libjpeg:实现jpeg内存解压缩塈转换色彩空间/压缩分辨率

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发布于 2022-05-07 10:17:15

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前一篇博客《libjpeg:实现jpeg内存压缩暨error_exit错误异常处理和个性化参数设置》实现了jpeg图像的内存压缩，本文来讨论jpeg图像内存解压缩的过程以及让libjpeg在解压缩时就将图像转灰度或其他色彩空间。

先贴出完整代码，再分段说明。 jpeg_mem.h

/* 图像矩阵基本参数 */
typedef struct _image_matrix_pram{
        int32_t		width;					// 图像宽度
        int32_t		height;					// 图像高度
        uint8_t		channels;				// 通道数
        J_COLOR_SPACE color_space; // 图像数据的色彩空间
        uint8_t		align;	// 内存对齐方式 0为不对齐，>0为以2的n次幂对齐
        std::vector <uint8_t> pixels; // 图像数据
}image_matrix_pram,*image_matrix_pram_ptr;
/* 处理压缩解压缩后内存数据的回调函数 */
using mem_callback_fun=std::function<void(const uint8_t*,unsigned long)>;
/* 定制压缩解压缩参数 */
using jpeg_custom_fun=std::function<void(j_common_ptr)>;
/* jpeg图像处理异常类 */
class jpeg_mem_exception:public std::logic_error{
public:
	// 继承基类构造函数
	using std::logic_error::logic_error;
};
/* 图像解压缩接口类 */
struct jpeg_decompress_interface{
	// 图像缓冲区
	std::vector<JSAMPROW> buffer;
	// 设置自定义输出参数的函数对象
	jpeg_custom_fun custom_output=[](j_common_ptr){};
	// 虚函数用于初始化内存填充解压缩后图像信息数据
	virtual void start_output(const jpeg_decompress_struct&cinfo)=0;
	// 虚函数用于将解压缩后的数据写入图像内存区
	virtual void put_pixel_rows(JDIMENSION num_scanlines)=0;
	virtual ~jpeg_decompress_interface()=default;
};

/* 默认的图像解压缩接口实现 */
struct jpeg_decompress_default:public jpeg_decompress_interface{
	/* 解压缩后的图像基本信息 */
	image_matrix_pram img;
	// 当前处理的目标图像像素行数
	JDIMENSION next_line;
	virtual void start_output(const jpeg_decompress_struct&cinfo){
		// 填充图像基本信息结构
		img.width=cinfo.output_width;
		img.height=cinfo.output_height;
		img.color_space=cinfo.out_color_space;
		img.channels=cinfo.output_components;
		// 分配像素数据存储区
		img.pixels=std::vector<uint8_t>(img.width*img.height*img.channels);
		// buffer只保存一行像素的目标数据指针
		buffer=std::vector<JSAMPROW>(1);
		next_line=0;
		// 初始化buffer指向第一像素存储地址
		buffer[next_line]=img.pixels.data();
	}
	virtual void put_pixel_rows(JDIMENSION num_scanlines){
		// buffer指向下一行要像素存储地址
		buffer[0]=img.pixels.data()+(++next_line)*img.width*img.channels;
	}
	virtual ~jpeg_decompress_default()=default;
};

jpeg_mem.cpp

/* 自定义jpeg图像压缩/解压缩过程中错误退出函数 */
METHODDEF(void) jpeg_mem_error_exit (j_common_ptr cinfo) {
	// 调用 format_message 生成错误信息
	char err_msg[JMSG_LENGTH_MAX];
	(*cinfo->err->format_message) (cinfo,err_msg);
	// 抛出c++异常
	throw jpeg_mem_exception(err_msg);
}
/* 将jpeg格式的内存数据块jpeg_data解压缩 
 * 图像行数据存储的方式都由decompress_instance定义
 * 出错抛出 jpeg_mem_exception 
 */
void load_jpeg_mem(uint8_t *jpeg_data,size_t size,
		 jpeg_decompress_interface &decompress_instance) {
	if(nullptr==jpeg_data||0==size)
		throw jpeg_mem_exception("empty image data");
	// 定义一个压缩对象 
	jpeg_decompress_struct  cinfo;
	//用于错误信息 
	jpeg_error_mgr jerr;
	// 错误输出绑定到压缩对象 
	cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
	// 设置自定义的错误处理函数 
	jerr.error_exit = jpeg_mem_error_exit;
	// RAII对象在函数结束时释放资源
	gdface::raii buffer_guard([&](){
		jpeg_finish_decompress(&cinfo);
		jpeg_destroy_decompress(&cinfo);
	});
	// 初始化压缩对象
	jpeg_create_decompress(&cinfo);
	jpeg_mem_src(&cinfo, jpeg_data, (unsigned long)size); // 设置内存输出缓冲区
	(void) jpeg_read_header(&cinfo, true);
	decompress_instance.custom_output((j_common_ptr)&cinfo); // 执行自定义参数设置函数
	(void) jpeg_start_decompress(&cinfo);
	// 输出通道数必须是1/3/4
	if (cinfo.output_components != 1 && cinfo.output_components != 3 && cinfo.output_components != 4) {
		throw jpeg_mem_exception(
			"load_jpeg_mem(): Failed to load JPEG data cause by output_components error");
	}
	decompress_instance.start_output(cinfo);
	JDIMENSION num_scanlines;
	JDIMENSION max_lines;
	while (cinfo.output_scanline  < cinfo.output_height) {
		num_scanlines = jpeg_read_scanlines(&cinfo, decompress_instance.buffer.data(),
				(JDIMENSION)decompress_instance.buffer.size());
		max_lines=std::min((cinfo.output_height-cinfo.output_scanline),(JDIMENSION)decompress_instance.buffer.size());
		// 如果取到的行数小于预期的行数，则图像数据不完整抛出异常
        if (num_scanlines<max_lines)
        	throw jpeg_mem_exception("load_jpeg_mem(): Incomplete data");
		decompress_instance.put_pixel_rows(num_scanlines);
	}
}

image_matrix_pram

image_matrix_pram用于描述图像矩阵(非压缩状态)的基本信息图像像素数据保存在类型为std::vector <uint8_t>的向量对象中。 align为每行像素数据的内存对齐方式，如：为2时，以2的2次幂，就是4字节对齐，默认为0。 color_space为图像的色彩空间，枚举类型J_COLOR_SPACE 在jpeglib.h中定义，一般RGB图像是JCS_RGB，灰度图像是JCS_GRAYSCALE。

/* 图像矩阵基本参数 */
typedef struct _image_matrix_pram{
        int32_t		width;					// 图像宽度
        int32_t		height;					// 图像高度
        uint8_t		channels;				// 通道数
        J_COLOR_SPACE color_space; // 图像数据的色彩空间
        uint8_t		align;	// 内存对齐方式 0为不对齐，>0为以2的n次幂对齐
        std::vector <uint8_t> pixels; // 图像数据
}image_matrix_pram,*image_matrix_pram_ptr;

jpeg_decompress_interface

为适应不同的解压缩需求，定义了jpeg_decompress_interface接口类，调用load_jpeg_mem对图像数据解压时必须提供一个类型为jpeg_decompress_interface的对象做入口参数，该接口主要start_output和put_pixel_rows两个函数，用于图像数据初始化和存储。 buffer对象是行像素解压缩数据的存储缓冲区，保存每行像素数据缓冲区的地址，libjpeg每次最多能解压缩的像素行数由buffer的元素个数决定。 start_output根据传入参数jpeg_decompress_struct中提供的图像基本信息，对图像存储区进行初始化。 put_pixel_rows则对负责将解压缩到缓冲区(buffer)的每行(row)像素存储到图像存储区中。

/* 图像解压缩接口类 */
struct jpeg_decompress_interface{
	// 图像缓冲区
	std::vector<JSAMPROW> buffer;
	// 设置自定义输出参数的函数对象
	jpeg_custom_fun custom_output=[](j_common_ptr){};
	// 虚函数用于初始化内存填充解压缩后图像信息数据
	virtual void start_output(const jpeg_decompress_struct&cinfo)=0;
	// 虚函数用于将解压缩后的数据写入图像内存区
	virtual void put_pixel_rows(JDIMENSION num_scanlines)=0;
	virtual ~jpeg_decompress_interface()=default;
};

jpeg_decompress_default:jpeg_decompress_interface的默认实现

一般情况下，像素的每个通道数据都是连续存储的，所以针对这种常用的图像矩阵存储方式，提供了jpeg_decompress_interface接口的默认实现jpeg_decompress_default。 jpeg_decompress_default每次只提供一行像素的缓冲区指针，由此控制libjpeg每次只解压缩一行数据。成员对象img保存解压缩后的结果数据，当图像成功解压缩后，img中就存储了解压缩后图像的所有完整信息。 next_line成员指向当前要解压缩的像素行数 start_output中根据jpeg_decompress_struct提供的图像宽/高/通道数计算出图像矩阵需要的存储区并分配相应的内存（img.pixels）。 buffer中只有一个指针类型的元素，指向img.pixels每一行像素的地址。这样jpeglib在解压缩出来的一行数据直接写入了img.pixels 因为buffer指针直接指向了图像存储区(img.pixels)每行像素的对应位置，所以put_pixel_rows不需要有复制数据的动作，只需要将next_line加1，并根据next_line将buffer中的指针指向下一行像素的地址就可以了。

/* 默认的图像解压缩接口实现 */
struct jpeg_decompress_default:public jpeg_decompress_interface{
	/* 解压缩后的图像基本信息 */
	image_matrix_pram img;
	// 当前处理的目标图像像素行数
	JDIMENSION next_line;
	virtual void start_output(const jpeg_decompress_struct&cinfo){
		// 填充图像基本信息结构
		img.width=cinfo.output_width;
		img.height=cinfo.output_height;
		img.color_space=cinfo.out_color_space;
		img.channels=cinfo.output_components;
		// 分配像素数据存储区
		img.pixels=std::vector<uint8_t>(img.width*img.height*img.channels);
		// buffer只保存一行像素的目标数据指针
		buffer=std::vector<JSAMPROW>(1);
		next_line=0;
		// 初始化buffer指向第一像素存储地址
		buffer[next_line]=img.pixels.data();
	}
	virtual void put_pixel_rows(JDIMENSION num_scanlines){
		// buffer指向下一行要像素存储地址
		buffer[0]=img.pixels.data()+(++next_line)*img.width*img.channels;
	}
	virtual ~jpeg_decompress_default()=default;
};

load_jpeg_mem

load_jpeg_mem函数根据decompress_instance参数提供的数据存储方式对长度为size的jpeg图像数据jpeg_data进行解压缩，最后解压缩的结果如何处理由decompress_instance对象定义，load_jpeg_mem函数本身并不关心。

/* 将jpeg格式的内存数据块jpeg_data解压缩 
 * 图像行数据存储的方式都由decompress_instance定义
 * 出错抛出 jpeg_mem_exception 
 */
void load_jpeg_mem(uint8_t *jpeg_data,size_t size,
		 jpeg_decompress_interface &decompress_instance) {
	if(nullptr==jpeg_data||0==size)
		throw jpeg_mem_exception("empty image data");
	// 定义一个压缩对象 
	jpeg_decompress_struct  cinfo;
	//用于错误信息 
	jpeg_error_mgr jerr;
	// 错误输出绑定到压缩对象 
	cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
	// 设置自定义的错误处理函数 
	jerr.error_exit = jpeg_mem_error_exit;
	// RAII对象在函数结束时释放资源
	gdface::raii buffer_guard([&](){
		jpeg_finish_decompress(&cinfo);
		jpeg_destroy_decompress(&cinfo);
	});
	// 初始化压缩对象
	jpeg_create_decompress(&cinfo);
	jpeg_mem_src(&cinfo, jpeg_data, (unsigned long)size); // 设置内存输出缓冲区
	(void) jpeg_read_header(&cinfo, true);// 读取jpeg格式头获取图像基本信息
	decompress_instance.custom_output((j_common_ptr)&cinfo); // 执行自定义参数设置函数
	(void) jpeg_start_decompress(&cinfo);
	// 输出通道数必须是1/3/4
	if (cinfo.output_components != 1 && cinfo.output_components != 3 && cinfo.output_components != 4) {
		throw jpeg_mem_exception(
			"load_jpeg_mem(): Failed to load JPEG data cause by output_components error");
	}
	decompress_instance.start_output(cinfo);
	JDIMENSION num_scanlines;
	JDIMENSION expectd_lines;
	while (cinfo.output_scanline  < cinfo.output_height) {
		num_scanlines = jpeg_read_scanlines(&cinfo, decompress_instance.buffer.data(),
				(JDIMENSION)decompress_instance.buffer.size());
		expectd_lines=std::min((cinfo.output_height-cinfo.output_scanline),(JDIMENSION)decompress_instance.buffer.size());
		// 如果取到的行数小于预期的行数，则图像数据不完整抛出异常
        if (num_scanlines<expectd_lines)
        	throw jpeg_mem_exception("load_jpeg_mem(): Incomplete data");
		decompress_instance.put_pixel_rows(num_scanlines);
	}
}

在上面的代码中用到了我之前一篇博客(《C++11实现模板化(通用化)RAII机制》)中实现的raii对象,该对象保证，不论在解压缩过程中是否发生异常(exception)，用于释放资源的函数jpeg_finish_decompress和jpeg_destroy_decompress都会被执行，以避免内存泄露问题。

对图像解码时出现的处理方式参见前一篇博客《libjpeg:实现jpeg内存压缩暨error_exit错误异常处理和个性化参数设置》。

example,解压缩时转灰或压缩分辨率

下面代码为调用示例。在图像解压缩时就可以将图像转换为指定的色彩空间，也可以将图像分辨率按比例压缩。见代码中的注释说明

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <iostream>
#include "jpeg_mem.h"
using namespace cimg_library;
using namespace std;

int main()
{
	try {
		const char *input_jpg_file = "D:/tmp/sample-1.jpg";
		// 将一个jpeg图像文件读取到内存
		std::ifstream is (input_jpg_file, std::ifstream::binary);
		std::vector<uint8_t> jpeg_data;
		if (is) {
			// get length of file:
			is.seekg(0, is.end);
			// 获取文件长度
			auto length = is.tellg();
			is.seekg(0, is.beg);

			jpeg_data = std::vector<uint8_t>(length);
			// read data as a block:
			is.read((char*) jpeg_data.data(), jpeg_data.size());
			is.close();
		}
		
		jpeg_decompress_default default_decompress_instance;
		default_decompress_instance.custom_output = [](j_common_ptr cinfo) {
			// 下面这行注释打开，就是设置解压缩时直接将图像转为灰度图(也可转为其他色彩空间)
			//((j_decompress_ptr)cinfo)->out_color_space = JCS_GRAYSCALE;
			// 下面这两行注释打开，就是设置解压缩时直接将图像尺寸压缩1/2
			//((j_decompress_ptr)cinfo)->scale_num=1;
			//((j_decompress_ptr)cinfo)->scale_denom=2;
			
		};
		load_jpeg_mem(jpeg_data,default_decompress_instance);
		// 函数调用结束，图像解码后的数据保存在default_decompress_instance.img中
	}catch (exception &e){
		// 异常输出
		cout<<e.what()<<endl;
	}
    return 0;
}

jpeg_decompress_interface接口的差异化实现

对于不同的图像处理对象，图像数据的保存方式可能是不一样的，比如CImg,是将每个通道的数据连续存储的，所以每个像素的每个通道的颜色值并不是连续存储的。前面的jpeg_decompress_default对象就不适合这种存储方式，这时就需要自己实现jpeg_decompress_interface接口，才能正确执行解压缩,就以CImg为例：

	// 该函数为继承CImg的子类的成员函数，为了突出重点， 就不贴出子类的完整代码了
	const CImgWrapper<T>& load_mem_jpeg(uint8_t *jpeg_data,size_t size,jpeg_custom_fun custom=jpeg_custom_default){
		// 实现jpeg_decompress_interface 接口
		struct  jpeg_decompress_cimg:public jpeg_decompress_interface {
			// 行缓冲区
			CImg<typename CImg<T>::ucharT> line_buffer;
			// 颜色通道指针
			T *ptr_r=nullptr , *ptr_g=nullptr , *ptr_b=nullptr , *ptr_a=nullptr;
			CImgWrapper<T>& cimg_obj;
			jpeg_decompress_cimg(CImgWrapper<T>& cimg_obj):cimg_obj(cimg_obj){}
			virtual void start_output(const jpeg_decompress_struct&cinfo) {
				line_buffer=CImg<typename CImg<T>::ucharT>(cinfo.output_width*cinfo.output_components);
				cimg_obj.assign(cinfo.output_width,cinfo.output_height,1,cinfo.output_components);
			    ptr_r  = cimg_obj._data,
			    ptr_g = cimg_obj._data + 1UL*cimg_obj._width*cimg_obj._height,
				ptr_b = cimg_obj._data + 2UL*cimg_obj._width*cimg_obj._height,
			    ptr_a = cimg_obj._data + 3UL*cimg_obj._width*cimg_obj._height;
				buffer=std::vector<JSAMPROW>(1);
				buffer[0] =(JSAMPROW) line_buffer._data;
			}
			virtual void put_pixel_rows(JDIMENSION num_scanlines) {
		        const unsigned char *ptrs = line_buffer._data;
		        switch (cimg_obj._spectrum) {
		        case 1 : {
		        	cimg_forX(cimg_obj,x) *(ptr_r++) = (T)*(ptrs++);
		        } break;
		        case 3 : {
		          cimg_forX(cimg_obj,x) {
		            *(ptr_r++) = (T)*(ptrs++);
		            *(ptr_g++) = (T)*(ptrs++);
		            *(ptr_b++) = (T)*(ptrs++);
		          }
		        } break;
		        case 4 : {
		          cimg_forX(cimg_obj,x) {
		            *(ptr_r++) = (T)*(ptrs++);
		            *(ptr_g++) = (T)*(ptrs++);
		            *(ptr_b++) = (T)*(ptrs++);
		            *(ptr_a++) = (T)*(ptrs++);
		          }
		        } break;
		        }
			}
		}jpeg_decompress_cimg_instance(*this);
		jpeg_decompress_cimg_instance.custom_output=custom;
		// 调用load_jpeg_mem解压缩
		load_jpeg_mem(jpeg_data,size,jpeg_decompress_cimg_instance);
		return *this;
	}

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原始发表：2016-01-23，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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