当我们用手机拍照或在网上下载图片时,遇到最多的就是JPEG格式的文件，你可能知道它是一种常见的图片格式，但你是否好奇过，为什么它如此普及？它背后是如何工作的？下面我们就来彻底拆解JPEG，从它的设计目标到文件结构，再到核心的压缩原理。
要理解JPEG的核心目标不是无损保存图像,而是用最小的文件大小获得人眼看起来尽可能清晰的图片，它是一种“有损压缩”格式，想象一下音乐中的MP3，它去掉了人耳不太敏感的高频声音，从而减小文件大小，JPEG做的也是类似的事情，但它针对的是人眼的视觉特性。
为什么需要压缩？ 一张未经压缩的图片文件非常大，一张1000万像素的照片，如果每个像素用红、绿、蓝（RGB）三个颜色值表示，每个值占8比特（也就是0-255的数值），那么这张图片的原始大小就是 10,000,000 3 8 bit = 240,000,000 比特，约等于30兆字节（MB），这对于存储和网络传输来说是难以接受的，JPEG的魔力就在于，它能把这张图压缩到只有1-3MB，而肉眼几乎看不出明显的质量损失。
JPEG的压缩魔法：一步步来看
JPEG的压缩不是一步完成的,而是一个精妙的流水线过程。
第一步：色彩空间转换（从RGB到YCbCr） 这是最关键的一步，我们的眼睛对图片的亮度信息（也就是黑白轮廓）非常敏感，但对颜色的细微变化不那么敏感，JPEG利用了这一点。 一张彩色图片通常由红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色混合而成，JPEG首先会把图片从RGB模式转换到YCbCr模式，这里的Y代表“亮度”，也就是图像的明暗细节，Cb和Cr代表“色度”，分别是蓝色和红色的相对分量。 转换后，JPEG就可以把更多的“精力”用在保存亮度信息上，而可以“偷懒”处理颜色信息。
第二步：降采样（处理颜色信息） 这是实现高压缩率的关键一招，因为人眼对颜色不敏感，JPEG会对Cb和Cr这两个色度通道进行“降采样”，最常见的方式是“4:2:0”采样，意思是把色度信息的分辨率在水平和垂直方向上都减半。 原本可能是4个像素点各有1份颜色信息，现在变成这4个像素点共享1份颜色信息，这样一来，需要记录的颜色数据量直接减少了四分之三！但因为你看到的明暗轮廓（Y通道）是完整的，所以图片的整体观感并不会发生巨变，只是色彩的边缘可能变得稍微模糊一点，但通常难以察觉。
第三步：分块与离散余弦变换（DCT） JPEG会把亮度通道Y和降采样后的色度通道Cb、Cr分别处理，它把每个通道的图像分割成一个个8x8像素的小方块。 对每一个8x8的小方块，进行一种叫做“离散余弦变换”（DCT）的数学变换，你不用纠结于复杂的数学公式，可以把它理解成一个“翻译官”，它把这个由64个像素点组成的小方块，从“空间域”（每个点的亮度值）翻译成“频率域”（这个方块由哪些基本的波形图案组合而成）。 变换后，会得到一个8x8的DCT系数矩阵，这个矩阵左上角的系数代表“低频”信息，即这个方块大致的、平滑的色调和轮廓，越往右下角，系数代表的信息频率越高，即细节、边缘和噪声。
第四步：量化（有损压缩的核心） 量化是JPEG实现有损压缩最核心的一步，也是图像质量损失发生的地方。 JPEG有一个标准的“量化表”，这个表就像一张“重要性清单”，它告诉编码器：低频信息很重要，要精细保留；高频信息不太重要，可以大幅度舍弃。 具体做法是，将第三步得到的DCT系数矩阵中的每一个数值，除以量化表中对应位置的数值，然后四舍五入取整数，量化表里对应高频区域的除数很大，所以很多高频系数除以一个大数后，会变成0或者接近0的数字。 这个过程大量地抛弃了人眼不敏感的高频细节信息（比如物体表面极其细微的纹理），你设置的JPEG质量等级（如Photoshop里保存时的质量选择1-12级），本质上就是选择了不同的量化表：质量越高，量化表中的数值越小，保留的细节越多，文件也越大；质量越低，量化表中的数值越大，产生0就越多，压缩率越高，图片也越模糊。
第五步：编码（最后的压缩） 经过量化后，那个8x8的矩阵里充满了0，尤其是右下角区域，JPEG会用一种“之”字形（Zig-Zag）的顺序重新排列这些系数，把非0的系数集中在前面，大量的0集中在后面。 使用类似ZIP压缩的“霍夫曼编码”等无损压缩方法，对这些数据进行最后的打包，因为存在大量连续的0，这种编码方式可以极大地缩减最终的文件体积。
JPEG的文件结构 一个.jpeg文件并不是一堆杂乱的数据，它有着清晰的结构，它由一系列“段”组成，每个段都以一个特定的“标记码”开头，这些标记码就像书里的章节标题。 最重要的段包括：
当你用软件打开一张JPEG图片时,解码器就是按照相反的顺序，一步步解开这些数据，最终重建出显示在屏幕上的图像。
总结一下 JPEG的伟大之处在于它深刻地理解了人眼的弱点并加以利用，通过“重亮度、轻颜色”、“保留大体、舍弃细节”的策略，它成功地在文件大小和视觉质量之间找到了一个绝佳的平衡点，这就是为什么在过去几十年里，它一直是互联网和数码摄影领域最主流的图片格式，它的缺点也很明显：有损压缩不适合保存文字、线条图标或需要后期反复编辑的图片，因为每次编辑和保存都可能带来质量的进一步损失，但对于记录和分享那些色彩丰富的自然场景来说，JPEG无疑是一个高效而聪明的解决方案。
