JPG学习笔记1(附完整代码)

  在学习图象处理的过程中,JPEG是我的第一个拦路虎。一直很想手写一下JPG的压缩和解压的过程,我在网上找到了一些代码或者文章,很多都是没有注释或者是解释不够清楚的。所以特地写这篇文章记录自己从无到有写一个JPEG_Encoder的过程,也能帮助其他学习图形或者音视频的童鞋。对于不想看文章的同学,这边直接上代码 https://github.com/Cheemion/JPEG_COMPRESS。 以下是JPEG的压缩流程。采样->>离散傅里叶变化->>量化->>哈夫曼压缩->>写入jpg文件. 在进行这些流程之前,必须从BMP文件中读取待压缩的图片文件。

图片引用自"Compressed Image File Formats JPEG, PNG, GIF, XBM, BMP - John Miano"[4]

           

1.BMP文件Format

[1]BMP文件包括如下:

一个文件头BITMAPFILEHEADER,里面包含了文件的各种信息。

一个图片头BITMAPINFOHEADER,里面包含了图片信息。

一个RGBQUAD array,里面包含了像素的对应关系,比如1 代表 RGB(1,1,1)。因为我们用的都是24位图片,所以我们不考虑这一项。

一个Color-index,就是我们的图片的像素了,我们只考虑24位图像。

 

 

 

 

 

其他需要注意的如下:

BMP文件的字节是小端存储的(BMP format are stored with the least significant bytes first)

BMP图片的每一行像素所占的字节数必须是4字节的的整数倍

BMP数据的第一行像素存储的是图片的最后一行的数据(相当于图片在BMP中是倒置的)

2.BITMAPFILEHEADER(头文件格式)

[2]头文件包含如下的字段

1 typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
2   WORD  bfType; //文件类型 规定为'BM'
3   DWORD bfSize; //文件大小
4   WORD  bfReserved1; //保留
5   WORD  bfReserved2; //保留
6   DWORD bfOffBits;  //数据起始地址距离首地址的位置
7 } BITMAPFILEHEADER, *LPBITMAPFILEHEADER, *PBITMAPFILEHEADER;

3.BITMAPINFOHEADER文件格式

[3]bitMapInfoHeader根据版本的不同包含了不同的结构,我们主要用到了BitMapInfoHeader和BitMapCoreHeader

以下是BitMapInfoHeader


1
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER { 2 DWORD biSize; // infoHeader这个头文件的大小 3 LONG  biWidth; // 图片宽多少像素 4 LONG  biHeight; //高多少 5 WORD  biPlanes; //默认1 6 WORD  biBitCount; //一个像素点有多少位 7 DWORD biCompression; //是否压缩过 8 DWORD biSizeImage; //图片大小 9 LONG  biXPelsPerMeter; //never used 10 LONG  biYPelsPerMeter; //never used 11 DWORD biClrUsed; //never used 12 DWORD biClrImportant; //never used 13 } BITMAPINFOHEADER, *PBITMAPINFOHEADER;

以下是BitMapCoreHeader, coreHeader就简单多了,就是少了一些字段,其他一毛一样。

typedef struct tagBITMAPCOREHEADER {
  DWORD bcSize;
  WORD  bcWidth;
  WORD  bcHeight;
  WORD  bcPlanes;
  WORD  bcBitCount;
} BITMAPCOREHEADER, *LPBITMAPCOREHEADER, *PBITMAPCOREHEADER;

4.读取图片数据

定义常用结构

using byte = unsigned char;
using uint = unsigned int;
struct RGB {
    byte blue;
    byte green;
    byte red;
};

定义BMPReader(用来读取bmp文件) 和BMPHeader结构.

 1 #pragma once
 4 class BMPReader {
 5 public:
 6     BMPReader() = default;
 7     ~BMPReader() {
 8         if (data) {
 9             delete[] data;
         data = nullptr;
10 } 11 } 12 bool open(std::string& path); 13 public: 14 uint height = 0; 15 uint width = 0; 16 uint paddingBytes = 0; 17 RGB* data = nullptr; //实际的数据 18 }; 19 20 //2个字节对齐, 21 #pragma pack(2) 22 typedef struct { 23 unsigned short bfType = 0x424d; 24 unsigned int bfSize = 0; 25 unsigned short bfReserved1 = 0; 26 unsigned short bfReserved2 = 0; 27 unsigned int bfOffBits = 0; 28 } BitMapFileHeader; 29 30 typedef struct { 31 unsigned int biSize; 32 int biWidth; 33 int biHeight; 34 unsigned short biPlanes; 35 unsigned short biBitCount; 36 unsigned int biCompression; 37 unsigned int biSizeImage; 38 int biXPelsPerMeter; 39 int biYPelsPerMeter; 40 unsigned int biClrUsed; 41 unsigned int biClrImportant; 42 } BitMapInfoHeader; 43 44 typedef struct { 45 unsigned int bcSize; 46 unsigned short bcWidth; 47 unsigned short bcHeight; 48 unsigned short bcPlanes = 1; 49 unsigned short bcBitCount = 24; 50 } BitMapCoreHeader; 51 #pragma pack()

读取图片数据到BMPReader的data字段

bool BMPReader::open(std::string& path) {
    FILE* file = nullptr;
   //判断是否打开图片成功
    if ((file = fopen(path.c_str(), "rb")) == nullptr) {
        printf("error occured when opening file:%s", path.c_str());
        return false;
    }

    BitMapFileHeader fileHeader;
    //读取文件头
    if (fread(&fileHeader, sizeof(fileHeader), 1, file) != 1) {
        printf("Error - error occured when reading BITMAPFILEHEADER");
        return false;
    }
  //判断是不是BMP文件,通过判断'BM'
    if(fileHeader.bfType != 0x4D42) {
        printf("Error - this is not a BMP file that you're reading");
        return false;
    }
   

//读取infoHeader的大小,通过size来判断是哪个版本的BitMapInfoHeader
uint infoHeaderSize; fread(&infoHeaderSize, sizeof(infoHeaderSize), 1, file); fseek(file, -sizeof(infoHeaderSize), SEEK_CUR); //2中infoHeader, 通过size来判断

//如果是BitMapCoreHeader的话 if (infoHeaderSize == sizeof(BitMapCoreHeader)) { BitMapCoreHeader bitMapCoreHeader; if (fread(&bitMapCoreHeader, sizeof(bitMapCoreHeader), 1, file) != 1) { printf("Error - mal-structure BITMAPCOREHEADER"); return false; } this->width = bitMapCoreHeader.bcWidth; this->height = bitMapCoreHeader.bcHeight; if (bitMapCoreHeader.bcBitCount != 24) { printf("Error - the picture format is not consistent with our programm"); return false; } } else { BitMapInfoHeader bitMapInfoHeader; if (fread(&bitMapInfoHeader, sizeof(bitMapInfoHeader), 1, file) != 1) { printf("Error - mal-structure BITMAPINFOHEADER"); return false; } this->width = bitMapInfoHeader.biWidth; this->height = bitMapInfoHeader.biHeight; if (bitMapInfoHeader.biBitCount != 24) { printf("Error - the picture format is not consistent with our programm"); return false; } } // 必须是4byte的整数倍,算出需要padding多少字节,也就是需要填补多少字节// if width = 1, 1 * 3个像素 * 8位 = 24位, 差一个字节, paddingSize = 1 // if width = 2, 2 * 3个 * 8位 = 48位 paddingSize = 2 // if width = 3, paddingSize = 3 // if width = 4, paddingSize = 0 this->paddingBytes = width % 4;   
//为像素数据 创建内存空间 data
= new (std::nothrow) RGB[this->width * this->height]; if (!data) { printf("Error - error when allocating memroy for RGB"); return false; } //跳到data数据的位置 fseek(file, fileHeader.bfOffBits, SEEK_SET); for (uint i = 0; i < height; i++) { //read data一行,一行的读取放入我们的data if (width != fread(data + (height - 1 - i) * width , sizeof(RGB), width, file)) { printf("Error - something wrong when reading data from BMP file"); delete data; return false; }
//因为可能有paddingSize,所以这边跳过PaddingSize fseek(file, paddingBytes, SEEK_CUR); } fclose(file);
return true;
}

 以上全部的代码在https://github.com/Cheemion/JPEG_COMPRESS/tree/main/Day1

 完结

 Thanks for reading, happy lunar new year.

 

参考资料

[1]https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/gdi/bitmap-storage

[2]https://docs.microsoft.com/en-us/previous-versions//dd183376(v=vs.85)

[3]https://docs.microsoft.com/en-us/windows/win32/api/wingdi/ns-wingdi-bitmapcoreheader

[4]https://github.com/Cheemion/JPEG_COMPRESS/blob/main/resource/Compressed%20Image%20File%20Formats%20JPEG%2C%20PNG%2C%20GIF%2C%20XBM%2C%20BMP%20-%20John%20Miano.pdf

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路人甲

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