Exif 格式分析【好文翻译】

原标题：「Description of Exif file format」

原文发布日期：1999 年 5 月 28 日

原文链接：https://www.media.mit.edu/pia/Research/deepview/exif.html

Exif 格式分析

目前，大多数新数码相机都使用 Exif 文件格式来存储图像。此规范由 JEIDA 制定，但其并没有公开技术文档，所以我参考互联网上已有的文档，对 Exif 做了一些简单的描述。

我相信这份文档基本上是基于 在 Exif 2.1 规范上，但实际上我没有看过官方规范，对于一些「未知」的项目，它可能需要被勘误。

这是免费文档，您可以将此文档的全部/部分用于任何目的（商业/非商业性）。

TsuruZoh Tachibanaya

参考资料

什么是 Exif 文件格式？

基本上，Exif 文件 格式与 JPEG 文件格式相同。Exif 插入一些 image/digicam 信息数据和缩略图图像，然后根据 JPEG 转换为 JPEG 规范。因此，您可以通过 JPEG 兼容查看 Exif 格式的图像文件。

JPEG 格式和标志

JPEG 文件都是以十六进制 0xFFD8 开始，以 0xFFD9 结束。在JPEG数据中有像 0xFF** 这样的数据，这些被称为「标志」，它表示 JPEG 信息数据段。0xFFD8 表示 SOI （Start of image，图像开始） ，0xFFD9 表示 EOI （End of image，图像结束） 。

这两个特殊的标志没有附加的数据，而其他的标志在标志后都带有附加的数据。基本的标志格式如下：

0xFF + 标志数字（1 字节） + 数据大小（2 字节） + 数据（n 字节）

数据大小 (2 字节) 是大端顺序表示（Motorola 方式），从高字节开始。请注意，「数据」包含了数据大小的描述，如果一个标志为：

1
FF C1 00 0C

则表示标志 0xFFC1 有 0x000C（十进制 12）个字节的数据，但是数据的大小 12 也包含了记录「数据大小」的字节，所以在 0x000C 后面只有 10 个字节的数据量。

在 JPEG 格式中，一些标志描绘数据后，跟着的就是 SOS （Start of stream，数据流开始） 标志。在 SOS 标志之后，就是 JPEG 图像流，直到 EOI 标志结束。

Exif 使用的标志

从 0xFFE0 ~ 0xFFEF 的标志是「APP 标志」，在解码 JPEG 图像的时候不是必需使用的。这些标志被用在用户应用中。例如：老款的奥林巴斯、佳能、卡西欧、爱克发的数码相机使用 JFIF （JPEG档案交换格式） 来存储相片的。JFIF 是使用 APP0 (0xFFE0) 标志来插入数码相机的配置数据和缩略图的。

Exif也使用 APP 标志来插入数据，但是 Exif 使用 APP1(0xFFE1) 标志以避免和 JFIF 格式冲突。每个 Exif 文件格式都是从下面格式的内容开始的：

从 SOI（0xFFD8）标志开始，所以这是一个 JPEG 文件。后面随即跟着个一个 APP1 标志。所有的 Exif 数据都储存在 APP1 数据区中。在上表中的 SSSS 部分表示 APP1 数据 Exif 数据区域的大小。请注意，关于 SSSS 大小的描述包括 SSSS 本身。

APP1的数据从 SSSS 后开始。第一部分是特殊数据，使用ASCII字符「Exif」和两个字节的 0x00 ，它定义了是否使用 Exif。

APP1标志数据之后，是其他JPEG标志。

Exif 数据结构

Exif 数据的大致结构 （APP1） 如下所示。它采用了 Intel 的小端字节顺序方案，它包含 JPEG 格式缩略图。如上所述，Exif 数据是从 ASCII 字符「Exif」 和 2 字节的 0x00，Exif 数据紧随其后。Exif 使用 TIFF 规范来存储数据。更多 TIFF 格式的数据请参考 TIFF 6.0 规范。

TIFF 头的格式

TIFF 头指的是 TIFF 格式的前 8 个字节。前 2 个字节定义了 TIFF 数据采用何种字节顺序。如果是 0x4949 (II)，表示采用 Intel 的小端字节顺序；如果为 0x4d4d (MM)，表示采用 Motorola 的大端字节顺序。例如：值 305,419,896，用十六进制表示为 0x12345678，在 Motorola 的大端字节顺序中以 0x12 0x34 0x56 0x78 的顺序存储；如果采用 Intel 的小端字节顺序，则以 0x78 0x56 0x34 0x12 的顺序存储。

现在来看，大多数数码相机采用 Intel 的方式。理光采用了 Motorola 的方式，索尼除了 D700 都采用 Intel 的的字节顺序，柯达 DC200/210/240 采用 Motorola 方式，但是 DC220/260 PowerPC 却采用了 Intel 的方式，因此我们在获取 Exif 数据时，必须每次都确认它的字节顺序。虽然 JPEG 数据只采用 Motorola 方式的字节顺序，但 Exif 却允许采用两种方式。我不明白为什么 Exif 不修改字节顺序为 Motorola 方式。

然后的两个字节总是 2 个字节长度的 0x002A。如果数据采用Intel的字节顺序，这两个字节为 0x2A 0x00。如果采用 Motorola 的字节顺序，则为 0x00 0x2A。TIFF 头的最后 4 个字节是第一个 IFD （Image File Directory, described in next chapter，图像文件目录，描述下一个字符） 的偏移量。在 TIFF 格式中，所有的偏移量都是从 TIFF 头的第 1 个字节（II 或者 MM）开始计算到所在位置的字节数目，这个偏移量也不例外。通常第一个 IFD 是紧跟在 TIFF 头后面的，所以它的偏移量为 0x00000008。

IFD：图像文件目录 (Image file directory)

接着 TIFF 头的是第一个 IFD。它包含了图像信息数据。在下表中，开始的两个字节 EEEE 表示这个 IFD 所包含的目录实体数量。然后紧跟着就是实体对象（每个实体 12 个字节）。在最后一个目录实体后面有一个 4 字节大小的数据（表中的是 LLLLLLLL），它表示下一个 IFD 的偏移量。如果这个偏移量的值是 0x00000000，就表示这个 IFD 是最后一个 IFD。

上表中的 TTTT（2 字节）是标签号，代表各种数据。ffff（2 字节）是数据格式。NNNNNNNN（4 字节）是组成元素的数量。DDDDDDDD（4 字节） 包含数据本身或者数据的偏移量。

数据格式

数据格式（上表中的 ffff）如下表所定义的一样。rational 表示一个分数，它包含 2 个 signed / unsigned long integer 值，并且第 1 个为分子，第 2 个为分母。

你可以用组成元素的字节数的值乘以储存在 NNNNNNNN 区域中的组成元素的排序号（即元素数量）得到数据总长度。如果这个总长度小于 4 字节，那么 DDDDDDDD 中的是这个标签 （Tag） 的值。如果总长度大于等于 4 个字节，则 DDDDDDDD 中的是数据存储地址的偏移量。

IFD 的数据结构

在Exif格式中，第一个 IFD 是 IFD0 （主图像的IFD） ，它链接着 IFD1 （缩略图的 IFD） 后 IFD 链终止。带式 IFD0 / IFD1 不包含像快门速度，焦距等任何数码相机的信息。IFD0 总是包含一个特殊的标签 0x8769，它代表着 Exif SubIFD （子 IFD） 的偏移量。Exif SubIFD （子IFD） 也是 IFD 的格式，它包含了数码相机的信息。

Exif 格式的扩展方案 （Exif2.1/DCF） 中，Exif SubIFD 包含了特殊标签：Exif 互用偏移量 （Exif Interoperability Offset） （0xA005）。它指向互用的 IFD（Interoperability IFD）。在DCF （数码相机格式） 规范中，这个标签是必须的，且子 IFD0 和 IFD1 都可以使用互用的 IFD Interoperability IFD） 。通常，只有主图像带有这个标签。

一些数码相机使用 IFD 数据格式来表示制造商数据——制造商特殊的神秘数字区。要小心的编写程序，因为很难区分制造商数据是否使用了IFD格式。附录中有一些制造商数据的信息。

TIFF 数据的第一部分可以读取为：

1
2
3
0000: 49 49 2A 00 08 00 00 00-02 00 1A 01 05 00 01 00
0010: 00 00 26 00 00 00 69 87-04 00 01 00 00 00 11 02
0020: 00 00 40 00 00 00 48 00-00 00 01 00 00 00
  • 前 2 个字节是 II，字节对齐使用 Intel。
  • 地址 0x0004~0x0007 为 0x08000000，IFD0 从地址 0x0008 开始
  • 地址 0x0008~0x0009 为 0x0200，IFD0 的目录条目数为 2.
  • 地址 0x000a~0x000b 为 0x1A01，则表示这是一个 XResolution（0x011A） 标签，它包含图像的水平分辨率。
  • 地址 0x000c~0x000d 为 0x0500，该值的格式为 unsigned rational（0x0005） 的。
  • 地址 0x000e~0x0011 为 0x01000000，元素数量为 1。无符号 Rational 的数据大小为 8 字节/组件，因此总数据长度为 8 字节。
  • 总数据长度大于 4 字节，因此接下来的 4 字节包含一个偏移量的数据。
  • 地址 0x0012~0x0015 为 0x26000000，XResolution 数据存储到地址 0x0026。
  • 地址 0x0026~0x0029 为 0x48000000，分子为 72，地址 0x002a~0x002d 为 0x0100000000，分母为 1。所以 XResoultion 的价值 是 72/1。
  • 地址 0x0016~0x0017 为 0x6987，下一个 Tag 为 Exif Offset（0x8769）。它的价值 是 Exif SubIFD 的偏移量
  • 数据格式为 0x0004，无符号长整数。
  • 此 Tag 有一个组件。unsigned long integer 的数据大小为 4 字节/组件，因此总数据大小为 4 字节。
  • 总数据大小等于 4 字节，接下来的 4 字节包含 Exif SubIFD 的偏移值。
  • 地址 0x001e~0x0021 为 0x11020000，Exif SubIFD 从地址 0x0211 开始。
  • 这是最后一个目录条目，接下来的 4 个字节显示到下一个 IFD 的偏移量。
  • 地址 0x0022~0x0025 为 0x40000000，下一个 IFD 从地址 0x0040 开始。

缩略图

Exif 格式包含 图像（理光 RDC-300Z 除外）。通常它位于 IFD1 旁边。有 3 种缩略图格式;JPEG 格式（JPEG 使用 YCbCr）、RGB TIFF 格式、YCbCr TIFF 格式。

JPEG 格式缩略图

如果 IFD1 中 Compression（0x0103） Tag 的值为 6，则缩略图格式为 JPEG。 大多数 Exif 图像使用 JPEG 格式作为缩略图。在这种情况下，您可以获得 IFD1 中 JpegIFOffset（0x0201） 包含的缩略图的偏移量，大小为 thumbnail 替换为 JpegIFByteCount（0x0202）标签。数据格式为普通 JPEG 格式，从 0xFFD8 开始，到 0xFFD9 结束。看起来 JPEG 格式和 160 * 120 像素的大小是 Exif 2.1 的推荐缩略图格式。

TIFF 格式缩略图

如果 IFD1 中 Compression（0x0103）Tag 的值为 1，则缩略图格式为 no compression（TIFF 格式）。缩略图数据的起点是 StripOffset（0x0111）Tag，缩略图的大小是 StripByteCounts（0x0117）Tag 的总和。

如果缩略图不使用压缩，并且 IFD1 中的 PhotometricInterpretation（0x0106）Tag 的值为 2，则缩略图使用 RGB 格式。在这种情况下，您只需复制数据即可查看缩略图或转换为计算机的 RGB 格式（如 BMP 格式，或复制到 VRAM 目录），柯达 DC-210/220/260 使用此格式。

如果该标签的值为 6，则 thumbnail 使用 YCbCr 格式。如果要查看缩略图，则必须将其转换为 RGB。理光 RDC4200/4300、Fuji DS-7/300 和 DX-5/7/9 使用此格式（较新的 RDC5000/MX-X00 系列使用 JPEG）。下一节是 Fuji DS 转换的简要说明 缩略图。有关更多详细信息，请参阅 TIFF 6.0 规范。

在 DX-5/7/9 时，YCbCrSubsampling（0x0212） 的值为 2,1，PlanarConfiguration（0x011c） 的值为 1。所以此处的数据是一致的，如下：

1
Y（0,0），Y（1,0），Cb（0,0），Cr（0,0）， Y（2,0），Y（3,0），Cb（2,0），Cr（3.0），Y（4,0），Y（5,0），Cb（4,0），Cr（4,0）. . . .

这 括号中的数字是像素坐标。DX 系列 YCbCrCoefficients（0x0211） 的值为 0.299/0.587/0.114， ReferenceBlackWhite（0x0214） 的值为 0,255,128,255,128,255。因此，要从 Y/Cb/Cr 转换为 RGB 的运算为：

1
2
3
B(0,0)=(Cb-128)*(2-0.114*2)+Y(0,0)
R(0,0)=(Cr-128)*(2-0.299*2)+Y(0,0)
G(0,0)=(Y(0,0)-0.114*B(0,0)-0.299*R(0,0)))/0.587

Exif/TIFF 中使用的标签号

Exif/TIFF 中使用的标签号如下所示。如果标签的元素数量有限制，则 CompoNo 列就是最大允许的元素个数，如果 CompoNo 列为空，代表没有限制。

您可以 下载表格

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作者
于乐Yule
发布于
2025年1月23日
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