JPG學習筆記1（附完整程式碼）

哇哩顧得發表於2021-02-12

　　在學習圖象處理的過程中，JPEG是我的第一個攔路虎。一直很想手寫一下JPG的壓縮和解壓的過程，我在網上找到了一些程式碼或者文章，很多都是沒有註釋或者是解釋不夠清楚的。所以特地寫這篇文章記錄自己從無到有寫一個JPEG_Encoder的過程，也能幫助其他學習圖形或者音視訊的童鞋。對於不想看文章的同學，這邊直接上程式碼 https://github.com/Cheemion/JPEG_COMPRESS。以下是JPEG的壓縮流程。取樣->>離散傅立葉變化->>量化->>哈夫曼壓縮->>寫入jpg檔案. 在進行這些流程之前，必須從BMP檔案中讀取待壓縮的圖片檔案。

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

1.BMP檔案Format

[1]BMP檔案包括如下：

一個檔案頭BITMAPFILEHEADER，裡面包含了檔案的各種資訊。

一個圖片頭BITMAPINFOHEADER,裡面包含了圖片資訊。

一個RGBQUAD array，裡面包含了畫素的對應關係,比如1 代表 RGB(1,1,1)。因為我們用的都是24點陣圖片，所以我們不考慮這一項。

一個Color-index，就是我們的圖片的畫素了，我們只考慮24點陣圖像。

其他需要注意的如下：

BMP檔案的位元組是小端儲存的(BMP format are stored with the least significant bytes first)

BMP圖片的每一行畫素所佔的位元組數必須是4位元組的的整數倍

BMP資料的第一行畫素儲存的是圖片的最後一行的資料(相當於圖片在BMP中是倒置的)

2.BITMAPFILEHEADER(標頭檔案格式)

[2]標頭檔案包含如下的欄位

1 typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
2   WORD  bfType; //檔案型別 規定為'BM'
3   DWORD bfSize; //檔案大小
4   WORD  bfReserved1; //保留
5   WORD  bfReserved2; //保留
6   DWORD bfOffBits;  //資料起始地址距離首地址的位置
7 } BITMAPFILEHEADER, *LPBITMAPFILEHEADER, *PBITMAPFILEHEADER;

3.BITMAPINFOHEADER檔案格式

[3]bitMapInfoHeader根據版本的不同包含了不同的結構，我們主要用到了BitMapInfoHeader和BitMapCoreHeader

以下是BitMapInfoHeader


 1 typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {
 2   DWORD biSize;  // infoHeader這個標頭檔案的大小
 3   LONG  biWidth; // 圖片寬多少畫素
 4   LONG  biHeight; //高多少
 5   WORD  biPlanes; //預設1
 6   WORD  biBitCount; //一個畫素點有多少位
 7   DWORD biCompression; //是否壓縮過
 8   DWORD biSizeImage; //圖片大小
 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就簡單多了，就是少了一些欄位，其他一毛一樣。

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

4.讀取圖片資料

定義常用結構

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

定義BMPReader(用來讀取bmp檔案) 和BMPHeader結構.

 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;  //實際的資料
18 };
19 
20 //2個位元組對齊,
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()

讀取圖片資料到BMPReader的data欄位

bool BMPReader::open(std::string& path) {
    FILE* file = nullptr;
　　 //判斷是否開啟圖片成功
    if ((file = fopen(path.c_str(), "rb")) == nullptr) {
        printf("error occured when opening file:%s", path.c_str());
        return false;
    }

    BitMapFileHeader fileHeader;
    //讀取檔案頭
    if (fread(&fileHeader, sizeof(fileHeader), 1, file) != 1) {
        printf("Error - error occured when reading BITMAPFILEHEADER");
        return false;
    }
　　//判斷是不是BMP檔案，通過判斷'BM'
    if(fileHeader.bfType != 0x4D42) {
        printf("Error - this is not a BMP file that you're reading");
        return false;
    }
　　 
    
    //讀取infoHeader的大小，通過size來判斷是哪個版本的BitMapInfoHeader
    uint infoHeaderSize;
    fread(&infoHeaderSize, sizeof(infoHeaderSize), 1, file);
    fseek(file, -sizeof(infoHeaderSize), SEEK_CUR);
    //2中infoHeader, 通過size來判斷
   
    //如果是BitMapCoreHeader的話
    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;
        }
    }
    // 必須是4byte的整數倍，算出需要padding多少位元組，也就是需要填補多少位元組// if width = 1, 1 * 3個畫素 * 8位 = 24位, 差一個位元組, paddingSize = 1
    // if width = 2, 2 * 3個 * 8位 = 48位  paddingSize = 2
    // if width = 3, paddingSize = 3
    // if width = 4, paddingSize = 0
    this->paddingBytes = width % 4;
　　
    //為畫素資料 建立記憶體空間
    data = new (std::nothrow) RGB[this->width * this->height];
    if (!data) {
        printf("Error - error when allocating memroy for RGB");
        return false;
    }
    //跳到data資料的位置
    fseek(file, fileHeader.bfOffBits, SEEK_SET);
    for (uint i = 0; i < height; i++) {
        //read data一行，一行的讀取放入我們的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;
        }
        //因為可能有paddingSize，所以這邊跳過PaddingSize
        fseek(file, paddingBytes, SEEK_CUR);
    }
    fclose(file);
    return true;
}