theme: vuepress
本文正在参加「金石计划 . 瓜分6万现金大奖」
前言
前段时间小米出的水印边框照片模板被大家玩的不亦乐乎，本来想着写一个实现合成各厂商带水印边框照片的工具。这个头脑一热想要开发的工具最终也没有着手实现，不过这里面有一个知识点倒是令我很感兴趣。
这一点就是：合成水印边框通常会自动带上照片的拍摄数据——光圈、快门、感光度、品牌 LOGO，那这些数据都是从哪里获取照片里面又是怎么存储的呢？
在查询了大量资料之后得知，这些参数都来自于 Exif 数据，于是对 Exif 的技术标准、读写 Exif 的 JS 框架做了一些研究，这篇文章就是据此研究总结而来。
最后，笔者还写了一个 Exif 数据编辑的 Vue 组件——exif-edit。
图片格式与 Exif 数据
图像元数据有两种格式：Exif、XMP，而 Exif 就是其中一种。
Exif 全称是可交换图像文件格式（英语：Exchangeable image file format，官方简称 Exif），是用于记录数码照片的属性和拍摄数据的。属性主要是指照片的分辨率大小、缩略图，而拍摄数据主要是指光圈、快门、感光度、焦距、设备型号、镜头、GPS 位置等。
维基百科上给出的 Exif 包含的信息示例如下：
常见图片格式有 JPEG、PNG、GIF、HEIF、DNG、TIFF 等，其中已经明确能够支持写入 Exif 数据的格式有：JPEG、DNG、TIFF、HEIF。
各图片格式对于 Exif 数据支持情况如下：
| 格式 | JPEG | PNG | GIF | HEIF | DNG | TIFF | BPG | BMP |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Exif | 支持 | 不支持 | 不支持 | 支持 | 支持 | 支持 | 不支持 | 不支持 |
目前在互联网上最常见的图片格式是 JPEG 格式（文件名后缀 .jpeg），又称为 JPG 格式（文件名后缀 .jpg），我们暂且只分析 JPEG 图片中的 Exif 数据。
Exif 格式规范
Exif 数据能够嵌入到不同格式的图片中，那各个格式的图片是如何识别并解析 Exif 数据的呢？这就涉及到 Exif 数据的格式规范了。
可以简要描述为：Exif 信息数据以两个字节长度的特定标记开头，这个标记之后的两个字节记录Exif数据总的字节长度。有了 Exif 标记和所有数据总字节长度，就能知道哪些是 Exif 数据了。
这个标记是 2 字节长的 0xFFE1，这是十六进制表示，表示的是什么意思呢？且看下文解释。
我们知道计算机世界里一个字节是由 8 个二进制位组成，即 1Byte = 8bit （bit 可以简写为 B），8 个二进制位的所有排列组合有 2**8 = 256 种结果；二进制中一个位有 2 种可能结果，而假设一个位有 16 种可能结果的话，8 个二进制位则可以用 2 个 十六进制位表示，因为 2 个 16 进制位所有的排列组合正好有 16**2 = 256 种结果。
这里的一个位有 16 种可能结果就是十六进制，一个位的 16 种可能结果分别用 1,2,3....10,A,B,C,D,E,F 表示，所以一个字节用十六进制表示
1 字节的 8 个二进制为都为 1 的话，可以用字符串表示为 11111111 ，这是 256 种可能结果中的第 256 个，所以相当于十进制的 255（从 0 开始算的话，是十进制 255）。
按照十六进制换算的话，这 1 字节包含 2 个位，表示上述 256 的话需要第 1、2 位都是 16，可用 FF 表示。
并且，在 JS 的 Number 类型中，以 0x 开头来表示十六进制，字符串中则以 \x 开头来表示十六进制。
综上，二进制 11111111 等价于十六进制的 FF，即 0xFF。
所以，Exif 数据的开始标记 0xFFE1 表达的意思如下：
- 这是十六进制表示，包含 2 个字节的数据
- 第 1 字节对应二进制数
11111111 - 第 2 字节对应二进制数
11100001 - 该标记之后的 2 个字节表示 Exif 数据的总长度
Exif 数据在 JPEG 图片中的位置示意图如下，0xFFE1 标记之后的两个字节 XXXX 表示 Exif 数据总的字节长度，这两个字节的最大值为 0xFFFF，相当于十进制的 2**16 = 65536，也就是 65536B = 64kB，即 Exif 数据长度最大为 64kB。
所以，解析 JPEG 图片中的 Exif 信息只需要找到标记 0xFFE1 的位置，然后根据其后 2 字节的 0xXXXX 表示的数据大小往后找出 Exif 数据部分即可。同样，对于其他支持写入 Exif 信息的图片格式可使用同样方法找到 Exif 信息。
这个标记 0xFFE1 是 Exif 技术标准规定的，是 Exif 数据专用标记，称为 APP1，当 Exif 数据嵌入到其他的图片格式中时，Exif 数据的开始标记也是这个；同样的标记还有 APP0 等，这里不做赘述。
图中 APP1 Data 就是 Exif 的数据部分，它内部又是如何记录照片的属性和拍摄数据的呢？这就涉及到 Exif 数据部分的结构，见下文介绍。
Exif 数据部分结构
这里说的 Exif 数据部分指的是上面 APP1 Data 部分，其以 2 字节的 xxxx 开头表示 APP1 Data 部分总字节长度，随后跟上占用 4 字节的字符串 Exif 和占用 2 字节的固定值 0x00，随后就是 TIFF 格式的数据了。
这里字符串 Exif 是 ASCII 编码，一个字符占用 1 个字节，总共占用 4 个字节。
TIFF 格式规范
TIFF 可以理解成和 MySQL 数据库中表一样，是一条一条记录数据的，一条记录代表了一个数据体，称为：Tag。下图中黄色部分为一个 Tag 的结构，Tag 分为 Header 部分和 IFD 部分。
一个 Tag 的拥有一个 8 字节的 TIFF Header（头部），和 IFD 数据部分。头部主要记录了当前 Tag 的序号、数据格式以及下一个 Tag 的偏移值，通过偏移值将多条 Tag 依次串联起来；通过头部指定了数据格式，每一个 Tag 所占用的字节数也就确定了，因此 TIFF 不需要像 Exif 一样标记数据部分的字节大小，即没有 64kB 的大小限制。
上图中最关键的绿色部分记录了图片的属性、拍摄参数（即通常说的 Exif 参数），每一条的数据值的字节大小不一样，所以各个位置的字节代表的含义不一样，这里暂不展开。图中这样绿色的一条数据我们称为：Entry。
一个 Entry 展开为如下图，光圈、快门等拍摄参数根据标签序号映射向左边 IFD Data 数据中查找即可。
例如：要查找图片的感光度 ISO，先从标签序号映射找到标签序号 0x8827，然后从 IFD Data 中找到标签序号和次序号对应的 Entry，取值数据值部分，然后根据数据格式映射做格式转换，最后就可以知道感光度 ISO 的值是多少。
Exif 数据读取写入
知道了 Exif 数据在二进制数据中的存储规范了，那在前端项目中如何实现读取、写入 Exif 数据呢？且看下文解释。
主要思路
从本地图片文件解析 Exif 数据的过程如下：
编辑 Exif 数据并保存到文件的过程如下：
上述过程中从二进制到解析出 Exif 拍摄参数和 Exif 拍摄参数序列化为二进制格式的过程为核心点，已在 github 上找到了开源的工具库来实现，后续文章再讲解如何实现这一过程。
piexifjs 工具库
piexifjs 是一个专门读取和编辑 JPEG 图片中 Exif 数据的工具库，源码在这里：https://github.com/hMatoba/piexifjs。
读取 Exif 数据
import piexifjs, { piexif } from 'piexifjs'
piexifjs.load(imgData) // imgData 为 JPEG 图片的 base64 字符串
// piexifjs 解析出来的 Exif 参数对象可读性不强，需要格式化处理一下
const parseExifData = (exifData) => {
if (!exifData) { return null }
const M = exifData['0th'][piexif.ImageIFD.Model]
const F = exifData.Exif[piexif.ExifIFD.FNumber]
const S = exifData.Exif[piexif.ExifIFD.ExposureTime]
const ISO = exifData.Exif[piexif.ExifIFD.ISOSpeedRatings]
const L = exifData.Exif[piexif.ExifIFD.FocalLength]
const LEN = exifData.Exif[piexif.ExifIFD.LensModel]
const T = exifData.Exif[piexif.ExifIFD.DateTimeOriginal]
console.log('parseExifData\nM, F, S, ISO, L, LEN, T\n', M, F, S, ISO, L, LEN, T)
return {
M: M || null,
F: F && F[0] && F[1] ? F[0] / F[1] : null,
S: S && S[0] && S[1] ? S[1] : null,
ISO: ISO || null,
L: L && L[0] && L[1] ? L[0] / L[1] : null,
LEN: LEN || null,
T: T || null
}
}
写入 Exif 数据
import piexifjs, { piexif } from 'piexifjs'
// 将 Exif 参数对象按 TIFF 格式序列化
const exifStr = piexifjs.dump({ '0th': th, Exif: exif })
// 将序列化结果写入 JPEG 图片base64 字符串中，返回新的 base64 字符串
const nb64 = piexifjs.insert(exifStr, imgData)
序列化时传入的 Exif 对象有格式要求，需要转换一下格式
const th = {
[piexif.ImageIFD.Model]: M || this.exif.M
}
const _F = F || this.exif.F
const _S = S || this.exif.S
const _L = L || this.exif.L
const exif = {
[piexif.ExifIFD.ExifVersion]: this.exif.version,
// 光圈值包含小数时需要x100
[piexif.ExifIFD.FNumber]: `${_F}`.includes('.') ? [_F * 100, 1 * 100] : [_F, 1],
[piexif.ExifIFD.ExposureTime]: [1, Number(_S)],
[piexif.ExifIFD.ISOSpeed]: Number(ISO || this.exif.ISO),
[piexif.ExifIFD.ISOSpeedRatings]: Number(ISO || this.exif.ISO),
[piexif.ExifIFD.FocalLength]: [Number(_L) * 10, 10],
[piexif.ExifIFD.LensModel]: LEN || this.exif.LEN,
[piexif.ExifIFD.DateTimeOriginal]: T || this.exif.T,
[piexif.ExifIFD.DateTimeDigitized]: T || this.exif.T
}
removeNull(th)
removeNull(exif)
Exif 数据读取编辑应用开发
封装一个 ExifEdit 组件，实现功能有： Exif 读取并查看、编辑、保存修改后数据为 base64 、未传入 base64 图片数据时可通过交互选择本地图片文件。
ExifEdit 组件还同时拥有清空、重置、复制、粘贴、保存功能。
清空
清空选择的文件、或者传入组件的图片 base64 数据，恢复为组件默认的无数据状态，可以点击从本地文件选择图片。
重置
放弃当前对 Exif 数据的修改，重新从选择的文件或者传入组件的 base64 数据解析 Exif 数据。
复制
复制当前解析到的 Exif 数据的JSON 字符串到系统剪贴板。
粘贴
尝试从系统剪贴板读取数据，进行 JSON 序列化，若符合 Exif 数据结构，则将其关联到当前 Exif 数据上填充在表单上，但是不会自动像图片 dataURL 中插入 Exif，也不会触发组件的 change 事件。
保存
将表单绑定的 Exif 数据进行序列化，并将序列化结果插入到传入的 base64 字符串或者从选择的文件读取到的 dataURL 中，若插入成功，则会触发组件的 change 事件。
Exif 读取功能实现
通过 ExifEdit 组件接受图片 dataURL 数据或者通过交互选择本地文件，读取为 dataURL 字符串，然后调用 piexifjs 库获取对应的 Exif 数据对象，然后解析 Exif 数据对象中的设备型号、拍摄参数等。
Exif 写入功能实现
收集页面表单的数据并做校验，校验通过后根据 piexifjs 库对 Exif 数据的格式要求做数据转换，然后依次调用 piexifjs.dump piexifjs.insert 写入 Exif 二进制数据，写入之后返回的是插入了 Exif 数据的 dataURL。
保存文件功能实现
ExifEdit 组件在完成 Exif 数据写入功能后仅返回 dataURL 数据，组件不实现文件保存功能，在写入 Exif 数据成功后会向外 emit 一个 change 事件，事件携带上 dataURL 和新的文件名。
当该项目作为组件库 lib 被第三方使用时，需要使用方自行监听 change 事件，并使用事件传递的 dataURL 去实现保存到本地功能。
不过当前项目在 App.vue 中实现了保存文件功能，实现方法如下：
监听 ExifEdit 组件的 change 事件，使用 downloadjs 库将得到的 dataURL 保存到本地。
import download from 'downloadjs'
export default {
methods: {
handleExifEditChange ({ b64: imgData, fileName }) {
download(imgData, fileName, 'image/jpeg')
}
}
}
若 ExifEdit 通过 UI 交互引导用户选择了本地文件，则明文件会使用 ${用户选择的文件名去掉后缀}_1.jpg 作为新文件名，否则使用 ${Date.now()}.jpg 做新文件名。
打包为 Vue 组件
笔者在查找 Exif 相关资料时并未发现有项目将 Exif 数据读写封装成 Vue 组件，因此就有了这一想法。
打包成 Vue 组件也比较简单，组件库的打包使用 vue-cli 脚手架工具，执行下面打包命令即可。
npm run build:lib
打包为 Web Component 组件
基于 vue-cli 搭建的项目可以很方便的打包成 Web Component 组件，同时 Web Component 组件是浏览器内核支持的自定义组件，与 Vue、React、Angular 等 UI 框架无关，所以考虑打包为 Web Component 组件。
npm run build:wc
Web Component 组件可能有兼容性问题，具体见下方 MDN 截图
结语
本文重点介绍了图片的 Exif 数据的二进制结构，Exif 数据是如何嵌入到 JPEG 格式的图片中的。最后也使用 Vue 实现了一个可以读取、编辑并保存 JPEG 图片 Exif 数据的应用，同时可以打包为 Vue 组件和 Web Component 方便第三方复用。
另外，这个应用在读取文件、解析 Exif 过程的性能优化、组件 E2E 测试方面还有欠缺，并且不支持 TIFF 格式图片的 Exif 数据读取便秘和预览功能，后续会再考虑补充完善。
最后，这个项目代码是开源的，地址在这里：https://github.com/JohnieXu/exif-edit，欢迎各位大佬参与贡献 PR。
参考资料
- TIFF6技术标准 https://web.archive.org/web/20120703095221/http://partners.adobe.com/public/developer/en/tiff/TIFF6.pdf
- Exif 文件格式 https://web.archive.org/web/20111025004429/http://park2.wakwak.com/~tsuruzoh/Computer/Digicams/exif-e.html
- JS 中的 unicode 编码 https://www.ruanyifeng.com/blog/2014/12/unicode.html
- Exif 维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/Exif
- piexifjs 文档 http://piexifjs.readthedocs.org/en/latest/index.html
暂无评论内容