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.

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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