文章目录

  • Chapter 1: 图片格式
    • PPM
      • 格式
      • C++代码实现
      • 输出
    • BMP
      • 格式
      • C++实现
      • 输出
    • JPEG/JPG
      • 格式

Chapter 1: 图片格式

PPM

PPM format: PPM格式是一种用于表示图像的文件格式，全称为“Portable Pixmap”，通常也简称为 PPM 图像。它是一种比较简单的图片格式，不需要压缩，也不受操作系统和软件平台的限制。

其文本形式一般为这样：

P3
200 100
255
0 223 45
1 223 45
2 223 45
3 223 45
4 223 45
5 223 45
6 223 45
7 223 45
9 223 45
... ...

格式

PPM文件的格式可以分为三个部分：头信息、像素矩阵和原始数据。

  • 头信息部分是PPM文件的开头，以“P6”或“P3”开头表示彩色或灰度(颜色深度)图像，后面跟着一些描述图像的参数。具体格式如下：

    • P6（或P3） # 文件类型，P6表示二进制数据，P3表示ASCII码
      宽度 # 图像的宽度
      高度 # 图像的高度
      最大像素值 # 每个像素点颜色通道的最大值，通常是255

  • 像素矩阵部分是一个二维数组，存储了每个像素点的颜色信息。

    • 对于彩色图像，每个像素点需要存储红、绿、蓝三个通道的颜色值，因此每个像素点需要占据三个字节。

    • 对于黑白或灰度图像，每个像素点只需要存储一个通道的灰度值，因此每个像素点只需要占据一个字节。

    • 像素的存放顺序通常是从左到右，从上到下的顺序排列。

  • 原始数据部分包含了所有的像素信息，它表示的就是图像的真实内容。

  • 对于二进制文件，每个像素点的颜色信息以三个字节的形式存储（需要注意的是，在使用二进制格式存储PPM文件时，一个像素点的颜色信息可能会被分为多行存储，因此在读取数据时需要注意边界问题和字节对齐的问题）；

  • 对于ASCII码文件，每个像素点的颜色信息以一个或多个数字组成的字符串形式存储，每个数值之间通常用空格、制表符或换行符隔开。

注：

颜色信息

其颜色信息通常是以 RGB 三原色模式来表达的，每个像素点包含一个红色通道、一个绿色通道和一个蓝色通道。像素矩阵是一个二维矩阵，存储了每个像素点的颜色值。

对于彩色图片，每个颜色通道都占据一个字节（8位），范围从0到255；

对于灰度图片，只有一个通道，一个像素点只占一个字节，范围同样从0到255。

最大像素值

当然，除了255之外也可以设置其他的最大值，例如 127、63、31 等其他的值 （ 2 n − 1 ） （2^n-1） （2n−1）。但是需要注意的是，选择不同的最大值将会影响到图像的质量和精度。如果最大值太小，将会导致图像的灰度级别较少，因此可能损失一部分细节信息；如果最大值太大，将会占用更多的空间，同时也可能会造成颜色通道之间的冗余数据。因此，在选择最大值时需要根据具体情况进行调整。

应用

PPM 格式的图像文件大小较大，因此在存储和传输方面相对不够便利，但是其简单、通用的特点使得在实际应用中，其常常作为中间格式和数据交换格式来使用，以便在不同的系统和软件之间进行图像数据的传输和转换。

C++代码实现

/*PPM example*/
int width = 200;
int heighth = 100;
cout << "P3" << "\n" << width << ' ' << heighth << "\n255\n";
for (int i = 0; i < width * heighth; i++)
{float intensity = (float)i /(float)(width * heighth);int red = (int)(intensity * 255);cout << red << ' ' << '0' << ' ' << '0' << endl;
}
cout << "done" << endl;


//或是可以反向
for (int i = width * heighth-1; i >= 0; i--)

输出

  1. 可以加入文件处理语句，再将文件后缀改为.ppm

其他样式：

//波纹状
for (int i = (width * heighth)/2; i >= 0; i--)
{float intensity = (float)i /(float)(width * heighth)/2;int bw = intensity*(width * heighth)/2;outfile << '0' << ' ' << bw << ' ' << '0' << endl;
}
for (int i = 0; i < (width * heighth) / 2; i++)
{float intensity = (float)i / (float)(width * heighth) / 2;int bw = intensity * (width * heighth) / 2;outfile << '0' << ' ' << bw << ' ' << '0' << endl;
}
//向外渐变
for (int i = width * heighth - 1; i >= 0; i--)
{float intensity = (float)i /(float)(width * heighth);int green = 255 - intensity * 512;if(green >= 0)outfile << '0' << ' ' << green << ' ' << '0' << endl;elseoutfile << '0' << ' ' << -green << ' ' << '0' << endl;
}



/*双色*/
for (int i = 0, j = width * heighth-1; i < width * heighth; i++, j--)
{float ir = (float)i / (float)(width * heighth);float ig = (float)j / (float)(width * heighth);int r = ir * 255;int g = ig * 255;int b = 100;outfile << r << ' ' << g << ' ' << b << endl;
}
/*三色*/
for (int j = ny - 1; j >= 0; j--)for (int i = 0; i < nx; i++){float r = float(i) / float(nx);float g = float(j) / float(ny);float b = g;int ir = int(225.99 * r);int ig = int(225.99 * g);int ib = int(225.99 * b);/*pixel matrix(array called better)*/outfile << ir << " " << ig << " " << ib << "\n";}



//灰度（当RGB相同时）
for (int i = 0; i < width * heighth; i++)
{float intensity = (float)i / (float)(width * heighth);int rgb = intensity * 255;outfile << rgb << ' ' << rgb << ' ' << rgb << endl;
}

BMP

BMP 格式是一种 Microsoft Windows 系统下广泛使用的图片格式，它的格式定义相对 PPM 更为复杂，支持的特性也更加丰富，例如存储有关于图像颜色空间（如 RGB 或 CMYK）的额外元数据。而 XBM 格式不支持颜色深度或者颜色空间的信息。

格式

BMP文件由文件头（BITMAPFILEHEADER）、图像信息头（BITMAPINFOHEADER）以及图像数据三个部分组成（与ppm差不多）：

  • 文件头包括两个部分，共14个字节，用于标识该文件的类型和属性，并且出现在文件的开头位置。具体结构如下：
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {WORD bfType;     // 2 bytes，指明该文件为BMP文件，值固定为0x4D42（即"BM"）DWORD bfSize;    // 4 bytes，指明该文件所占空间大小，单位字节WORD bfReserved1;// 2 bytes，保留，必须设置为0WORD bfReserved2;// 2 bytes，保留，必须设置为0DWORD bfOffBits; // 4 bytes，指明从文件头开始到图像数据区域的偏移量，单位字节
} BITMAPFILEHEADER;
  • 信息头记录了与该BMP文件相关的关键性信息，包含40个字节，可以分为不同种类，主要有BITMAPCOREHEADER、BITMAPINFOHEADER、BITMAPV2INFOHEADER、BITMAPV3INFOHEADER、BITMAPV4HEADER和BITMAPV5HEADER等，其中最常用的是BITMAPINFOHEADER，其结构体如下：
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {DWORD biSize;          // 4 bytes，指明该信息头的大小LONG biWidth;          // 4 bytes，指明图像的宽度，单位像素LONG biHeight;         // 4 bytes，指明图像的高度，单位像素WORD biPlanes;         // 2 bytes，用于指定目标设备的平面数，必须为1WORD biBitCount;       // 2 bytes，指明每个像素占用的位数（即颜色深度）DWORD biCompression;   // 4 bytes，指明图像数据的压缩方式DWORD biSizeImage;     // 4 bytes，指明图像数据的大小，单位字节LONG biXPelsPerMeter;  // 4 bytes，指明水平分辨率，单位像素/米LONG biYPelsPerMeter;  // 4 bytes，指明垂直分辨率，单位像素/米DWORD biClrUsed;       // 4 bytes，指明调色板中实际使用的颜色数DWORD biClrImportant;  // 4 bytes，指明被认为是重要颜色的索引数
} BITMAPINFOHEADER;

  • 颜色表
    BMP文件支持使用颜色表来记录图像色彩信息，存储在文件中的调色板表可以由BI_RGB标志指定的24位和32位格式省略

  • 位图数据区
    BMP文件的最后部分就是实际的位图数据，如同名字所示，该区域包含了图像中每个像素的颜色信息。在不压缩的BMP文件中，每一个像素都与调色板中的一个颜色对应，若采用24位或32位真彩色，则将RGB或RGBA等颜色直接编码到图像数据中。

BMP文件格式文件大小相对较大，通常适合于需要保留图像精度的场合，而因为历史和技术原因，其一些参数的取值也相对随意，因此在解析时需要注意读取方式和对错误值的处理。

C++实现

#include <iostream>
#include <fstream>using namespace std;#pragma pack(push, 1) // 设置按照字节对齐
struct BMPHeader {char header_field1[2] {'B', 'M'}; // BMP 文件头标识uint32_t file_size; // 文件大小，4 个字节uint16_t reserved1 {0}; // 保留字段，2 个字节uint16_t reserved2 {0}; // 保留字段，2 个字节uint32_t pixel_data_offset; // 像素数据起始位置，从文件头开始计算的偏移量，4 个字节uint32_t dib_header_size {40}; // DIB 头大小，4 个字节int32_t width; // 图像宽度，4 个字节int32_t height; // 图像高度，4 个字节uint16_t planes {1}; // 位平面数，设定为 1，2 个字节uint16_t bits_per_pixel {24}; // 每个像素的位数，3 byte，24 位uint32_t compression {0}; // 压缩类型，BI_RGB 表示无压缩，4 个字节uint32_t size_of_bitmap {0}; // 图像大小，以字节为单位，BI_RGB 模式下可以设置为 0，4 个字节int32_t horizontal_resolution {2835}; // 水平分辨率，像素/米，很随意int32_t vertical_resolution {2835}; // 垂直分辨率，像素/米，很随意uint32_t colors_used {0}; // 颜色表中实际使用的颜色数，BI_RGB 模式下可以设置为 0，4 个字节uint32_t important_colors {0}; // 指定重要的颜色数，BI_RGB 模式下可以设置为 0，4 个字节
};
#pragma pack(pop)int main()
{int nx = 200;int ny = 100;const int row_size = ((nx * 3 + 3) / 4) * 4; // BMP 中每行像素数据必须是 4 的倍数，对于 24 位像素数据，每个像素占用 3 byteconst int pixel_data_size = row_size * ny; // 计算像素数据总大小const int file_size = sizeof(BMPHeader) + pixel_data_size; // 计算文件总大小BMPHeader bmp_header;bmp_header.file_size = file_size;bmp_header.pixel_data_offset = sizeof(BMPHeader); // BMP 文件头和 DIB 头共计 54 bytesbmp_header.width = nx;bmp_header.height = ny;ofstream outfile("mytest.bmp", ios_base::out | ios_base::binary);outfile.write(reinterpret_cast<const char*>(&bmp_header), sizeof(BMPHeader));std::cout << "P3\n" << nx << " " << ny << "\n255\n";for (int j = ny - 1; j >= 0; j--){for (int i = 0; i < nx; i++){float r = float(i) / float(nx);float g = float(j) / float(ny);float b = 0.2;int ir = int(255.99 * r);int ig = int(255.99 * g);int ib = int(255.99 * b);outfile.put(static_cast<char>(ib));outfile.put(static_cast<char>(ig));outfile.put(static_cast<char>(ir));std::cout << ir << " " << ig << " " << ib << "\n";}for (int k = 0; k < row_size - nx * 3; k++) {outfile.put(static_cast<char>(0)); // 填充到 4 的倍数}}
}

输出

JPEG/JPG

JPEG/JPG是一种有损的压缩图像格式，采用了离散余弦变换（DCT）和量化的技术来压缩图像数据。

格式

  • 文件头
    JPG文件的文件头共2个字节，用于标识该文件的类型和属性。其中第一个字节的值为0xFF，表示这是一个JPG文件，第二个字节决定了接下来的数据类型。

  • 图像信息
    JPG的图像信息包括两类数据：应用数据段（APPn，n=0f）和标记数据段（Mk，k=0f）。

  • 应用数据段：包含了与该图像相关的应用程序的信息，例如照片拍摄时间、设备制造商等。
    标记数据段：包含了该图像的压缩信息、分量数、每个分量的采样精度以及哈夫曼表（Huffman Table）等信息。其中，哈夫曼表记录了JPG压缩算法中使用的编码表，用于将图像的像素值编码为二进制数据。

  • 量化表
    JPG使用量化表对图像进行有损压缩，用于降低图像数据冗余和噪声的影响，从而减小图像文件的大小。

  • 帧数据
    JPG采用基于YCbCr颜色空间的色彩模型，将图像分解为亮度（Y）和色度（Cb和Cr）三个分量，并将每个分量进行离散余弦变换和量化处理。帧数据段包括了压缩后的亮度和色度数据以及采样率等信息。

  • 扫描数据
    扫描数据段是JPG文件中最重要的部分，它包含了压缩后的图像数据。在该数据段中，采用了游程编码（Run-length Coding）和哈夫曼编码（Huffman Coding）等算法对图像数据进行压缩和编码，在遍历过程中根据哈夫曼表解码并还原出图像数据。

JPG是一种高效的图像压缩格式，具有良好的压缩比和图像质量。但它也是一种有损压缩格式，会丢失一部分图像信息，因此适合于在保证图像质量的前提下尽可能地减小文件大小

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