100ASK_IMX6ULL-PRO 数码相框扩展项目：支持 PNG 显示
背景说明
本篇内容基于百问网课程 百问网嵌入式专家-韦东山嵌入式专注于嵌入式课程及硬件研发
项目中已支持 BMP 和 JPG 格式，本篇内容主要对项目中图片显示功能做简单说明，并增加支持 PNG 格式图片。
图片格式说明
BMP
格式说明
BMP（Bitmap）格式是一种常见的图像文件格式，以下是其主要格式说明：
文件头（Bitmap File Header）：
-
大小：14 字节。
-
字段：
bfType（2 字节）：固定值 0x4D42，表示这是一个 BMP 文件。bfSize（4 字节）：整个 BMP 文件的大小，以字节为单位。bfReserved1和bfReserved2（各 2 字节）：保留字段，通常为 0。bfOffBits（4 字节）：从文件开头到图像数据的偏移量，以字节为单位。
信息头（Bitmap Information Header）：
-
大小：常见的有 40 字节（Windows V3）。
-
字段：
biSize（4 字节）：信息头的大小，对于 Windows V3 通常为 40。biWidth（4 字节）：图像的宽度，以像素为单位。biHeight（4 字节）：图像的高度，以像素为单位。注意，正数表示图像是 bottom-up 存储（从图像的底部开始），负数表示 top-down 存储（从图像的顶部开始）。biPlanes（2 字节）：固定值 1，表示颜色平面数。biBitCount（2 字节）：每个像素的位数，常见的值有 1、4、8、24 等，分别表示单色、16 色、256 色和真彩色。biCompression（4 字节）：压缩类型，常见的值有 0（无压缩）、1（BI_RLE8 压缩）、2（BI_RLE4 压缩）等。biSizeImage（4 字节）：图像数据的大小，以字节为单位。如果未压缩，可通过计算得出。biXPelsPerMeter和biYPelsPerMeter（各 4 字节）：水平和垂直分辨率，单位是像素/米。biClrUsed（4 字节）：实际使用的颜色表中的颜色数。 如果为0，则使用所有可能的颜色。biClrImportant（4 字节）：重要颜色的数量。如果为0，则认为所有颜色都重要。
颜色表（Color Table）：
- 对于 8 位及以下的位深度，会有颜色表。
- 每个表项大小为 4 字节，分别表示蓝色、绿色、红色和保留值（通常设置为0）。
图像数据（Image Data）：
- 像素数据按行存储，每行的字节数必须是 4 的倍数，如果不足则用 0 填充。
- 像素数据的存储顺序取决于颜色位数和压缩方式。
以上是 BMP 格式的基本说明，实际应用中可能会有一些变体和扩展。
示例：解析 BMP 文件
解析 BMP 文件的基本步骤如下：
-
读取文件头
- 使用二进制读取方式读取前 14 个字节，解析出文件头中的各个字段。
-
读取信息头
- 根据文件头中的
bfOffBits字段跳转到信息头的位置，读取接下来的 40 个字节（对于标准 BMP 文件），解析出信息头中的各个字段。
- 根据文件头中的
-
读取颜色表（如果存在）
- 如果图像不是 24 位或 32 位颜色深度，需要读取颜色表。颜色表的大小可以通过
biClrUsed字段确定，如果该字段为0，则颜色表的大小为2^biBitCount。
- 如果图像不是 24 位或 32 位颜色深度，需要读取颜色表。颜色表的大小可以通过
-
读取图像数据
- 根据
bfOffBits字段跳转到图像数据的位置，读取图像数据。注意图像数据的每一行可能需要填充字节以对齐到 4 字节边界 - 注意数据存储的顺序：逐行自顶向下还是自底向上，每一行的数据格式（BGR+）
- 根据
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct {
unsigned short type;
unsigned int size;
unsigned short reserved1;
unsigned short reserved2;
unsigned int offset;
} BMPFileHeader;
typedef struct {
unsigned int size;
int width;
int height;
unsigned short planes;
unsigned short bitCount;
unsigned int compression;
unsigned int sizeImage;
int xPelsPerMeter;
int yPelsPerMeter;
unsigned int clrUsed;
unsigned int clrImportant;
} BMPInfoHeader;
int main() {
FILE *fp = fopen("image.bmp", "rb");
if (!fp) {
printf("Error opening file\n");
return 1;
}
BMPFileHeader fileHeader;
fread(&fileHeader, sizeof(BMPFileHeader), 1, fp);
if (fileHeader.type!= 0x4D42) {
printf("Not a BMP file\n");
fclose(fp);
return 1;
}
BMPInfoHeader infoHeader;
fread(&infoHeader, sizeof(BMPInfoHeader), 1, fp);
// 根据读取的信息进行后续处理，如读取颜色表、图像数据等
fclose(fp);
return 0;
}
JPG
JPEG（Joint Photographic Experts Group）是一种广泛使用的图像压缩标准，特别适用于照片类图像。JPEG 文件格式通常使用 .jpg 或 .jpeg 扩展名。
JPEG 文件格式概述
JPEG 是一种有损压缩算法，意味着在压缩过程中会丢失一些信息，但这种损失通常对人眼来说是不可见的。JPEG 格式的主要优点是能够在保持高质量的同时显著减少文件大小，这使得它非常适合在网络上传输和存储大量图像。
文件结构
JPEG 文件通常包含以下几个部分：
-
文件头（SOI - Start of Image）
- SOI 标记文件的开始，固定为两个字节
FF D8。
- SOI 标记文件的开始，固定为两个字节
-
标记段（Markers）
-
JPEG 文件由一系列标记段组成，每个标记段都有特定的功能。
-
常见的标记段包括：
- SOI (Start of Image) : 文件开始标记。
- EOI (End of Image) : 文件结束标记。
- SOFn (Start of Frame) : 帧开始标记，其中 n 表示不同的变体（例如 SOF0 表示基线 JPEG）。
- DHT (Define Huffman Table) : 定义霍夫曼编码表。
- DQT (Define Quantization Table) : 定义量化表。
- DRI (Define Restart Interval) : 定义重启间隔。
- APPn (Application-specific) : 应用程序特定的数据（例如 EXIF 信息）。
- COM (Comment) : 注释数据。
-
-
扫描段（Scan Data）
- 扫描段包含实际的图像数据，经过编码后的二进制流。
- 扫描段可以包含多个扫描，每个扫描对应图像的一个或多个颜色分量。
其他特性
-
EXIF 信息
- JPEG 文件可以包含 EXIF（Exchangeable Image File）信息，记录相机设置、拍摄日期等元数据。
-
ICC 配置文件
- 可以嵌入 ICC 配置文件，用于色彩管理。
-
缩略图
- JPEG 文件可以包含缩略图，用于快速预览。
示例：使用 libjpeg 进行 JPEG 解码
#include <stdio.h>
#include <jpeglib.h>
void decode_jpeg(const char *filename) {
struct jpeg_decompress_struct cinfo;
struct jpeg_error_mgr jerr;
FILE *infile;
if ((infile = fopen(filename, "rb")) == NULL) {
fprintf(stderr, "Can't open %s\n", filename);
return;
}
cinfo.err = jpeg_std_error(&jerr);
jpeg_create_decompress(&cinfo);
jpeg_stdio_src(&cinfo, infile);
if (jpeg_read_header(&cinfo, TRUE)!= JPEG_HEADER_OK) {
fprintf(stderr, "Can't read JPEG header\n");
jpeg_destroy_decompress(&cinfo);
fclose(infile);
return;
}
jpeg_start_decompress(&cinfo);
int width = cinfo.output_width;
int height = cinfo.output_height;
int num_components = cinfo.output_components;
printf("Image width: %d\n", width);
printf("Image height: %d\n", height);
printf("Number of components: %d\n", num_components);
JSAMPARRAY buffer;
int row_stride = width * num_components;
buffer = (*cinfo.mem->alloc_sarray)((j_common_ptr)&cinfo, JPOOL_IMAGE, row_stride, 1);
while (cinfo.output_scanline < height) {
jpeg_read_scanlines(&cinfo, buffer, 1);
// 在这里可以对每行的像素数据进行处理
}
jpeg_finish_decompress(&cinfo);
jpeg_destroy_decompress(&cinfo);
fclose(infile);
}
int main() {
const char *filename = "your_image.jpg";
decode_jpeg(filename);
return 0;
}
PNG
PNG（Portable Network Graphics）是一种无损压缩的位图图像格式，支持透明度通道，广泛用于互联网和数字图像处理。PNG 格式的设计目的是替代 GIF 和 TIFF 文件格式，同时保持无专利限制。以下是 PNG 格式的一些关键特性和结构说明：
特性
- 无损压缩：PNG 使用无损压缩算法（通常是 DEFLATE），这意味着图像在压缩和解压缩过程中不会丢失任何信息。
- 支持透明度：PNG 支持 alpha 通道，允许每个像素有一个透明度值，这使得图像可以平滑地融合到背景中。
- 多种颜色模式：PNG 支持多种颜色模式，包括灰度、真彩色（RGB）、带 alpha 通道的真彩色等。
- 渐进显示：PNG 支持渐进显示，即图像可以逐步加载和显示，而不是一次性完全加载。
- 元数据支持：PNG 文件可以包含丰富的元数据信息，如作者、版权、日期等。
- 错误检测：PNG 文件包含 CRC（循环冗余校验）字段，用于检测文件传输过程中的错误。
文件结构
PNG 文件由一个文件签名和多个数据块组成。每个数据块都有固定的结构，包括长度、类型、数据和 CRC 字段。
文件签名
PNG 文件的前 8 个字节是文件签名，用于识别文件格式：
89 50 4E 47 0D 0A 1A 0A
数据块结构
每个数据块的结构如下：
-
长度（Length）：4 字节，表示数据字段的长度，最大值为 (2^{31} - 1)。
-
类型（Type）：4 字节，表示数据块的类型，常见的类型包括：
IHDR：图像头，包含图像的基本信息，如宽度、高度、颜色类型等。PLTE：调色板，用于索引颜色模式。IDAT：图像数据，包含压缩后的图像数据。IEND：结束标记，表示文件的结束。tRNS：透明度信息。gAMA：图像的 gamma 值。cHRM：图像的颜色空间信息。sBIT：每个颜色通道的显著位数。tEXt：文本信息。zTXt：压缩的文本信息。iTXt：国际化的文本信息。
-
数据（Data）：长度字段指定的数据。
-
CRC（Cyclic Redundancy Check）：4 字节，用于检测数据块的完整性。
颜色类型
PNG 文件支持多种颜色类型，每种颜色类型对应不同的图像数据结构：
- 灰度图像（Color Type 0）：每个像素只有一个亮度值。
- 灰度图像 + alpha 通道（Color Type 4）：每个像素有一个亮度值和一个透明度值。
- 真彩色图像（Color Type 2）：每个像素有三个颜色值（红、绿、蓝）。
- 真彩色图像 + alpha 通道（Color Type 6）：每个像素有三个颜色值和一个透明度值。
- 索引颜色图像（Color Type 3）：每个像素是一个索引值，对应于 PLTE 调色板中的颜色。
示例：使用 libpng 解析
#include <stdio.h>
#include <png.h>
void read_png_file(char *filename) {
FILE *fp = fopen(filename, "rb");
if (!fp) {
printf("Could not open file %s\n", filename);
return;
}
png_structp png_ptr = png_create_read_struct(PNG_LIBPNG_VER_STRING, NULL, NULL, NULL);
if (!png_ptr) {
printf("Could not create read struct\n");
fclose(fp);
return;
}
png_infop info_ptr = png_create_info_struct(png_ptr);
if (!info_ptr) {
printf("Could not create info struct\n");
png_destroy_read_struct(&png_ptr, NULL, NULL);
fclose(fp);
return;
}
if (setjmp(png_jmpbuf(png_ptr))) {
printf("Error during PNG reading\n");
png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, NULL);
fclose(fp);
return;
}
png_init_io(png_ptr, fp);
png_read_info(png_ptr, info_ptr);
int width = png_get_image_width(png_ptr, info_ptr);
int height = png_get_image_height(png_ptr, info_ptr);
png_byte color_type = png_get_color_type(png_ptr, info_ptr);
png_byte bit_depth = png_get_bit_depth(png_ptr, info_ptr);
printf("Width: %d\n", width);
printf("Height: %d\n", height);
printf("Color type: %d\n", color_type);
printf("Bit depth: %d\n", bit_depth);
png_bytep *row_pointers = (png_bytep *)malloc(sizeof(png_bytep) * height);
for (int y = 0; y < height; y++) {
row_pointers[y] = (png_byte *)malloc(png_get_rowbytes(png_ptr, info_ptr));
}
png_read_image(png_ptr, row_pointers);
// 在这里处理像素数据
for (int y = 0; y < height; y++) {
png_bytep row = row_pointers[y];
for (int x = 0; x < width; x++) {
switch (color_type) {
case PNG_COLOR_TYPE_GRAY:
printf("Gray: %d\n", row[x]);
break;
case PNG_COLOR_TYPE_RGB:
printf("RGB: (%d, %d, %d)\n", row[x * 3], row[x * 3 + 1], row[x * 3 + 2]);
break;
case PNG_COLOR_TYPE_RGBA:
printf("RGBA: (%d, %d, %d, %d)\n", row[x * 4], row[x * 4 + 1], row[x * 4 + 2], row[x * 4 + 3]);
break;
// 处理其他颜色类型
}
}
}
for (int y = 0; y < height; y++) {
free(row_pointers[y]);
}
free(row_pointers);
png_destroy_read_struct(&png_ptr, &info_ptr, NULL);
fclose(fp);
}
int main() {
char *filename = "your_png_file.png";
read_png_file(filename);
return 0;
}
项目框架
对每一种格式，创建一个图片解析结构体支持像素数据的提取：
typedef struct PicFileParser {
char *name; /* 图片文件解析模块的名字 */
int (*isSupport)(PT_FileMap ptFileMap); /* 是否支持某文件 */
int (*GetPixelDatas)(PT_FileMap ptFileMap, PT_PixelDatas ptPixelDatas); /* 从文件中解析出图像的象素数据 */
int (*FreePixelDatas)(PT_PixelDatas ptPixelDatas); /* 释放图像的象素数据所占内存 */
int (*SaveFile)(unsigned char * pRgb, unsigned int dwWidth, unsigned int dwHeight, unsigned int dwBpp, char *strFilename);
struct PicFileParser *ptNext; /* 链表 */
}T_PicFileParser, *PT_PicFileParser;
辅助结构 T_FileMap 支持文件的 open 和 mmap 操作：
typedef struct FileMap {
char strFileName[256]; /* 文件名 */
// int iFd;
FILE * tFp; /* 文件句柄 */
int iFileSize; /* 文件大小 */
unsigned char *pucFileMapMem; /* 使用mmap函数映射文件得到的内存 */
}T_FileMap, *PT_FileMap;
提取保存的像素结构：
typedef struct PixelDatas {
int iWidth; /* 宽度: 一行有多少个象素 */
int iHeight; /* 高度: 一列有多少个象素 */
int iBpp; /* 一个象素用多少位来表示 */
int iLineBytes; /* 一行数据有多少字节 */
int iTotalBytes; /* 所有字节数 */
unsigned char *aucPixelDatas; /* 象素数据存储的地方 */
}T_PixelDatas, *PT_PixelDatas;
支持 PNG 格式
定义解析结构体：
static T_PicFileParser g_tPNGParser = {
.name = "png",
.isSupport = isPNGFormat,
.GetPixelDatas = GetPixelDatasFrmPNG,
.FreePixelDatas = FreePixelDatasForPNG,
};
核心是实现接口函数 GetPixelDatasFrmPNG，完成文件的解析和像素的提取。主要包括：
首先完成对 PNG 格式的解析，这一部分可参考前面 '示例：使用 libpng 解析'
然后提取转换并保存像素数据
// 准备输出数据
ptPixelDatas->iWidth = iWidth;
ptPixelDatas->iHeight = iHeight;
// ptPixelDatas->iBpp = 24; // 该变量调用对象设置
ptPixelDatas->iLineBytes = iWidth * (ptPixelDatas->iBpp >> 3);
ptPixelDatas->iTotalBytes = iHeight * ptPixelDatas->iLineBytes;
ptPixelDatas->aucPixelDatas = (unsigned char *)malloc(ptPixelDatas->iTotalBytes);
if (!ptPixelDatas->aucPixelDatas)
{
DBG_PRINTF("%s malloc error!\n", ptFileMap->strFileName);
return -1;
}
unsigned char *tmpbuf = (unsigned char *)malloc(iWidth * iHeight * iRGBMode);
if (!tmpbuf)
{
free(ptPixelDatas->aucPixelDatas);
return -1;
}
for (iRow = 0; iRow < iHeight; iRow++)
{
png_read_row(ptPNG, tmpbuf, NULL); // 读取一行数据，读取的数据为24BPP，RGB
CovertOneLine(iWidth, iRGBMode * 8, ptPixelDatas->iBpp, tmpbuf, ptPixelDatas->aucPixelDatas + iRow * ptPixelDatas->iLineBytes);
}
辅助函数CovertOneLine主要完成bpp格式的转换，以便支持 LCD 显示：
/**********************************************************************
* 函数名称： CovertOneLine
* 功能描述： 根据BPP进行像素数据转换
* 输入参数： iWidth - 像素个数
* iSrcBpp - 源数据BPP
* iDstBpp - 目的数据BPP
* pudSrcDatas - 源像素数据，注意 png, bmp, jpg 传入像素数据格式不同，暂时无法通用
* 输出参数： pudDstDatas - 目的像素数据
* 返 回 值： 0 - 成功, 其他值 - 失败
***********************************************************************/
static int CovertOneLine(int iWidth, int iSrcBpp, int iDstBpp, unsigned char *pudSrcDatas, unsigned char *pudDstDatas)
{
unsigned int dwRed;
unsigned int dwGreen;
unsigned int dwBlue;
unsigned int dwColor;
unsigned short *pwDstDatas16bpp = (unsigned short *)pudDstDatas;
unsigned int *pwDstDatas32bpp = (unsigned int *)pudDstDatas;
int i;
/*
BPP格式转换说明: from 32/24 to 32/24/16
*/
if (iSrcBpp != 24 && iSrcBpp != 32)
{
return -1;
}
if (iDstBpp == iSrcBpp)
{
if (iSrcBpp == 32){ // from 32 to 32: RGBA --> ARGB
unsigned int dwAlpha;
for (i = 0; i < iWidth; i++){
dwRed = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 0];
dwGreen = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 1];
dwBlue = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 2];
dwAlpha = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 3];
dwColor = (dwAlpha << 24) | (dwRed << 16) | (dwGreen << 8) | dwBlue;
*pwDstDatas32bpp = dwColor;
pwDstDatas32bpp++;
}
}
else // from 24 to 24: RGB --> RGB
memcpy(pudDstDatas, pudSrcDatas, iWidth * iDstBpp / 8);
}
else // iDstBpp == iSrcBpp，不考虑alpha
{
for (i = 0; i < iWidth; i++)
{
dwRed = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 0];
dwGreen = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 1];
dwBlue = pudSrcDatas[i * iSrcBpp/8 + 2];
if (iDstBpp == 32)
{
dwColor = (dwRed << 16) | (dwGreen << 8) | dwBlue;
*pwDstDatas32bpp = dwColor;
pwDstDatas32bpp++;
}
else if (iDstBpp == 24){
*pudDstDatas = dwRed;
pudDstDatas++;
*pudDstDatas = dwGreen;
pudDstDatas++;
*pudDstDatas = dwBlue;
pudDstDatas++;
}
else if (iDstBpp == 16)
{
/* 565 */
dwRed = dwRed >> 3;
dwGreen = dwGreen >> 2;
dwBlue = dwBlue >> 3;
dwColor = (dwRed << 11) | (dwGreen << 5) | (dwBlue);
*pwDstDatas16bpp = dwColor;
pwDstDatas16bpp++;
}
}
}
return 0;
}
