TIF图像数据结构之解析
2012-10-23 15:15
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TIF图一般由三个部分组成：文件头（简称IFH）、文件目录（简称IFD）、图像数据。
一、图像文件头（Image File Header）
IFH数据结构包含3个成员共计8个字节（见表一）：
表一 IFH结构描述
------------------------------------------------------------
名称 字节数 数据类型 说明
------------------------------------------------------------
Byteorder 2 Integer TIF标记，其值为4D4D或4949
Version 2 Integer 版本号，其值恒为2A00
Offset to first IFD 4 Long 第一个IFD的偏移量
------------------------------------------------------------
表一说明
1.Byteorder：可能是H4D4D或H4949，H4D4D表示该图是摩托罗拉整数格式，H4949表示该图是Intel整数格式。
2.Version：总是H2A00，它可能是tif文件的版本，也可能用于进一步校验该文件是否为TIF格式。
3.Offset to first IFD：第一个IFD相对文件开始处的偏移量（因为可能会有多个顺序排列的IFD）。
IFD数据结构并不一定紧跟在IFH后面，相反，它常常位于第三部分图像数据的后面，即TIF图像文件的一般组织形式是：IFH——图像数据——IFD。
二、图像文件目录（Image File Directory）
IFD是TIF图像文件中重要的数据结构，它包含了三个成员。由于一个TIF文件中可以有多个图像，而一个IFD只标识一个图像的所有属性（有的文章把“属性”称之为“标签”），所以，一个TIF文件中有几个图像，就会有几个IFD。IFD的结构见表二：
表二 IFD结构描述
-----------------------------------------------------------------
名称 字节数 数据类型 说明
-----------------------------------------------------------------
Directory Entry Count 2 Integer 本IFD中DE的数量
Directory Entry(1) 12 简称DE，中文译义“目录项”
Directory Entry(2) 12
……
Directory Entry(N) 12
Offset to next IFD 4 Long 下一个IFD的偏移量
-----------------------------------------------------------------
表二说明
1.Directory Entry Count：指出在该IFD中DE的个数；
2.Directory Entry：共12个字节，结构见表三。需要指出的是，DE的个数是不定的，因为每个DE只标识了图像的一个属性，那么这幅图像有N个属性就会有N个DE，用户甚至可添加自定义的标记属性，这就是为什么称TIF格式文件为“可扩充标记的文件”的原因。
3.Offset to next IFD Or NULL：下一个IFD相对于文件开始处的位置，这是一个链式构成。如果该数字为0，表示已经是最后一个IFD。当然，如果该TIF文件只包含了一幅图像，那么就只有一个IFD，显然这个偏移量也会等于0。
表三 DE结构描述
--------------------------------------------------
名称 字节数 数据类型 说明
--------------------------------------------------
tag 2 Integer 本属性的标签编号
type 2 Integer 本属性值的数据类型
length 4 Long 该类型数据的数量
valueOffset 4 Long 属性值的存放偏移量
--------------------------------------------------
表三说明
由DE标识的图像属性有：图像的大小、分辨率、是否压缩、像素的行列数、颜色深度（单色、16色、256色、真彩色）等等。其中：
①tag：是该属性的标签编号（TagID），在图像文件目录中，它是按照升序排列的（但不一定是连续的）。这些编号在TIF格式官方白皮书中可以查到相应的含义，但遗憾的是，我们到哪儿可以找到官方白皮书呢？所以，笔者只能把网上能找得到资料（再结合自己的实验结果）罗列出来，见表四。
②type：表示该属性数据的类型，一般认为TIF官方指定的有5种数据类型（但也有说12种数据类型的）。见表五。
③length：该种类型的数据的个数，而不是某个数据的长度。
④valueOffset：是tagID代表的变量值相对文件开始处的偏移量，但如果变量值占用的空间不多于4个字节（例如只有1个Integer类型的值），那么该值就直接存放在valueOffset中，没必要再另外指向一个地方了。
表四 DE中标签编号的含义
-------------------------------------------------------------------------
TagID 属性名称 type 说明
-------------------------------------------------------------------------
0100 图像宽 0003
0101 图像高 0003
0102 颜色深度 0003 值＝1为单色，＝4为16色，＝8为256色。
如果该类型数据个数＞2个，说明是真彩图像
0103 图像数据是否压缩 0003 值＝05表示压缩
0106 图像是否采用反色显示0003 值＝01表示反色，否则表示不反色
0111 图像扫描线偏移量 0004 图像数据起始字节相对于文件开始处的位置
0116 图像扫描线的数量 0004 表示图像有几行扫描线，实际上等于图像高度
0117 图像数据字节总数 0003 如果不是偶数，那么实际存放时会在后面加0
011A 水平分辩率偏移量 0005 常用计量单位是：像素/英寸
011B 垂直分辩率 偏移量 0005 常用计量单位是：像素/英寸
0131 生成该图像的软件名 0002 文本类型
0132 生成该图像的时间 0002 文本类型
0140 调色板偏移量 0003 256色和16色图像才有此属性，而且有连续2个
调色板，但属性的length值只表示出1个调色板
-------------------------------------------------------------------------
表四说明
①“水平（垂直）分辩率”是分数型的属性，其值要占用8个字节，所以在valueOffset中存放的肯定是它的具体数值的偏移量，而不是数值本身。
②“生成图像的软件名称”和“生成图像的时间”这两个字符型属性，它们的值所占用的空间也会大于4字节，所以在valueOffset中存放的也是它们的值的偏移量，而不是值本身。
③“图像数据字节总数”一般是个偶数，如果是奇数，那么实际存放时会在后面加一个0，但这个0不会计算在字节总数之内。
表五 DE中的数据类型
--------------------------------------------------------------------
type值 数据类型 说明
--------------------------------------------------------------------
0001 Byte
0002 Ascii 文本类型，7位Ascii码加1位二进制0
0003 Integer
0004 Long
0005 RATIONAL 分数类型，由两个Long组成，第1个是分子，第2个是分母
--------------------------------------------------------------------
三、图像数据。这些数据可能是压缩的，也可能是未压缩的。如果经过压缩，那么压缩算法又有许多种，所以，图像数据是TIF文件中最为复杂的部分，暂还没有哪个软件能译出所有的压缩算法。
四、一个 Tif 文件的实例
让我们自己动手做一个实验，以加深理性认识。
用系统自带的画图程序新建一个17*15的白色图像，另存为TIF文件，它的全部数据如下（因设备差异你的数据也许会有些微不同）：
0000: 49 49 2A 00 4E 00 00 00 80 3F E0 50 38 24 16 0D
0010: 07 84 42 61 50 B8 64 36 1D 0F 88 44 62 51 38 A4
0020: 56 2D 17 8C 46 63 51 B8 E4 76 3D 1F 90 48 64 52
0030: 39 24 96 4D 18 80 80 00 60 00 00 00 01 00 00 00
0040: 60 00 00 00 01 00 00 00 08 00 08 00 08 00 0F 00
0050: FE 00 04 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 01 03 00
0060: 01 00 00 00 11 00 00 00 01 01 03 00 01 00 00 00
0070: 0F 00 00 00 02 01 03 00 03 00 00 00 48 00 00 00
0080: 03 01 03 00 01 00 00 00 05 00 00 00 06 01 03 00
0090: 01 00 00 00 02 00 00 00 11 01 04 00 01 00 00 00
00A0: 08 00 00 00 15 01 03 00 01 00 00 00 03 00 00 00
00B0: 16 01 04 00 01 00 00 00 0F 00 00 00 17 01 04 00
00C0: 01 00 00 00 2F 00 00 00 1A 01 05 00 01 00 00 00
00D0: 38 00 00 00 1B 01 05 00 01 00 00 00 40 00 00 00
00E0: 1C 01 03 00 01 00 00 00 01 00 00 00 28 01 03 00
00F0: 01 00 00 00 02 00 00 00 3D 01 03 00 01 00 00 00
0100: 01 00 00 00 00 00 00 00
简要分析（请注意转换16进制数据时，低位在前，高位在后）：
0000－0007：文件头，可以看出，该图是Intel整数格式，第一个IFD的偏移量为4E。
0008－0037：图像数据。注意最后那个0是补加的，它没有统计在“图像数据字节总数”属性值中。
0038－003F：水平分辩率值。
0040－0047：垂直分辩率值。
0048－004D：颜色深度值。
004E－0107：第一个IFD。Directory Entry Count的值（004E－004F）为F，表示这个IFD中有15个DE，每个DE占用12字节，15个DE共占用180字节，加上Directory Entry Count占用的2字节，再加上
Offset to next IFD占用的4字节，这个IFD共占用186字节，换算为16进制就是BA，所以，它的数据结束于0107。Offset to next IFD的值（最后4个字节）均为0，表示整幅图像文件只有这一个IFD。其中15个DE的描述见表六。
表六 一个Tif文件实例的DE描述
-------------------------------------------------------------------------
顺号 偏移量 TagID Type length valueOffset 说明
--------------------------------------------------------------------------
1 0050 00FE Long 1 00 未知属性值＝0
2 005C 0100 Integer 1 11 图像宽为17像素（10进制）
3 0068 0101 Integer 1 0F 图像高为15像素（10进制）
4 0074 0102 Integer 3 48 图像为真彩色，其值存放在48－4D
5 0080 0103 Integer 1 05 图像数据是压缩的
6 008C 0106 Integer 1 02 图像不反色显示
7 0098 0111 Long 1 08 图像数据起始字节为8
8 00A4 0115 Integer 1 03 未知属性值＝3
9 00B0 0116 Long 1 0F 图像扫描线有15行
10 00BC 0117 Long 1 2F 图像共有47个字节的压缩数据
11 00C8 011A RATIONAL 1 38 水平分辩率存放在38－3F
12 00D4 011B RATIONAL 1 40 垂直分辩率存放在40－47
13 00E0 011C Integer 1 01 未知属性值＝1
14 00EC 0128 Integer 1 02 未知属性值＝2
15 00F8 013D Integer 1 01 未知属性值＝1
--------------------------------------------------------------------------
表六说明
①水平分辩率值存放在0038－003F，占用8个字节，这8个字节是：60 00 00 00 01 00 00 00。由于它是分数类型，前4个字节是分子，其值为60000000，转换为10进制就是96，后4个字节是分母，其值是10000000，转换为10进制就是1，所以，分数值是：96/1，它表示每英寸96像素。
②垂直水平分辩率值存放在0040－0047，请参照①进行分析。
③颜色深度属性，它有3个Integer类型的值，共计6字节，所以valueOffset中存放的也是其值的偏移量。它的属性值存放在0048－004D，3个整形数据值都为8，表示这是一幅24位真彩色的图像。
一、图像文件头（Image File Header）
IFH数据结构包含3个成员共计8个字节（见表一）：
表一 IFH结构描述
------------------------------------------------------------
名称 字节数 数据类型 说明
------------------------------------------------------------
Byteorder 2 Integer TIF标记，其值为4D4D或4949
Version 2 Integer 版本号，其值恒为2A00
Offset to first IFD 4 Long 第一个IFD的偏移量
------------------------------------------------------------
表一说明
1.Byteorder：可能是H4D4D或H4949，H4D4D表示该图是摩托罗拉整数格式，H4949表示该图是Intel整数格式。
2.Version：总是H2A00，它可能是tif文件的版本，也可能用于进一步校验该文件是否为TIF格式。
3.Offset to first IFD：第一个IFD相对文件开始处的偏移量（因为可能会有多个顺序排列的IFD）。
IFD数据结构并不一定紧跟在IFH后面，相反，它常常位于第三部分图像数据的后面，即TIF图像文件的一般组织形式是：IFH——图像数据——IFD。
二、图像文件目录（Image File Directory）
IFD是TIF图像文件中重要的数据结构，它包含了三个成员。由于一个TIF文件中可以有多个图像，而一个IFD只标识一个图像的所有属性（有的文章把“属性”称之为“标签”），所以，一个TIF文件中有几个图像，就会有几个IFD。IFD的结构见表二：
表二 IFD结构描述
-----------------------------------------------------------------
名称 字节数 数据类型 说明
-----------------------------------------------------------------
Directory Entry Count 2 Integer 本IFD中DE的数量
Directory Entry(1) 12 简称DE，中文译义“目录项”
Directory Entry(2) 12
……
Directory Entry(N) 12
Offset to next IFD 4 Long 下一个IFD的偏移量
-----------------------------------------------------------------
表二说明
1.Directory Entry Count：指出在该IFD中DE的个数；
2.Directory Entry：共12个字节，结构见表三。需要指出的是，DE的个数是不定的，因为每个DE只标识了图像的一个属性，那么这幅图像有N个属性就会有N个DE，用户甚至可添加自定义的标记属性，这就是为什么称TIF格式文件为“可扩充标记的文件”的原因。
3.Offset to next IFD Or NULL：下一个IFD相对于文件开始处的位置，这是一个链式构成。如果该数字为0，表示已经是最后一个IFD。当然，如果该TIF文件只包含了一幅图像，那么就只有一个IFD，显然这个偏移量也会等于0。
表三 DE结构描述
--------------------------------------------------
名称 字节数 数据类型 说明
--------------------------------------------------
tag 2 Integer 本属性的标签编号
type 2 Integer 本属性值的数据类型
length 4 Long 该类型数据的数量
valueOffset 4 Long 属性值的存放偏移量
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表三说明
由DE标识的图像属性有：图像的大小、分辨率、是否压缩、像素的行列数、颜色深度（单色、16色、256色、真彩色）等等。其中：
①tag：是该属性的标签编号（TagID），在图像文件目录中，它是按照升序排列的（但不一定是连续的）。这些编号在TIF格式官方白皮书中可以查到相应的含义，但遗憾的是，我们到哪儿可以找到官方白皮书呢？所以，笔者只能把网上能找得到资料（再结合自己的实验结果）罗列出来，见表四。
②type：表示该属性数据的类型，一般认为TIF官方指定的有5种数据类型（但也有说12种数据类型的）。见表五。
③length：该种类型的数据的个数，而不是某个数据的长度。
④valueOffset：是tagID代表的变量值相对文件开始处的偏移量，但如果变量值占用的空间不多于4个字节（例如只有1个Integer类型的值），那么该值就直接存放在valueOffset中，没必要再另外指向一个地方了。
表四 DE中标签编号的含义
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TagID 属性名称 type 说明
-------------------------------------------------------------------------
0100 图像宽 0003
0101 图像高 0003
0102 颜色深度 0003 值＝1为单色，＝4为16色，＝8为256色。
如果该类型数据个数＞2个，说明是真彩图像
0103 图像数据是否压缩 0003 值＝05表示压缩
0106 图像是否采用反色显示0003 值＝01表示反色，否则表示不反色
0111 图像扫描线偏移量 0004 图像数据起始字节相对于文件开始处的位置
0116 图像扫描线的数量 0004 表示图像有几行扫描线，实际上等于图像高度
0117 图像数据字节总数 0003 如果不是偶数，那么实际存放时会在后面加0
011A 水平分辩率偏移量 0005 常用计量单位是：像素/英寸
011B 垂直分辩率 偏移量 0005 常用计量单位是：像素/英寸
0131 生成该图像的软件名 0002 文本类型
0132 生成该图像的时间 0002 文本类型
0140 调色板偏移量 0003 256色和16色图像才有此属性，而且有连续2个
调色板，但属性的length值只表示出1个调色板
-------------------------------------------------------------------------
表四说明
①“水平（垂直）分辩率”是分数型的属性，其值要占用8个字节，所以在valueOffset中存放的肯定是它的具体数值的偏移量，而不是数值本身。
②“生成图像的软件名称”和“生成图像的时间”这两个字符型属性，它们的值所占用的空间也会大于4字节，所以在valueOffset中存放的也是它们的值的偏移量，而不是值本身。
③“图像数据字节总数”一般是个偶数，如果是奇数，那么实际存放时会在后面加一个0，但这个0不会计算在字节总数之内。
表五 DE中的数据类型
--------------------------------------------------------------------
type值 数据类型 说明
--------------------------------------------------------------------
0001 Byte
0002 Ascii 文本类型，7位Ascii码加1位二进制0
0003 Integer
0004 Long
0005 RATIONAL 分数类型，由两个Long组成，第1个是分子，第2个是分母
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三、图像数据。这些数据可能是压缩的，也可能是未压缩的。如果经过压缩，那么压缩算法又有许多种，所以，图像数据是TIF文件中最为复杂的部分，暂还没有哪个软件能译出所有的压缩算法。
四、一个 Tif 文件的实例
让我们自己动手做一个实验，以加深理性认识。
用系统自带的画图程序新建一个17*15的白色图像，另存为TIF文件，它的全部数据如下（因设备差异你的数据也许会有些微不同）：
0000: 49 49 2A 00 4E 00 00 00 80 3F E0 50 38 24 16 0D
0010: 07 84 42 61 50 B8 64 36 1D 0F 88 44 62 51 38 A4
0020: 56 2D 17 8C 46 63 51 B8 E4 76 3D 1F 90 48 64 52
0030: 39 24 96 4D 18 80 80 00 60 00 00 00 01 00 00 00
0040: 60 00 00 00 01 00 00 00 08 00 08 00 08 00 0F 00
0050: FE 00 04 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 01 03 00
0060: 01 00 00 00 11 00 00 00 01 01 03 00 01 00 00 00
0070: 0F 00 00 00 02 01 03 00 03 00 00 00 48 00 00 00
0080: 03 01 03 00 01 00 00 00 05 00 00 00 06 01 03 00
0090: 01 00 00 00 02 00 00 00 11 01 04 00 01 00 00 00
00A0: 08 00 00 00 15 01 03 00 01 00 00 00 03 00 00 00
00B0: 16 01 04 00 01 00 00 00 0F 00 00 00 17 01 04 00
00C0: 01 00 00 00 2F 00 00 00 1A 01 05 00 01 00 00 00
00D0: 38 00 00 00 1B 01 05 00 01 00 00 00 40 00 00 00
00E0: 1C 01 03 00 01 00 00 00 01 00 00 00 28 01 03 00
00F0: 01 00 00 00 02 00 00 00 3D 01 03 00 01 00 00 00
0100: 01 00 00 00 00 00 00 00
简要分析（请注意转换16进制数据时，低位在前，高位在后）：
0000－0007：文件头，可以看出，该图是Intel整数格式，第一个IFD的偏移量为4E。
0008－0037：图像数据。注意最后那个0是补加的，它没有统计在“图像数据字节总数”属性值中。
0038－003F：水平分辩率值。
0040－0047：垂直分辩率值。
0048－004D：颜色深度值。
004E－0107：第一个IFD。Directory Entry Count的值（004E－004F）为F，表示这个IFD中有15个DE，每个DE占用12字节，15个DE共占用180字节，加上Directory Entry Count占用的2字节，再加上
Offset to next IFD占用的4字节，这个IFD共占用186字节，换算为16进制就是BA，所以，它的数据结束于0107。Offset to next IFD的值（最后4个字节）均为0，表示整幅图像文件只有这一个IFD。其中15个DE的描述见表六。
表六 一个Tif文件实例的DE描述
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顺号 偏移量 TagID Type length valueOffset 说明
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1 0050 00FE Long 1 00 未知属性值＝0
2 005C 0100 Integer 1 11 图像宽为17像素（10进制）
3 0068 0101 Integer 1 0F 图像高为15像素（10进制）
4 0074 0102 Integer 3 48 图像为真彩色，其值存放在48－4D
5 0080 0103 Integer 1 05 图像数据是压缩的
6 008C 0106 Integer 1 02 图像不反色显示
7 0098 0111 Long 1 08 图像数据起始字节为8
8 00A4 0115 Integer 1 03 未知属性值＝3
9 00B0 0116 Long 1 0F 图像扫描线有15行
10 00BC 0117 Long 1 2F 图像共有47个字节的压缩数据
11 00C8 011A RATIONAL 1 38 水平分辩率存放在38－3F
12 00D4 011B RATIONAL 1 40 垂直分辩率存放在40－47
13 00E0 011C Integer 1 01 未知属性值＝1
14 00EC 0128 Integer 1 02 未知属性值＝2
15 00F8 013D Integer 1 01 未知属性值＝1
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表六说明
①水平分辩率值存放在0038－003F，占用8个字节，这8个字节是：60 00 00 00 01 00 00 00。由于它是分数类型，前4个字节是分子，其值为60000000，转换为10进制就是96，后4个字节是分母，其值是10000000，转换为10进制就是1，所以，分数值是：96/1，它表示每英寸96像素。
②垂直水平分辩率值存放在0040－0047，请参照①进行分析。
③颜色深度属性，它有3个Integer类型的值，共计6字节，所以valueOffset中存放的也是其值的偏移量。它的属性值存放在0048－004D，3个整形数据值都为8，表示这是一幅24位真彩色的图像。
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