如何在 C++ 中手动读取 PNG 文件？

Question

便携式网络图形概述

任何给定 PNG 文件的一般布局如下所示：

文件头：一个 8 字节的签名。

块：从图像属性到实际图像本身的数据块。

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问题

我想在不使用任何外部库的情况下读取 C++ 中的 PNG 文件。我想这样做是为了更深入地了解 PNG 格式和 C++ 编程语言。

我开始使用 fstream 逐字节读取图像，但我无法通过任何 PNG 文件的标题。我尝试使用read( char*, int ) 将字节放入char 数组中，但read 在标头之后的每个字节上都失败了。

如上所示，我认为我的程序总是被文件结尾1A 字节捕获。我正在为 Windows 7 和 Linux 机器在 Windows 7 上进行开发。

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我的一些（旧）代码

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cstring>
#include <cstddef>

const char* INPUT_FILENAME = "image.png";

int main()
{
  std::ifstream file;
  size_t size = 0;

  std::cout << "Attempting to open " << INPUT_FILENAME << std::endl;

  file.open( INPUT_FILENAME, std::ios::in | std::ios::binary | std::ios::ate );
  char* data = 0;

  file.seekg( 0, std::ios::end );
  size = file.tellg();
  std::cout << "File size: " << size << std::endl;
  file.seekg( 0, std::ios::beg );

  data = new char[ size - 8 + 1 ];
  file.seekg( 8 ); // skip the header
  file.read( data, size );
  data[ size ] = '\0';
  std::cout << "Data size: " << std::strlen( data ) << std::endl;
}

输出总是类似这样：

Attempting to open image.png
File size: 1768222
Data size: 0

文件大小正确，但数据大小明显不正确。请注意，我尝试跳过标题（避免文件结尾字符）并且在声明 char* data 的大小时也考虑了这一点。

当我相应地修改file.seekg( ... ); 行时，以下是一些数据大小值：

file.seekg( n );             data size
----------------             ---------
0                            8
1                            7
2                            6
...                          ...
8                            0
9                            0
10                           0

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我的一些新代码

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <cstring>
#include <cstddef>

const char* INPUT_FILENAME = "image.png";

int main()
{
  std::ifstream file;
  size_t size = 0;

  std::cout << "Attempting to open " << INPUT_FILENAME << std::endl;

  file.open( INPUT_FILENAME, std::ios::in | std::ios::binary | std::ios::ate );
  char* data = 0;

  file.seekg( 0, std::ios::end );
  size = file.tellg();
  std::cout << "File size: " << size << std::endl;
  file.seekg( 0, std::ios::beg );

  data = new char[ size - 8 + 1 ];
  file.seekg( 8 ); // skip the header
  file.read( data, size );
  data[ size ] = '\0';
  std::cout << "Data size: " << ((unsigned long long)file.tellg() - 8) << std::endl;
}

我基本上只是修改了Data size: 行。需要注意的是Data size: 行的输出总是非常接近我将file.tellg() 转换为type 的最大值。

Answer 1

您的（新）代码包含两个基本错误：

data = new char[ size - 8 + 1 ]; file.seekg( 8 ); // skip the header file.read( data, size ); // <-- here data[ size ] = '\0'; // <-- and here

首先，您要读取不带 8 字节前缀的数据，并分配适量的空间（不是真的，请参阅更多内容）。但此时，size 仍然保存文件的 total 字节数，包括 8 字节前缀。由于您要求读取size 字节并且只剩下size-8 字节，因此file.read 操作失败。您不检查错误，因此您不会注意到 file 在此时无效。通过错误检查，您应该已经看到了：

if (file)
  std::cout << "all characters read successfully.";
else
  std::cout << "error: only " << file.gcount() << " could be read";

因为file从那时起无效，所以你后面的file.tellg()等所有操作都返回-1。

第二个错误是data[size] = '\0'。您的缓冲区不是那么大；它应该是data[size-8] = 0;。目前，您正在写入超出之前分配的内存，这会导致未定义行为，并可能导致以后出现问题。

但是最后的操作清楚地表明你在考虑字符串。 PNG 文件不是字符串，它是二进制数据流。分配+1 的大小并将此值设置为0（使用不必要的“字符方式”思维方式，使用'\0'）仅在输入文件是字符串类型时才有用 - 比如说，一个普通的文本文件。

解决您当前问题的一个简单方法是（好吧，并为您的所有文件操作添加错误检查）：

file.read( data, size-8 );

但是，我强烈建议您先查看一种更简单的文件格式。 PNG 文件格式紧凑且有据可查；但它也是通用的、复杂的，并且包含高度压缩的数据。对于初学者来说，太难了。

从更简单的图像格式开始。 ppm 是一种故意简单的格式，很好开始。 tga，古老但简单，向您介绍了更多概念，例如位深度和颜色映射。微软的bmp 有一些很好的小警告，但仍然可以被认为是“初学者友好”。如果您对简单压缩感兴趣，pcx 的基本运行长度编码是一个很好的起点。掌握之后，您可以查看gif 格式，它使用了更难的 LZW 压缩。

只有当你成功实现了这些解析器，你才可能想再次查看 PNG。

Answer 2

如果您想知道从文件中读取了多少数据，只需再次使用tellg()。

data = new char[ size - 8 + 1 ];
file.seekg( 8 ); // skip the header
file.read( data, size );
data[ size ] = '\0';
if(file.good()) // make sure we had a good read.
    std::cout << "Data size: " << file.tellg() - 8 << std::endl;

您的代码在读取数据时也存在错误。您正在阅读size，其中size 是文件的大小，比您需要的多8 个字节，因为您正在跳过标题。正确的代码是

const char* INPUT_FILENAME = "ban hammer.png";

int main()
{
    std::ifstream file;
    size_t size = 0;

    std::cout << "Attempting to open " << INPUT_FILENAME << std::endl;

    file.open(INPUT_FILENAME, std::ios::in | std::ios::binary);
    char* data = 0;

    file.seekg(0, std::ios::end);
    size = file.tellg();
    std::cout << "File size: " << size << std::endl;
    file.seekg(0, std::ios::beg);

    data = new char[size - 8 + 1];
    file.seekg(8); // skip the header
    file.read(data, size - 8);
    data[size] = '\0';
    std::cout << "Data size: " << file.tellg() << std::endl;
    cin.get();
    return 0;
}

Answer 3

解决方案 1：

file.read( data, size );
Size_t data_size = file.tellg() - 8;
std::cout << "Data size: " << data_size << std::endl;

更简单：解决方案 2：

Size_t data_size = file.readsome( data, size );
std::cout << "Data size: " << data_size << std::endl;

file.readsome() 返回读取的字节数。