C读取TIFF文件

0 引言

1 TIFF图像格式详解

2 C#解码TIFF图像

解码TIFF实际上是个很简单的工作，只要有耐心读官方的说明文档，人人都可以自己写代码解码TIFF，只不过TIFF格式的图像种类太多，要想适用于所有的TIFF文件，对于个人来说是件非常耗时的事情。

下面我就来针对我自己想要解码的图像（32位Float * 四通道），来做一个解码小程序，希望也能对其他人有一点点帮助。

我这里适用C#来解码图像，但其实用什么语言并不影响，逻辑对的就行。

2.1

我们先写个TIFF类，里面主要放TIFF图像的各种属性和解码用到的函数。

public class TIFF { 
    byte[] data;//把TIFF文件读到byte数组中 //接下来是TIFF文件的各种属性 bool ByteOrder;//true:II false:MM public int ImageWidth = 0; public int ImageLength = 0; public List<int> BitsPerSample = new List<int>(); public int PixelBytes = 0; public int Compression = 0; public int PhotometricInterpretation = 0; public List<int> StripOffsets = new List<int>(); public int RowsPerStrip = 0; public List<int> StripByteCounts = new List<int>(); public float XResolution = 0f; public float YResolution = 0f; public int ResolutionUnit = 0; public int Predictor = 0; public List<int> SampleFormat = new List<int>(); public string DateTime = ""; public string Software = ""; public void Decode(string path){ 
    //... } private int DecodeIFH(){ 
    //... } public int DecodeIFD(int Pos){ 
    //... } private void DecodeDE(int Pos){ 
    //... } private void GetDEValue(int TagIndex, int TypeIndex, int Count, byte[] val){ 
    //... } private void DecodeStrips(){ 
    //... } static private DType[] TypeArray = { 
    //... }; struct DType { 
    public DType(string n, int s) { 
    //... } public string name; public int size; } 

我们从Init函数开始。

public void Decode(string path) { 
    data = File.ReadAllBytes(path); //首先解码文件头，获得编码方式是大端还是小端，以及第一个IFD的位置 int pIFD = DecodeIFH(); //然后解码第一个IFD，返回值是下一个IFD的地址 while (pIFD != 0) { 
    pIFD = DecodeIFD(pIFD); } } 

Decode函数的参数是TIFF文件的位置，我们把文件数据读进来，放在byte数组中。接下来，我们需要解码TIFF文件中的各种信息。首先解码的是IFH，它可以告诉我们文件的编码方式，这直接影响了我们如何将byte数组转换成Int、Float等类型。

private int DecodeIFH() { 
    string byteOrder = GetString(0,2); if (byteOrder == "II") ByteOrder = true; else if (byteOrder == "MM") ByteOrder = false; else throw new UnityException("The order value is not II or MM."); int Version = GetInt(2, 2); if (Version != 42) throw new UnityException("Not TIFF."); return GetInt(4, 4); } 

来看看II和MM的区别，它将影响后面GetInt和GetFloat函数

private int GetInt(int startPos, int Length) { 
    int value = 0; if (ByteOrder)// "II") for (int i = 0; i < Length; i++) value |= data[startPos + i] << i * 8; else // "MM") for (int i = 0; i < Length; i++) value |= data[startPos + Length - 1 - i] << i * 8; return value; } private float GetRational(int startPos) { 
    int A = GetInt(startPos,4); int B = GetInt(startPos+4,4); return A / B; } private float GetFloat(byte[] b, int startPos) { 
    byte[] byteTemp; if (ByteOrder)// "II") byteTemp =new byte[]{ 
   b[startPos],b[startPos+1],b[startPos+2],b[startPos+3]}; else byteTemp =new byte[]{ 
   b[startPos+3],b[startPos+2],b[startPos+1],b[startPos]}; float fTemp = BitConverter.ToSingle(byteTemp,0); return fTemp; } private string GetString(int startPos, int Length)//II和MM对String没有影响 { 
    string tmp = ""; for (int i = 0; i < Length; i++) tmp += (char)data[startPos]; return tmp; } 

读出的第二个数据是值为42的标志位，它是TIFF文件的标志。因为我是用在Unity中的，所以使用的是Unity中的抛出异常。可以删掉或替换程其他形式，这个无关紧要。

Decode函数的最后一部分是一个while循环，不停的解码IFD，直到读完所有的IFD文件。DecodeIFD这个函数返回的是下一个IFD的位置，如果返回的是0的话，就说明读完了，也就是说整个文件读完了。不过一般的TIFF，比如我的这个，只有一个IFD文件。（可能多页TIFF会有多个IFD文件吧，但这个我还没有验证过）

public int DecodeIFD(int Pos) { 
    int n = Pos; int DECount = GetInt(n, 2); n += 2; for (int i = 0; i < DECount; i++) { 
    DecodeDE(n); n += 12; } //已获得每条扫描线位置，大小，压缩方式和数据类型，接下来进行解码 DecodeStrips(); int pNext = GetInt(n, 4); return pNext; } 

每个IFD文件里存的第一个信息是该IFD中DE的个数。DE里存的就是我们要读取的TIFF文件信息。每个DE占12字节，因此我们先用个循环，解码所有的DE，在这个过程中，我们将会获得TIFF图像的高度、宽度、压缩方式、图像数据的开始位置等信息。在这之后，就到了解码扫描线数据的环节。

我们先来看看DE的解码

public void DecodeDE(int Pos) { 
    int TagIndex = GetInt(Pos, 2); int TypeIndex = GetInt(Pos + 2, 2); int Count = GetInt(Pos + 4, 4); //Debug.Log("Tag: " + Tag(TagIndex) + " DataType: " + TypeArray[TypeIndex].name + " Count: " + Count); //先把找到数据的位置 int pData = Pos + 8; int totalSize = TypeArray[TypeIndex].size * Count; if (totalSize > 4) pData = GetInt(pData, 4); //再根据Tag把值读出并存起来 GetDEValue(TagIndex, TypeIndex, Count, pData); } 

对于每一个DE,首先解码前两个字符，它存的是改DE的标签，根据标签我们就可以找到该DE存的是什么值（见表4）。然后再解码两个字符，它存的是该DE存放的数据的类型号，根据类型号可以找到数据类型（见表1）。在代码中，我写了个结构体DType存数据类型的名称和长度，有创建了一个DType的数组存放12种数据类型，数组的下标正好队形类型号。

struct DType { 
    public DType(string n, int s) { 
    name = n; size = s; } public string name; public int size; } static private DType[] TypeArray = { 
    new DType("???",0), new DType("byte",1), //8-bit unsigned integer new DType("ascii",1),//8-bit byte that contains a 7-bit ASCII code; the last byte must be NUL (binary zero) new DType("short",2),//16-bit (2-byte) unsigned integer. new DType("long",4),//32-bit (4-byte) unsigned integer. new DType("rational",8),//Two LONGs: the first represents the numerator of a fraction; the second, the denominator. new DType("sbyte",1),//An 8-bit signed (twos-complement) integer new DType("undefined",1),//An 8-bit byte that may contain anything, depending on the definition of the field new DType("sshort",1),//A 16-bit (2-byte) signed (twos-complement) integer. new DType("slong",1),// A 32-bit (4-byte) signed (twos-complement) integer. new DType("srational",1),//Two SLONG’s: the first represents the numerator of a fraction, the second the denominator. new DType("float",4),//Single precision (4-byte) IEEE format new DType("double",8)//Double precision (8-byte) IEEE format }; 

接着解码四个字节，这四个字节存的是数据的个数，因为有的数据是数组，比如每个通道的bit数，RGBA图像有4个。我的TIFF文件是128位的RGBA，所以我的BitsPerSample这一项是32,32,32,32四个数。

一般DE中数据的存放位置是该DE的第8到第12个字节。而像存放数组的，或者存的数据比较大的DE，这4个字节只存数据的位置，数据放在其他地方。因此，我们先要根据数据所占字节数，判断数据的其实位置。

//先把找到数据的位置 int pData = Pos + 8; int totalSize = TypeArray[TypeIndex].size * Count; if (totalSize > 4) pData = GetInt(pData, 4); 

找到数据位置之后，再把数据读出来。根据标签，把TIFF类里对应的属性值填上（见表4）

private void GetDEValue(int TagIndex, int TypeIndex, int Count, int pdata) { 
    int typesize = TypeArray[TypeIndex].size; switch (TagIndex) { 
    case 254: break;//NewSubfileType case 255: break;//SubfileType case 256://ImageWidth ImageWidth = GetInt(pdata,typesize);break; case 257://ImageLength if (TypeIndex == 3)//short ImageLength = GetInt(pdata,typesize);break; case 258://BitsPerSample for (int i = 0; i < Count; i++) { 
    int v = GetInt(pdata+i*typesize,typesize); BitsPerSample.Add(v); PixelBytes += v/8; }break; case 259: //Compression Compression = GetInt(pdata,typesize);break; case 262: //PhotometricInterpretation PhotometricInterpretation = GetInt(pdata,typesize);break; case 273://StripOffsets for (int i = 0; i < Count; i++) { 
    int v = GetInt(pdata+i*typesize,typesize); StripOffsets.Add(v); }break; case 274: break;//Orientation case 277: break;//SamplesPerPixel case 278://RowsPerStrip RowsPerStrip = GetInt(pdata,typesize);break; case 279://StripByteCounts for (int i = 0; i < Count; i++) { 
    int v = GetInt(pdata+i*typesize,typesize); StripByteCounts.Add(v); }break; case 282: //XResolution XResolution = GetRational(pdata); break; case 283://YResolution YResolution = GetRational(pdata); break; case 284: break;//PlanarConfig case 296://ResolutionUnit ResolutionUnit = GetInt(pdata,typesize);break; case 305://Software Software = GetString(pdata,typesize); break; case 306://DateTime DateTime = GetString(pdata,typesize); break; case 315: break;//Artist case 317: //Differencing Predictor Predictor = GetInt(pdata,typesize);break; case 320: break;//ColorDistributionTable case 338: break;//ExtraSamples case 339: //SampleFormat for (int i = 0; i < Count; i++) { 
    int v = GetInt(pdata+i*typesize,typesize); SampleFormat.Add(v); } break; default: break; } } 

当所有的DE都被解码后，我们就可以来解码图像数据了。因为图像数据是一条一条的存放在TIFF文件中，DE 273 StripOffsets记录了每条扫描线的位置。DE 278 RowsPerStrip 记录了一条扫描线存了多少行图形数据。DE 279 StripByteCounts是一个数组，记录了每条扫描线数据的长度。如果不经过压缩的话，每条扫描线长度一般是相同的。

应为我的TIFF文件是采用了LZW压缩，DE 259 Compression =5，下面我就针对这种数据来解码一波。

private void DecodeStrips() { 
    int pStrip = 0; int size = 0; tex = new Texture2D(ImageWidth,ImageLength,TextureFormat.RGBA32,false); Color[] colors = new Color[ImageWidth*ImageLength]; if (Compression == 5) { 
    int stripLength = ImageWidth * RowsPerStrip * BitsPerSample.Count * BitsPerSample[1] / 8; CompressionLZW.CreateBuffer(stripLength); if(Predictor==1) { 
    int index = 0; for (int y = 0; y < StripOffsets.Count; y++) { 
    pStrip = StripOffsets[y];//起始位置 size = StripByteCounts[y];//读取长度 byte[] Dval = CompressionLZW.Decode(data, pStrip, size); for(int x = 0;x<ImageWidth;x++) { 
    float R = GetFloat(Dval, x * PixelBytes ); float G = GetFloat(Dval, x * PixelBytes+4 ); float B = GetFloat(Dval, x * PixelBytes+8 ); float A = GetFloat(Dval, x * PixelBytes+12); colors[index++] = new Color(R,G,B,A); } } } else { 
    } } tex.SetPixels(colors); tex.Apply(); } 

因为是在Unity中开发的脚本，所以使用的是Unity的Texture，这个可以换成其他的，无关紧要。这里面我专门写了个类来解码LZW压缩的文件。解码后的数据直接转成Float存在Colors[]数组中，最后赋值给Texture。DE 274 Orientation就先不管了，先把图像读出来再说，无非是显示出来的图像是正的还是倒的或是镜像对称的。

下面来着重介绍一下LZW的解压方式。

while ((Code = GetNextCode()) != EoiCode) { 
    if (Code == ClearCode) { 
    InitializeTable(); Code = GetNextCode(); if (Code == EoiCode) break; WriteString(StringFromCode(Code)); OldCode = Code; } /* end of ClearCode case */ else { 
    if (IsInTable(Code)) { 
    WriteString(StringFromCode(Code)); AddStringToTable(StringFromCode(OldCode)+FirstChar(StringFromCode(Code))); OldCode = Code; } else { 
    OutString = StringFromCode(OldCode) + FirstChar(StringFromCode(OldCode)); WriteString(OutString); AddStringToTable(OutString); OldCode = Code; } } /* end of not-ClearCode case */ } /* end of while loop */ 

其实也是比较简单的，上面写的是TIFF官方说明文档中解压TIFF的伪代码，我直接把它copy下来，粘贴在我的程序中，然后逐个实现里面的函数就好了。剩下的就是不断的调试了，总会遇到各式各样的bug。下面是我写的CompressionLZW类的大体框架。

public class CompressionLZW { 
    static private int Code = 0; static private int EoiCode = 257; static private int ClearCode = 256; static private int OldCode = 256; static private string[] Dic= new string[4096]; static private int DicIndex; static private byte[] Input; static private int startPos; static private byte[] Output; static private int resIndex; static private int current=0; static private int bitsCount = 0; static string combine ="{0}{1}"; static private void ResetPara() { 
    OldCode = 256; DicIndex = 0; current = 0; resIndex = 0; } static public void CreateBuffer(int size){ 
    //... } static public byte[] Decode(byte[] input,int _startPos,int _readLength){ 
    //... } static private int GetNextCode(){ 
    //... } static private int GetBit(int x){ 
    //... } static private int GetStep(){ 
    //... } static private void InitializeTable(){ 
    //... } static private void WriteResult(string code){ 
    //... } } 

先来看看核心函数Decode

static public byte[] Decode(byte[] input,int _startPos,int _readLength) { 
    Input = input; startPos = _startPos; bitsCount = _readLength*8; ResetPara(); while ((Code = GetNextCode()) != EoiCode) { 
    if (Code == ClearCode) { 
    InitializeTable(); Code = GetNextCode(); if (Code == EoiCode) break; WriteResult(Dic[Code]); OldCode = Code; } else { 
    if (Dic[Code]!=null) { 
    WriteResult(Dic[Code]); Dic[DicIndex++] =string.Format(combine, Dic[OldCode],Dic[Code][0]); OldCode = Code; } else { 
    string outs = string.Format(combine, Dic[OldCode], Dic[OldCode][0]); WriteResult(outs); Dic[DicIndex++] =outs; OldCode = Code; } } } return Output; } 

按照TIFF官方说明文档中的伪代码写完后，我遇到的第一个bug就是没有重置一些变量。当然，这是非常低级的错误了。因为我用的是静态函数，所以，每次调用Decode函数时，都要注意将一些变量重置一些。

这串代码里最重要的应该就是GetNextCode()了。

static private int GetNextCode() { 
    int tmp = 0; int step = GetStep(); if (current + step > bitsCount) return EoiCode; for (int i = 0; i<step; i++) { 
    int x = current + i; int bit = GetBit(x)<<(step-1-i); tmp+=bit; } current += step; //一开始读9个bit //读到510的时候，下一个开始读10bit //读到1022的时候，下一个开始读11bit //读到2046的时候，下一个开始读11bit return tmp; } static private int GetStep() { 
    int res = 12; int tmp = DicIndex-2047;//如果大于2046.则为正或零 res+=(tmp>>31); tmp = DicIndex-1023; res+=(tmp>>31); tmp = DicIndex-511; res+=(tmp>>31); return res; } static private int GetBit(int x) { 
    int byteIndex = x/8; //该bit在第几个byte里 int bitIndex =7-x+byteIndex*8;//该bit是这个byte的第几位 byte b = Input[startPos + byteIndex]; return (b>>bitIndex)&1; } 

因为这几个函数可能会被上百万次的调用，我这里尽量使用位操作替代了if/else语句，所以看起来不是很直观。GetNextCode()函数的任务就是获取下一个字符，但是下一个字符占几位需要判断一下，这是有GetStep()函数来完成的。

因为tmp是有符号整型，当tmp<0时，tmp的最高位为1，代表负数，右移31位后，代表负数的1移动到了最低位，但由于移位也不改变符号，所以tmp变成了-1；当tmp>=0时，tmp的最高位为0，代表正数，右移31位后，代表正数的0移动到了最低位，所以tmp变成了0。这样便避免了使用多个if/else语句。

GetBit函数直接根据下标读原始的TIFF数据数组，我没有用BitArray去操作，这里用它效率不高。要特别注意这里

int bitIndex =7-x+byteIndex*8;//该bit是这个byte的第几位 

将被LZW压缩过的数据进TIFF文件的时候，是按字节写进去的。

假设我们的TIFF图像是一个只有一个像素的图像，该像素的RGB值为(16,16,16) ，将它进行LZW压缩后得到的是

000010000 00000001 0000

但它是按字节存进去的：

00000100 00 0 00010000

如果我们直接从0开始读的话，得到的结果是这样的。

00000001 00 00000100 00001010 00001000