gif 格式图片详细解析

迈不过友情╰ 2022-05-31 08:41 268阅读 0赞

转载：[Gif图片格式][Gif]

1.概述

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GIF(Graphics Interchange Format，图形交换格式)文件是由 CompuServe公司开发的图形文件格式，版权所有，任何商业目的使用均须 CompuServe公司授权。  
　　GIF图象是基于颜色列表的（存储的数据是该点的颜色对应于颜色列表的索引值），最多只支持8位（256色）。GIF文件内部分成许多存储块，用来存储多幅图象或者是决定图象表现行为的控制块，用以实现动画和交互式应用。GIF文件还通过LZW压缩算法压缩图象数据来减少图象尺寸（关于[LZW算法和GIF数据压缩>>...][LZW_GIF_...]）。

2.GIF文件存储结构  
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GIF文件内部是按块划分的，包括控制块（ Control Block ）和数据块（Data Sub-blocks）两种。控制块是控制数据块行为的，根据不同的控制块包含一些不同的控制参数；数据块只包含一些8-bit的字符流，由它前面的控制块来决定它的功能，每个数据块大小从0到255个字节，数据块的第一个字节指出这个数据块大小（字节数），计算数据块的大小时不包括这个字节，所以一个空的数据块有一个字节，那就是数据块的大小0x00。下表是一个数据块的结构：

一个GIF文件的结构可分为文件头(File Header)、GIF数据流(GIF Data Stream)和文件终结器(Trailer)三个部分。文件头包含GIF文件署名(Signature)和版本号(Version)；GIF数据流由控制标识符、图象块(Image Block)和其他的一些扩展块组成；文件终结器只有一个值为0x3B的字符（';'）表示文件结束。下表显示了一个GIF文件的组成结构：

下面就具体介绍各个部分:

文件头部分(Header)  
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GIF署名(Signature)和版本号(Version)  
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GIF署名用来确认一个文件是否是GIF格式的文件，这一部分由三个字符组成："GIF";文件版本号也是由三个字节组成,可以为"87a"或"89a".具体描述见下表:

GIF数据流部分(GIF Data Stream)  
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逻辑屏幕标识符(Logical Screen Descriptor)  
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这一部分由7个字节组成，定义了GIF图象的大小(Logical Screen Width & Height)、颜色深度(Color Bits)、背景色(Blackground Color Index)以及有无全局颜色列表(Global Color Table)和颜色列表的索引数(Index Count)，具体描述见下表：

m \- 全局颜色列表标志(Global Color Table Flag)，当置位时表示有全局颜色列表，pixel值有意义.  
cr - 颜色深度(Color ResoluTion)，cr+1确定图象的颜色深度.  
s - 分类标志(Sort Flag)，如果置位表示全局颜色列表分类排列.  
pixel - 全局颜色列表大小，pixel+1确定颜色列表的索引数（2的pixel+1次方）.

全局颜色列表(Global Color Table)  
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全局颜色列表必须紧跟在逻辑屏幕标识符后面，每个颜色列表索引条目由三个字节组成，按R、G、B的顺序排列。

图象标识符(Image Descriptor)  
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一个GIF文件内可以包含多幅图象，一幅图象结束之后紧接着下是一幅图象的标识符，图象标识符以0x2C(',')字符开始，定义紧接着它的图象的性质，包括图象相对于逻辑屏幕边界的偏移量、图象大小以及有无局部颜色列表和颜色列表大小，由10个字节组成：

局部颜色列表(Local Color Table)  
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如果上面的局部颜色列表标志置位的话，则需要在这里（紧跟在图象标识符之后）定义一个局部颜色列表以供紧接着它的图象使用，注意使用前应线保存原来的颜色列表，使用结束之后回复原来保存的全局颜色列表。如果一个GIF文件即没有提供全局颜色列表，也没有提供局部颜色列表，可以自己创建一个颜色列表，或使用系统的颜色列表。局部颜色列表的排列方式和全局颜色列表一样：RGBRGB......

基于颜色列表的图象数据(Table-Based Image Data)  
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由两部分组成：LZW编码长度(LZW Minimum Code Size)和图象数据(Image Data)。

GIF图象数据使用了LZW压缩算法（详细介绍请看后面的[『LZW算法和GIF数据压缩』][LZW_GIF_...]），大大减小了图象数据的大小。图象数据在压缩前有两种排列格式：连续的和交织的(由图象标识符的[交织标志][Link 1]控制)。连续方式按从左到右、从上到下的顺序排列图象的光栅数据；交织图象按下面的方法处理光栅数据：

创建四个通道(pass)保存数据，每个通道提取不同行的数据：  
第一通道(Pass 1)提取从第0行开始每隔8行的数据；  
第二通道(Pass 2)提取从第4行开始每隔8行的数据；  
第三通道(Pass 3)提取从第2行开始每隔4行的数据；  
第四通道(Pass 4)提取从第1行开始每隔2行的数据；

下面的例子演示了提取交织图象数据的顺序：

图形控制扩展(Graphic Control Extension)  
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这一部分是可选的（需要89a版本），可以放在一个图象块(图象标识符)或文本扩展块的前面，用来控制跟在它后面的第一个图象（或文本）的渲染(Render)形式，组成结构如下：

处置方法(Disposal Method)：指出处置图形的方法，当值为：  
0 - 不使用处置方法  
1 - 不处置图形，把图形从当前位置移去  
2 - 回复到背景色  
3 - 回复到先前状态  
4-7 - 自定义  
用户输入标志(Use Input Flag)：指出是否期待用户有输入之后才继续进行下去，置位表示期待，值否表示不期待。用户输入可以是按回车键、鼠标点击等，可以和延迟时间一起使用，在设置的延迟时间内用户有输入则马上继续进行，或者没有输入直到延迟时间到达而继续  
透明颜色标志(Transparent Color Flag)：置位表示使用透明颜色

注释扩展(Comment Extension)  
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这一部分是可选的（需要89a版本），可以用来记录图形、版权、描述等任何的非图形和控制的纯文本数据(7-bit ASCII字符)，注释扩展并不影响对图象数据流的处理，解码器完全可以忽略它。存放位置可以是数据流的任何地方，最好不要妨碍控制和数据块，推荐放在数据流的开始或结尾。具体组成：

图形文本扩展(Plain Text Extension)  
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这一部分是可选的（需要89a版本），用来绘制一个简单的文本图象，这一部分由用来绘制的纯文本数据（7-bit ASCII字符）和控制绘制的参数等组成。绘制文本借助于一个文本框（Text Grid）来定义边界，在文本框中划分多个单元格，每个字符占用一个单元，绘制时按从左到右、从上到下的顺序依次进行，直到最后一个字符或者占满整个文本框（之后的字符将被忽略，因此定义文本框的大小时应该注意到是否可以容纳整个文本），绘制文本的颜色索引使用全局颜色列表，没有则可以使用一个已经保存的前一个颜色列表。另外，图形文本扩展块也属于图形块(Graphic Rendering Block)，可以在它前面定义图形控制扩展对它的表现形式进一步修改。图形文本扩展的组成：

推荐：1.由于文本的字体(Font)和尺寸(Size)没有定义，解码器应该根据情况选择最合适的；  
2.如果一个字符的值小于0x20或大于0xF7，则这个字符被推荐显示为一个空格(0x20)；  
3.为了兼容性，最好定义字符单元格的大小为8x8或8x16（宽度x高度）。

应用程序扩展(Application Extension)  
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这是提供给应用程序自己使用的（需要89a版本），应用程序可以在这里定义自己的标识、信息等，组成：

文件结尾部分  
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文件终结器(Trailer)  
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这一部分只有一个值为0的字节，标识一个GIF文件结束.

2.LZW算法和GIF数据压缩  
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GIF文件的图象数据使用了可变长度编码的LZW压缩算法(Variable-Length\_Code LZW Compression)，这是从LZW(Lempel Ziv Compression)压缩算法演变过来的，通过压缩原始数据的重复部分来达到减少文件大小的目的。

标准的LZW压缩原理：  
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先来解释一下几个基本概念：  
　　LZW压缩有三个重要的对象：数据流(CharStream)、编码流(CodeStream)和编译表(String Table)。在编码时，数据流是输入对象（图象的光栅数据序列），编码流就是输出对象（经过压缩运算的编码数据）；在解码时，编码流则是输入对象，数据流是输出对象；而编译表是在编码和解码时都须要用借助的对象。  
  
字符(Character)：最基础的数据元素，在文本文件中就是一个字节，在光栅数据中就是一个像素的颜色在指定的颜色列表中的索引值；  
字符串(String)：由几个连续的字符组成；  
前缀(Prefix)：也是一个字符串，不过通常用在另一个字符的前面，而且它的长度可以为0；  
根(Root)：单个长度的字符串；  
编码(Code)：一个数字，按照固定长度（编码长度）从编码流中取出，编译表的映射值；  
图案：一个字符串，按不定长度从数据流中读出,映射到编译表条目.

LZW压缩的原理：提取原始图象数据中的不同图案，基于这些图案创建一个编译表，然后用编译表中的图案索引来替代原始光栅数据中的相应图案，减少原始数据大小。看起来和调色板图象的实现原理差不多，但是应该注意到的是，我们这里的编译表不是事先创建好的，而是根据原始图象数据动态创建的，解码时还要从已编码的数据中还原出原来的编译表（GIF文件中是不携带编译表信息的），为了更好理解编解码原理，我们来看看具体的处理过程：

编码器(Compressor)  
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编码数据，第一步，初始化一个编译表，假设这个编译表的大小是12位的，也就是最多有4096个单位，另外假设我们有32个不同的字符（也可以认为图象的每个像素最多有32种颜色），表示为a，b，c，d，e...，初始化编译表：第0项为a，第1项为b，第2项为c...一直到第31项，我们把这32项就称为根。  
　　开始编译，先定义一个前缀对象Current Prefix，记为\[.c.\]，现在它是空的，然后定义一个当前字符串Current String，标记为\[.c.\]k，\[.c.\]就为Current Prefix，k就为当前读取字符。现在来读取数据流的第一个字符，假如为p，那么Current String就等于\[.c.\]p（由于\[.c.\]为空，实际上值就等于p），现在在编译表中查找有没有Current String的值，由于p就是一个根字符，我们已经初始了32个根索引，当然可以找到，把p设为Current Prefix的值，不做任何事继续读取下一个字符，假设为q，Current String就等于\[.c.\]q（也就是pq），看看在编译表中有没有该值，当然。没有，这时我们要做下面的事情：将Current String的值（也就是pq）添加到编译表的第32项，把Current Prefix的值（也就是p）在编译表中的索引输出到编码流，修改Current Prefix为当前读取的字符（也就是q）。继续往下读，如果在编译表中可以查找到Current String的值(\[.c.\]k)，则把Current String的值(\[.c.\]k)赋予Current Prefix；如果查找不到，则添加Current String的值(\[.c.\]k)到编译表，把Current Prefix的值(\[.c.\])在编译表中所对应的索引输出到编码流，同时修改Current Prefix为k ，这样一直循环下去直到数据流结束。伪代码看起来就像下面这样：

<table style="width:860px;color:rgb(54,46,43);font-family:Arial;font-size:14px;line-height:26px;"> 
 编码器伪代码 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 
 <blockquote> 
 <blockquote> 
 Initialize String Table; [.c.] = Empty; [.c.]k = First Character in CharStream; while ([.c.]k != EOF ) { 　　if ( [.c.]k is in the StringTable) 　　{ 　　　　[.c.] = [.c.]k; 　　} 　　else 　　{ 　　　　add [.c.]k to the StringTable; 　　　　Output the Index of [.c.] in the StringTable to the CodeStream; 　　　　[.c.] = k; 　　} 　　[.c.]k = Next Character in CharStream; } Output the Index of [.c.] in the StringTable to the CodeStream; 
 </blockquote> 
 </blockquote></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

来看一个具体的例子,我们有一个字母表a，b，c，d.有一个输入的字符流abacaba。现在来初始化编译表：\#0=a,\#1=b,\#2=c,\#3=d.现在开始读取第一个字符a，\[.c.\]a=a，可以在在编译表中找到，修改\[.c.\]=a;不做任何事继续读取第二个字符b，\[.c.\]b=ab，在编译表中不能找，那么添加\[.c.\]b到编译表：\#4=ab，同时输出\[.c.\]（也就是a）的索引\#0到编码流，修改\[.c.\]=b；读下一个字符a，\[.c.\]a=ba，在编译表中不能找到：添加编译表\#5=ba，输出\[.c.\]的索引\#1到编码流，修改\[.c.\]=a；读下一个字符c，\[.c.\]c=ac，在编译表中不能找到：添加编译表\#6=ac，输出\[.c.\]的索引\#0到编码流，修改\[.c.\]=c；读下一个字符a，\[.c.\]c=ca，在编译表中不能找到：添加编译表\#7=ca，输出\[.c.\]的索引\#2到编码流，修改\[.c.\]=a；读下一个字符b，\[.c.\]b=ab，编译表的\#4=ab，修改\[.c.\]=ab；读取最后一个字符a，\[.c.\]a=aba，在编译表中不能找到：添加编译表\#8=aba，输出\[.c.\]的索引\#4到编码流，修改\[.c.\]=a；好了，现在没有数据了，输出\[.c.\]的值a的索引\#0到编码流，这样最后的输出结果就是：\#0\#1\#0\#2\#4\#0.

解码器(Decompressor)  
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好了，现在来看看解码数据。数据的解码，其实就是数据编码的逆向过程，要从已经编译的数据（编码流）中找出编译表，然后对照编译表还原图象的光栅数据。  
　　首先，还是要初始化编译表。GIF文件的图象数据的第一个字节存储的就是LZW编码的编码大小（一般等于图象的位数），根据编码大小，初始化编译表的根条目（从0到2的编码大小次方），然后定义一个当前编码Current Code，记作\[code\]，定义一个Old Code，记作\[old\]。读取第一个编码到\[code\]，这是一个根编码，在编译表中可以找到，把该编码所对应的字符输出到数据流，\[old\]=\[code\]；读取下一个编码到\[code\]，这就有两种情况：在编译表中有或没有该编码，我们先来看第一种情况：先输出当前编码\[code\]所对应的字符串到数据流，然后把\[old\]所对应的字符（串）当成前缀prefix \[...\]，当前编码\[code\]所对应的字符串的第一个字符当成k，组合起来当前字符串Current String就为\[...\]k，把\[...\]k添加到编译表，修改\[old\]=\[code\]，读下一个编码；我们来看看在编译表中找不到该编码的情况，回想一下编码情况：如果数据流中有一个p\[...\]p\[...\]pq这样的字符串，p\[...\]在编译表中而p\[...\]p不在，编译器将输出p\[...\]的索引而添加p\[...\]p到编译表，下一个字符串p\[...\]p就可以在编译表中找到了，而p\[...\]pq不在编译表中，同样将输出p\[...\]p的索引值而添加p\[...\]pq到编译表，这样看来，解码器总比编码器『慢一步』，当我们遇到p\[...\]p所对应的索引时，我们不知到该索引对应的字符串（在解码器的编译表中还没有该索引，事实上，这个索引将在下一步添加），这时需要用猜测法：现在假设上面的p\[...\]所对应的索引值是\#58，那么上面的字符串经过编译之后是\#58\#59，我们在解码器中读到\#59时，编译表的最大索引只有\#58，\#59所对应的字符串就等于\#58所对应的字符串(也就是p\[...\])加上这个字符串的第一个字符(也就是p)，也就是p\[...\]p。事实上，这种猜测法是很准确（有点不好理解，仔细想一想吧）。上面的解码过程用伪代码表示就像下面这样：

<table style="width:860px;color:rgb(54,46,43);font-family:Arial;font-size:14px;line-height:26px;"> 
 解码器伪代码 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 
 <blockquote> 
 Initialize String Table; [code] = First Code in the CodeStream; Output the String for [code] to the CharStream; [old] = [code]; [code] = Next Code in the CodeStream; while ([code] != EOF ) { 　　if ( [code] is in the StringTable) 　　{ 　　　　Output the String for [code] to the CharStream; // 输出[code]所对应的字符串 　　　　[...] = translation for [old]; // [old]所对应的字符串 　　　　k = first character of translation for [code]; // [code]所对应的字符串的第一个字符 　　　　add [...]k to the StringTable; 　　　　[old] = [code];&nbsp; 　　} 　　else 　　{ 　　　　[...] = translation for [old];&nbsp; 　　　　k = first character of [...];&nbsp; 　　　　Output [...]k to CharStream; 　　　　add [...]k to the StringTable; 　　　　[old] = [code];&nbsp; 　　} 　　[code] = Next Code in the CodeStream; } 
 </blockquote></td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

GIF数据压缩  
~~~~~~~~~~~

下面是GIF文件的图象数据结构：

把光栅数据序列（数据流）压缩成GIF文件的图象数据（字符流）可以按下面的步骤进行：  
1.定义编码长度  
GIF图象数据的第一个字节就是编码长度(Code Size)，这个值是指要表现一个像素所需要的最小位数，通常就等于图象的色深；  
2.压缩数据  
通过LZW压缩算法将图象的光栅数据流压缩成GIF的编码数据流。这里使用的LZW压缩算法是从标准的LZW压缩算法演变过来的，它们之间有如下的差别：  
　　\[1\]GIF文件定义了一个编码大小(Clear Code)，这个值等于2的『编码长度』次方，在从新开始一个编译表（编译表溢出）时均须输出该值，解码器遇到该值时意味着要从新初始化一个编译表；  
　　\[2\]在一个图象的编码数据结束之前（也就是在块终结器的前面），需要输出一个Clear Code+1的值，解码器在遇到该值时就意味着GIF文件的一个图象数据流的结束；  
　　\[3\]第一个可用到的编译表索引值是Clear Code+2（从0到Clear Code-1是根索引，再上去两个不可使用，新的索引从Clare Code+2开始添加）；  
　　\[4\]GIF输出的编码流是不定长的，每个编码的大小从Code Size + 1位到12位，编码的最大值就是4095（编译表需要定义的索引数就是4096），当编码所须的位数超过当前的位数时就把当前位数加1，这就需要在编码或解码时注意到编码长度的改变。  
3.编译成字节序列  
因为GIF输出的编码流是不定长的，这就需要把它们编译成固定的8-bit长度的字符流，编译顺序是从右往左。下面是一个具体例子：编译5位长度编码到8位字符

4.打包  
　　前面讲过，一个GIF的数据块的大小从0到255个字节，第一个字节是这个数据块的大小（字节数），这就需要将编译编后的码数据打包成一个或几个大小不大于255个字节的数据包。然后写入图象数据块中。

[Gif]: http://blog.csdn.net/wzy198852/article/details/17266507
[LZW_GIF_...]: http://asp.6to23.com/iseesoft/devdoc/imgdoc/gif.htm#2.LZW%E7%AE%97%E6%B3%95%E5%92%8CGIF%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8E%8B%E7%BC%A9
[Link 1]: http://asp.6to23.com/iseesoft/devdoc/imgdoc/gif.htm#%E4%BA%A4%E7%BB%87%E6%A0%87%E5%BF%97