[转]TIF图像数据结构之研究

[转]TIF图像数据结构之研究

2010-09-24 20:27

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
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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
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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
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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
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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
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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
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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

按照adobe的文档，这里应该是tiff的压缩算法，K<0是G4，否则是G3

A code identifying the encoding scheme used:

< 0 Pure two-dimensional encoding (Group 4)

=0 Pure one-dimensional encoding (Group 3, 1-D)

>0 Mixed one- and two-dimensional encoding (Group 3, 2-D), in which a line encoded one-dimensionally may be followed by at most K − 1 lines encoded two-dimensionally

The filter shall distinguish among negative, zero, and positive values of K to determine how to interpret the encoded data; however, it shall not distinguish between different positive Kvalues. Default value: 0.

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
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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。