔案格式中，像是型的檔案格式中，像是 TIFFTIFF 類型的檔案格類型的檔案格式。 式。

.貳.貳 JPGJPG 的形成技術的形成技術1.1. 編碼編碼在在 JPEGJPEG 標準中這個選項大多都是很少使用。當標準中這個選項大多都是很少使用。當應用到一個擁有每個像素應用到一個擁有每個像素 2424 位元位元 (24 bits per (24 bits per

pixelpixel ，紅、藍、綠各有八位元，紅、藍、綠各有八位元 )) 的輸入時，這邊的輸入時，這邊只有針對更多普遍編碼方法之一的簡潔描述。這只有針對更多普遍編碼方法之一的簡潔描述。這個特定的選擇是一種失真資料壓縮方法。 個特定的選擇是一種失真資料壓縮方法。

①① 色彩空間轉換色彩空間轉換 首先，影像由首先，影像由 RGB(RGB( 紅綠藍紅綠藍 )) 轉換為一種稱為轉換為一種稱為 YUVYUV 的的

不不同色彩空間。 同色彩空間。

這與模擬這與模擬 PALPAL 彩色電視傳輸所使用的色彩空間相似，彩色電視傳輸所使用的色彩空間相似，但是更類似於但是更類似於 MACMAC 電視傳輸系統運作的方式。但不是電視傳輸系統運作的方式。但不是模擬模擬 NTSCNTSC ，模擬，模擬 NTSCNTSC 使用的是使用的是 YIQYIQ 色彩空間。 色彩空間。 ②② 縮減取樣縮減取樣 (Downsampling)(Downsampling)

上面所作的轉換使下一步驟變為可能，也就是減少 上面所作的轉換使下一步驟變為可能，也就是減少 U U

和 和 V V 的成份稱為的成份稱為 "" 縮減取樣縮減取樣 "" 或或 "" 色度抽樣“色度抽樣“ (chroma (chroma

subsampling)subsampling) 。 。 在在 JPEGJPEG 上這種縮減取樣的比例可以是上這種縮減取樣的比例可以是 4:4:44:4:4 （無縮減（無縮減取樣），取樣）， 4:2:24:2:2 （在水平方向 （在水平方向 2 2 的倍數中取一個），以的倍數中取一個），以及最普遍的及最普遍的 4:2:04:2:0 （在水平和垂直方向 （在水平和垂直方向 2 2 的倍數中取一的倍數中取一個）。 個）。 對於壓縮過程的剩餘部份，對於壓縮過程的剩餘部份， YY 、、 UU 、和 、和 V V 都是以非常都是以非常類似的方式來個別地處理。類似的方式來個別地處理。

③③ 離散餘弦變換離散餘弦變換 (Discrete cosine transform)(Discrete cosine transform)

下一步，將影像中的每個成份下一步，將影像中的每個成份 (Y, U, V)(Y, U, V) 生成三個區生成三個區域，每一個區域再劃分成如磁磚般排列的一個個的域，每一個區域再劃分成如磁磚般排列的一個個的8×88×8子區域，每一子區域使用二維的子區域，每一子區域使用二維的離散餘弦變換離散餘弦變換(DCT)(DCT) 轉換到頻率空間。 轉換到頻率空間。 ※※P.S.P.S. 離散餘弦變換離散餘弦變換 (DCT)(DCT)

簡介簡介 ::

離散餘弦變換離散餘弦變換 ((DCT for Discrete Cosine Transform)DCT for Discrete Cosine Transform)是是

與傅里葉變換相關的一種變換，它類似於離散傅里葉與傅里葉變換相關的一種變換，它類似於離散傅里葉變換變換 (DFT for Discrete Fourier Transform)(DFT for Discrete Fourier Transform) ，但是只，但是只

使使用實數。用實數。

離散餘弦變換相當於一個長度大概是它兩倍的離散傅離散餘弦變換相當於一個長度大概是它兩倍的離散傅里葉變換，這個離散傅里葉變換是對一個實偶函數進里葉變換，這個離散傅里葉變換是對一個實偶函數進行的行的 ((因為一個實偶函數的傅里葉變換仍然是一個實因為一個實偶函數的傅里葉變換仍然是一個實偶偶函數函數 )) ，在有些變形裏面需要將輸入或者輸出的位置，在有些變形裏面需要將輸入或者輸出的位置移移動半個單位動半個單位 (DCT(DCT 有有 88 種標準類型，其中種標準類型，其中 44 種是常見種是常見的的 )) 。 。 最常用的一種離散餘弦變換的類型是下面給出的第二最常用的一種離散餘弦變換的類型是下面給出的第二種類型，通常我們所說的離散餘弦變換指的就是這種類型，通常我們所說的離散餘弦變換指的就是這種。它的逆，也就是下面給出的第三種類型，通常相種。它的逆，也就是下面給出的第三種類型，通常相應的被稱為“反離散餘弦變換”，“逆離散餘弦變換應的被稱為“反離散餘弦變換”，“逆離散餘弦變換”或”或者者 "IDCT""IDCT" 。 。

有兩個相關的變換，一個是離散正弦變換有兩個相關的變換，一個是離散正弦變換 (DST for (DST for

Discrete Sine Transform)Discrete Sine Transform) ，它相當於一個長度大概是，它相當於一個長度大概是它兩倍的實奇函數的離散傅里葉變換；另一個是改進它兩倍的實奇函數的離散傅里葉變換；另一個是改進的離散餘弦變換的離散餘弦變換 (MDCT for Modified Discrete Cosine (MDCT for Modified Discrete Cosine

Transform)Transform) ，它相當於對交疊的數據進行離散餘弦變，它相當於對交疊的數據進行離散餘弦變換。換。

應用：應用：離散餘弦變換，經常被信號處理和圖像處理使用，用離散餘弦變換，經常被信號處理和圖像處理使用，用於對信號和圖像於對信號和圖像 (( 包括靜止圖像和運動圖像包括靜止圖像和運動圖像 )) 進行有損進行有損數據壓縮。這是由於離散餘弦變換具有很強的“能量集數據壓縮。這是由於離散餘弦變換具有很強的“能量集中“特性，大多數的自然信號中“特性，大多數的自然信號 (( 包括聲音和圖像包括聲音和圖像 )) 的能量的能量都集中在離散餘弦變換後的低頻部分，而且當信號具都集中在離散餘弦變換後的低頻部分，而且當信號具有接近馬爾可夫過程有接近馬爾可夫過程 (Markov processes)(Markov processes) 的統計特性的統計特性時，離散餘弦變換的去相關性接近於時，離散餘弦變換的去相關性接近於 K-LK-L 變換變換(Karhunen-Loève (Karhunen-Loève 變換變換 ----它具有最優的去相關性它具有最優的去相關性 )) 的性的性能。能。離散餘弦變換也經常被用來使用譜方法來解偏微分方離散餘弦變換也經常被用來使用譜方法來解偏微分方程，這時候離散餘弦變換的不同的變量對應着數組兩程，這時候離散餘弦變換的不同的變量對應着數組兩端不同的奇端不同的奇 //偶邊界條件。 偶邊界條件。

④④ 量化量化 (Quantization)(Quantization)

人類眼睛在一個相對大範圍區域，辨別亮度上 細微差人類眼睛在一個相對大範圍區域，辨別亮度上 細微差異是相當的好，但是在一個高頻率亮度變動之確切強異是相當的好，但是在一個高頻率亮度變動之確切強度的分辨上，卻不是如此地好。這個事實讓我們能在度的分辨上，卻不是如此地好。這個事實讓我們能在高頻率成份上極佳地降低資訊的數量。簡單地把頻率 高頻率成份上極佳地降低資訊的數量。簡單地把頻率 領域上每個成份，除以一個對於該成份的常數就可完領域上每個成份，除以一個對於該成份的常數就可完成，且接著捨位取最接近的整數。這是整個過程中的成，且接著捨位取最接近的整數。這是整個過程中的主要失真運算。以這個結果而言，經常會把很多更高主要失真運算。以這個結果而言，經常會把很多更高頻率的 成份捨位成為接近 頻率的 成份捨位成為接近 00 ，且剩下很多會變成小，且剩下很多會變成小

的的正或負數。正或負數。

⑤⑤ 熵編碼技術熵編碼技術 (entropy coding)(entropy coding)

熵編碼是熵編碼是無失真資料壓縮無失真資料壓縮的一個特別形式。它牽涉到的一個特別形式。它牽涉到將影像成份以 將影像成份以 Z Z 字型（字型（ zigzagzigzag ）排列，把相似頻率）排列，把相似頻率群群

組在一起（矩陣中往左上方向是越低頻率之係數，往組在一起（矩陣中往左上方向是越低頻率之係數，往右下較方向是較高頻率之係數），插入長度編碼的右下較方向是較高頻率之係數），插入長度編碼的零，且接著對剩下的使用零，且接著對剩下的使用霍夫曼編碼霍夫曼編碼。 。 JPEGJPEG 標準也標準也允許（但是並不要求）在數學上優於霍夫曼編碼的算允許（但是並不要求）在數學上優於霍夫曼編碼的算術編碼之使用。然而，這個特色幾乎很少被使用，因術編碼之使用。然而，這個特色幾乎很少被使用，因為它被專利所涵蓋，且它相較於霍夫曼編碼在編碼和為它被專利所涵蓋，且它相較於霍夫曼編碼在編碼和解碼上會更慢。使用算術編碼一般會讓檔案更小約 解碼上會更慢。使用算術編碼一般會讓檔案更小約 5%5% 。 。

⑥⑥ 壓縮比率與不自然痕跡壓縮比率與不自然痕跡 (artifact)(artifact)

在量化階段時，依照除數的不同，會使結果的壓縮比在量化階段時，依照除數的不同，會使結果的壓縮比率可能有很多變化。率可能有很多變化。 10:110:1 通常可得到無法使用肉眼通常可得到無法使用肉眼分分

辨與原圖差異的影像。辨與原圖差異的影像。 100:1100:1 壓縮通常是可行的，但壓縮通常是可行的，但與原圖相較，會看出明顯的不自然痕跡。壓縮的適當與原圖相較，會看出明顯的不自然痕跡。壓縮的適當等級是依據要壓縮那一種影像而定。 等級是依據要壓縮那一種影像而定。 使用全球資訊網的人，可能熟悉這種出現在使用全球資訊網的人，可能熟悉這種出現在 JPEGJPEG 數數位影像，已知壓縮人為現象的不規則現象。這是由於位影像，已知壓縮人為現象的不規則現象。這是由於JPEGJPEG演算法的量化步驟所造成的結果。這種現象在演算法的量化步驟所造成的結果。這種現象在臉部照片中的眼睛四周特別明顯。他們可以藉由選擇臉部照片中的眼睛四周特別明顯。他們可以藉由選擇壓縮的較低水平（使用較低的壓縮率）來減少這種現壓縮的較低水平（使用較低的壓縮率）來減少這種現象；他們可能藉由使用無失真檔案格式來儲存一個影象；他們可能藉由使用無失真檔案格式來儲存一個影像來消除這種現象，然而針對照片影像，這樣通常會像來消除這種現象，然而針對照片影像，這樣通常會使檔案大小增加。 使檔案大小增加。

2.2. 其他失真壓縮的編碼格式其他失真壓縮的編碼格式 更新的失真方法，尤其是小波壓縮（更新的失真方法，尤其是小波壓縮（ wavelet wavelet

compressioncompression ），在這些情況下甚至能作得更），在這些情況下甚至能作得更好。然而，好。然而， JPEGJPEG 是一種建立得相當好的標準，是一種建立得相當好的標準，擁有很多可使用的軟體，包含自由軟體，因此到擁有很多可使用的軟體，包含自由軟體，因此到20052005 年它持續被大量使用。很多小波演算法受年它持續被大量使用。很多小波演算法受

到到專利保護，要在很多軟體專案中自由地使用他們專利保護，要在很多軟體專案中自由地使用他們是困難或是不可能的。是困難或是不可能的。JPEGJPEG 委員會現在也已經建立其自有的小波基礎委員會現在也已經建立其自有的小波基礎標準－標準－ JPEG 2000JPEG 2000 ，希望最終能取代原來的，希望最終能取代原來的JPEGJPEG 標準。標準。