做了幾年有關(guān)圖形、圖像的工作，對圖片格式算是小有經(jīng)驗，在此寫成一文章總結(jié)下。雖然一開始并不想講很理論的東西，但寫完后發(fā)現(xiàn)幾乎全是理論，細想一下關(guān)于圖片格式的知識本身就是理論的東西，囧~~ 那就力求用最簡單的方式將這些“理論”講清楚吧。

常見的圖片格式有bmp, jpg(jpeg), png, gif, webp等。

要講圖片格式還先得從圖像的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說起。在計算機中, 圖像是由一個個像素點組成，像素點就是顏色點，而顏色最簡單的方式就是用RGB或RGBA表示, 如圖所示

(圖1)

(圖2)

如果有A通道就表明這個圖像可以有透明效果。

R,G,B每個分量一般是用一個字節(jié)(8位)來表示，所以圖(1)中每個像素大小就是3*8=24位圖, 而圖(2)中每個像素大小是4*8=32位。

這里有三點需要說明:

如圖所示的圖像有9個像素點，如果從上往下排列成一維數(shù)據(jù)是(123456789)， 如果是從下往上排列則為(789456123)。 只所以會有這種區(qū)別是因為，前一種是以計算機圖形學(xué)的屏幕坐標(biāo)系為參考(右上為原點,y軸向下 )，而另后一種是以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)坐標(biāo)系為參考(右下為原點,y軸向上)。這兩個坐標(biāo)系只是y值不一樣，互相轉(zhuǎn)換的公式為:

y2 = height-1-y1

y1,y2分別為像素在兩個坐標(biāo)系中的y坐標(biāo)，height為圖像的高度。

不過好像只有bmp圖片格式以及windows下的GDI，GDI+是從下往上排列，其它比如DirectX,OpenGL,Cocoa(NSImage, UIImage),OpenCV等都是從上往下排列。

不同圖形庫中每個像素點中RGBA的排序順序可能不一樣。上面說過像素一般會有RGB,或RGBA四個分量，那么在內(nèi)存中RGB的排列就有6種情況，如下:

RGBA的排列有24種情況，這里就不全部列出來了。不過一般只會有RGB,BGR, RGBA, RGBA, BGRA這幾種排列據(jù)。 絕大多數(shù)圖形庫或環(huán)境是BGR/BGRA排列，cocoa中的NSImage或UIImage是RGBA排列。

如果是RGB24位圖，會存在一個32位對齊的問題——

在x86體系下，cpu一次處理32整數(shù)倍的數(shù)據(jù)會更快，圖像處理中經(jīng)常會按行為單位來處理像素。24位圖，寬度不是4的倍數(shù)時，其行字節(jié)數(shù)將不是32整數(shù)倍。這時可以采取在行尾添加冗余數(shù)據(jù)的方式，使其行字節(jié)數(shù)為32的倍數(shù)。

比如，如果圖像寬為5像素，不做32位對齊的話，其行字節(jié)數(shù)為24*5=120，120不是32的倍數(shù)。是32整數(shù)倍并且剛好比120大的數(shù)是128，也就只需要在其行尾添加1字節(jié)(8位)的冗余數(shù)據(jù)即可。(一個以空間換時間的例子)

有個公式可以輕松計算出32位對齊后每行應(yīng)該占的字節(jié)數(shù)

byteNum = ((width * 24 + 31) & ~31)>>3;

注意結(jié)果是字節(jié)數(shù)，如果想知道位數(shù)，還得x8

如果將圖像原始格式直接存儲到文件中將會非常大，比如一個5000*5000 24位圖，所占文件大小為5000*5000*3字節(jié)=71.5MB, 其大小非?？捎^。

如果用zip或rar之類的通用算法來壓縮像素數(shù)據(jù)，得到的壓縮比例通常不會太高，因為這些壓縮算法沒有針對圖像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行特殊處理。

于是就有了jpeg,png等格式，同樣是圖像壓縮算法jpeg和png也有不同的適用場景，具體在下文再闡述。

所以可以總結(jié)如下: jpeg,png文件之于圖像，就相當(dāng)于zip,rar格式之于普通文件(用zip,rar格式對普通文件進行壓縮)。

bmp格式?jīng)]有壓縮像素格式，存儲在文件中時先有文件頭、再圖像頭、后面就都是像素數(shù)據(jù)了，上下顛倒存儲。

用windows自帶的mspaint工具保存bmp格式時，可以發(fā)現(xiàn)有四種bmp可供選擇：

單色: 一個像素只占一位，要么是0，要么是1，所以只能存儲黑白信息

16色位圖: 一個像素4位，有16種顏色可選

256色位圖: 一個像素8位，有256種顏色可選

24位位圖: 就是圖(1)所示的位圖，顏色可有2^24種可選，對于人眼來說完全足夠了。

這里為了簡單起見，只詳細討論最常見的24位圖的bmp格式。

現(xiàn)在來看其文件頭和圖片格式頭的結(jié)構(gòu):

本來在windows平臺下wingdi.h文件中已經(jīng)有這些結(jié)構(gòu)的定義，不過為了不依賴與windows，實現(xiàn)為跨平臺，本人將wingdi.h中的這兩個結(jié)構(gòu)“偷用”出來了。代碼如下：

 1 //bmp文件頭2 #pragma pack(push)3 #pragma pack(2)4     typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {5         unsigned short bfType;      // 19778，必須是BM字符串，對應(yīng)的十六進制為0x4d42,十進制為197786         unsigned int bfSize;        // 文件大小7         unsigned short bfReserved1; // 08         unsigned short bfReserved2; // 09         unsigned int bfOffBits;     // 從文件頭到像素數(shù)據(jù)的偏移，也就是這兩個結(jié)構(gòu)體的大小之和10     } BITMAPFILEHEADER;11 #pragma pack(pop)1213 //bmp圖像頭14 typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {15     unsigned int biSize;        // 此結(jié)構(gòu)體的大小16     int biWidth; // 圖像的寬17     int biHeight; // 圖像的高18     unsigned short biPlanes;    // 119     unsigned short biBitCount;  // 2420     unsigned int biCompression; // 021     unsigned int biSizeImage;   // 像素數(shù)據(jù)所占大小, 這個值應(yīng)該等于上面文件頭結(jié)構(gòu)中bfSize-bfOffBits22     int biXPelsPerMeter;        // 023     int biYPelsPerMeter;        // 024     unsigned int biClrUsed;     // 025     unsigned int biClrImportant;// 026 } BITMAPINFOHEADER;

Bmp結(jié)構(gòu)體

由于bmp格式比較簡單，本人已實現(xiàn)了一份簡單的c++代碼，具有讀取、保存bmp圖片的功能，只支持24位的bmp格式。

代碼在 http://git.oschina.net/xiangism/blogData 的“常見圖片格式詳解/ImageDemo/BmpDemo”文件夾中。

雖然這里只建立了vs2008項目，但代碼在linux, mac平臺下都可以編譯通過。

需要說明的是為了統(tǒng)一處理，將bmp讀取到LBitmap::m_pixel中時就將其轉(zhuǎn)化為32位從上往下排列的圖像格式了。并且會有y坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化。所以在讀取的時候會有一個temp_line先存儲文件中的24位數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)化為32位數(shù)據(jù)。在保存時也是先將32位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到temp_line的24位數(shù)據(jù)上，然后再寫入文件。(如果僅僅是處理bmp，那么這么多的一個A通道是冗余數(shù)據(jù)，但后面處理png圖片時就會用到這個A通道)

如果用上面的代碼來讀取如圖所示的圖片(放大8倍后的顯示圖):

右上角像素為RGB(255, 128, 0)

1 ln::LBitmap bmp;2 bmp.ReadBmp(L'one.bmp');3 unsigned char *p = bmp.Pixel(0, 0);4 printf('%d, %d, %d\n', p[0], p[1], p[2]); //顯示左上角的像素值5 bmp.WriteBmp(L'out.bmp'); //保存到文件，可以測試是否能正確讀取和保存bmp

運行的結(jié)果為: 0,128,255可以看出像素分布為BGR

ps:

• bmp格式也是可以壓縮.
• bmp格式也可以有顏色板。顏色板就是一個顏色的索引，上面說過bmp格式一個像素可以只有2個,16個或256個取值。就拿單色位圖來說明，默認為0對應(yīng)RGB(0,0,0) 1,對應(yīng)RGB(255, 255, 255)如果顏色板這樣定義:0對應(yīng) RGB(255,0, 0)紅1對應(yīng) RGB(0, 255, 0)綠這樣黑白圖就成了紅綠圖

1. jpeg是有損壓縮格式, 將像素信息用jpeg保存成文件再讀取出來，其中某些像素值會有少許變化。在保存時有個質(zhì)量參數(shù)可在[0,100]之間選擇，參數(shù)越大圖片就越保真，但圖片的體積也就越大。一般情況下選擇70或80就足夠了。
2. jpeg沒有透明信息。
3. jpeg比較適合用來存儲相機拍出來的照片，這類圖像用jpeg壓縮后的體積比較小。其使用的具體算法核心是離散余弦變換、Huffman編碼、算術(shù)編碼等技術(shù)，有興趣的同學(xué)可以在網(wǎng)上找一大堆資料，本文就不詳細介紹了。

接下來要介紹一個有關(guān)jpeg非常實用的技術(shù)——

jpeg格式支持不完全讀取整張圖片，即可以選擇讀取原圖、1/2、1/4、1/8大小的圖片

比如5000*5000的一張大圖，可以只讀取將其縮小成1/8后即625*625大小的圖片。 這樣比先完全讀取5000*5000的圖像，再用算法縮小成625*625大小不知快多少倍。

如果應(yīng)用需求只需要一張小圖時，這種讀取方式就可以大顯身手了。

在c代碼中讀取jpeg一般是使用libjpeg, 這個庫提供了不完全讀取圖片的功能。

給ln::LBitmap添加有關(guān)jpeg的接口，如下ReadJpeg第三個參數(shù)fraction可取值為1,2,4,8，分別對應(yīng)1/1,1/2,1/4,1/8

```在上面LBitmap的基本上加入下面5個函數(shù):// 不讀取像素數(shù)據(jù)，只讀取jpeg文件的大小, 用指針*width, *height做為傳出參數(shù), 返回值bool返回文件是否為jpeg格式static bool ReadJpegSize(const wchar_t *path, int *width, int *height);// 判斷文件是否為jpeg格式static bool IsJpegFile(const wchar_t *fileame);// 讀取jpeg，fraction可取值為1, 2, 4, 8bool ReadJpeg(const wchar_t *filename, int fraction = 1);// 按照width, height的大小讀取合適的jpeg大小, 所得的圖像大小不會超過width*heightbool ReadFitJpeg(const wchar_t *filename, int width, int height);// 保存jpeg，quality范圍是[0, 100]bool WriteJpeg(const wchar_t *filename, int quality = 80);```

JpegAPI

具體的實現(xiàn)在JpegDemo用上面的函數(shù)進行jpeg的讀取和保存的測試

```ln::LBitmap bmp;bmp.ReadBmp(L'one.bmp');unsigned char *p = bmp.Pixel(0, 0);printf('%d, %d, %d\n', p[0], p[1], p[2]);bmp.WriteJpeg(L'one.jpg', 90);```

讀取one.bmp圖片，然后保存成jpeg格式，one.jpg放大后顯示如下

發(fā)現(xiàn)左上角的顏色發(fā)生了變化，并且也影響到周圍的像素，就算將上面WriteJpeg第二個參數(shù)換成100，也還是這種效果，這是Jpeg格式無法避免的問題但如果讀取一張風(fēng)景照，再保存成Jpeg，就幾乎看不出有什么差別了。

BitmapFactory.Options opt = new BitmapFactory.Options;opt.inJustDecodeBounds = true;BitmapFactory.decodeFile(info.fullPath, opt); //這里僅僅只讀取jpeg的大小opt.inJustDecodeBounds = false;if (opt.outWidth > opt.outHeight) {opt.inSampleSize = opt.outWidth / phSize;//hpSize是允許的圖片寬高的最大值} else {opt.inSampleSize = opt.outHeight / phSize;}Bitmap b = BitmapFactory.decodeFile(info.fullPath, opt); 

將BitmapFactory.Options的inJustDecodeBounds 設(shè)置為true后，就只會讀取Jpeg的大小，而不會去解析像素數(shù)據(jù)。然后再設(shè)置inSampleSize后，就可以根據(jù)這個值來讀取適當(dāng)大小的圖片，研究android的源碼后可以發(fā)現(xiàn)底層也是調(diào)用的libjpeg庫來實現(xiàn)。

本人還沒有在ios/mac中發(fā)現(xiàn)如何預(yù)讀jpeg的官方API。Apple對圖形、圖像、多媒體領(lǐng)域提供了豐富接口，如果這個功能真沒實現(xiàn)就太令我驚訝了! 不過ObjectC完全兼容C，可以調(diào)用libjpeg庫來實現(xiàn)這個功能。

下面是用c#僅僅讀取jpeg寬高(沒有解析像素數(shù)據(jù)), 直接用C#讀取1/2,1/4,1/8還不知道如何實現(xiàn)

FileStream stream = new FileStream(path, FileMode.Open);Image img = Image.FromStream(stream, false, false);  //關(guān)鍵是將第三個參數(shù)設(shè)置為falseConsole.WriteLine('size: {0},{1}', img.Width, img.Height);

用相機拍出來的原始jpeg圖片是高保真質(zhì)量, 所占文件體積非常大,本人寫了一個批量轉(zhuǎn)化的工具,可以將jpeg的質(zhì)量都轉(zhuǎn)化成80, 圖像的寬高不變, 這時人眼幾乎看不出有什么差別, 但其體積只有原來的1/3. 如果有大量的照片需要保存時, 節(jié)約的空間就很客觀了。實現(xiàn)原理很簡單, 就是讀取jpeg文件, 然后再保存. 用c#實現(xiàn)的，代碼量非常少，在此貼出全部源碼

  1     class Program2     {3         static string src_path;4         static long small_size = 0;56         private static ImageCodecInfo GetCodecInfo(string mimeType)7         {8 ImageCodecInfo CodecInfo = ImageCodecInfo.GetImageEncoders;910 foreach (ImageCodecInfo ici in CodecInfo) {11 if (ici.MimeType == mimeType)12 return ici;13  }14 return null;15         }1617         static void SaveImage(string path)18         {19 FileStream stream = new FileStream(path, FileMode.Open, FileAccess.Read);2021 if (stream.Length == 0) {22  stream.Close;23 return;24  }2526 byte file_data = new byte[stream.Length];27 stream.Read(file_data, 0, (int)stream.Length);28 Stream mem = new MemoryStream(file_data);2930 long old_size = stream.Length;3132 try {33 Image img = new Bitmap(mem);34  stream.Close;3536 EncoderParameter p = new EncoderParameter(System.Drawing.Imaging.Encoder.Quality, 80L);37 EncoderParameters ps = new EncoderParameters(1);3839 ps.Param[0] = p;4041 img.Save(path, GetCodecInfo('image/jpeg'), ps);4243 FileStream f = new FileStream(path, FileMode.Open, FileAccess.Read);44 long new_size = f.Length;45  f.Close;4647 small_size += old_size - new_size;4849 } catch (System.Exception ex) {5051 } finally {52  stream.Close;53  }5455         }5657         static void ConvertOneImage(string path, bool is_save)58         {59 if (is_save) {60 string new_name = src_path + path.Substring(path.LastIndexOf('\\'));61 File.Copy(path, new_name, true);62  }6364  SaveImage(path);65         }6667         static void ShowSize(string path)68         {69 FileStream stream = new FileStream(path, FileMode.Open);70 Image img = Image.FromStream(stream, false, false);71  stream.Close;72 //Console.WriteLine('{0} {1}', img.Width, img.Height);73 if (img.Width == 0) {74 Console.WriteLine('Error');75  }76         }7778         static void BatchJpeg79         {80 string path = Application.ExecutablePath;81 path = path.Substring(0, path.LastIndexOf('\\'));8283 src_path = path + '\\' + 'src';84 //Console.WriteLine(src_path);8586 Console.WriteLine('批量轉(zhuǎn)化jpeg圖片，保證其圖片質(zhì)量的前提下減少其存儲大小');87 Console.WriteLine('若想保存原圖片，其按y(原圖將放在src文件夾下), 否則按任意鍵開始處理');8889 ConsoleKeyInfo key = Console.ReadKey;90 bool is_save = false;9192 if (key.KeyChar == 'y' || key.KeyChar == 'Y') {93 is_save = true;9495 Directory.CreateDirectory('src');96  }9798 string files = Directory.GetFiles(path, '*.jpg');99100 Stopwatch sw = new Stopwatch;101  sw.Start;102103 for (int i = 0; i < files.length;="" ++i)="" {104="" convertoneimage(files[i],="" is_save);105="" string="" s="files[i].Substring(files[i].LastIndexOf('\\')" +="" 1);106="" console.writeline((i="" +="" 1).tostring="" +="" '/'="" +="" files.length.tostring="" +="" '="" \t="" '="" +="" s);107108="" showsize(files[i]);109="" }110111="" sw.stop;112113="" console.writeline('*********已結(jié)束，按任意鍵結(jié)束********');114="" double="" v="(small_size" *="" 1.0="" (1024="" *="" 1024));115116="" console.writeline('共減少="" '="" +="" v.tostring('0.00##')="" +="" 'm="" 的存儲空間');117="" console.writeline('耗時:'="" +="" sw.elapsed.totalseconds.tostring('0.00##')="" +="" '秒');118="" console.readkey;119="" }120121="" static="" void="" main(string[]="" args)122="" {123="" batchjpeg;124="" saveimage('e:\\img="" -="" 副本.jpg');125="" string="" path='E:\\cpp_app\\LiteTools\\JpegBatch\\bin\\Release\\img - 副本.JPG' ;126="" file.delete(path);127="" }128="">

JpegBatchConvert

另外jpeg文件一般有一個附屬的exif信息，這個信息中有圖像大小，拍攝時間，拍攝的相關(guān)參數(shù)，照片方向，圖像縮略圖等信息。

用相機拍出來的jpeg都會有這個信息。如果照片方向不是正立的話，在讀取到像素取后，還得按exif所指明的方向?qū)D像旋轉(zhuǎn)下。mspaint程序就沒有做這個處理，有些圖片用picasa查看和用mspaint查看方向就不一樣。當(dāng)然為了簡單起見，上面的LBitmap中也自動忽略了exif信息及其圖像拍攝時的方向。

如果不用讀取1/2,1/4,1/8的方法，也可以從exif中來讀取縮略圖，但這個縮略圖一般很小。

說到exif，不得不說一款用perl實現(xiàn)的命令行工具:exiftool。幾乎所有的多媒體文件(圖像、音樂、視頻)都可以用這個工具來查看其有關(guān)信息，當(dāng)然如果不是jpeg文件就是指廣義上的'exif'。在git中有已經(jīng)編譯好可執(zhí)行文件exiftool.exe。使用方法是將這個文件放到系統(tǒng)路徑下，然后在想查看的文件路徑下執(zhí)行 exiftool filename

在實現(xiàn)BatchJpeg工具時如果僅僅用上面實現(xiàn)的LBitmap來讀取,保存, 將會失去exif信息, 而相片的拍攝時間等信息又很重要, 所以還得用另一個庫exiv2來讀取寫入exif。如果用c#, 用上面的代碼exif信息會自動保留下來。默默地向c#致敬。

如果在win32環(huán)境下對jpeg IO速度有很高的要求，可以使用interlJpeg庫，不開源，但提供有*.h,*.lib文件。這個庫可以大大提高jpg讀取、保存速度。

當(dāng)時分別用c#和c實現(xiàn)了jpeg批量轉(zhuǎn)化工具， 在處理大量圖片時發(fā)現(xiàn)c#用時居然只有c的一半。太奇怪了，按理說，c的速度比c#應(yīng)該快才對啊， 而實事是c慢了這么多。 最后發(fā)現(xiàn)問題就在libjpeg上，用了intetJpeg后速度就和c#差不多了(猜想.NET內(nèi)部也是用intelJpeg來處理jpeg)。

1. png是一種無損壓縮格式， 壓縮大概是用行程編碼算法。
2. png可以有透明效果。
3. png比較適合適量圖,幾何圖。 比如本文中出現(xiàn)的這些圖都是用png保存，比用joeg保存體積要小。

再強調(diào)一下: jpeg比較適合存儲色彩“雜亂”的拍攝圖片，png比較適合存儲方幾何特征比較強的矢量圖。

png可能有24位圖和32位圖之分。32位圖就是帶有alpha通道的圖片。

將圖片a繪制到另一幅圖片b上，如果圖片a沒有alpha通道，那么就會完全將b圖片的像素給替換掉。而如果有alpha通道，那么最后覆蓋的結(jié)果值將是c = a*alpha + b*(1-alpha)

再對LBitmap添加png的支持。

添加接口如下:

static bool ReadPngSize(const wchar_t *path, int *width, int *height);static bool IsPngFile(const wchar_t *filename);bool ReadPng(const wchar_t *filename);bool WritePng(const wchar_t *filename);

具體實現(xiàn)在PngDemo中。有調(diào)用libpng庫，并且libpng庫依賴zlib庫(由此可以看出png算法有用到常規(guī)的壓縮算法)。

上面提到的bmp,jpeg,png圖片都只有一幀，而gif可以保存多幀圖像，如圖所示

libgif庫可以用來讀取gif圖片。gif中有個參數(shù)可以控制圖片變化的快慢。在程序中可以使用這個參數(shù)，也可以自己定義一個參數(shù)，這就是為什么gif圖片，在不同程序中查看時其變化速度不一樣。

google開發(fā)的一種有損、透明圖片格式，相當(dāng)于jpeg和png的合體，google聲稱其可以把圖片大小減少40%。

CxImage幾乎可以讀取任何圖片格式

下面是其頭文件中的宏定義:

#define CXIMAGE_SUPPORT_WINDOWS 1#define CXIMAGE_SUPPORT_EXIF    1#define CXIMAGE_SUPPORT_BMP 1#define CXIMAGE_SUPPORT_GIF 1#define CXIMAGE_SUPPORT_JPG 1#define CXIMAGE_SUPPORT_PNG 1#define CXIMAGE_SUPPORT_ICO 1#define CXIMAGE_SUPPORT_TIF 1#define CXIMAGE_SUPPORT_TGA 1#define CXIMAGE_SUPPORT_PCX 1#define CXIMAGE_SUPPORT_WBMP 1#define CXIMAGE_SUPPORT_WMF 1#define CXIMAGE_SUPPORT_JP2 1#define CXIMAGE_SUPPORT_JPC 1#define CXIMAGE_SUPPORT_PGX 1#define CXIMAGE_SUPPORT_PNM 1#define CXIMAGE_SUPPORT_RAS 1#define CXIMAGE_SUPPORT_MNG 1#define CXIMAGE_SUPPORT_SKA 1#define CXIMAGE_SUPPORT_RAW 1#define CXIMAGE_SUPPORT_PSD 1

CxImage在針對特定格式時，也是調(diào)用了其它圖片庫(比如libjpeg, libpng, libtiff)。由于CxImage太過龐大，如果不想使用其全部代碼，可以自己從中“偷取”特定圖片格式的讀取、保存代碼。