最近花了點時間用 C++ 寫了一個 GIF 圖片的解析程序，在這一過程中我找了許多中文相關(guān)的材料于游，但沒有哪一篇是真正能夠讓讀者完全理解 GIF 的文件格式和 LZW 在 GIF 中的應(yīng)用（解析部分）鉴象。在查閱了一些官方文檔后我算是順利的將程序完成了，順道我就把 GIF 文件的解析在這兒講講清除阎肝，方便大家學習甩骏。
下面這兩個網(wǎng)頁是我參考的比較權(quán)威的資料窗市，大家也可以直接閱讀。
http://giflib.sourceforge.net/index.html
https://www.w3.org/Graphics/GIF/spec-gif89a.txt
GIF 文件格式
下圖是我從 http://giflib.sourceforge.net/index.html 拿過來的圖饮笛，從圖上可以很清晰的看到 GIF 文件的內(nèi)部組成咨察。
上圖中一個有十一塊，其中有八塊是 GIF 圖像必備的：Header（頭）福青、Logical Screen Descriptor（邏輯屏幕描述符）扎拣、Image Descriptor（圖像描述符）、Image Data（圖像數(shù)據(jù)流）素跺、Plain Text Extension（文本擴展）、Application Extension（應(yīng)用擴展）誉券、Comment Extension（注釋擴展）指厌、Trailer（尾部標記）。
另外還有三個可選塊：Global Color Table（全局顏色表）踊跟、Graphic Control Extension（圖形控制擴展）踩验、Local Color Table（本地顏色表）。
傳統(tǒng)的 Gif 解碼器正是通過上述的這些塊來對 GIF 文件進行解析商玫，下面我們就按照順序來詳細了解一下這些塊的內(nèi)部字節(jié)格式箕憾。
為了比較直觀的了解這些內(nèi)容，我還是從 http://giflib.sourceforge.net/index.html 拿了一個 GIF 圖過來拳昌，如下圖：
其放大后的效果圖如下：
上圖經(jīng)過放大處理袭异，其代表了一個 10*10 個像素的 GIF 圖，其內(nèi)部字節(jié)如下：
47 49 46 38 39 61
0A 00 0A 00 91 00 00
FF FF FF FF 00 00 00 00 FF 00 00 00
21 F9 04 00 00 00 00 00
2C 00 00 00 00 0A 00 0A 00 00
02 16 8C 2D 99 87 2A 1C DC 33 A0 02 75 EC 95 FA A8 DE 60 8C 04 91 4C 01 00
3B
Header
GIF 文件由它的 Header 塊最為其文件的入口炬藤，Header 一共包含六個字節(jié)御铃，如下圖：
其中前三個字節(jié)對應(yīng) ASCII 碼中的 G、I沈矿、F 三個字符上真，后三個字節(jié)用于說明此 GIF 的版本號，目前的版本號有 87a 和 89a 兩個羹膳。
對于上面的示例圖來說睡互，前六個字節(jié)分別是 47、49、46就珠、38寇壳、39、61嗓违。 用 0xED 查看如下圖：
Logical Screen Descriptor
Logical Screen Descriptor（邏輯屏幕描述符）通常緊跟在 Header 后面九巡，它的作用是告訴解碼器 GIF 圖像的分辨率，背景色和 Global Color Table 等信息蹂季。先看一下其字節(jié)的組成：
按順序看冕广，
-
Canvas Width：表示 GIF 圖像的寬度，單位是像素偿洁。 -
Canvas Height：表示 GIF 圖像的高度撒汉，單位是像素。 -
Packed Field：這是一個包裝字段涕滋，內(nèi)部的不同 bit（位）表示有不同的含義- 從左邊數(shù)第一位表示
Global Color Table Flag睬辐，如果其為 1 ，則表示存在 Global Color Table宾肺。如果為 0溯饵，則沒有 Global Color Table。 - 從左邊數(shù)第二锨用、三丰刊、四位表示
Color Resolution，用于表示色彩分辨率增拥，如果為 s啄巧，則 Global Color Table 的顏色數(shù)為 2^(s+1)個，如果這是 s = 1,則一共有 4 中顏色掌栅，即每個像素可以用 2位（二進制） 來表示秩仆。 - 從左邊數(shù)第五位表示
Sort Flag，它有兩個值 0 或 1猾封。如果為 0 則 Global Color Table 不進行排序澄耍，為 1 則表示 Global Color Table 按照降序排列，出現(xiàn)頻率最多的顏色排在最前面晌缘。 - 最右邊三位表示 Global Color Table 的顏色數(shù)逾苫，如其值為 s，則全局列表顏色個數(shù)的計算公式為 2^(s+1)枚钓。如 s = 1铅搓，則 Global Color Table 包含 4 個顏色。
- 從左邊數(shù)第一位表示
-
Background Color Index：表示 GIF 的背景色在 Global Color Table 中的索引搀捷。 -
Pixel Aspect Ratio：表示用于計算原始圖像中像素寬高比的近似因子星掰，一般情況為 0多望，顧不做深入了解。
對于我們是示例圖氢烘，其 Logical Screen Descriptor 對應(yīng)的字節(jié)如下：
0A 00 0A 00 91 00 00
其中：
Canvas Width = 0A00 = 10（十進制）
Canvas Height = 0A00 = 10（十進制）
Packed Field = 10010001（二進制）怀偷，其中 Global Color Table 為 1，則存在 Global Color Table播玖。Color Resolution 為 1椎工，表示三原色分別用 2 位來表示。Sort Flag = 0蜀踏，不排序维蒙。Global Color Table 中顏色數(shù)為 4 。
Background Color Index = 0果覆，說明此 GIF 的背景色為 Global Color Table 中第一個顏色颅痊。
Pixel Aspect Ratio = 0,可忽略。
Global Color Table
Global Color Table 如果有的話就會跟在 Logical Screen Descriptor 塊后面局待。其塊中的字節(jié)格式如下：
在 Global Color Table 中每個字節(jié)僅代表一種顏色斑响，所以 Global Color Table 的字節(jié)數(shù) = 顏色數(shù) * 3.在 Logical Screen Descriptor 中我們知道示例中包含 4 中顏色，即 Global Color Table 的字節(jié)數(shù)為 12 钳榨。所以讀取接下的 12 個字節(jié)舰罚。其具體字節(jié)如下：
FF FF FF FF 00 00 00 00 FF 00 00 00
根據(jù)上面的數(shù)據(jù)我們來構(gòu)建 Global Color Table
| 索引 | 字節(jié)組合 | 顏色 |
|---|---|---|
| 0 | FFFFFF | 白色 |
| 1 | FF0000 | 紅色 |
| 2 | 0000FF | 藍色 |
| 3 | 000000 | 黑色 |
Graphics Control Extension
這里先不說 Graphics Control Extension，我們先看 Global Color Table 后面緊跟的那個字節(jié)薛耻，從示例中可以看到的21营罢，21在 GIF 格式中是有特殊意義的，它表示 Extension Introducer（擴展入口）昭卓，即接下來的一段數(shù)據(jù)為最開始提到的這幾個擴展中的某一個擴展。
OK瘟滨，那我們接著 21 往后看候醒，下一個字節(jié)為F9，F(xiàn)9 也是有特殊含義的杂瘸，表示這是一個 Graphics Control Extension倒淫。
Graphics Control Extension 算上 21 和 F9 一共有八個字節(jié)，其結(jié)構(gòu)如下圖：
其中前兩個字節(jié)上面已經(jīng)提到败玉，看接下來的幾個字節(jié)分別表示什么含義：
-
Byte Size：表示接下來的有效數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)敌土。 -
Packed Field：是一個包裝字段，內(nèi)部不同位的意義也不同运翼。- 從左邊數(shù)一返干，二，三位表示Reserved for Future Use血淌，即保留位，暫無用處。
- 從左邊數(shù)四，五，六位表示 Display Method捧弃，表示在進行逐幀渲染時嘴办，前一幀留下的圖像作何處理：0：不做任何處理眼五。1：保留前一幀圖像诵姜，在此基礎(chǔ)上進行渲染。2：渲染前將圖像置為背景色瞎惫。3：將被下一幀覆蓋的圖像重置。
- 從右數(shù)第二位表示 User Input Flag黍檩，表示是否需要在得到用戶的輸入時才進行下一幀的輸入（具體用戶輸入指什么視應(yīng)用而定）。0 表示無需用戶輸入刽酱。1 表示需要用戶輸入喳逛。
- 最右邊一位，表示 Transparent Flag棵里，當該值為 1 時润文，后面的 Transparent Color Index 指定的顏色將被當做透明色處理。為 0 則不做處理殿怜。
-
Delay Time：表示 GIF 動圖每一幀之間的間隔典蝌，單位為百分之一秒。當為 0 時間隔由解碼器管理头谜。 -
Transparent Color Index：當 Transparent Flag 為 1 時骏掀，此字節(jié)有效，表示此索引在 Global Color Table 中對應(yīng)的顏色將被當做透明色做處理柱告。 -
Block Terminator：表示 Extension 到此結(jié)束截驮。
下面看一下示例中 Graphics Control Extension 對應(yīng)的字節(jié)：
21 F9 04 00 00 00 00 00
其中 21，F(xiàn)9 表示這是一個 Graphics Control Extension 塊际度。
Byte Size 為 4葵袭。
其它值都為 0 ，概括來講此 Graphics Control Extension 對應(yīng)下一幀的渲染無需任何處理甲脏，也不需要用戶輸入眶熬，也沒有需要做透明處理的顏色值妹笆。渲染器要做的就是直接把下一幀圖像渲染在畫布上即可块请。
Image Descriptor
上面講到 21 上 Extension 的標識符。這里的 Image Descriptor 也有自己的標識符拳缠，為 2C墩新。下面看一下 Image Descriptor 內(nèi)部字節(jié)結(jié)構(gòu)：
其中 Image Seperator 為固定值 2C。
-
Image Left：該值表示下一幀圖像渲染位置離畫布左邊的距離（從 0 開始）窟坐。 -
Image Top：該值表示下一幀圖像渲染位置離畫布上邊的距離（從 0 開始）海渊。 -
Image Width：該值表示下一幀圖像的寬度绵疲。 -
Image Height：該值表示下一幀圖像的高度。 -
Packed Field：這是一個包裝字段臣疑，內(nèi)部不同位的意義也不同盔憨。- 從左數(shù)第一位：Local Color Table Flag，表示下一幀圖像是否需要一個獨立的顏色表讯沈。1 為需要郁岩，0 為不需要。
- 從左數(shù)第二位：Interlace Flag缺狠，表示是否需要隔行掃描问慎。1 為需要，0 為不需要挤茄。
- 從左數(shù)第三位：Sort Flag如叼，如果需要 Local Color Table 的話，這個字段表示其排列順序穷劈，同 Global Color Table笼恰。
- 從左數(shù)第四、五位：Reserved For Future Use囚衔，保留位挖腰。
- 從左數(shù)最后三位：Size of Local Color Table，同 Global Color Table 中的該位练湿。如需要本地顏色表猴仑，則該數(shù)有效。
接著看一下示例中的對應(yīng)字節(jié)：
2C 00 00 00 00 0A 00 0A 00 00
2C 表示 Image Descriptor
Image Left = 0
Image Top = 0
Image Width = 10
Image Height = 10
上面這四個數(shù)字表示即將渲染的一幀大小為 10*10 像素肥哎，正好與 GIF 圖的分辨率一致辽俗。
打包字段都為零，表示下一幀不需要 Local Color Table，也不需要進行隔行掃描竟终。
這里讀者可能會好奇我們不是在 Logical Screen Descriptor 中知道了圖像的分辨率嗎评腺，為什么還要在 Image Descriptor 中額外指定圖像的寬和高。其實 GIF 在進行編碼的時候并不一定對每一幀進行全尺寸的壓縮朱浴。因為有時候一個 GIF 圖只有中間區(qū)域是動的，四周都是靜止的达椰，那只需要對中間那部分進行壓縮編碼即可翰蠢。所以這里的 Image Left、Image Top啰劲、Image Width 和 Image Height正好可以指定一個小于等于 GIF 分辨率的圖像梁沧。
Local Color Table
local color table 在本示例中不涉及，我也不多介紹蝇裤，在處理的時候按照 Global Color Table 處理即可廷支。
Image Data
如果存在 Local Color Table频鉴，Image Data 就緊跟其后。如若不存在恋拍，則緊跟在 Image Descriptor 后垛孔。下面先看一下 Image Data 的內(nèi)部字節(jié)組成。
-
LZW Minimum Code Size: GIF 在對每一幀的像素顏色在 Color Table 所對應(yīng)的索引進行 LZW 壓縮施敢，這里的 LZW Minimum Code Size 就是 LZW 壓縮中很關(guān)鍵的一個值似炎，不過目前這個值先放著，等后面講到對 LZW 解壓縮時再講悯姊。 -
Number of bytes of data in sun-blocks（01-FF）：這個值表示在其后面的有效字節(jié)的個數(shù)羡藐。范圍為 01-FF，當其值為 0悯许，則表示 Image Data 到此為止仆嗦，后面就是其他塊的數(shù)據(jù)了。這里需要注意由于其最大值為 FF先壕，但圖像的像素個數(shù)可能會大于這個值瘩扼，所以從圖上也能知道這個 Data sub-Blocks是有可能接連出現(xiàn)很多個的。 -
Data Sub-Block(s)：表示有效的字節(jié)塊垃僚。 -
Block Terminator：表示 Image Data 的結(jié)束部分集绰。
接著看一下示例中對應(yīng)的字節(jié)：
02 16 8C 2D 99 87 2A 1C DC 33 A0 02 75 EC 95 FA A8 DE 60 8C 04 91 4C 01 00
02 表示 LZW Minimum Code Size。
16（十六進制） 表示后面緊跟著的 22 個字節(jié)用來表示下一幀的圖像數(shù)據(jù)谆棺。
00 表示 Image Data 到此為止栽燕。
Trailer
從上面的示例看，最后還剩下一個字節(jié) 3B改淑，這個在 GIF 中也有特殊含義碍岔，是尾部標記的意思，GIF 的字節(jié)內(nèi)容到此就結(jié)束了朵夏。
Plain Text Extension蔼啦、Application Extension和Comment Extension
最后還剩下上面三個 Extension，他們主要是為 GIF 提供一些額外的信息仰猖，本身的信息對實際的渲染沒有多少影響捏肢。所以這里我也不多介紹，想深入了解的可以閱讀一開始提到的兩個網(wǎng)址饥侵。
總結(jié)
本文主要以 GIF 內(nèi)部字節(jié)的格式作為出發(fā)點鸵赫，簡單介紹了十一種塊。只有充分理解了各個塊內(nèi)部的含義爆捞，才能為其編寫正確的解碼器奉瘤。但僅僅只了解各個塊還是不夠的勾拉，GIF 的圖像數(shù)據(jù)采用的是 LZW 算法進行壓縮煮甥，所以還需要對 LZW 有較深理解盗温。在下一篇《GIF 與 LWZ》中我將結(jié)合本文中的示例圖像，詳細講解如何通過 LWZ 對 GIF 的圖像數(shù)據(jù)進行壓縮和解壓成肘。
