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JPEG文件簡介

JPEG的全稱是JointPhotographicExpertsGroup（聯(lián)合圖像專家小組），它是一種常用的圖像存儲格式， jpg/jpeg是24位的圖像文件格式，也是一種高效率的壓縮格式，文件格式是JPEG（聯(lián)合圖像專家組）標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)物，該圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)是國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）和國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）共同制定。JPEG標(biāo)準(zhǔn)正式地稱為ISO/IEC IS（國際標(biāo)準(zhǔn)）10918-1：連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像數(shù)字壓縮和編碼（Digital Compression and Coding of Continuous-tone Still Images）和ITU-T建議T.81。

JPEG是第一個國際圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，用于連續(xù)色調(diào)靜態(tài)圖像（即包括灰度圖像和彩色圖像），其最初目的是使用64Kbps的通信線路傳輸720×576 分辨率壓縮后的圖像。通過損失極少的分辨率，可以將圖像所需存儲量減少至原大小的10％。由于其高效的壓縮效率和標(biāo)準(zhǔn)化要求，目前已廣泛用于彩色傳真、靜止圖像、電話會議、印刷及新聞圖片的傳送上。但那些被刪除的資料無法在解壓時還原，所以* .jpg/.jpeg文件并不適合放大觀看，輸出成印刷品時品質(zhì)也會受到影響。

JPEG文件格式

JPEG的文件格式一般有兩種文件擴(kuò)展名：.jpg和.jpeg，這兩種擴(kuò)展名的實(shí)質(zhì)是相同的，我們可以把.jpg的文件改名為.jpeg，而對文件本身不會有任何影響。嚴(yán)格來講，JPEG的文件擴(kuò)展名應(yīng)該為.jpeg，由于DOS時代的8.3文件名命名原則，就使用了.jpg的擴(kuò)展名，這種情況類似于.htm和.html的區(qū)別。

JPEG標(biāo)準(zhǔn)不指定任何固有的文件格式。它只定義壓縮比特流的語法。這就產(chǎn)生了一定數(shù)量的文件格式來存儲JPEG壓縮后的圖像，例如JPEG文件交換格式（JPEG File Interchange Format，JFIF），JPEG推廣到TIFF6.0、FlashPix等。但它們中的每一個都不能認(rèn)為是由國際標(biāo)準(zhǔn)委員會支持的正式定義的國際標(biāo)準(zhǔn)。

JPEG格式可以分為標(biāo)準(zhǔn)JPEG、漸進(jìn)式JPEG和JPEG2000三種格式。

標(biāo)準(zhǔn)JPEG:該類型的圖片文件，在網(wǎng)絡(luò)上應(yīng)用較多，只有圖片完全被加載和讀取完畢之后，才能看到圖片的全貌；它是一種很靈活的圖片壓縮方式，用戶可以在壓縮比和圖片品質(zhì)之間進(jìn)行權(quán)衡。不過，通常來講，其壓縮比在10:1到40:1之間，壓縮比越大，品質(zhì)就越差，壓縮比越小，品質(zhì)就越好。JPEG格式壓縮的主要是高頻信息，對色彩的信息保留較好，適合應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，可減少圖像的傳輸時間，可以支持24bit真彩色，也普遍應(yīng)用于需要連續(xù)色調(diào)的圖像。JPEG由于可以提供有損壓縮，因此壓縮比可以達(dá)到其他傳統(tǒng)壓縮算法無法比擬的程度。其壓縮模式有以下幾種：

順序式編碼（SequentialEncoding）

遞增式編碼（ProgressiveEncoding）

無失真編碼（LosslessEncoding）

階梯式編碼（HierarchicalEncoding）

JPEG的壓縮步驟

顏色轉(zhuǎn)換：由于JPEG只支持YUV顏色模式，而不支持RGB顏色模式，所以在將彩色圖像進(jìn)行壓縮之前，必須先對顏色模式進(jìn)據(jù)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成之后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。一般采用的采樣比例是2：1：1或4：2：2。由于在執(zhí)行了此項工作之后，每兩行數(shù)據(jù)只保留一行，因此，采樣后圖像數(shù)據(jù)量將壓縮為原來的一半。

DCT變換：DCT（DiscreteConsineTransform）是將圖像信號在頻率域上進(jìn)行變換，分離出高頻和低頻信息的處理過程。然后再對圖像的高頻部分（即圖像細(xì)節(jié)）進(jìn)行壓縮，以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。首先將圖像劃分為多個8*8的矩陣。然后對每一個矩陣作DCT變換（變換公式此略）。變換后得到一個頻率系數(shù)矩陣，其中的頻率系數(shù)都是浮點(diǎn)數(shù)。

量化：由于在后面編碼過程中使用的碼本都是整數(shù)，因此需要對變換后的頻率系數(shù)進(jìn)行量化，將之轉(zhuǎn)換為整數(shù)。由于進(jìn)行數(shù)據(jù)量化后，矩陣中的數(shù)據(jù)都是近似值，和原始圖像數(shù)據(jù)之間有了差異，這一差異是造成圖像壓縮后失真的主要原因。

編碼：編碼采用兩種機(jī)制：一是0值的行程長度編碼；二是熵編碼（EntropyCoding）。在JPEG中，采用曲徊序列，即以矩陣對角線的法線方向作“之”字排列矩陣中的元素。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是使得靠近矩陣左上角、值比較大的元素排列在行程的前面，而行程的后面所排列的矩陣元素基本上為0值。行程長度編碼是非常簡單和常用的編碼方式，在此不再贅述。編碼實(shí)際上是一種基于統(tǒng)計特性的編碼方法。在JPEG中允許采用HUFFMAN編碼或者算術(shù)編碼。

更詳細(xì)可以參看《色彩空間RGB/CMYK/HSL/HSB/HSV/Lab/YUV基礎(chǔ)理論及轉(zhuǎn)換方法:RGB與YUV》、《視頻采樣,量化,編碼,壓縮,解碼相關(guān)技術(shù)原理學(xué)習(xí)筆記》

Baseline JPEG/基本JPEG：這種類型的JPEG文件存儲方式是按從上到下的掃描方式，把每一行順序的保存在JPEG文件中。打開這個文件顯示它的內(nèi)容時，數(shù)據(jù)將按照存儲時的順序從上到下一行一行的被顯示出來，直到所有的數(shù)據(jù)都被讀完，就完成了整張圖片的顯示。這種圖片在web中，如果沒有給圖片指定寬高，會造成重繪。

progressive jpeg/漸進(jìn)式JPEG：JPEG文件包含多次掃描，這些掃描順尋的存儲在JPEG文件中。打開文件過程中，會先顯示整個圖片的模糊輪廓，隨著掃描次數(shù)的增加，圖片變得越來越清晰。該類型的圖片是對標(biāo)準(zhǔn)JPEG格式的改進(jìn)，當(dāng)在網(wǎng)頁上下載漸進(jìn)式JPEG圖片時，首先呈現(xiàn)圖片的大概外貌，然后再逐漸呈現(xiàn)具體的細(xì)節(jié)部分，因而被稱之為漸進(jìn)式JPEG。這種通過HTTP2 多路復(fù)用傳遞漸進(jìn)式JPEG的掃描圖層來提高感知性能和速度指數(shù)的方式已經(jīng)早在2012年被Google的John Mellor注意到了。他一直在實(shí)驗(yàn)SPDY協(xié)議，HTTP2的前身。

JPEG2000：一種全新的圖片壓縮發(fā)，壓縮品質(zhì)更好，并且改善了無線傳輸時，因信號不穩(wěn)定而造成的馬賽克及位置錯亂等問題。另外，作為JPEG的升級版，JPEG2000的壓縮率比標(biāo)準(zhǔn)JPEG高約30%，同時支持有損壓縮和無損壓縮。它還支持漸進(jìn)式傳輸，即，先傳輸圖片的粗略輪廓，然后，逐步傳輸細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，使得圖片由模糊到清晰逐步顯示。此外，JPEG2000還支持感興趣區(qū)域，也就是說，可以指定圖片上感興趣區(qū)域的壓縮質(zhì)量，還可以選擇指定的部分先進(jìn)行解壓。還有個優(yōu)勢就是，JPEG2000從無損壓縮到有損壓縮可以兼容

壓縮步驟

由于JPEG的有損壓縮方式（Lossy mode of operation）并不比其他的壓縮方法更優(yōu)秀，

因此我們著重來看它的有損壓縮中最常用的基線JPEG算法(baseline sequential)。以一幅24位彩色圖像為例，JPEG的壓縮步驟分為：

顏色轉(zhuǎn)換

JPEG支持圖像采用任何一個色彩空間，支持1~4個顏色分量?；叶葓D像顏色分量數(shù)為1。RGB、YUV、YCbCr等擁有3種顏色分量。4種顏色分量的例子是青、洋紅、黃和黑（Cyan，Magenta，Yellow，and Black，CMYK）。為了減少色度通道包含的大量的冗余信息，本例中采用YCbCr色彩空間。首先需要進(jìn)行從RGB到Y(jié)CbCr的色彩空間變換：

Y = 0.299000R + 0.587000G + 0.114000B

Cb = -0.168736R - 0.331264G + 0.500002B

Cr = 0.500000R - 0.418688G - 0.081312B

其中，Y表示亮度分量，Cb和Cr表示藍(lán)紅色度分量。

DC電平偏移

最初，在圖像中的像素存儲在無符號的整數(shù)中。對于數(shù)學(xué)計算，在圖像中任何變換或數(shù)學(xué)計算開始之前，根本上是將這些采樣轉(zhuǎn)換成兩個補(bǔ)碼表示。DC電平偏移的目的是保證輸入圖像的采樣有近似地集中在零附近的動態(tài)范圍。DC電平偏移執(zhí)行的圖像采樣只通過無符號數(shù)表示。

方法：假設(shè)圖片分量的采樣精度為n，那么分量中的每個像素值應(yīng)減去2的(n-1)次冪。

對于圖像而言他的采樣由無符號的整數(shù)表示，例如CT(X光斷層成像)圖像，動態(tài)范圍已經(jīng)集中于零附近，所以不需要DC電平偏移。

子采樣

色彩空間轉(zhuǎn)換之后，圖像的大多數(shù)空間信息包含在亮度分量Y中。色度分量Cb和Cr包含大量冗余的顏色信息，所以我們運(yùn)用子采樣較少色度數(shù)據(jù)量以在丟失少量信息的情況下壓縮圖像?；€JPEG常用的子采樣格式為4：2：0，同時支持4：2：2和4：4：4顏色格式。

DCT變換

DCT（DiscreteCosineTransform）是將圖像信號在頻率域上進(jìn)行變換，分離出高頻和低頻信息的處理過程。然后再對圖像的高頻部分（即圖像細(xì)節(jié)）進(jìn)行壓縮，以達(dá)到壓縮圖像數(shù)據(jù)的目的。首先將圖像劃分為多個8*8的矩陣。然后對每一個矩陣作DCT變換。變換后得到一個頻率系數(shù)矩陣，其中的頻率系數(shù)都是浮點(diǎn)數(shù)。

量化

由于在后面編碼過程中使用的碼本都是整數(shù)，因此需要對變換后的頻率系數(shù)進(jìn)行量化，將之轉(zhuǎn)換為整數(shù)。由于進(jìn)行數(shù)據(jù)量化后，矩陣中的數(shù)據(jù)都是近似值，和原始圖像數(shù)據(jù)之間有了差異，這一差異是造成圖像壓縮后失真的主要原因。

在這一過程中，質(zhì)量因子的選取至為重要。值選得過大，可以大幅度提高壓縮比，但是圖像質(zhì)量就比較差；反之，質(zhì)量因子越小（最小為1），圖像重建質(zhì)量越好，但是壓縮比越低。對此，ISO已經(jīng)制定了一組供JPEG代碼實(shí)現(xiàn)者使用的標(biāo)準(zhǔn)量化值。

右圖的兩個量化表的設(shè)計是根據(jù)由Lohscheller做的心理視覺實(shí)驗(yàn)來確定二維基函數(shù)的可見閾值。

編碼

從前面過程我們可以看到，顏色轉(zhuǎn)換完成到編碼之前，圖像并沒有得到進(jìn)一步的壓縮，DCT變換和量化可以說是為編碼階段做準(zhǔn)備。

編碼采用兩種機(jī)制：一是0值的行程長度編碼；二是熵編碼（EntropyCoding）。

之字形排序（Zig-zag ordering）

在JPEG中，采用曲徊序列，即以矩陣對角線的法線方向作“之”字排列矩陣中的元素。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是使得靠近矩陣左上角、值比較大的元素排列在行程的前面，而行程的后面所排列的矩陣元素基本上為0值。

使用RLE對交流系數(shù)(AC)進(jìn)行編碼

行程長度編碼是非常簡單和常用的編碼方式，在此不再贅述。

需要注意的是，AC系數(shù)的之字形序列編碼中有兩個特殊符號——（0，0）和（15，0）。第一個特殊符號指的是塊的結(jié)束(end-of-block，EOB)，用來表明在之字形塊中剩余的元素都是零。另一個特殊符號是指零游程長度（zero-run-length，ZRL），用來表明16個零游程?；€JPEG允許的零游程最大長度是16個。如果這里的零超過16個，那么這個游程分成幾個長度為16的零游程。

使用DPCM對直流系數(shù)(DC)進(jìn)行編碼

DCT系數(shù)量化之后，通過差分編碼對量化后的DC系數(shù)編碼。當(dāng)前塊的DC系數(shù)減去前個塊的DC系數(shù)，然后對其差值進(jìn)行編碼，如右圖所示。這就利用了鄰接塊DC值之間的空間相關(guān)性。

熵編碼：編碼實(shí)際上是一種基于統(tǒng)計特性的編碼方法。在JPEG中允許采用HUFFMAN編碼或者算術(shù)編碼。而基線JPEG算法(baseline sequential)采用的是前者。

經(jīng)過RLE編碼的AC系數(shù)可以映射成兩個標(biāo)志(RUNLENGTH，CATEGORY)和(AMPLITUDE)，前者采用的是霍夫曼編碼，而后者采用的是VLI編碼。同理經(jīng)過DPCM編碼的DC系數(shù)同樣可以映射成兩個標(biāo)志（CATEGORY）和(AMPLITUDE)，前者采用霍夫曼編碼，后者采用VLI編碼。

基線JPEG允許使用4個霍夫曼表，兩個用于AC系數(shù)編碼，兩個用于DC系數(shù)編碼。

如何識別JEPG文件的

其實(shí)很簡單，就是判斷前面3個字節(jié)是什么，如果發(fā)現(xiàn)是FF D8 FF開始，那就認(rèn)為它是JEPG圖片。

JPG文件是由一段段的數(shù)據(jù)構(gòu)成的組成的（segment），段的多少和長度并不是一定的。只要包含了足夠的信息，該JPEG文件就能夠被打開。

JPEG格式和標(biāo)記

JPEG圖片格式組成部分：SOI（文件頭）+APP0（圖像識別信息）+ DQT（定義量化表）+ SOF0（圖像基本信息）+ DHT（定義Huffman表） + DRI（定義重新開始間隔）+ SOS（掃描行開始）+ EOI（文件尾）

以16進(jìn)制模式打開JPG文件，就會發(fā)現(xiàn)

JPEG 文件中有一些形如 0xFF** 這樣的數(shù)據(jù)，它們被稱為“標(biāo)志（Marker）”，它表示 JPEG 信息數(shù)據(jù)段。例如 0xFFD8 代表 SOI(Start of image), 0xFFD9 代表 EOI(End of image)。

標(biāo)志 0xFFE0~0xFFEF 被稱為 "Application Marker"，它們不是解碼 JPEG 文件必須的，可以被用來存儲配置信息等。EXIF 也是利用這個標(biāo)志段來插入信息的，具體來說，是 APP1(0xFFE1) Marker。所有的 EXIF 信息都存儲在該數(shù)據(jù)段。

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名稱??標(biāo)記碼??說明

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SOI???D8?????文件頭

EOI???D9?????文件尾

SOF0??C0?????幀開始（標(biāo)準(zhǔn)?JPEG）

SOF1??C1?????同上

DHT???C4?????定義?Huffman?表（霍夫曼表）

SOS???DA?????掃描行開始

DQT???DB?????定義量化表

DRI???DD?????定義重新開始間隔

APP0??E0?????定義交換格式和圖像識別信息

DNL???DC?????標(biāo)記碼

COM???FE?????注釋

段類型有30種，但只有10種是必須被所有程序識別的，其它的類型都可以忽略。

JPEG format and Marker

SOI MarkerMarker XX size=SSSSMarker YY size=TTTTSOS Marker size=UUUUImage streamEOI Marker

FFD8FFXXSSSSDDDD......FFYYTTTTDDDD......FFDAUUUUDDDD....I I I I....FFD9

0xFFE0~0xFFEF之間的標(biāo)記被叫做 "應(yīng)用標(biāo)記", 它們在JPEG圖像解碼中不是必須存在的. 它們被使用于用戶的應(yīng)用程序之中. 例如, 老款的olympus/canon/casio/agfa 數(shù)字相機(jī)使用 JFIF(JPEG文件交換格式/JPEG File Interchange Format)來存儲圖像. JFIF 使用 APP0(0xFFE0) 標(biāo)記來插入數(shù)字相機(jī)的配置信息數(shù)據(jù)和縮略圖.

Exif也使用應(yīng)用標(biāo)記來插入數(shù)據(jù), 但是Exif 使用 APP1(0xFFE1)標(biāo)記來避免與JFIF格式的沖突. 且每一個 Exif 文件格式都開始于它, 如

SOI 標(biāo)記標(biāo)記 XX 的大小=SSSS標(biāo)記 YY 的大小=TTTTSOS 標(biāo)記的大小=UUUU圖像數(shù)據(jù)流EOI 標(biāo)記

FFD8FFXXlo0pSSSSDDDD......FFYYTTTTDDDD......FFDAUUUUDDDD....I I I I....FFD9

Exif也使用應(yīng)用標(biāo)記來插入數(shù)據(jù), 但是Exif 使用 APP1(0xFFE1)標(biāo)記來避免與JFIF格式的沖突. 且每一個 Exif 文件格式都開始于它, 如;

Marker used by Exif

0xFF+Marker Number(1 byte)+Data size(2 bytes)+Data(n bytes)

SOI MarkerAPP1 MarkerAPP1 DataOther Marker

FFD8FFE1SSSS 457869660000 TTTT......FFXX SSSS DDDD......

該圖像文件從SOI(0xFFD8) 標(biāo)記開始, 因此它是一個 JPEG 文件. 后面馬上跟著 APP1 標(biāo)記. 而它的所有 Exif數(shù)據(jù)都被存儲在 APP1 數(shù)據(jù)域中. 上面的 "SSSS" 這部分表示 APP1 數(shù)據(jù)域 (Exif data area)的大小. 請注意這里的大小 "SSSS" 包含描述符本身的大小.

在 "SSSS"后面, 是 APP1 的數(shù)據(jù). 其中第一個部分是一個特殊的數(shù)據(jù)，它用來標(biāo)識是否是 Exif, 其值是ASCII 字符 "Exif" 和兩個0x00字節(jié) 的組合字符串.

在 APP1 標(biāo)記域的后面是, 跟隨著其他的 JPEG 標(biāo)記

exif數(shù)據(jù)解析

如果圖片圖片是16進(jìn)制數(shù)據(jù)，如下：

FF D8??FF E0 00 10 4A 46 49 46 00 01 02 01 00 60 00 60? ?00 00??FF E1 08 32 45 78 69 66 00 00 49 49 10 60 00 60? ?20 00 ……?FFD9??

那么FF D8為SOI標(biāo)志位，F(xiàn)F E0為exif文件起始位，后面四位為exif marker信息的長度。取這個長度的數(shù)據(jù)解析為TIFFdata數(shù)據(jù)，exif直接解析為字符串貌似也沒有問題。?

FF D8

FF?E000 10?4A 46 49 46 00 01 02 01 00 60 00 60? ?00 00? ? ? ? mark0，00 10 =16位

????FF?E108 32?45 78 69 66 00 00 49 49?10 60 00 60? ?20 00 ……?mark1，00 10 =2098位

????……?

? ?Image stream

FFD9

每個段都是由FFxx開頭，其中xx是段的標(biāo)識，接著就是就是兩位的端長度。后面跟著的就是數(shù)據(jù)。前面的元數(shù)據(jù)外讀取完成后，后面的二進(jìn)制數(shù)據(jù)就是圖片數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)大小描述符(2個字節(jié)) 是 "Motorola" 的字節(jié)順序, 數(shù)據(jù)的低位被存放在高地址，也就是 BigEndian. 請注意上面中的 "數(shù)據(jù)內(nèi)容" 中包含他前面的數(shù)據(jù)大小描述符, 如果下面的是一個標(biāo)記的話;

這個長度的表示方法是按照高位在前，低位在后的，與 Intel 的表示方法不同。比方說一個段的長度是0x12AB，那么它會按照0x12，0xAB的順序存儲。但是如果按照Intel的方式：高位在后，低位在前的方式會存儲成0xAB，0x12，而這樣的存儲方法對于JPEG是不對的。這樣的話如果一個程序不認(rèn)識JPEG文件某個段，它就可以讀取后兩個字節(jié)，得到這個段的長度，并跳過忽略它。

關(guān)于exif信息解碼，請閱讀《JPEG/Exif/TIFF格式解讀(2):圖片元數(shù)據(jù)保存及EXIF詳解》

jpeg10中必須的段類型

這里列舉10種必備的段類型

APP0圖像識別信息

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名稱??????字節(jié)數(shù)???值???????????????????說明

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段標(biāo)識???????1?????FF

段類型???????1?????E0

段長度???????2?????0010???????????????如果有RGB縮略圖就＝16＋3n

　　（以下為段內(nèi)容）

交換格式??????5????4A46494600??????????“JFIF”的ASCII碼

主版本號??????1

次版本號??????1??

密度單位??????1????0＝無單位；1＝點(diǎn)數(shù)/英寸；2＝點(diǎn)數(shù)/厘米

X像素密度?????2?????????????????????????水平方向的密度???

Y像素密度?????2?????????????????????????垂直方向的密度

縮略圖X像素???1?????????????????????????縮略圖水平像素數(shù)目??

縮略圖Y像素???1?????????????????????????縮略圖垂直像素數(shù)目

（如果“縮略圖X像素”和“縮略圖Y像素”的值均＞0，那么才有下面的數(shù)據(jù)）

RGB縮略圖?????3×n??n＝縮略圖像素總數(shù)＝縮略圖X像素×縮略圖Y像素

說明：

JFIF是JPEG File Interchange Forma的縮寫，即JPEG文件交換格式，另外還有TIFF等格式，很少用

“如果有RGB縮略圖就＝16＋3n”是什么意思呢？比如說“縮略圖X像素”和“縮略圖Y像素”的值均為48，就表示有一個48×48像素的縮略圖（ｎ＝48×48），縮略圖是24位真彩位圖，用３個字節(jié)來表示一個像素，所以共占用3n個字節(jié)。但大多數(shù)JPG文件都沒有這個“雞肋”縮略圖。

DQT定義量化表

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名稱??字節(jié)數(shù)?值???????說明

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段標(biāo)識???1?????FF

段類型???1?????DB

段長度???2?????43??????其值＝3＋n（當(dāng)只有一個QT時）

（以下為段內(nèi)容）

QT信息??1?????0－3位：QT號

4－7位：QT精度（0＝8bit，1字節(jié)；否則＝16bit，2字節(jié)）

QT????????n?????????????n＝64×QT精度的字節(jié)數(shù)

說明：