音视频入门-18-手动生成一张GIF图片

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GIF 编码知识

GIF 包含的数据块：

• 文件头（Header）

• 逻辑屏幕标识符（Logical Screen Descriptor）

• 全局颜色表（Global Color Table）

• Application Extension

• Comment Extension

• 图形控制扩展(Graphic Control Extension)

• 图像标识符（Image Descriptor）

• 局部颜色表（Local Color Table）

• 基于颜色表的图像数据（Image Data）

• Plain Text Extension

• 文件结尾（Trailer）

GIF 编码步骤

今天的目标是做出一张尺寸 700x700、7 个颜色画面切换的 GIF 动画。

文件头（Header）

GIF 的前 6 个字节内容是 GIF 的署名和版本号。有两个版本 GIF87a GIF89a，GIF89a 版本才有多帧动画，所有这里使用 89a 版本。

示例代码：

// GIF 文件头，6 个字节内容是 GIF 的署名和版本号
uint8_t gif_header[] = {0x47, 0x49, 0x46, 0x38, 0x39, 0x61};
fwrite(gif_header, 6, 1, gif_file);

逻辑屏幕标识符（Logical Screen Descriptor）

从上一篇 音视频入门-17-GIF文件格式详解 我们知道：

逻辑屏幕标识符（7 个字节）：

• 屏幕逻辑宽度：2 字节;

• 屏幕逻辑高度：2 字节;

• 打包值，大小为 1 字节

  • m - 全局颜色表标志，1 bit;
  • cr - 颜色深度，3 bit;（x: 可忽略）
  • s - 分类标志， 1 bit; （x: 不使用，设为 0）
  • pixel - 全局颜色列表大小，3 bit;

• 背景颜色索引： 1 字节;

• 像素宽高比： 1 字节;（x: 不使用，设为 0）

示例代码：

// 逻辑屏幕标识符
uint16_t gif_width = 700;
uint16_t gif_height = 700;
// 0xF2 = 1   1 1 1   0   0 1 0
uint8_t gif_logical_screen_pack_byte = 0xF2;
uint8_t gif_bg_color_index = 0;
uint8_t gif_pixel_aspect = 0;
fputc(gif_width >> 0, gif_file); // width low 8
fputc(gif_width >> 8, gif_file); // width high 8
fputc(gif_height  >> 0, gif_file); // height low 8
fputc(gif_height  >> 8, gif_file); // height high 8
fputc(gif_logical_screen_pack_byte, gif_file);
fputc(gif_bg_color_index, gif_file);
fputc(gif_pixel_aspect, gif_file);

全局颜色表（Global Color Table）

每个颜色索引由三字节组成，按 RGB 顺序排列。

由 【逻辑屏幕标识符】可知，颜色的索引数（2^(pixel+1)）是 2 的倍数，如果图片颜色数目不够要补足。

比如，我们的图片用了 7 个颜色，颜色索引数是 8，所以最后再加一个颜色（占位，不使用）。

示例代码：

// 颜色表
uint32_t rainbowColors[] = {
        0XFF0000, // 赤
        0XFFA500, // 橙
        0XFFFF00, // 黄
        0X00FF00, // 绿
        0X007FFF, // 青
        0X0000FF, // 蓝
        0X8B00FF, // 紫
        0X000000  // 黑
};
// 全局颜色表、
for(int i = 0; i < 8; i++) {
    // 根据颜色索引取出颜色表中的颜色
    uint32_t color_rgb = rainbowColors[i];
    // 当前颜色 R 分量
    uint8_t R = (color_rgb & 0xFF0000) >> 16;
    // 当前颜色 G 分量
    uint8_t G = (color_rgb & 0x00FF00) >> 8;
    // 当前颜色 B 分量
    uint8_t B = color_rgb & 0x0000FF;
    fputc(R, gif_file);
    fputc(G, gif_file);
    fputc(B, gif_file);
}

Application Extension

Application Extension 这 19 个字节基本上 GIF 都一样。

0x21, 0xFF, 0x0B, 0x4E, 0x45, 0x54, 0x53, 0x43, 0x41, 0x50, 0x45, 0x32, 0x2E, 0x30, 0x03, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00

代表的内容是 NETSCAPE2.0

示例代码：

// Application Extension
uint8_t gif_application_extension[] = {0x21, 0xFF, 0x0B, 0x4E, 0x45, 0x54, 0x53, 0x43, 0x41, 0x50, 0x45, 0x32, 0x2E, 0x30, 0x03, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00};
fwrite(gif_application_extension, 19, 1, gif_file);

Comment Extension

这里允许你将 ASCII 文本嵌入到 GIF 文件，有时被用来图像描述、图像信贷或其他人类可读的元数据,如图像捕获的 GPS 定位。

0x21, 0xFE, 0x20, 0x43, 0x72, 0x65, 0x61, 0x74, 0x65, 0x64, 0x20, 0x77, 0x69, 0x74, 0x68, 0x20, 0x65, 0x7A, 0x67, 0x69, 0x66, 0x2E, 0x63, 0x6F, 0x6D, 0x20, 0x47, 0x49, 0x46, 0x20, 0x6D, 0x61, 0x6B, 0x65, 0x72, 0x00

代表的内容是 Created with ezgif.com GIF maker

示例代码：

// Comment Extension
// Created with ezgif.com GIF maker
uint8_t gif_comment_extension[] = {0x21, 0xFE, 0x20, 0x43, 0x72, 0x65, 0x61, 0x74, 0x65, 0x64, 0x20, 0x77, 0x69, 0x74, 0x68, 0x20, 0x65, 0x7A, 0x67, 0x69, 0x66, 0x2E, 0x63, 0x6F, 0x6D, 0x20, 0x47, 0x49, 0x46, 0x20, 0x6D, 0x61, 0x6B, 0x65, 0x72, 0x00};
fwrite(gif_comment_extension, 36, 1, gif_file);

图形控制扩展（Graphic Control Extension）

我们的 GIF 不使用处置方法 不使用透明色 图像延迟 50。

所以，这里就是 0x21, 0xF9, 0x04, 0x00, 0x32, 0x00, 0xFF, 0x00。

示例代码：

// 图形控制扩展
uint8_t gif_graphic_control_extension[] = {0x21, 0xF9, 0x04, 0x00, 0x32, 0x00, 0xFF, 0x00};
fwrite(gif_graphic_control_extension, 8, 1, gif_file);

图像标识符（Image Descriptor）

我们的 GIF 没有局部颜色表 顺序排列 局部颜色表大小为 0。

所以，这里就是 0x2C, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xBC, 0x02, 0xBC, 0x02, 0x00。

示例代码：

// 图像标识符
uint8_t gif_image_descriptor[] = {0x2C, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xBC, 0x02, 0xBC, 0x02, 0x00};
fwrite(gif_image_descriptor, 10, 1, gif_file);

局部颜色表（Local Color Table）

如果有局部颜色表，则跟 全局颜色表（Global Color Table） 一样的格式。

基于颜色表的图像数据（Image Data）

这里是最关键的图像数据，生成步骤如下：

• 1.根据全局颜色表或者局部颜色表，生成一张图像的颜色索引数据
• 2.使用 LZW 算法压缩上一步生成的数据
• 3.将压缩后的数据按照格式写入文件

1.生成索引数据

我们要生成的 GIF 尺寸 700x700，有 7 张图像，每张图像一个颜色 赤 橙 黄 绿 青 蓝 紫；

颜色已经写入全局颜色表中；

每个颜色索引 1 字节；

示例代码：

// 基于颜色表的图像数据
uint8_t *gif_one_frame_raw = malloc(700 * 700);
memset(gif_one_frame_raw, i, 700*700);

2.LZW 压缩数据

LZW 压缩算法不在本次研究范围，直接用即可。

//  GIF 一帧图像的数据压缩后大小
unsigned long compressed_size;
// GIF 一帧图像的数据解压后的数据
unsigned char *img;
lzw_compress_gif(
        3,
        700*700,
        gif_one_frame_raw,
        &compressed_size,
        &img
);

3.按照格式写入文件

第一个字节表示 LZW 编码初始表大小的位数，用于使用 LZW 算法解压数据。

后面的是图像数据块：

每个数据块第一个字节表示数据块大小（不包括这个字节）

数据块后面的一个字节表示后续数据块大小

当数据块后面的一个字节是 0 ，表示数据结束了

示例代码：

fputc(0x03, gif_file);
unsigned long current_index = 0;
while (current_index < compressed_size) {
    if((current_index + 0xFF) >= compressed_size) {
        unsigned long diff = compressed_size - current_index;
        fputc(diff, gif_file);
        fwrite(img+current_index, diff, 1, gif_file);
        fputc(0x00, gif_file);
        current_index += diff;
    } else {
        fputc(0xFF, gif_file);
        fwrite(img+current_index, 0xFF, 1, gif_file);
        current_index += 0xFF;
    }
}

Plain Text Extension

这个特性不起作用; 浏览器和图片处理应用程序,如 Photoshop 忽略它, GIFLIB 并不试图解释它。

所以直接忽略。

文件结尾（Trailer）

标识 GIF 文件结束，固定值 0x3B。

当解析程序读到 0x3B 时，文件终结。

示例代码：

// GIF 文件结束: 0x3B
fputc(0x3B, gif_file);

查看 GIF

以上完整代码在 binglingziyu/audio-video-blog-demos 可以获取。

运行代码，生成 GIF 图片：

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代码：

audio-video-blog-demos

参考资料：

What's In A GIF

Gif 89a specification

GIF 格式解析

GIF 图片原理和储存结构

Gif 图片格式完全理解

GIF 文件格式详解

GIF 图形文件格式文档

GIF 文件格式详解

LZW 压缩算法——简明原理与实现

github.com/jefftime/lzw

https://github.com/jcraveiro

LZW compressor / decompressor

ASCII Codes Table

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