TIFF图像文件格式详解【转】

【首先向原作者致敬】

1 什么是TIFF？

TIFF是Tagged Image File Format的缩写。在现在的标准中，只有TIFF存在， 其他的提法已经舍弃不用了。做为一种标记语言，TIFF与其他文件格式最大的不同在于除了图像数据，它还可以记录很多图像的其他信息。它记录图像数据的方式也比较灵活， 理论上来说， 任何其他的图像格式都能为TIFF所用， 嵌入到TIFF里面。比如JPEG， Lossless JPEG， JPEG2000和任意数据宽度的原始无压缩数据都可以方便的嵌入到TIFF中去。由于它的可扩展性， TIFF在数字影响、遥感、医学等领域中得到了广泛的应用。TIFF文件的后缀是.tif或者.tiff

2 TIFF文件结构

TIFF文件中的三个关键词是：图像文件头Image File Header(IFH)， 图像文件目录Image File Directory(IFD)和目录项Directory Entry(DE)。每一幅图像是以8字节的IFH开始的， 这个IFH指向了第一个IFD。IFD包含了图像的各种信息， 同时也包含了一个指向实际图像数据的指针。
IFH的构成：

Byte 0-1: 字节顺序标志位， 值为II或者MM。II表示小字节在前， 又称为little-endian。MM表示大字节在前，又成为big-endian。

Byte 2-3: TIFF的标志位，一般都是42

Byte 4-7: 第一个IFD的偏移量。可以在任意位置， 但必须是在一个字的边界，也就是说必须是2的整数倍。
IFD的构成(0代表此IFD的起始位置)：

Byte 0-1: 表示此IFD包含了多少个DE，假设数目为n

Byte 2-(n*12+1): n个DE

Byte (n*12+2)-(n*12+5): 下一个IFD的偏移量，如果没有则置为0
DE的构成：

Byte 0-1: 此TAG的唯一标识

Byte 2-3: 数据类型。

Byte 4-7: 数量。通过类型和数量可以确定存储此TAG的数据需要占据的字节数

Byte 8-11: 如果占用的字节数少于4， 则数据直接存于此。 如果超过4个，则这里存放的是指向实际数据的指针

可以用以下的图来表示(图来自http://www.cppblog.com/windcsn/archive/2009/03/12/1158.html)

在TIFF6.0中，定义了12种数据类型，分别是：

1 = BYTE 8-bit unsigned integer.

2 = ASCII 8-bit byte that contains a 7-bit ASCII code; the last byte

must be NUL (binary zero).

3 = SHORT 16-bit (2-byte) unsigned integer.

4 = LONG 32-bit (4-byte) unsigned integer.

5 = RATIONAL Two LONGs: the first represents the numerator

6 = SBYTE An 8-bit signed (twos-complement) integer.

7 = UNDEFINED An 8-bit byte that may contain anything, depending on

the definition of the field.

8 = SSHORT A 16-bit (2-byte) signed (twos-complement) integer.

9 = SLONG A 32-bit (4-byte) signed (twos-complement) integer.

10 = SRATIONAL Two SLONG’s: the first represents the numerator of a

fraction, the second the denominator.

11 = FLOAT Single precision (4-byte) IEEE format.

12 = DOUBLE Double precision (8-byte) IEEE format.

－个TIFF文件可能包含多个IFD，每一个IFD都是一个子文件。Baseline解码器只要求解第一个IFD所对应的图像数据。扩展的TIFF图像经常包含多个IFD，每一个IFD都包含了不同的信息。

TIF图一般由三个部分组成：文件头（简称IFH）、文件目录（简称IFD）、图像数据。

一、图像文件头（Image File Header）
IFH数据结构包含3个成员共计8个字节（见表一）：

表一 IFH结构描述

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名称　　　　　　　　字节数　数据类型 说明

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Byteorder　　　　　　　2　　Integer　　TIF标记，其值为4D4D或4949

Version　　　　　　　　2　　Integer　　版本号，其值恒为2A00

Offset to first IFD　　4　　Long　　　 第一个IFD的偏移量

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表一说明
1.Byteorder：可能是H4D4D或H4949，H4D4D表示该图是摩托罗拉整数格式，H4949表示该图是Intel整数格式。
2.Version：总是H2A00，它可能是tif文件的版本，也可能用于进一步校验该文件是否为TIF格式。
3.Offset to first IFD：第一个IFD相对文件开始处的偏移量（因为可能会有多个顺序排列的IFD）。
IFD数据结构并不一定紧跟在IFH后面，相反，它常常位于第三部分图像数据的后面，即TIF图像文件的一般组织形式是：IFH——图像数据——IFD。
二、图像文件目录（Image File Directory）
IFD是TIF图像文件中重要的数据结构，它包含了三个成员。由于一个TIF文件中可以有多个图像，而一个IFD只标识一个图像的所有属性（有的文章把“属性”称之为“标签”），所以，一个TIF文件中有几个图像，就会有几个IFD。IFD的结构见表二：

表二 IFD结构描述

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名称　　　　　　　　　字节数　数据类型 说明

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Directory Entry Count 　2　　Integer　　本IFD中DE的数量

Directory Entry(1)　　　12　　　　　　　简称DE，中文译义“目录项”

Directory Entry(2)　　　12

……

Directory Entry(N)　　　12

Offset to next IFD　　　4　　Long　　　　下一个IFD的偏移量

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表二说明
1.Directory Entry Count：指出在该IFD中DE的个数；
2.Directory Entry：共12个字节，结构见表三。需要指出的是，DE的个数是不定的，因为每个DE只标识了图像的一个属性，那么这幅图像有N个属性就会有N个DE，用户甚至可添加自定义的标记属性，这就是为什么称TIF格式文件为“可扩充标记的文件”的原因。
3.Offset to next IFD Or NULL：下一个IFD相对于文件开始处的位置，这是一个链式构成。如果该数字为0，表示已经是最后一个IFD。当然，如果该TIF文件只包含了一幅图像，那么就只有一个IFD，显然这个偏移量也会等于0。

表三 DE结构描述

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名称　　　　　字节数　　数据类型 说明

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tag　　　　　　　2　　　Integer　　本属性的标签编号

type　　　　　　 2　　　Integer　　本属性值的数据类型

length　　　　　 4　　　Long　　　 该类型数据的数量

valueOffset　　　4　　　Long　　　 属性值的存放偏移量

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表三说明
由DE标识的图像属性有：图像的大小、分辨率、是否压缩、像素的行列数、颜色深度（单色、16色、256色、真彩色）等等。其中：
①tag：是该属性的标签编号（TagID），在图像文件目录中，它是按照升序排列的（但不一定是连续的）。这些编号在TIF格式官方白皮书中可以查到相应的含义，但遗憾的是，我们到哪儿可以找到官方白皮书呢？所以，笔者只能把网上能找得到资料（再结合自己的实验结果）罗列出来，见表四。
②type：表示该属性数据的类型，一般认为TIF官方指定的有5种数据类型（但也有说12种数据类型的）。见表五。
③length：该种类型的数据的个数，而不是某个数据的长度。
④valueOffset：是tagID代表的变量值相对文件开始处的偏移量，但如果变量值占用的空间不多于4个字节（例如只有1个Integer类型的值），那么该值就直接存放在valueOffset中，没必要再另外指向一个地方了。

表四 DE中标签编号的含义

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TagID　属性名称 type 说明

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0100 图像宽　　　　　　　0003

0101 图像高　　　　　　　0003

0102 颜色深度　　　　　　0003　　值＝1为单色，＝4为16色，＝8为256色。
如果该类型数据个数＞2个，说明是真彩图像

0103 图像数据是否压缩　　0003　　值＝05表示压缩

0106 图像是否采用反色显示0003　　值＝01表示反色，否则表示不反色

0111 图像扫描线偏移量　　0004　　图像数据起始字节相对于文件开始处的位置

0116 图像扫描线的数量　　0004　　表示图像有几行扫描线，实际上等于图像高度

0117 图像数据字节总数　　0003　　如果不是偶数，那么实际存放时会在后面加0

011A 水平分辩率偏移量　　0005　　常用计量单位是：像素/英寸

011B 垂直分辩率 偏移量 　0005　　常用计量单位是：像素/英寸

0131 生成该图像的软件名　0002　　文本类型

0132 生成该图像的时间　　0002　　文本类型

0140 调色板偏移量　　　　0003　　256色和16色图像才有此属性，而且有连续2个
调色板，但属性的length值只表示出1个调色板

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表四说明
①“水平（垂直）分辩率”是分数型的属性，其值要占用8个字节，所以在valueOffset中存放的肯定是它的具体数值的偏移量，而不是数值本身。
②“生成图像的软件名称”和“生成图像的时间”这两个字符型属性，它们的值所占用的空间也会大于4字节，所以在valueOffset中存放的也是它们的值的偏移量，而不是值本身。
③“图像数据字节总数”一般是个偶数，如果是奇数，那么实际存放时会在后面加一个0，但这个0不会计算在字节总数之内。

表五 DE中的数据类型

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type值　数据类型　 说明

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0001　　Byte

0002　　Ascii　　　文本类型，7位Ascii码加1位二进制0

0003　　Integer

0004　　Long

0005　　RATIONAL　 分数类型，由两个Long组成，第1个是分子，第2个是分母

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三、图像数据。这些数据可能是压缩的，也可能是未压缩的。如果经过压缩，那么压缩算法又有许多种，所以，图像数据是TIF文件中最为复杂的部分，暂还没有哪个软件能译出所有的压缩算法。
四、一个 Tif 文件的实例
让我们自己动手做一个实验，以加深理性认识。
用系统自带的画图程序新建一个17*15的白色图像，另存为TIF文件，它的全部数据如下（因设备差异你的数据也许会有些微不同）：

0000: 49 49 2A 00 4E 00 00 00 80 3F E0 50 38 24 16 0D

0010: 07 84 42 61 50 B8 64 36 1D 0F 88 44 62 51 38 A4

0020: 56 2D 17 8C 46 63 51 B8 E4 76 3D 1F 90 48 64 52

0030: 39 24 96 4D 18 80 80 00 60 00 00 00 01 00 00 00

0040: 60 00 00 00 01 00 00 00 08 00 08 00 08 00 0F 00

0050: FE 00 04 00 01 00 00 00 00 00 00 00 00 01 03 00

0060: 01 00 00 00 11 00 00 00 01 01 03 00 01 00 00 00

0070: 0F 00 00 00 02 01 03 00 03 00 00 00 48 00 00 00

0080: 03 01 03 00 01 00 00 00 05 00 00 00 06 01 03 00

0090: 01 00 00 00 02 00 00 00 11 01 04 00 01 00 00 00

00A0: 08 00 00 00 15 01 03 00 01 00 00 00 03 00 00 00

00B0: 16 01 04 00 01 00 00 00 0F 00 00 00 17 01 04 00

00C0: 01 00 00 00 2F 00 00 00 1A 01 05 00 01 00 00 00

00D0: 38 00 00 00 1B 01 05 00 01 00 00 00 40 00 00 00

00E0: 1C 01 03 00 01 00 00 00 01 00 00 00 28 01 03 00

00F0: 01 00 00 00 02 00 00 00 3D 01 03 00 01 00 00 00

0100: 01 00 00 00 00 00 00 00

简要分析（请注意转换16进制数据时，低位在前，高位在后）：

0000－0007：文件头，可以看出，该图是Intel整数格式，第一个IFD的偏移量为4E。

0008－0037：图像数据。注意最后那个0是补加的，它没有统计在“图像数据字节总数”属性值中。

0038－003F：水平分辩率值。

0040－0047：垂直分辩率值。

0048－004D：颜色深度值。

004E－0107：第一个IFD。Directory Entry Count的值（004E－004F）为F，表示这个IFD中有15个DE，每个DE占用12字节，15个DE共占用180字节，加上Directory Entry Count占用的2字节，再加上
Offset to next IFD占用的4字节，这个IFD共占用186字节，换算为16进制就是BA，所以，它的数据结束于0107。Offset to next IFD的值（最后4个字节）均为0，表示整幅图像文件只有这一个IFD。其中15个DE的描述见表六。

表六 一个Tif文件实例的DE描述

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顺号   偏移量 TagID    Type       length valueOffset          说明

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1      0050　00FE     Long　　　1　　　00　　　　未知属性值＝0

2      005C　0100　 Integer       1　　　11　　　　图像宽为17像素（10进制）

3      0068　0101　 Integer       1　　　0F　　　　图像高为15像素（10进制）

4    0074　0102　 Integer       3　　　48　　　　图像为真彩色，其值存放在48－4D

5    0080　0103　 Integer       1　　　05　　　　图像数据是压缩的

6     008C　0106  Integer      1　　　02　　　　图像不反色显示

7     0098　0111  Long　　　 1　　　08　　　　图像数据起始字节为8

8    00A4　0115　 Integer     1　　　03　　　　未知属性值＝3

9      00B0　0116　 Long　　　 1　　　0F　　　　图像扫描线有15行

10  00BC　0117　 Long　　　 1　　　2F　　　　图像共有47个字节的压缩数据

11　 00C8　011A　 RATIONAL　1　　　38　　　　水平分辩率存放在38－3F

12　 00D4　011B　 RATIONAL　1　　　40　　　　垂直分辩率存放在40－47

13　 00E0　011C　 Integer     1　　　01　　　　未知属性值＝1

14　 00EC　0128　 Integer     1　　　02　　　　未知属性值＝2

15　 00F8　013D　 Integer      1　　　01　　　　未知属性值＝1

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表六说明
①水平分辩率值存放在0038－003F，占用8个字节，这8个字节是：60 00 00 00 01 00 00 00。由于它是分数类型，前4个字节是分子，其值为60000000，转换为10进制就是96，后4个字节是分母，其值是10000000，转换为10进制就是1，所以，分数值是：96/1，它表示每英寸96像素。
②垂直水平分辩率值存放在0040－0047，请参照①进行分析。
③颜色深度属性，它有3个Integer类型的值，共计6字节，所以valueOffset中存放的也是其值的偏移量。它的属性值存放在0048－004D，3个整形数据值都为8，表示这是一幅24位真彩色的图像。