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[转]TIF图像数据结构之研究

2014-04-26 16:50 176 查看
文章来源:http://bbs.pfan.cn/post-309477-1.html

  TIF文件格式最早是为了存储扫描仪图像而设计的。它的最大的特点就是与计算机的结构、操作系统
以及图形硬件系统无关。它可处理黑白、灰度、彩色图像。在存储真彩色图像时和BMP格式一样,直接存
储RGB三原色的浓度值而不使用彩色映射(调色板)。对于介质之间的交换,TIF称得上是位图格式的最
佳选择之一。
  TIF的全面性也产生了不少问题,它的包罗万象造成结构较为复杂,变体很多,兼容性较差,它需要
大量的编程工作来全面译码。例如,TIF图像数据可以用几种不同的方法压缩,用一个程序来读出所有的
TIF几乎是不可能的。
  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
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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
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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
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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(其实

网上有白皮书,很好找的)。

  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
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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
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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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标签:  Tiff 文件格式