【图像处理】libtiff 的介绍与使用

参考文章：https://blog.csdn.net/weixin_36019375/article/details/149749390

一、libtiff 介绍

1.1 libtiff概述

libtiff是一个功能成熟的开源TIFF图像处理库，已完成编译并提供核心动态链接库，支持图像读写、元数据管理、格式转换、压缩等全场景操作，提供C/C++编程接口，适配多开发环境，是2018年推出的稳定版本，适用于专业图像处理场景。

核心特性与价值

• 支持多种压缩方式，兼顾图像质量与存储效率。
• 提供完整的TIFF文件处理流程，覆盖从读取到输出的全环节。
• 适配Linux、Windows等多操作系统，可无缝集成到各类开发环境。

适用场景

帮助IT专业人员快速实现TIFF图像相关开发需求，适用于医疗成像、出版印刷、数字档案管理等对图像质量要求较高的领域，也可用于常规的图像格式转换、元数据编辑等场景。

二、libtiff的使用

下载链接：https://download.osgeo.org/libtiff/

2.1 动态库文件与安装路径

2.1.1 libtiff动态库文件构成

动态库文件的特点与作用

动态库（Linux下为.so文件）通过运行时动态链接加载，核心优势包括：

• 资源高效：多程序共享同一份库文件，节省内存与磁盘空间。
• 维护便捷：更新库文件无需重新编译依赖程序，直接替换即可。
• 设计灵活：支持按需加载/卸载，便于实现模块化开发。

操作系统通过动态链接器，在程序运行时将动态库加载到进程地址空间，解析函数引用，确保依赖libtiff的应用正常运行。

动态库文件定位方法

编译后的动态库默认安装在系统标准目录（如/usr/lib、/usr/local/lib），也可自定义路径，定位方式包括：

• 环境变量配置：设置LD_LIBRARY_PATH环境变量，指定动态库搜索路径。
• 编译时指定：使用链接器选项-Wl,-rpath,/path/to/library，固化运行时搜索路径。

示例：编译时指定动态库路径

gcc -o myprogram myprogram.c -ltiff -Wl,-rpath,/usr/local/lib

2.1.2 安装路径的重要性与配置

默认安装路径设置

通过编译前的配置指令，可自定义libtiff的安装路径，包含头文件、库文件、文档等完整资源：

./configure --prefix=/path/to/your/installation/directory

路径配置与系统管理

自定义路径安装时需注意两点核心要求：

• 路径安全：选择用户可控的目录，避免系统安全风险。
• 环境一致：确保配置文件与环境变量设置统一，保证库文件可被正常加载。

全局访问配置方法：

1. 在/etc/ld.so.conf文件中添加自定义库路径：/path/to/your/library
2. 运行sudo ldconfig更新动态库缓存，确保全用户、全场景可访问。

三、TIFF图像处理基础

3.1 TIFF格式的特点与优势

3.1.1 TIFF格式概述

TIFF（Tagged Image File Format）是灵活的位图格式，核心优势体现在：

• 支持无压缩、可逆/不可逆压缩等多种压缩方案。
• 可容纳多页图像、CMYK数据等复杂信息，扩展性强。
• 保留完整图像细节，适配照片编辑、医疗成像、出版等专业场景。

该格式被Adobe Photoshop、Corel PHOTO-PAINT等专业软件广泛支持，是高画质图像存储与交换的首选格式之一。

3.1.2 TIFF与其他图像格式的比较

对比维度	TIFF格式优势	其他格式（JPEG/PNG）特点
压缩特性	支持无损压缩，无画质损失	JPEG为有损压缩，PNG仅支持无损压缩
多页支持	可存储多页图像/图像帧	不支持多页存储
元数据能力	可嵌入丰富元数据（版权、EXIF等）	元数据存储能力有限
色彩与分辨率	支持48位色彩深度、高分辨率输出	色彩深度与分辨率上限较低
兼容性	跨平台支持完善，专业软件适配性强	通用场景兼容性好，编辑工具门槛低

TIFF的主要劣势是文件体积较大，编辑需专业软件，不适用于普通网络传输场景。

3.2 图像处理功能介绍

3.2.1 常见的TIFF图像处理任务

• 读取与解析：加载TIFF文件数据到内存，为后续处理做准备。
• 图像编辑：实现裁剪、旋转、亮度/对比度调整等基础操作。
• 格式转换：将TIFF转为JPEG/PNG等格式，平衡体积与画质。
• 压缩与解压缩：应用压缩算法减小文件体积，或解压已压缩文件。

3.2.2 图像处理功能的应用场景

• 摄影与图像编辑：专业摄影师处理原始图像，保留画质细节。
• 医学成像：存储高分辨率医疗影像，支撑精准诊断。
• 出版业：满足印刷级图像质量要求，保障色彩与细节还原。
• 数字档案保存：长期存档历史文献、艺术作品，避免格式过时风险。

四、libtiff的使用

4.1 libtiff的API结构与功能

4.1.1 核心API介绍

libtiff的API覆盖TIFF处理全流程，核心模块包括：

• 读写API：TIFFOpen（打开/创建文件）、TIFFClose（关闭文件）等。
• 编解码API：实现图像数据与像素信息的相互转换。
• 信息检索API：获取图像分辨率、压缩方式等基础属性。
• 标签操作API：读取/设置图像元数据标签。

4.1.2 API应用实例：读取图像分辨率

#include <tiffio.h>

int main() {
    // 打开TIFF文件（只读模式）
    TIFF* tif = TIFFOpen("test.tif", "r");
    if (!tif) {
        fprintf(stderr, "Could not open file\n");
        return 1;
    }
    
    // 定义变量存储图像尺寸
    uint32 width, height;
    // 获取图像宽度与高度标签
    TIFFGetField(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, &width);
    TIFFGetField(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, &height);
    
    // 打印分辨率信息
    printf("Image resolution: %d x %d\n", width, height);
    
    // 关闭文件，释放资源
    TIFFClose(tif);
    return 0;
}

4.2 接口调用与高级特性

4.2.1 C/C++程序调用流程

1. 包含头文件：#include <tiffio.h>。

2. 链接libtiff库：编译时添加-ltiff参数。

3. 核心操作步骤：

   • 用TIFFOpen打开文件。
   • 用TIFFReadScanline/TIFFReadRGBAImage读取数据。
   • 用TIFFWriteScanline/TIFFWriteEncodedStrip写入数据。
   • 用TIFFGetField/TIFFSetField操作图像属性。
   • 用TIFFClose关闭文件，释放资源。

4.2.2 高级特性与性能优化

• 压缩格式选择：根据场景选用LZW（无损）、JPEG（有损）等压缩算法。
• 内存映射：通过TIFFMapRGBAImage将文件映射到内存，提升访问效率。
• 多页处理：专用API支持多页TIFF的页面添加、删除、切换。

内存映射读取示例：

TIFF* tif = TIFFOpen("test.tif", "r");
uint32 width, height;
if (tif && TIFFGetField(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, &width) &&
    TIFFGetField(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, &height)) {
    // 映射图像数据到内存
    TIFFMapRGBAImage(tif, width, height, (uint32 *)0, 0);
    // 处理映射后的图像数据（此处省略具体逻辑）
    // 取消内存映射
    TIFFUnmapRGBAImage(tif);
}
TIFFClose(tif);

五、图像读写与元数据处理

5.1 图像读写操作

5.1.1 图像读取流程

#include <tiffio.h>

int main() {
    // 打开TIFF文件
    TIFF* tif = TIFFOpen("example.tif", "r");
    if (!tif) {
        // 错误处理：文件打开失败
        return 1;
    }

    // 定义变量存储图像属性
    uint32 imageWidth, imageLength;
    uint32 tileWidth, tileLength;
    uint32 samplesPerPixel, bitsPerSample;
    uint32* raster = NULL;

    // 获取图像基础属性（默认值兜底）
    TIFFGetFieldDefaulted(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, &imageWidth);
    TIFFGetFieldDefaulted(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, &imageLength);
    TIFFGetFieldDefaulted(tif, TIFFTAG_TILEWIDTH, &tileWidth);
    TIFFGetFieldDefaulted(tif, TIFFTAG_TILELENGTH, &tileLength);
    TIFFGetFieldDefaulted(tif, TIFFTAG_SAMPLESPERPIXEL, &samplesPerPixel);
    TIFFGetFieldDefaulted(tif, TIFFTAG_BITSPERSAMPLE, &bitsPerSample);

    // 分配内存存储图像数据
    raster = (uint32*) _TIFFmalloc(imageWidth * imageLength * samplesPerPixel * sizeof(uint32));
    // 读取RGBA格式图像数据
    TIFFReadRGBAImage(tif, imageWidth, imageLength, raster, 0);

    // 图像数据处理（此处省略具体逻辑）

    // 释放内存+关闭文件
    _TIFFfree(raster);
    TIFFClose(tif);
    return 0;
}

5.1.2 图像写入与效率优化

基础写入示例：

#include <tiffio.h>

int main() {
    // 打开文件（写入模式）
    TIFF* tif = TIFFOpen("output.tif", "w");
    if (!tif) {
        // 错误处理：文件创建失败
        return 1;
    }

    // 设置图像基础参数
    uint32 imageWidth = 256, imageLength = 256;
    uint32 samplesPerPixel = 3; // RGB三色通道
    uint32 bitsPerSample = 8;   // 每个通道8位
    TIFFSetField(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, imageWidth);
    TIFFSetField(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, imageLength);
    TIFFSetField(tif, TIFFTAG_SAMPLESPERPIXEL, samplesPerPixel);
    TIFFSetField(tif, TIFFTAG_BITSPERSAMPLE, bitsPerSample);
    TIFFSetField(tif, TIFFTAG_COMPRESSION, COMPRESSION_RGB); // RGB无损压缩

    // 初始化图像数据（实际场景需填充真实像素数据）
    uint8* imageData = (uint8*)_TIFFmalloc(imageWidth * imageLength * samplesPerPixel);
    
    // 写入一行图像数据
    TIFFWriteScanline(tif, imageData, 0, 0);

    // 释放资源+关闭文件
    _TIFFfree(imageData);
    TIFFClose(tif);
    return 0;
}

写入效率优化策略：

• 用TIFFWriteEncodedStrip逐条带编码写入，降低内存占用。
• 调用TIFFCheckpointDirectory定期创建目录检查点，防止数据丢失。
• 大型图像启用Tile模式，支持并行处理与随机访问。

5.2 元数据管理

5.2.1 元数据的核心作用

元数据是描述图像的附加信息，包括拍摄时间、版权信息、压缩参数、色彩配置等，核心价值：

• 支撑图像分类、检索与版权保护。
• 保障图像在不同设备/软件间的一致性。
• 为图像处理提供必要的参数参考（如色彩空间信息）。

5.2.2 元数据读取与修改示例

#include <tiffio.h>

int main() {
    // 打开TIFF文件
    TIFF* tif = TIFFOpen("example.tif", "r+"); // 读写模式
    if (!tif) {
        // 错误处理：文件打开失败
        return 1;
    }

    // 读取元数据（X轴位置标签）
    float x_pos_read;
    if (TIFFGetField(tif, TIFFTAG_XPOSITION, &x_pos_read)) {
        printf("Original XPosition: %f\n", x_pos_read);
    }

    // 修改元数据（更新X轴位置）
    float x_pos_new = 100.0;
    if (!TIFFSetField(tif, TIFFTAG_XPOSITION, x_pos_new)) {
        // 错误处理：元数据设置失败
        TIFFClose(tif);
        return 1;
    }

    // 关闭文件
    TIFFClose(tif);
    return 0;
}

注意事项：

• 并非所有TIFF文件都包含全部元数据标签，需做好错误处理。
• 修改前建议备份原文件，避免不可逆数据损失。
• 核心操作API包括TIFFGetField（读取）、TIFFSetField（修改）。

六、图像转换与色彩空间处理

6.1 图像格式转换方法

6.1.1 格式转换核心需求

• 兼容性适配：将TIFF转为应用/系统支持的格式（如WebP用于网页）。
• 性能优化：选择高压缩比格式，提升存储与传输效率。
• 功能匹配：针对特定场景选择专用格式（如PNG用于透明图像）。
• 体积控制：通过格式转换减小文件大小，节省存储空间。

6.1.2 libtiff支持的转换技术

libtiff的转换能力基于"解码-处理-编码"三步流程：

1. 解码：读取TIFF文件，解析压缩信息与像素数据。
2. 处理：通过API对图像数据进行格式适配（如调整像素排列）。
3. 编码：将处理后的数据重新编码为目标格式（TIFF/JPEG/PNG等）。

此外，libtiff提供命令行工具，可直接完成格式转换操作，无需编写代码。

6.2 色彩空间的转换实现

6.2.1 色彩空间基础知识

常见色彩空间及其应用场景：

• RGB：加色模型，适用于计算机屏幕、相机等显示设备。
• CMYK：减色模型，专为印刷行业设计（青色、品红色、黄色、黑色）。
• HSV：按色调、饱和度、亮度描述颜色，贴合人类视觉感知。
• Lab：设备无关色彩空间，确保不同设备上的色彩一致性。

6.2.2 libtiff中的色彩空间转换

libtiff支持核心色彩空间转换场景：

• RGB与灰度：将彩色图像转为灰度图，简化处理流程。
• RGB与CMYK：适配印刷场景，实现显示与印刷色彩一致。
• 色彩调整：基于色彩空间转换实现色相、饱和度调整。

转换示例代码：

#include <tiffio.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    // 打开输入TIFF文件
    TIFF *tif = TIFFOpen("input_image.tiff", "r");
    if (!tif) {
        fprintf(stderr, "Failed to open TIFF file.\n");
        return 1;
    }

    // 获取图像基础信息
    uint32 imageWidth, imageLength;
    TIFFGetField(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, &imageWidth);
    TIFFGetField(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, &imageLength);

    // 分配内存存储RGB图像数据
    uint32 *raster = (uint32 *) _TIFFmalloc(imageWidth * imageLength * sizeof(uint32));
    if (raster && TIFFReadRGBAImage(tif, imageWidth, imageLength, raster, 0)) {
        // 色彩空间转换核心逻辑（示例：RGB转灰度）
        for (uint32 i = 0; i < imageWidth * imageLength; i++) {
            uint8 r = (raster[i] >> 16) & 0xFF;
            uint8 g = (raster[i] >> 8) & 0xFF;
            uint8 b = raster[i] & 0xFF;
            // 灰度计算公式：Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B
            uint8 gray = (uint8)(0.299 * r + 0.587 * g + 0.114 * b);
            // 重新赋值为灰度像素（R=G=B=gray）
            raster[i] = (0xFF << 24) | (gray << 16) | (gray << 8) | gray;
        }
    }

    // 释放资源+关闭文件
    _TIFFfree(raster);
    TIFFClose(tif);
    return 0;
}

libtiff的色彩空间转换多为透明实现，开发者无需关注底层算法，可直接通过API获取转换后的数据。

七、压缩算法与多页文件管理

7.1 多种压缩算法的支持与应用

7.1.1 核心压缩算法特性

压缩算法	类型	适用场景	核心优势
无压缩	无损	画质优先、数据不可损失场景	无画质损失，读取速度快
LZW	无损	扫描文档、重复图案图像	压缩比适中，无画质损失
JPEG	有损	照片、连续色调图像	压缩比高，大幅减小文件体积

7.1.2 压缩算法应用示例

#include <tiffio.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    const char* filename = "output.tif";
    // 打开文件（写入模式）
    TIFF *tif = TIFFOpen(filename, "w");
    if (tif == NULL) {
        fprintf(stderr, "无法打开文件 %s\n", filename);
        return 1;
    }

    // 设置压缩算法为LZW（无损压缩）
    TIFFSetField(tif, TIFFTAG_COMPRESSION, COMPRESSION_LZW);
    
    // （可选）设置其他图像参数（宽度、高度、色彩通道等）
    // TIFFSetField(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, 512);
    // TIFFSetField(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, 512);

    // 写入图像数据（此处省略具体逻辑）

    // 关闭文件
    TIFFClose(tif);
    return 0;
}

7.2 多页TIFF文件的管理

7.2.1 多页文件概念与场景

多页TIFF是包含多张图像的文件集合，每张图像为一个"页面"，核心应用场景：

• 扫描文档批量处理：将多页纸质文档扫描后合并为一个文件。
• 图像序列存储：保存动画帧、时间序列图像（如医学断层扫描图）。

7.2.2 多页文件创建示例

#include <tiffio.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    TIFF *tif = NULL;
    uint32 pages = 5; // 总页数

    // 循环创建多页TIFF的每个页面
    for (uint32 page = 0; page < pages; page++) {
        char filename[64];
        // 生成每页的文件名（也可写入同一个文件）
        sprintf(filename, "multipage_output.tif");
        
        // 打开文件（第1页创建，后续页面追加）
        tif = TIFFOpen(filename, page == 0 ? "w" : "a");
        if (tif == NULL) {
            fprintf(stderr, "无法打开文件 %s\n", filename);
            TIFFClose(tif);
            return 1;
        }

        // 设置当前页的图像参数（示例：256x256像素，RGB通道）
        TIFFSetField(tif, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, 256);
        TIFFSetField(tif, TIFFTAG_IMAGELENGTH, 256);
        TIFFSetField(tif, TIFFTAG_SAMPLESPERPIXEL, 3);
        TIFFSetField(tif, TIFFTAG_BITSPERSAMPLE, 8);

        // 写入当前页的图像数据（此处省略具体逻辑）

        // 关闭当前页
        TIFFClose(tif);
    }

    return 0;
}

关键说明：

• 多页文件可通过"创建+追加"模式生成，也可在同一个文件句柄中连续写入。
• 每页可独立设置参数（分辨率、压缩方式等），灵活适配不同图像需求。
• 需配合TIFFWriteDirectory等API管理页面目录，确保多页数据有序存储。
• 更多资料:https://github.com/0voice