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GIF图形文件格式文档

作者:未知 来源:月光软件站 加入时间:2005-5-13 月光软件站

GIF图形文件格式文档


1.概述

  GIF(Graphics Interchange Format,图形交换格式)文件是由 CompuServe公司开发的图形文件格式,版权所有,任何商业目的使用均须 CompuServe公司授权。
  GIF图象是基于颜色列表的(存储的数据是该点的颜色对应于颜色列表的索引值),最多只支持8位(256色)。GIF文件内部分成许多存储块,用来存储多幅图象或者是决定图象表现行为的控制块,用以实现动画和交互式应用。GIF文件还通过LZW压缩算法压缩图象数据来减少图象尺寸(关于LZW算法和GIF数据压缩>>...)。

2.GIF文件存储结构

  GIF文件内部是按块划分的,包括控制块( Control Block )和数据块(Data Sub-blocks)两种。控制块是控制数据块行为的,根据不同的控制块包含一些不同的控制参数;数据块只包含一些8-bit的字符流,由它前面的控制块来决定它的功能,每个数据块0到255个字节,数据块的第一个字节指出这个数据块大小(字节数),计算数据块的大小时不包括这个字节,所以一个空的数据块有一个字节,那就是数据块的大小0x00。下表是一个数据块的结构:

BYTE76543210BIT
0块大小Block Size - 块大小,不包括这个这个字节(不计算块大小自身)
1Data Values - 块数据,8-bit的字符串
2
...
254
255

  一个GIF文件的结构可分为文件头(File Header)、GIF数据流(GIF Data Stream)和文件终结器(Trailer)三个部分。文件头包含GIF文件署名(Signature)和版本号(Version);GIF数据流由控制标识符、图象块(Image Block)和其他的一些扩展块组成;文件终结器只有一个值为0x3B的字符(';')表示文件结束。下表显示了一个GIF文件的组成结构:

GIF署名文件头
版本号
逻辑屏幕标识符GIF数据流
全局颜色列表
...
图象标识符图象块                             
图象局部颜色列表图
                           基于颜色列表的图象数据
...
GIF结尾文件结尾

  下面就具体介绍各个部分:

文件头部分(Header)

GIF署名(Signature)和版本号(Version)

GIF署名用来确认一个文件是否是GIF格式的文件,这一部分由三个字符组成:"GIF";文件版本号也是由三个字节组成,可以为"87a"或"89a".具体描述见下表:

BYTE76543210BIT
1'G'GIF文件标识
2'I'
3'F'
4'8'GIF文件版本号:87a - 1987年5月
        89a - 1989年7月
5'7'或'9'
6'a'

GIF数据流部分(GIF Data Stream)

逻辑屏幕标识符(Logical Screen Descriptor)

这一部分由7个字节组成,定义了GIF图象的大小(Logical Screen Width & Height)、颜色深度(Color Bits)、背景色(Blackground Color Index)以及有无全局颜色列表(Global Color Table)和颜色列表的索引数(Index Count),具体描述见下表:

BYTE76543210BIT
1逻辑屏幕宽度像素数,定义GIF图象的宽度
2
3逻辑屏幕高度像素数,定义GIF图象的高度
4
5mcrspixel具体描述见下...
6背景色背景颜色(在全局颜色列表中的索引,如果没有全局颜色列表,该值没有意义)
7像素宽高比像素宽高比(Pixel Aspect Radio)

m - 全局颜色列表标志(Global Color Table Flag),当置位时表示有全局颜色列表,pixel值有意义.
cr - 颜色深度(Color ResoluTion),cr+1确定图象的颜色深度.
s - 分类标志(Sort Flag),如果置位表示全局颜色列表分类排列.
pixel - 全局颜色列表大小,pixel+1确定颜色列表的索引数(2的pixel+1次方)
.

全局颜色列表(Global Color Table)

全局颜色列表必须紧跟在逻辑屏幕标识符后面,每个颜色列表索引条目由三个字节组成,按R、G、B的顺序排列。

BYTE76543210BIT
1索引1的红色值
2索引1的绿色值
3索引1的蓝色值
4索引2的红色值
5索引2的绿色值
6索引2的蓝色值
7...                            

图象标识符(Image Descriptor)

一个GIF文件内可以包含多幅图象,一幅图象结束之后紧接着下是一幅图象的标识符,图象标识符以0x2C(',')字符开始,定义紧接着它的图象的性质,包括图象相对于逻辑屏幕边界的偏移量、图象大小以及有无局部颜色列表和颜色列表大小,由10个字节组成:

BYTE76543210BIT
100101100图象标识符开始,固定值为','
2X方向偏移量必须限定在逻辑屏幕尺寸范围内
3
4Y方向偏移量
5
6图象宽度
7
8图象高度
9
10misrpixelm - 局部颜色列表标志(Local Color Table Flag)
置位时标识紧接在图象标识符之后有一个局部颜色列表,供紧跟在它之后的一幅图象使用;值否时使用全局颜色列表,忽略pixel值。
i - 交织标志(Interlace Flag),置位时图象数据使用连续方式排列(详细描述...),否则使用顺序排列。
s - 分类标志(Sort Flag),如果置位表示紧跟着的局部颜色列表分类排列.
r - 保留,必须初始化为0.
pixel - 局部颜色列表大小(Size of Local Color Table),pixel+1就为颜色列表的位数

局部颜色列表(Local Color Table)

如果上面的局部颜色列表标志置位的话,则需要在这里(紧跟在图象标识符之后)定义一个局部颜色列表以供紧接着它的图象使用,注意使用前应线保存原来的颜色列表,使用结束之后回复原来保存的全局颜色列表。如果一个GIF文件即没有提供全局颜色列表,也没有提供局部颜色列表,可以自己创建一个颜色列表,或使用系统的颜色列表。RGBRGB......

基于颜色列表的图象数据(Table-Based Image Data)

由两部分组成:LZW编码长度(LZW Minimum Code Size)和图象数据(Image Data)。

BYTE76543210BIT
1LZW编码长度LZW编码初始码表大小的位数,详细描述见LZW编码...
 

 


...
图象数据,由一个或几个数据块(Data Sub-blocks)组成

数据块

...

GIF图象数据使用了LZW压缩算法(详细介绍请看后面的『LZW算法和GIF数据压缩』),大大减小了图象数据的大小。图象数据在压缩前有两种排列格式:连续的和交织的(由图象标识符的交织标志控制)。连续方式按从左到右、从上到下的顺序排列图象的光栅数据;交织图象按下面的方法处理光栅数据:

创建四个通道(pass)保存数据,每个通道提取不同行的数据:
第一通道(Pass 1)提取从第0行开始每隔8行的数据;
第二通道(Pass 2)提取从第4行开始每隔8行的数据;
第三通道(Pass 3)提取从第2行开始每隔4行的数据;
第四通道(Pass 4)提取从第1行开始每隔2行的数据;

下面的例子演示了提取交织图象数据的顺序:

 通道1  通道2  通道3  通道4 
0  --------------------------------------------------------1
1 --------------------------------------------------------4
2  --------------------------------------------------------3
3  --------------------------------------------------------4
4  --------------------------------------------------------2
5  --------------------------------------------------------4
6  --------------------------------------------------------3
7  --------------------------------------------------------4
8  --------------------------------------------------------1
9  --------------------------------------------------------4
10 --------------------------------------------------------3
11 --------------------------------------------------------4
12 --------------------------------------------------------2
13 --------------------------------------------------------4
14 --------------------------------------------------------3
15 --------------------------------------------------------4
16 --------------------------------------------------------1
17 --------------------------------------------------------4
18 --------------------------------------------------------3
19 --------------------------------------------------------4
20 --------------------------------------------------------2

 

图形控制扩展(Graphic Control Extension)

这一部分是可选的(需要89a版本),可以放在一个图象块(包括图象标识符、局部颜色列表和图象数据)或文本扩展块的前面,用来控制跟在它后面的第一个图象(或文本)的渲染(Render)形式,组成结构如下:

BYTE76543210BIT
扩展块标识Extension Introducer - 标识这是一个扩展块,固定值0x21
图形控制扩展标签Graphic Control Label - 标识这是一个图形控制扩展块,固定值0xF9
块大小Block Size - 不包括块终结器,固定值4
保留处置方法

i

t

i - 用户输入标志;t - 透明色标志。详细描述见下...
延迟时间Delay Time - 单位1/100秒,如果值不为1,表示暂停规定的时间后再继续往下处理数据流
透明色索引Transparent Color Index - 透明色索引值
块终结器Block Terminator - 标识块终结,固定值0

处置方法(Disposal Method):指出处置图形的方法,当值为:
                        0 - 不使用处置方法
                        1 - 不处置图形,把图形从当前位置移去
                        2 - 回复到背景色
                        3 - 回复到先前状态
                      4-7 - 自定义
用户输入标志(Use Input Flag):指出是否期待用户有输入之后才继续进行下去,置位表示期待,值否表示不期待。用户输入可以是按回车键、鼠标点击等,可以和延迟时间一起使用,在设置的延迟时间内用户有输入则马上继续进行,或者没有输入直到延迟时间到达而继续
透明颜色标志(Transparent Color Flag):置位表示使用透明颜色

注释扩展(Comment Extension)

这一部分是可选的(需要89a版本),可以用来记录图形、版权、描述等任何的非图形和控制的纯文本数据(7-bit ASCII字符),注释扩展并不影响对图象数据流的处理,解码器完全可以忽略它。存放位置可以是数据流的任何地方,最好不要妨碍控制和数据块,推荐放在数据流的开始或结尾。具体组成:

BYTE76543210BIT
1扩展块标识Extension Introducer - 标识这是一个扩展块,固定值0x21
2注释块标签Comment Label - 标识这是一个注释块,固定值0xFE

...
Comment Data - 一个或多个数据块(Data Sub-Blocks)组成

注释块

...
块终结器Block Terminator - 标识注释块结束,固定值0

图形文本扩展(Plain Text Extension)

这一部分是可选的(需要89a版本),用来绘制一个简单的文本图象,这一部分由用来绘制的纯文本数据(7-bit ASCII字符)和控制绘制的参数等组成。绘制文本借助于一个文本框(Text Grid)来定义边界,在文本框中划分多个单元格,每个字符占用一个单元,绘制时按从左到右、从上到下的顺序依次进行,直到最后一个字符或者占满整个文本框(之后的字符将被忽略,因此定义文本框的大小时应该注意到是否可以容纳整个文本),绘制文本的颜色使用全局颜色列表,没有则可以使用一个已经保存的前一个颜色列表。另外,图形文本扩展块也属于图形块(Graphic Rendering Block),可以在它前面定义图形控制扩展对它的表现形式进一步修改。图形文本扩展的组成:

BYTE76543210BIT
1扩展块标识Extension Introducer - 标识这是一个扩展块,固定值0x21
2图形控制扩展标签Plain Text Label - 标识这是一个图形文本扩展块,固定值0x01
3块大小Block Size - 块大小,固定值12
4文本框左边界位置Text Glid Left Posotion - 像素值,文本框离逻辑屏幕的左边界距离
5
6文本框上边界位置Text Glid Top Posotion - 像素值,文本框离逻辑屏幕的上边界距离
7
8文本框高度Text Glid Width -像素值
9
10文本框高度Text Glid Height - 像素值
11
12字符单元格宽度Character Cell Width - 像素值,单个单元格宽度
13字符单元格高度Character Cell Height- 像素值,单个单元格高度
14文本前景色索引Text Foreground Color Index - 前景色在全局颜色列表中的索引
15文本背景色索引Text Blackground Color Index - 背景色在全局颜色列表中的索引
N
...
Plain Text Data - 一个或多个数据块(Data Sub-Blocks)组成,保存要在显示的字符串。

文本数据块

...
N+1块终结Block Terminator - 标识注释块结束,固定值0

推荐:1.由于文本的字体(Font)和尺寸(Size)没有定义,解码器应该根据情况选择最合适的;
2.如果一个字符的值小于0x20或大于0xF7,则这个字符被推荐显示为一个空格(0x20);
3.为了兼容性,最好定义字符单元格的大小为8x8或8x16(宽度x高度)

应用程序扩展(Application Extension)

这是提供给应用程序自己使用的(需要89a版本),应用程序可以在这里定义自己的标识、信息等,组成:

BYTE76543210BIT
1扩展块标识Extension Introducer - 标识这是一个扩展块,固定值0x21
2图形控制扩展标签Application Extension Label - 标识这是一个应用程序扩展块,固定值0xFF
3块大小Block Size - 块大小,固定值11
4应用程序标识符Application Identifier - 用来鉴别应用程序自身的标识(8个连续ASCII字符)
5
6
7
8
9
10
11
12应用程序鉴别码Application Authentication Code - 应用程序定义的特殊标识码(3个连续ASCII字符)
13
14
N
...
应用程序自定义数据块 - 一个或多个数据块(Data Sub-Blocks)组成,保存应用程序自己定义的数据

应用程序数据

...
N+1块终结器lock Terminator - 标识注释块结束,固定值0

文件结尾部分

文件终结器(Trailer)

这一部分只有一个值为0的字节,标识一个GIF文件结束.

BYTE76543210
1

文件终结

GIF Trailer - 标识GIF文件结束,固定值0x3B

2.LZW算法和GIF数据压缩

  GIF文件的图象数据使用了可变长度编码的LZW压缩算法(Variable-Length_Code LZW Compression),这是从LZW(Lempel Ziv Compression)压缩算法演变过来的,通过压缩原始数据的重复部分来达到减少文件大小的目的。

LZW的压缩原理:

先来解释一下几个基本概念:
  LZW压缩有三个重要的对象:数据流(CharStream)、编码流(CodeStream)和编译表(String Table)。在编码时,数据流是输入对象(图象的光栅数据序列),编码流就是输出对象(存储在GIF文件的图象数据);在解码时,编码流则是输入对象,数据流是输出对象;而编译表是在编码和解码时都须要用借助的对象。

字符(Character):最基础的数据元素,在文本文件中就是一个字节,在光栅数据中就是一个像素的颜色在指定的颜色列表中的索引值

字符串(String):由几个连续的字符组成;
前缀(Prefix):也是一个字符串,不过通常用在另一个字符的前面,而且它的长度可以为0;
(Root):单个长度的字符串;
编码(Code):一个数字,按照固定长度(编码长度)从编码流中取出,也是编码表的映射值;
图案:一个字符串,按不定长度从数据流中读出。

  LZW压缩的原理,就是先提取原始图象数据中的不同图案,基于这些图案创建一个编译表,然后用编译表中的图案索引来替代原始光栅数据中的相应图案,减少原始数据大小。看起来和调色板图象的实现原理差不多,但是应该注意到的是,我们这里的编译表不是事先创建好的,而是根据原始图象数据动态创建的,解码时还要从已编码的数据中还原出原来的编译表(GIF文件中是不携带编译表信息的),为了更好理解编解码原理,我们来看看具体的处理过程:

编码器(Compressor)

  编码数据,第一步,初始化一个编译表,假设这个编译表的大小是12位的,也就是最多有4096个单位,另外假设我们有32个不同的字符(也可以认为图象的每个像素最多有32种颜色),表示为a,b,c,d,e...,初始化编译表:第0项为a,第1项为b,第2项为c...一直到第31项,我们把这32项就称为根。
  开始编译,先定义一个前缀对象Current Prefix,记为[.c.],现在它是空的,然后定义一个当前字符串Current String,标记为[.c.]k,[.c.]就为Current Prefix,k就为当前读取字符。现在来读取数据流的第一个字符,假如为p,那么Current String就等于[.c.]p(由于[.c.]为空,实际上值就等于p),现在在编译表中查找有没有Current String的值,由于p就是一个根,我们已经初始了32个根,当然可以找到,把p设为Current Prefix的值,不做任何事继续读取下一个字符,假设为q,Current String就等于[.c.]q(也就是pq),看看在编译表中有没有该值,当然。没有,这时我们要做下面的事情:将Current String的值(也就是pq)添加到编译表的第32项,把Current Prefix的值(也就是p)在编译表中的索引输出到编码流,修改Current Prefix为q。继续往下读,如果在编译表中可以查找到Current String的值([.c.]k),则把Current String的值([.c.]k)赋予Current Prefix;如果查找不到,则添加Current String的值([.c.]k)到编译表,把Current Prefix的值([.c.])在编译表中所对应的索引输出到编码流,同时修改Current Prefix为k ,这样一直循环下去直到数据流结束。伪代码看起来就像下面这样:

Initialize String Table;
[.c.] = Empty;
[.c.]k = First Character in CharStream;
while ([.c.]k != EOF )
{
  if ( [.c.]k is in the StringTable)
  {
    [.c.] = [.c.]k;
  }
  else
  {
    add [.c.]k to the StringTable;
    Output the Index of [.c.] in the StringTable to the CodeStream;
    [.c.] = k;
  }
  [.c.]k = Next Character in CharStream;
}

Output the Index of [.c.] in the StringTable to the CodeStream;

来看一个具体的例子,我们有一个字母表a,b,c,d.有一个输入的字符流abacaba。现在来初始化编译表:#0=a,#1=b,#2=c,#3=d.现在开始读取第一个字符a,[.c.]a=a,可以在在编译表中找到,修改[.c.]=a;不做任何事继续读取第二个字符b,[.c.]b=ab,在编译表中不能找,那么添加[.c.]b到编译表:#4=ab,同时输出[.c.](也就是a)的索引#0到编码流,修改[.c.]=b;读下一个字符a,[.c.]a=ba,在编译表中不能找到:添加编译表#5=ba,输出[.c.]的索引#1到编码流,修改[.c.]=a;读下一个字符c,[.c.]c=ac,在编译表中不能找到:添加编译表#6=ac,输出[.c.]的索引#0到编码流,修改[.c.]=c;读下一个字符a,[.c.]c=ca,在编译表中不能找到:添加编译表#7=ca,输出[.c.]的索引#2到编码流,修改[.c.]=a;读下一个字符b,[.c.]b=ab,编译表的#4=ab,修改[.c.]=ab;读取最后一个字符a,[.c.]a=aba,在编译表中不能找到:添加编译表#8=aba,输出[.c.]的索引#4到编码流,修改[.c.]=a;好了,现在没有数据了,输出[.c.]的值a的索引#0到编码流,这样最后的输出结果就是:#0#1#0#2#4#0.

解码器(Decompressor)

  好了,现在来看看解码数据。数据的解码,其实就是数据编码的逆向过程,要从已经编译的数据(编码流)中找出编译表,然后对照编译表还原图象的光栅数据。
  首先,还是要初始化编译表。GIF文件的图象数据的第一个字节存储的就是LZW编码的编码大小(一般等于图象的位数),根据编码大小,初始化编译表的根条目(从0到2的编码大小次方),然后定义一个当前编码Current Code,记作[code],定义一个Old Code,记作[old]。读取第一个编码到[code],这是一个根编码,在编译表中可以找到,把该编码所对应的字符输出到数据流,[old]=[code];读取下一个编码到[code],这就有两种情况:在编译表中有或没有该编码,我们先来看第一种情况:先输出当前编码[code]所对应的字符(串)到数据流,然后把[old]所对应的字符(串)当成prefix [...],当前编码[code]所对应的字符(串)的第一个字符当成k,组合起来当前字符串Current String就为[...]k,把[...]k添加到编译表,读下一个编码;我们来看看在编译表中找不到该编码的情况,回想一下编码情况:如果数据流中有一个p[...]p[...]pq这样的字符串,p[...]在编译表中而p[...]p不在,编译器将输出p[...]的索引而添加p[...]p到编译表,下一个字符串p[...]p可以在编译表中找到而p[...]pq不在编译表,同样将输出p[...]p的索引值而添加p[...]pq到编译表,这样看来,解码器总比编码器慢一步』,当我们遇到p[...]p所对应的索引时,我们不知到该索引对应的字符串(在解码器的编译表中还没有该索引,事实上,这个索引将在下一步添加),这时需要用猜测法:现在假设上面的p[...]所对应的索引值是#58,那么上面的字符串经过编译之后是#58#59,我们在解码器中读到#59时,编译表的最大索引只有#58,#59所对应的字符串就等于#58所对应的字符串(也就是p[...])加上它的第一个字符(也就是p),也就是p[...]p。事实上,这种猜测法是很准确(有点不好理解,仔细想一想吧)。上面的解码过程用伪代码表示就像下面这样:

Initialize String Table;
[code] = First Code in the CodeStream;
Output the String for [code] to the CharStream;

[old] = [code];
[code] = Next Code in the CodeStream;
while ([code] != EOF )
{
  if ( [code] is in the StringTable)
  {
    Output the String for [code] to the CharStream;
// 输出[code]所对应的字符串
    
[...] = translation for [old]; // [old]所对应的字符串
    
k = first character of translation for [code]; // [code]所对应的字符串的第一个字符
    
add [...]k to the StringTable;
    [old] = [code];
  }
  else
  {
    
[...] = translation for [old];
    k = first character of [...];
    Output [...]k to CharStream and add it to StringTable;
    [old] = [code];
  }
  [code] = Next Code in the CodeStream;
}

GIF数据压缩

下面是GIF文件的图象数据结构:

BYTE76543210BIT
1

编码长度

LZW Code Size - LZW压缩的编码长度,也就是要压缩的数据的位数
...数据块
块大小数据块,如果需要可重复多次
编码数据
...数据块
块终结器一个图象的数据编码结束,固定值0

把光栅数据序列(数据流)压缩成GIF文件的图象数据(字符流)可以按下面的步骤进行:
1.定义编码长度
GIF图象数据的第一个字节就是编码长度(Code Size),这个值是指要表现一个像素所需要的最小位数,通常就等于图象的色深;
2.压缩数据
通过LZW压缩算法将图象的光栅数据流压缩成GIF的编码数据流。这里使用的LZW压缩算法是从标准的LZW压缩算法演变过来的,它们之间有如下的差别:
  [1]GIF文件定义了一个编码大小(Clear Code),这个值等于2的『编码长度』次方,在从新开始一个编译表(编译表溢出)时均须输出该值,解码器遇到该值时意味着要从新初始化一个编译表;
  [2]在一个图象的编码数据结束之前(也就是在块终结器的前面),需要输出一个Clear Code+1的值,解码器在遇到该值时就意味着GIF文件的一个图象数据流的结束;
  [3]第一个可用到的编译表索引值是Clear Code+2(从0到Clear Code-1是根索引,再上去两个不可使用,新的索引从Clare Code+2开始添加);
  [4]GIF输出的编码流是不定长的,每个编码的大小从Code Size + 1位到12位
编码的最大值就是4095(编译表需要定义的索引数就是4096),当编码所须的位数超过当前的位数时就把当前位数加1,这就需要在编码或解码时注意到编码长度的改变。
3.编译成字节序列
因为GIF输出的编码流是不定长的,这就需要把它们编译成固定的8-bit长度的字符流,编译顺序是从右往左。下面是一个具体例子:编译5位长度编码到8位字符

0bbbaaaaa
1dcccccbb
2eeeedddd
3ggfffffe
4hhhhhggg
...
N

 
4.打包
  前面讲过,一个GIF的数据块的大小从0到255个字节,第一个字节是这个数据块的大小(字节数),这就需要将编译编后的码数据打包成一个或几个大小不大于255个字节的数据包。然后写入图象数据块中。




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