Go：通過 io.Writer 將 JPEG 轉為 JFIF

作者：幽鬼 2021-12-08 13:55:36

Go 的標準庫可讓你對 JPEG 圖像進行編碼。在 One of these JPEGs is not like the other[1] 一文中，Ben Cox 指出某些硬件不會解碼這些 JPEG 圖像，除非它們被增強為 JFIF 圖像。JFIF 代表“JPEG 文件交換格式”，在概念上是原始 JPEG 格式的次要版本。

[[439345]]

大家好，我是程序員幽鬼。

硬件缺乏支持有點令人驚訝，因為 JPEG 是一種無處不在的文件格式。他 fork[2] 并修復[3] 標準 image/jpeg 包以插入必要的 JFIF 字節。

01 JPEG Wire 格式

就網絡(或磁盤)上的字節而言，JPEG 由一系列連接在一起的塊組成。每個塊要么是一個裸標記(兩個字節，以開頭 0xff)要么是一個標記段(四個或更多字節是一個兩字節標記，同樣以 0xff 開頭，一個兩字節的長度，然后是一個額外的數據負載)。以下是 Wikipedia 的Example.jpg[4] 十六進制表示：

$ wget --quiet https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/a/a9/Example.jpg 
$ hd Example.jpg | head -n 5 
00000000  ff d8 ff e0 00 10 4a 46  49 46 00 01 01 01 00 48  |......JFIF.....H| 
00000010  00 48 00 00 ff e1 00 16  45 78 69 66 00 00 4d 4d  |.H......Exif..MM| 
00000020  00 2a 00 00 00 08 00 00  00 00 00 00 ff fe 00 17  |.*..............| 
00000030  43 72 65 61 74 65 64 20  77 69 74 68 20 54 68 65  |Created with The| 
00000040  20 47 49 4d 50 ff db 00  43 00 05 03 04 04 04 03  | GIMP...C.......|

在打開的 80 個字節標記：

一個 ff d8 SOI(圖像的開始)標記。
一個 ff e0 APP0 標記段;有效載荷以 “JFIF” 開頭。
一個 ff e1 APP1 標記段;有效載荷以 “Exif” 開頭。
一個 ff fe 注釋標記段，“Created 等等”。
一個 ff db DQT(定義量化表)標記段。

file 命令也認為這是 JFIF(帶 Exif)，而不僅僅是 JPEG：

$ file Example.jpg 
Example.jpg: JPEG image data, JFIF... Exif... baseline...

02 JFIF Wire 格式

JFIF 文件是一個 JPEG 文件，它的第二個塊(在作為第一個塊的 SOI 之后)是一個 APP0 塊，其有效載荷以 “JFIF” 開頭。一個有趣的點是 JFIF 和 EXIF 規范在技術上不兼容，因為它們都想占用第二塊(the second chunk)：

JFIF 規范[5]第 2 頁提到：“JPEG FIF APP0 標記必須緊跟在 SOI 標記之后”。
EXIF 規范[6] 第 4.5.4 段提到：“APP1 是緊跟在 SOI 標記之后的”。

在實踐中，似乎 JFIF 'won' 和 EXIF 可以是第三個塊。

03 生成普通的舊 JPEG

這篇博文提供了不需要任何標準庫補丁(或 forks)的 Cox 方法的替代方法。與往常一樣，fork 具有從上游緩慢分叉的長期風險。Go 標準庫的上游補丁受制于“3 個月的新功能，3 個月的穩定” 發布周期[7]，并決定額外的 JFIF 塊是強制性的還是可選的(如果可選，API 應該是什么，受兼容性限制[8])。

該方案的主要思想是 jpeg.Encode[9] 函數接受一個 io.Writer 參數，并且很容易包裝 io.Writer 以在正確的位置插入 JFIF 字節。

首先，讓我們編寫一個簡單的程序來生成一張 1x1 JPEG 圖像。

package main 
 
import ( 
    "image" 
    "image/jpeg" 
    "os" 
) 
 
func main() { 
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, 1, 1)) 
    if err := jpeg.Encode(os.Stdout, m, nil); err != nil { 
        os.Stderr.WriteString(err.Error() + "\n") 
        os.Exit(1) 
    } 
}

運行它會生成一個 JPEG(但不是 JFIF)文件。

$ go run from-jpeg-to-jfif.go > x 
$ hd x | head -n 5 
00000000  ff d8 ff db 00 84 00 08  06 06 07 06 05 08 07 07  |................| 
00000010  07 09 09 08 0a 0c 14 0d  0c 0b 0b 0c 19 12 13 0f  |................| 
00000020  14 1d 1a 1f 1e 1d 1a 1c  1c 20 24 2e 27 20 22 2c  |......... $.' ",| 
00000030  23 1c 1c 28 37 29 2c 30  31 34 34 34 1f 27 39 3d  |#..(7),01444.'9=| 
00000040  38 32 3c 2e 33 34 32 01  09 09 09 0c 0b 0c 18 0d  |82<.342.........| 
$ file x 
x: JPEG image data, baseline, precision 8, 1x1, components 1

04 一個 JFIFifying Writer

我們編寫一個 jfifEncode 函數，它可以直接替代 jpeg.Encode 但添加額外的 JFIF 字節，只要第二個標記(緊接在 SOI 之后的那個)不是 APP0。

package main 
 
import ( 
    "errors" 
    "image" 
    "image/jpeg" 
    "io" 
    "os" 
) 
 
func main() { 
    m := image.NewGray(image.Rect(0, 0, 1, 1)) 
    if err := jfifEncode(os.Stdout, m, nil); err != nil { 
        os.Stderr.WriteString(err.Error() + "\n") 
        os.Exit(1) 
    } 
} 
 
func jfifEncode(w io.Writer, m image.Image, o *jpeg.Options) error { 
    return jpeg.Encode(&jfifWriter{w: w}, m, o) 
} 
 
// jfifWriter wraps an io.Writer to convert the data written to it from a plain 
// JPEG to a JFIF-enhanced JPEG. It implicitly buffers the first three bytes 
// written to it. The fourth byte will tell whether the original JPEG already 
// has the APP0 chunk that JFIF requires. 
type jfifWriter struct { 
    // w is the wrapped io.Writer. 
    w io.Writer 
    // n ranges between 0 and 4 inclusive. It is the number of bytes written to 
    // this (which also implements io.Writer), saturating at 4. The first three 
    // bytes are expected to be {0xff, 0xd8, 0xff}. The fourth byte indicates 
    // whether the second JPEG chunk is an APP0 chunk or something else. 
    n int 
} 
 
func (jw *jfifWriter) Write(p []byte) (int, error) { 
    nSkipped := 0 
 
    for jw.n < 3 { 
        if len(p) == 0 { 
            return nSkipped, nil 
        } else if p[0] != jfifChunk[jw.n] { 
            return nSkipped, errors.New("jfifWriter: input was not a JPEG") 
        } 
        nSkipped++ 
        jw.n++ 
        p = p[1:] 
    } 
 
    if jw.n == 3 { 
        if len(p) == 0 { 
            return nSkipped, nil 
        } 
        chunk := jfifChunk 
        if p[0] == 0xe0 { 
            // The input JPEG already has an APP0 marker. Just write SOI (2 
            // bytes) and an 0xff: the three bytes we've previously skipped. 
            chunk = chunk[:3] 
        } 
        if _, err := jw.w.Write(chunk); err != nil { 
            return nSkipped, err 
        } 
        jw.n = 4 
    } 
 
    n, err := jw.w.Write(p) 
    return n + nSkipped, err 
} 
 
// jfifChunk is a sequence: an SOI chunk, an APP0/JFIF chunk and finally the 
// 0xff that starts the third chunk. 
var jfifChunk = []byte{ 
    0xff, 0xd8, // SOI  marker. 
    0xff, 0xe0, // APP0 marker. 
    0x00, 0x10, // Length: 16 byte payload (including these two bytes). 
    0x4a, 0x46, 0x49, 0x46, 0x00, // "JFIF\x00". 
    0x01, 0x01, // Version 1.01. 
    0x00,       // No density units. 
    0x00, 0x01, // Horizontal pixel density. 
    0x00, 0x01, // Vertical   pixel density. 
    0x00, // Thumbnail width. 
    0x00, // Thumbnail height. 
    0xff, // Start of the third chunk's marker. 
}

現在運行它會生成一個 JFIF 文件，而不僅僅是一個 JPEG 文件。

$ go run from-jpeg-to-jfif.go > y 
$ hd y | head -n 5 
00000000  ff d8 ff e0 00 10 4a 46  49 46 00 01 01 00 00 01  |......JFIF......| 
00000010  00 01 00 00 ff db 00 84  00 08 06 06 07 06 05 08  |................| 
00000020  07 07 07 09 09 08 0a 0c  14 0d 0c 0b 0b 0c 19 12  |................| 
00000030  13 0f 14 1d 1a 1f 1e 1d  1a 1c 1c 20 24 2e 27 20  |........... $.' | 
00000040  22 2c 23 1c 1c 28 37 29  2c 30 31 34 34 34 1f 27  |",#..(7),01444.'| 
$ file y 
y: JPEG image data, JFIF... baseline...

05 結論

這里的細節是關于 JPEG 和 JFIF 的，但一般的想法是，如果 encoding 庫(Go 中的一個包)缺少一個功能，你可以不通過更改該庫來修復它(或以其他方式對其進行處理)，而是預處理輸入或處理輸出。

原文鏈接：https://nigeltao.github.io/blog/2021/from-jpeg-to-jfif.html

參考資料

[1]One of these JPEGs is not like the other: https://blog.benjojo.co.uk/post/not-all-jpegs-are-the-same

[2]fork: https://github.com/benjojo/app0-image-jpeg

[3]修復: https://github.com/benjojo/app0-image-jpeg/commit/645750c1672807c80c08a57a684a0ada7bf371d9

[4]Example.jpg: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Example.jpg

[5]JFIF 規范: https://www.w3.org/Graphics/JPEG/jfif3.pdf

[6]EXIF 規范: https://www.exif.org/Exif2-2.PDF

[7]發布周期: https://github.com/golang/go/wiki/Go-Release-Cycle

[8]兼容性限制: https://golang.org/doc/go1compat

[9]jpeg.Encode: https://pkg.go.dev/image/jpeg#Encode

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責任編輯：武曉燕來源：程序員ug

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