C++實現(xiàn)JPEG格式圖片解析(附代碼)
更新時間：2023年05月09日 11:33:53 作者：咩~~
這篇文章主要為大家詳細介紹了C++如何實現(xiàn)JPEG格式圖片解析功能，文中的示例代碼講解詳細，具有一定的學(xué)習(xí)價值，需要的可以參考一下
1.讀取文件的信息
JPEG格式中信息是以段（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）來存儲的。
段的格式如下
| 名稱 | 字節(jié)數(shù) | 數(shù)據(jù) | 說明 |
|---|---|---|---|
| 段標識 | 1 | FF | 每個新段的開始標識 |
| 段類型 | 1 | 類型編碼（稱作“標記碼”） | |
| 段長度 | 2 | 包括段內(nèi)容和段長度本身,不包括段標識和段類型 | |
| 段內(nèi)容 | ≤65533字節(jié) |
其余具體信息請見以下鏈接，我就不當復(fù)讀機了。
值得注意的一點是一個字節(jié)的高位在左邊，而且直流分量重置標記一共有8個，其他的格式說明在第二個鏈接中已經(jīng)足夠詳細了
這些段中必須要讀取的段：SOS, DHT, DQT, SOF, DRI，其他的只是錦上添花
這里面可能會出現(xiàn)多個SOF段，我們需要拿到這幾個段中圖片高度和寬度的最大值，和YCbCr的水平，垂直采樣因子的最大值分別記為Hmax，Vmax，之后會用到
DRI中的開始間隔指的就是直流分量重置間隔，我們記為reset
2.Huffman編碼解碼
首先Huffman編碼分直流表（DC）和交流表（AC），他們一般各自有兩張表，具體使用哪張表是通過SOS里面的對應(yīng)關(guān)系來的，一般Y對應(yīng)第一張表，CbCr對應(yīng)第二、三張表。
因為規(guī)定huffman編碼最多16位，所以huffman編碼的最大值位65535
以下代碼為我的解碼方式，直流交流均如此
int curPos = 16, curCode = 0;
for (int i = 0; i < 16; i++) {
int count = temp[i];//count為二進制位數(shù)為i+1的個數(shù)
curCode <<= 1; //curCode為當前huffman編碼數(shù)值
while (count--) { //一次循環(huán)生成一個
uint16_t code=curCode;
uint8_t bit=i+1;//比特位有幾位 00為2位
uint8_t weight=temp[curPos];//權(quán)重是按照順序排列的，如比特位為兩位的編碼有兩個，設(shè)為00，01，后面權(quán)重排列為1，2，則00對應(yīng)1，01對應(yīng)2
pair<uint8_t, uint8_t> t1(bit,weight);
//<code,<bit,weight>
pair<uint16_t, pair<uint8_t, uint8_t>> t2(curCode,t1);
table.insert(t2);
curCode++;
curPos++;
}
}3.直流交流編碼解析
SOS段之后就是真正的圖片壓縮數(shù)據(jù)了，可以選擇一次性讀取到內(nèi)存中，也可以邊讀數(shù)據(jù)邊做后面的解析步驟，我是選擇了第二種。每讀取一個MCU后做一次解析（我使用的是緩存隊列）。在圖片編碼的時候需要劃分MCU（最小編碼單位），每個MCU由多個8×8矩陣組成，通過編碼將二維數(shù)組轉(zhuǎn)換為一維的，所以當讀取的數(shù)據(jù)達到了64個，就代表一個8×8的塊解析完成，直到讀取到0xFFD9結(jié)束
然而，讀取多少個8×8矩陣才能解析出一個MCU呢？
MCU里面的8×8矩陣個數(shù)，如果從編碼角度來說的話，8×8矩陣個數(shù)是Hmax*Vmax個，但是從解碼角度來說，因為此時的YCbCr已經(jīng)分開成為了三張表，所以8×8矩陣個數(shù)應(yīng)該是三個分量的水平、垂直采樣因子的乘積之和（先乘積，再求和）記為SUMmcu，所以讀取一次要讀取SUMmcu個8×8矩陣（此時這里面有YCbCr三種表，之后通過公式將YCbCr轉(zhuǎn)換為RGB數(shù)值）
好了，到這里我們知道了要讀取多少個8×8的矩陣 （實際上，因為沒有反Zig-Zag編碼，此時還是有64個數(shù)據(jù)的一維數(shù)組）
接下來開始解析，解析需要使用上一步解碼出來的Huffman編碼。
解析方式如下：
1、對于直流（差分編碼），按照一個比特位來讀取圖片壓縮數(shù)據(jù)，若在Huffman表中發(fā)現(xiàn)該編碼，并且位數(shù)相等，則讀取該編碼所對應(yīng)的權(quán)重，該權(quán)重代表接下來讀取多少個比特位作為直流分量的值，你以為這就完了？還要加上差分矯正變量 （YCbCr每張表都有一個，所以一共有3個）。
2、對于交流（游程編碼），其他部分都一樣（這個沒有差分矯正變量），不同的地方舉個例子，設(shè)讀取的直流分量為0x37，則低4位（這里為7）代表接下來7個比特位是該交流分量的值，而高4位（此處為3）代表此交流分量前有3個0 （這里就不用加上前面的了）。注意直流交流使用的Huffman表不同
3、接下來就是循環(huán)讀取交流分量了，那么什么時候退出呢？
有兩個條件，只要達成一個就可以退出
- 讀取了63個交流分量
- 交流分量的權(quán)值為0，此位后面全是0
對于根據(jù)權(quán)重所讀出來的值（不區(qū)分直流交流），對于最高位（最左邊）若為0則是負數(shù)，否則為正數(shù)，判斷代碼如下，curValue為讀取的值，curValueLength為讀取的值有多少位
curValue = (curValue >= pow(2, curValueLength - 1) ? curValue : curValue - pow(2, curValueLength) + 1);
這里面還有兩個坑（若DRI讀出來的直流分量重置間隔reset為0，不用管這步）
假設(shè)reset為332（這是我圖片的間隔），就是隔了332個MCU（也就是332×SUMmcu個8×8的矩陣），需要將所有差分矯正變量全部置為0，并且當這332個MCU讀取完后，你要讀取兩個字節(jié)（這兩個字節(jié)是一個段），這兩個字節(jié)應(yīng)該正好是0xFF 0xD0~0xD7，并且D0到D7是按順序出現(xiàn)的，例如，上一個是0xFFD0那么下一個肯定是0xD1，到D7后下一個是D0，若對不上那就有問題了。還有，這讀出來的兩個字節(jié)不是圖片的壓縮數(shù)據(jù)不需要解碼若讀取到了0xFF00則00忽略
到此，我們得到了一個有64個元素的一維數(shù)組
4.反量化
我們用之前讀出來的量化表（也是64個元素的，你說巧不巧嘿嘿）與上面解碼得到的元素對應(yīng)項相乘，反量化完成?。?！
5.反Zig-Zag變化
編碼方式如下
我使用的模擬法，將一維數(shù)組轉(zhuǎn)為8×8矩陣
函數(shù)如下，寫的不好
double** UnZigZag(int* originArray){
double** table=new double*[ROW];
for(int i=0;i<ROW;i++) table[i]=new double[COL];
int cur=0,x=0,y=0;
bool flag = true;//true是右上 false是左下
while (cur < 64) {
table[y][x] = originArray[cur++];
if (flag) { x++; y--; }
else { x--; y++; }
if (x < 0 || y < 0 || x>7 || y>7) flag = !flag;
if (x < 0 && y>7) { x = 1; y = 7; }
if (x < 0) x = 0;
else if (x > 7) { x = 7; y += 2; }
if (y < 0) y = 0;
else if (y > 7) { y = 7; x += 2; }
}
return table;也可以使用另外一種方法，手動記錄一個數(shù)組，將位置寫好，轉(zhuǎn)換只需要4行代碼
6.反DCT變化
那個公式太慢了，有這個公式的簡化版本，公式可以化為矩陣乘法，只需要一個轉(zhuǎn)換矩陣
矩陣我是用下面的代碼計算得到的
double** JPEGData::createDCTAndIDCTArray(int row){
double** res=new double*[row];
for(int i=0;i<row;i++) res[i]=new double[row];
// cout<<endl;
for(int i=0;i<row;i++){
for(int j=0;j<row;j++){
double t=0;
if(i==0) t=sqrt(1.0/row);
else t=sqrt(2.0/row);
res[i][j]=t*cos(M_PI*(j+0.5)*i/row);
// cout<<res[i][j]<<" ";
}
// cout<<endl;
}
return res;
}
//設(shè)返回的矩陣為A
//DCT原理 Y=A*X*A'(X為正變換輸入，Y是輸出)
//IDCT原理X=A'*Y*A（Y是逆變換輸入，X是輸出'是轉(zhuǎn)置）
void JPEGData::IDCT(double** originMatrix){
vector<vector<double>> temp(ROW,vector<double>(COL,0));
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=DCTAndIDCTArray[k][i]*originMatrix[k][j];
}
temp[i][j]=sum;
}
}
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=temp[i][k]*DCTAndIDCTArray[k][j];
}
originMatrix[i][j]=sum;
}
}
}
void JPEGData::DCT(double** originMatrix){
vector<vector<double>> temp(ROW,vector<double>(COL,0));
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=DCTAndIDCTArray[i][k]*originMatrix[k][j];
}
temp[i][j]=sum;
}
}
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=temp[i][k]*DCTAndIDCTArray[j][k];
}
originMatrix[i][j]=sum;
}
}
}7.YCbCr轉(zhuǎn)RGB
公式如下，這個是真好使
R=128+y+1.402 cr
G=128+y-0.71414cr-0.34414*cb
B=128+y+1.772 *cb
struct RGB{
uint8_t red;
uint8_t green;
uint8_t blue;
};
RGB** JPEGData::YCbCrToRGB(const int* YUV){
RGB **res = new RGB *[ROW * max_v_samp_factor];
int matrixCount = YUV[0] + YUV[1] + YUV[2];
int crCount = 0, cbCount = 0;
//1＝Y(jié), 2＝Cb, 3＝Cr
//式子 scale*x,scale*y
double cb_h_samp_scale=component[1].h_samp_factor*1.0/max_h_samp_factor,
cb_v_samp_scale=component[1].v_samp_factor*1.0/max_v_samp_factor,
cr_h_samp_scale=component[2].h_samp_factor*1.0/max_h_samp_factor,
cr_v_samp_scale=component[2].v_samp_factor*1.0/max_v_samp_factor;
for (int i = 0; i < ROW * max_v_samp_factor; i++)
res[i] = new RGB[COL * max_h_samp_factor];
//此處直接生成rgb值
//注意，此處YCbCr的對應(yīng)關(guān)系與采樣因子有關(guān)
//這個ycbcr存的是一個MCU，假設(shè)YUV為411，那么ycbcr有6個
//這種方式轉(zhuǎn)換不了YUV為420的，因為數(shù)組越界了，不過可以加個判斷，我懶得改了
// cout<<endl;
for(int j=0;j<ROW * max_v_samp_factor;j++){
for(int k=0;k<COL * max_h_samp_factor;k++){
int yPos = (j / ROW) * component[0].h_samp_factor + (k / COL);
int cbPos = YUV[0] + (int)((k / ROW) * cb_v_samp_scale) + (int)((j / COL) * cb_h_samp_scale);
int crPos = YUV[0] + YUV[1] + (int)((k / ROW) * cr_v_samp_scale) + (int)((j / COL) * cr_h_samp_scale);
double y = ycbcr[yPos][j % ROW][k % COL];
double cb = ycbcr[cbPos][(int)(j * cb_v_samp_scale)][(int)(k * cb_h_samp_scale)];
double cr = ycbcr[crPos][(int)(j * cr_v_samp_scale)][(int)(k * cr_h_samp_scale)];
res[j][k].red =RGBValueLimit(128+y+1.402 *cr);
res[j][k].green =RGBValueLimit(128+y-0.71414*cr-0.34414*cb);
res[j][k].blue =RGBValueLimit(128+y+1.772 *cb);
// 輸出當前選擇的矩陣
//cout<<dec<<yPos<<" "<<cbPos<<" "<<crPos<<" ";
// cout<<hex<<setw(2)<<setfill('0')<<(int)res[j][k].red
// <<setw(2)<<setfill('0')<<(int)res[j][k].green
// <<setw(2)<<setfill('0')<<(int)res[j][k].blue<<" ";
}
// cout<<endl;
}
// cout<<endl;
return res;
}8.效果圖
這個是JPEG
這是位圖
9.源碼
最最后，如何把圖片顯示出來呢？，我將信息轉(zhuǎn)換為位圖，就能看見了。
下面源碼附上
Image.h
#pragma once
#define _USE_MATH_DEFINES
#include <cmath>
#include <fstream>
#include <stdint.h>
#include <utility>
#ifndef _IMAGE_
#define _IMAGE_
#include "Util.h"
#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;
NAME_SPACE_START(myUtil)
#define ROW 8
#define COL 8
#define HUFFMAN_DECODE_DEQUE_CACHE 64//單位：位
// #define _DEBUG_
// #define _DEBUGOUT_
#define FREE_VECTOR_LP(vectorName) \
for(auto item : vectorName){ \
for(int i=0;i<ROW;i++)\
delete [] item[i];\
delete [] item; \
}\
vectorName.clear();
//釋放二維指針
#define FREE_LP_2(lpName,row) \
for(int i=0;i<row;i++){\
delete [] lpName[i];\
}\
delete [] lpName;
//段類型
enum JPEGPType{
SOF0 = 0xC0, //幀開始
SOF1 = 0xC1, //幀開始
SOF2 = 0xC2, //幀開始
DHT = 0xC4, //哈夫曼表
SOI = 0xD8, //文件頭
EOI = 0xD9, //文件尾
SOS = 0xDA, //掃描行開始
DQT = 0xDB, //定義量化表
DRI = 0xDD, //定義重新開始間隔
APP0 = 0xE0, //定義交換格式和圖像識別信息
APP1 = 0xE1, //定義交換格式和圖像識別信息
APP2 = 0xE2, //定義交換格式和圖像識別信息
COM = 0xFE //注釋
};
//將一維數(shù)組變?yōu)槎S數(shù)組
double** UnZigZag(int* originArray);
struct RGB{
uint8_t red;
uint8_t green;
uint8_t blue;
};
//SOS
class JPEGScan{
public:
//componentId,<DC,AC>
map<uint8_t,pair<uint8_t,uint8_t>> componentHuffmanMap;
bool Init(fstream& file,uint16_t len);
};
//APP
class JPEGInfo{
public:
uint16_t version;
};
//DHT
class JPEGHuffmanCode{
public:
using iterator = map<uint16_t,pair<uint8_t,uint8_t>>::iterator;
//<code,<bit,weight>
map<uint16_t,pair<uint8_t,uint8_t>> table;
//init huffman table
bool Init(fstream& file,uint16_t len);
//find-true not find-false
bool findKey(const uint16_t& code,const uint8_t& bit,iterator& it);
};
//DQT
//quality table
class JPEGQuality{
public:
uint8_t precision;
uint8_t id;
vector<uint16_t> table;
bool Init(fstream& file,uint16_t len);
};
//SOF segment
class JPEGComponent{
public:
//1＝Y(jié), 2＝Cb, 3＝Cr, 4＝I, 5＝Q
uint8_t colorId;
uint8_t h_samp_factor;
uint8_t v_samp_factor;
uint8_t qualityId;
bool Init(fstream& file,uint16_t len);
};
class JPEGData{
int max_h_samp_factor;//行MCU
int max_v_samp_factor;//列MCU
int width;
int height;
int precision;
bool isYUV411=false;
bool isYUV422=false;
bool isYUV111=false;
uint8_t curDRI=0;//當前重置直流分量標識,這里只取個位方便計算
uint16_t resetInterval=0;//單位是MCU
int preDCValue[3]={0}; //用于直流差分矯正
//量化表
vector<JPEGQuality> quality;
//huffman碼表
vector<JPEGHuffmanCode> dc_huffman;
vector<JPEGHuffmanCode> ac_huffman;
//component每個顏色分量
vector<JPEGComponent> component;
JPEGScan scan;
//vector<int**> deHuffman;
vector<double**> ycbcr;
vector<RGB**> rgb;
double** DCTAndIDCTArray;
streampos pos;
bool EOI{false};
public:
JPEGData():
max_h_samp_factor(0),
max_v_samp_factor(0),
width(0),
height(0),
precision(0){
DCTAndIDCTArray=createDCTAndIDCTArray(ROW);
}
~JPEGData(){
FREE_LP_2(DCTAndIDCTArray,ROW-1)
// FREE_LP_2(DCTArray,ROW-1)
// FREE_LP_2(IDCTArray,ROW-1)
FREE_VECTOR_LP(rgb)
}
bool readJPEG(const char* filePath);
int getWidth() const {return width;}
int getHeight() const {return height;}
vector<RGB**> getRGB() const {return rgb;}
int getMaxHSampFactor() const {return max_h_samp_factor;}
int getMaxVSampFactor() const {return max_v_samp_factor;}
double** createDCTAndIDCTArray(int row);
//double** createIDCTArray(int row);
void DCT(double** originMatrix);
void IDCT(double** originMatrix);
protected:
bool readSOF(fstream& file,uint16_t len);
bool readData(fstream& file);
bool huffmanDecode(fstream& file);
void deQuality(double** originMatrix,int qualityID);
//隔行正負糾正
void PAndNCorrect(double** originMatrix);
RGB** YCbCrToRGB(const int* YUV);
//標記位檢查 是否結(jié)束,是否重置直流矯正數(shù)值，返回要添加的數(shù)值
string FlagCkeck(fstream& file,int byteInfo);
uint16_t ReadByte(fstream& file,int len);
uint16_t findHuffmanCodeByBit(fstream& file,int& length,int& pos,string& deque,int curValue,int& curValLen);
};
NAME_SPACE_END()
#endif //!_IMAGE_Image.cpp
#include "Image.h"
#include "Util.h"
#include <algorithm>
#include <cmath>
#include <exception>
#include <fstream>
#include <stdint.h>
#include <bitset>
#include <stdlib.h>
#include <utility>
#include <cstring>
#include <vector>
#include <iomanip>
NAME_SPACE_START(myUtil)
int RGBValueLimit(double input){
if(input<0) return 0;
else if(input>255) return 255;
// 四舍五入、取整均可
// return (int)(input);
return round(input);
}
void print(double** originMatrix){
cout<<endl;
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
cout<<originMatrix[i][j]<<" ";
}
cout<<endl;
}
cout<<endl;
}
double** UnZigZag(int* originArray){
double** table=new double*[ROW];
for(int i=0;i<ROW;i++) table[i]=new double[COL];
int cur=0,x=0,y=0;
bool flag = true;//true是右上 false是左下
while (cur < 64) {
table[y][x] = originArray[cur++];
if (flag) { x++; y--; }
else { x--; y++; }
if (x < 0 || y < 0 || x>7 || y>7) flag = !flag;
if (x < 0 && y>7) { x = 1; y = 7; }
if (x < 0) x = 0;
else if (x > 7) { x = 7; y += 2; }
if (y < 0) y = 0;
else if (y > 7) { y = 7; x += 2; }
}
return table;
}
bool JPEGScan::Init(fstream &file, uint16_t len){
try {
uint8_t count=file.get();
len--;
while(count--){
uint8_t componentId=file.get();
uint8_t table=file.get();
uint8_t dcId=table>>4;
uint8_t acId=table&0x0f;
pair<uint8_t, uint8_t> info1(dcId,acId);
pair<uint8_t, pair<uint8_t, uint8_t>> info2(componentId,info1);
componentHuffmanMap.insert(info2);
}
} catch (...) {
return false;
}
return true;
}
bool JPEGHuffmanCode::Init(fstream &file, uint16_t len){
try{
vector<uint8_t> temp;
while(len--){
int info=file.get();
temp.push_back(info);
}
int curPos = 16, curCode = 0;
for (int i = 0; i < 16; i++) {
int count = temp[i];
curCode <<= 1;
while (count--) {
uint16_t code=curCode;
uint8_t bit=i+1;
uint8_t weight=temp[curPos];
pair<uint8_t, uint8_t> t1(bit,weight);
pair<uint16_t, pair<uint8_t, uint8_t>> t2(curCode,t1);
table.insert(t2);
curCode++;
curPos++;
}
}
}
catch(...){
return false;
}
return true;
}
bool JPEGHuffmanCode::findKey(const uint16_t& code,const uint8_t& bit,iterator& it)
{
it=table.find(code);
if(it==table.end()) return true;
return it->second.first!=bit;
}
bool JPEGQuality::Init(fstream &file, uint16_t len){
try{
int info=file.get();
precision=info>>4;
id=info&0x0f;
len--;
while(len--){
int t=file.get();
table.push_back(t);
}
}
catch(...){
return false;
}
return true;
}
bool JPEGComponent::Init(fstream &file, uint16_t len){
try {
int info1=file.get();
int info2=file.get();
int info3=file.get();
colorId=info1;
h_samp_factor=info2>>4;
v_samp_factor=info2&0x0f;
qualityId=info3;
} catch (...) {
return false;
}
return true;
}
bool JPEGData::readJPEG(const char *filePath){
fstream file(filePath,ios::in|ios::binary);
if(file.fail()) return false;
file.seekg(0,ios::end);
pos = file.tellg();
file.seekg(2,ios::beg);
dc_huffman.resize(2);
ac_huffman.resize(2);
try {
//do read data through using other method
uint16_t pLen=0;
uint16_t pMarker=0xFF;
uint16_t pType=0x00;
while(!file.eof()){
pMarker=file.get();
pType=file.get();
if(pType==EOI) break;
pLen=file.get();
pLen=(pLen<<8)+file.get();
// cout<<hex<<pMarker<<" "<<pType<<" "<<pLen<<endl;
if(pMarker!=0xFF) throw exception();
bool flag=true;
switch (pType) {
case SOF0:
case SOF1:
case SOF2:{
flag=readSOF(file, pLen-2);
break;
}
case DHT:{
JPEGHuffmanCode huf;
int info=file.get();
int tableId=info&0x0f;
// cout<<hex<<info<<" ";
flag=huf.Init(file, pLen-3);
if((info>>4)&1) ac_huffman[tableId]=huf;
else dc_huffman[tableId]=huf;
break;
}
//case SOI:
//case EOI:
case SOS:{
flag=scan.Init(file, pLen-2);
int count=3;
// cout<<endl;
while(count--) file.get();
// cout<<endl;
//正式讀取數(shù)據(jù)
if(!flag) break;
flag=readData(file);
break;
}
case DQT:{
JPEGQuality q;
flag=q.Init(file, pLen-2);
quality.push_back(q);
break;
}
case DRI:{
resetInterval=ReadByte(file, 2);
break;
}
case APP0:
case APP1:
case APP2:
case COM:{
pLen-=2;
while(pLen--){
file.get();
}
break;
}
default:
pLen-=2;
while(pLen--){
file.get();
}
break;
}
if(!flag) throw exception();
// cout<<endl;
}
} catch (...) {
file.close();
return false;
}
file.close();
return true;
}
bool JPEGData::readSOF(fstream& file,uint16_t len){
try {
precision=file.get();
height=max(height,(int)ReadByte(file, 2));
width=max(width,(int)ReadByte(file, 2));
int count=ReadByte(file, 1);
if(count!=3) return false;
len-=6;
component.resize(count);
for(int i=0;i<count;i++){
JPEGComponent com;
com.Init(file, len/3);
max_h_samp_factor=max(max_h_samp_factor,(int)com.h_samp_factor);
max_v_samp_factor=max(max_v_samp_factor,(int)com.v_samp_factor);
component[i]=com;
}
if((component[0].h_samp_factor*component[0].v_samp_factor)
/(component[1].h_samp_factor*component[1].v_samp_factor)==4){
isYUV411=true;
}
else if((component[0].h_samp_factor*component[0].v_samp_factor)
/(component[1].h_samp_factor*component[1].v_samp_factor)==2){
isYUV422=true;
}
else if((component[0].h_samp_factor*component[0].v_samp_factor)
/(component[1].h_samp_factor*component[1].v_samp_factor)==1){
isYUV111=true;
}
} catch (...) {
return false;
}
return true;
}
bool JPEGData::readData(fstream& file){
bool flag=true;
try{
//使用huffman表來解出RLE編碼，接著轉(zhuǎn)回長度為64的矩陣
flag=huffmanDecode(file);
if(!flag) return false;
//反量化，即上面的64矩陣×對應(yīng)位置的量化表
//flag=deQuantity();
//if(!flag) return false;
//反zig-zag排序
//flag=deZSort();
//if(!flag) return false;
//反離散余弦變換
//if(!flag) return false;
//YCbCr轉(zhuǎn)RGB
//if(!flag) return false;
}
catch(...){
return false;
}
return true;
}
bool JPEGData::huffmanDecode(fstream& file){
try {
//原圖像一個MCU有多少8*8矩陣（此時是YCbCr還沒有分開）
//int MCUBlockCount=max_h_samp_factor*max_v_samp_factor;
//順序YCbCr
int YUV[]={component[0].h_samp_factor*component[0].v_samp_factor,
component[1].h_samp_factor*component[1].v_samp_factor,
component[2].h_samp_factor*component[2].v_samp_factor};
int curMCUCount=1; //當前MCU數(shù)量
int curValueLength=0; //當前值有多少位
int curValue=0; //當前的值
int curBitDequeLength=8;//當前curBitDeque長度
int curBitPos=0; //當前string讀取到第幾位
int restart=resetInterval;//直流分量重置
string curBitDeque=""; //用來存儲讀出來的2進制數(shù)
//一次循環(huán)解析一個MCU
curBitDeque.append(bitset<8>(file.get()).to_string());
curBitDequeLength=8;
// cout<<curBitDeque;
while(!EOI||(pos-file.tellg())!=2){
// cout<<endl;
int count=1;
for(int i=0;i<3;i++){
for(int j=0;j<YUV[i];j++){
// cout<<count++<<" ";
int matrix[64]={0};
int valCount=0;
uint8_t dcID = scan.componentHuffmanMap[component[i].colorId].first;
uint8_t acID = scan.componentHuffmanMap[component[i].colorId].second;
int qualityId=component[i].qualityId;
if(qualityId>=quality.size()) qualityId=0;
// cout<<endl;
while(valCount<64){
//用curBitDeque和curBit去找權(quán)重，curValue作為當前鍵值
JPEGHuffmanCode::iterator it;
JPEGHuffmanCode &huffman = valCount==0?dc_huffman[dcID]:ac_huffman[acID];
while(curValueLength<=16&&huffman.findKey(curValue,curValueLength,it)){
curValue=findHuffmanCodeByBit(file,curBitDequeLength,curBitPos,curBitDeque,curValue,curValueLength);
}
if(curValueLength>16)
return true;
#ifdef _DEBUGOUT_
//cout<<dec<<" "<<curBitPos<<" "<<curBitDequeLength<<" ";
cout<<"key="<<hex<<curValue<<" len="<<curValueLength<<endl;
#endif
//已經(jīng)找到了權(quán)重和位寬
uint8_t weight,zeroCount=0;
if(valCount==0) weight = it->second.second;
else { weight = it->second.second & 0x0f; zeroCount = it->second.second >> 4;}
curValue=0;//這里變?yōu)閐c或ac值
curValueLength=0;
if(valCount!=0&&weight==0&&zeroCount==0) break;//后面全是0
// 讀取真正的值
for(int k=0;k<weight;k++){
curValue=findHuffmanCodeByBit(file,curBitDequeLength,curBitPos,curBitDeque,curValue,curValueLength);
}
curValue = (curValue >= pow(2, curValueLength - 1) ? curValue : curValue - pow(2, curValueLength) + 1);
// cout<<curValue<<endl;
int writeValue=valCount==0?(preDCValue[i]+=curValue):curValue;
valCount+=zeroCount;
writeValue*=quality[qualityId].table[valCount];//反量化
matrix[valCount]=writeValue;
curValue=0;
curValueLength=0;
valCount++;
}
double** tempZ = UnZigZag(matrix);//反zig-zag編碼
//反量化，在反zig-zag編碼前后差別，前面：RGB數(shù)值與編輯器比偏小，反之偏大，這也與最后取整時的方式有關(guān)
// deQuality(tempZ,qualityId);
// print(tempZ);
//隔行正負糾正，有的博客說了，但是沒感覺有啥幫助
// PAndNCorrect(tempZ);
IDCT(tempZ); //dct逆變換
ycbcr.push_back(tempZ);
#ifdef _DEBUG_
for(int k=0;k<ROW;k++){
for(int l=0;l<COL;l++){
cout.width(3);
cout<<dec<<tempZ[k][j]<<" ";
}
cout<<endl;
}
cout<<endl;
#endif
}
}
// if(count!=6){
// cout<<" ";
// }
RGB** lpRGB = YCbCrToRGB(YUV);
FREE_VECTOR_LP(ycbcr)
rgb.push_back(lpRGB);
// 直流分量重置間隔不為0的
if(restart>0){
resetInterval--;
if(resetInterval==0){
resetInterval=restart;
curDRI+=1;
curDRI&=0x7;
//需要在此處讀取兩字節(jié)信息，看是否為重置標識
file.get();
if(file.get()==0xD9) EOI=true;
curBitPos=curBitDequeLength;
preDCValue[0]=0;
preDCValue[1]=0;
preDCValue[2]=0;
}
}
// cout<<"curMCUCount="<<dec<<curMCUCount++<<" pos="<<pos<<"/"<<file.tellg()<<" "<<file.tellg()*100.0/pos<<"%\n";
if(pos-file.tellg()==2) break;
}
cout<<"\nsuccessfully\n";
} catch (exception ex) {
cout<<ex.what();
return false;
}
return true;
}
RGB** JPEGData::YCbCrToRGB(const int* YUV){
RGB **res = new RGB *[ROW * max_v_samp_factor];
int matrixCount = YUV[0] + YUV[1] + YUV[2];
int crCount = 0, cbCount = 0;
//1＝Y(jié), 2＝Cb, 3＝Cr
//式子 scale*x,scale*y
double cb_h_samp_scale=component[1].h_samp_factor*1.0/max_h_samp_factor,
cb_v_samp_scale=component[1].v_samp_factor*1.0/max_v_samp_factor,
cr_h_samp_scale=component[2].h_samp_factor*1.0/max_h_samp_factor,
cr_v_samp_scale=component[2].v_samp_factor*1.0/max_v_samp_factor;
for (int i = 0; i < ROW * max_v_samp_factor; i++)
res[i] = new RGB[COL * max_h_samp_factor];
//此處直接生成rgb值
//注意，此處YCbCr的對應(yīng)關(guān)系與采樣因子有關(guān)
// cout<<endl;
for(int j=0;j<ROW * max_v_samp_factor;j++){
for(int k=0;k<COL * max_h_samp_factor;k++){
int yPos = (j / ROW) * component[0].h_samp_factor + (k / COL);
int cbPos = YUV[0] + (int)((k / ROW) * cb_v_samp_scale) + (int)((j / COL) * cb_h_samp_scale);
int crPos = YUV[0] + YUV[1] + (int)((k / ROW) * cr_v_samp_scale) + (int)((j / COL) * cr_h_samp_scale);
double y = ycbcr[yPos][j % ROW][k % COL];
double cb = ycbcr[cbPos][(int)(j * cb_v_samp_scale)][(int)(k * cb_h_samp_scale)];
double cr = ycbcr[crPos][(int)(j * cr_v_samp_scale)][(int)(k * cr_h_samp_scale)];
res[j][k].red =RGBValueLimit(128+y+1.402 *cr);
res[j][k].green =RGBValueLimit(128+y-0.71414*cr-0.34414*cb);
res[j][k].blue =RGBValueLimit(128+y+1.772 *cb);
// 輸出當前選擇的矩陣
//cout<<dec<<yPos<<" "<<cbPos<<" "<<crPos<<" ";
// cout<<hex<<setw(2)<<setfill('0')<<(int)res[j][k].red
// <<setw(2)<<setfill('0')<<(int)res[j][k].green
// <<setw(2)<<setfill('0')<<(int)res[j][k].blue<<" ";
}
// cout<<endl;
}
// cout<<endl;
return res;
}
double** JPEGData::createDCTAndIDCTArray(int row){
double** res=new double*[row];
for(int i=0;i<row;i++) res[i]=new double[row];
// cout<<endl;
for(int i=0;i<row;i++){
for(int j=0;j<row;j++){
double t=0;
if(i==0) t=sqrt(1.0/row);
else t=sqrt(2.0/row);
res[i][j]=t*cos(M_PI*(j+0.5)*i/row);
// cout<<res[i][j]<<" ";
}
// cout<<endl;
}
return res;
}
void JPEGData::DCT(double** originMatrix){
//原理 Y=A*X*A'
vector<vector<double>> temp(ROW,vector<double>(COL,0));
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=DCTAndIDCTArray[i][k]*originMatrix[k][j];
}
temp[i][j]=sum;
}
}
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=temp[i][k]*DCTAndIDCTArray[j][k];
}
originMatrix[i][j]=sum;
}
}
}
void JPEGData::IDCT(double** originMatrix){
//原理X=A'*Y*A
vector<vector<double>> temp(ROW,vector<double>(COL,0));
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=DCTAndIDCTArray[k][i]*originMatrix[k][j];
}
temp[i][j]=sum;
}
}
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
double sum=0;
for(int k=0;k<COL;k++){
sum+=temp[i][k]*DCTAndIDCTArray[k][j];
}
originMatrix[i][j]=sum;
}
}
}
void JPEGData::deQuality(double** originMatrix,int qualityID){
for(int i=0;i<ROW;i++){
for(int j=0;j<COL;j++){
originMatrix[i][j]*=quality[qualityID].table[i*ROW+j];
}
}
}
void JPEGData::PAndNCorrect(double** originMatrix){
for(int i=0;i<ROW;i++)
if(i%2==1)
for(int j=0;j<COL;j++)
originMatrix[i][j]=-originMatrix[i][j];
}
string JPEGData::FlagCkeck(fstream& file,int byteInfo){
if(byteInfo==0xff){
uint8_t info=file.get();
string res=bitset<8>(0xFF).to_string();
if(info==0xD9) {EOI=true;return "false";}
else if(info==0x00) return res;
return res + bitset<8>(info).to_string();
}
return bitset<8>(byteInfo).to_string();
}
uint16_t JPEGData::ReadByte(fstream& file,int len){
uint16_t res=file.get();
if(len!=1){
res=(res<<8)+(uint8_t)file.get();
}
return res;
}
uint16_t JPEGData::findHuffmanCodeByBit(fstream& file,int& length,int& pos,string& deque,int curValue,int& curValLen){
if(pos==length&&length>=HUFFMAN_DECODE_DEQUE_CACHE){//達到最大緩存
deque = deque.substr(pos);
int info=file.get();
string res=FlagCkeck(file,info);
string str=bitset<8>(info).to_string();
if(res=="false") res=bitset<8>(file.get()).to_string();
deque.append(res);
length = deque.length();
pos = 0;
}
else if(length==0 || pos>=length){
if(length==0){
deque="";
pos=0;
}
int info=file.get();
string res=FlagCkeck(file,info);
string str=bitset<8>(info).to_string();
if(res=="false") res=bitset<8>(file.get()).to_string();
deque.append(res);
length+=8;
}
curValue = (curValue << 1) + (uint8_t)(deque.at(pos++) - '0');
curValLen++;
return curValue;
}
NAME_SPACE_END()BmpEncoder.h
#pragma once
#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include "Image.h"
using namespace myUtil;
/* Bitmap Header, 54 Bytes */
static
unsigned char BmpHeader[54] =
{
0x42, 0x4D, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x36, 0x00, 0x00, 0x00, 0x28, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x1B, 0x01, 0x00, 0x00, 0x01, 0x00, 0x18, 0x00, 0x00, 0x00,
0x00, 0x00, 0x60, 0xCD, 0x04, 0x00, 0x23, 0x2E, 0x00, 0x00, 0x23, 0x2E, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00
};
void SetBitmapInfo(unsigned int size, int height, int width)
{
for (int i = 0; i < 4; i++)
{
// size of image ( header + data )
BmpHeader[2 + i] = size & 0xff;
size >>= 8;
// width of image
BmpHeader[18 + i] = width & 0xff;
width >>= 8;
// height of image
BmpHeader[22 + i] = height & 0xff;
height >>= 8;
}
}
/* BGR format 這是我粘來的改了映射部分代碼 */
unsigned char *Encoder(const vector<RGB**>& buf, int height, int width, int mcu_height, int mcu_width, int &size)
{
uint8_t *bitmap = nullptr;
int rowSize = (24 * width + 31) / 32 * 4;
// compute the size of total bytes of image
size = rowSize * height + 54; // data size + header size
bitmap = new uint8_t [ size ];
// set the header info
SetBitmapInfo(size, height, width);
// fill the header area
for (int i = 0; i < 54; i++)
{
bitmap[i] = BmpHeader[i];
}
// fill the data area
for (int i = 0; i < height; i++)
{
// compute the offset of destination bitmap and source image
int idx = height - 1 - i;
int offsetDst = idx * rowSize + 54; // 54 means the header length
// int offsetSrc = i * width;
int offsetHeight = (int)floor(i*1.0/mcu_height)*(int)ceil(width*1.0/mcu_width);
// fill data
for (int j = 0; j < width * 3; j++)
{
int pos=(j/3)/mcu_width+offsetHeight;
if(pos>=buf.size()) pos=buf.size()-1;
RGB temp=buf[pos][i%mcu_height][(j/3)%mcu_height];
if(j%3==0) bitmap[offsetDst + j] = temp.blue;
else if(j%3==1) bitmap[offsetDst + j] = temp.green;
else if(j%3==2) bitmap[offsetDst + j] = temp.red;
// cout<<dec<<pos<<" ";
}
// fill 0x0, this part can be ignored
for (int j = width * 3; j < rowSize; j++)
{
bitmap[offsetDst +j] = 0x0;
}
}
return bitmap;
}
/* Save to file */
void Write(const char *fileName, uint8_t *buf, int &size)
{
FILE *fp = fopen(fileName, "wb+");
fwrite(buf, 1, size, fp);
fclose(fp);
}主程序
#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <locale>
#include <sstream>
#include <stdlib.h>
#include "Image.h"
#include "BmpEncoder.h"
using namespace std;
using namespace myUtil;
// void print(double** input){
// cout<<endl;
// for(int i=0;i<8;i++){
// for(int j=0;j<8;j++){
// cout<<input[i][j]<<" ";
// }
// cout<<endl;
// }
// cout<<endl;
// }
int main(){
string str="../img/Image/3.jpg";
JPEGData data;
clock_t startTime=clock();
data.readJPEG(str.c_str());
int size;
unsigned char *bitmap = Encoder(data.getRGB(), data.getHeight(), data.getWidth(),
8*data.getMaxHSampFactor(),
8*data.getMaxVSampFactor(), size);
Write("out.bmp", bitmap, size);
cout<<dec<<clock()-startTime<<"ms"<<endl;
// DCT正反變換測試
// JPEGData data;
// double** arr=new double*[8];
// for(int i=0;i<8;i++){
// arr[i]=new double[8];
// for(int j=0;j<8;j++){
// arr[i][j]=(int)(rand()%100);
// }
// }
// print(arr);
// data.DCT(arr);
// print(arr);
// data.IDCT(arr);
// print(arr);
// FREE_LP_2(arr,8)
return 0;
}項目環(huán)境gcc 7.3.0 工具CMake，源碼鏈接
到此這篇關(guān)于C++實現(xiàn)JPEG格式圖片解析(附代碼)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++圖片解析內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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