当前，几乎新型的数码相机都使用Exif文件格式来存储图像. 它的规格是由 JEIDA 来制定的, 但是在互联网上还没有开放的文档可供浏览. 因此我根据从互联网上所能得到一些开放资料做成了这份Exif格式的描述文档.

注: 现在我们能得到官方的文档 Exif2.1 ，它来自 PIMA 的web站点.

ISO 正致力于建立 DCF (Design rule for Camera File system/相机文件系统设计规则) 规格. 所有的数码相机的制造商正准备遵循这份规则并且已经在他们的最新的数字相机上使用了. DCF规格为数字相机定义了完整的文件系统; 如，目录结构, 文件命名方法, 字符集和文件格式等等. 这里的文件格式就是基于 Exif2.1 规格制定的.

rev. 1.4 Feb.03,2001
rev. 1.3 Sep.09,2000
rev. 1.2 Jul.19,2000
rev. 1.1 Dec.19,1999
rev. 1.0 May.28,1999

参考材料

Exif文件格式 itojun著 (日文版文档)
Exif文件格式 Mamoru Ohno著 (日文版文档)
TIFF6.0 规格说明 Adobe公司著
TIFF/EP 规格说明 ISO TC42 WG18著
exifdump 程序由 Thierry Boush完成制作
DCF 规格说明 ISO TC42 WG18著
Exif2.1 规格说明 JEIDA著

• 什么是Exif?
• JPEG格式和标记
• Exif使用的标记
• Exif数据结构
  • TIFF 头
  • IFD : 图像文件目录(Image file directory)
  • 数据格式
  • IFD数据结构
  • 缩略图
    • JPEG 格式缩略图
    • TIFF 格式缩略图
• Exif/TIFF使用的标签数
  • IFD0(主图像IFD) 区域
  • Exif 子IFD区域
  • IFD1(缩略图IFD) 区域
  • 杂项标签
• 附录1: Olympus数字相机的MakerNote
• 附录2: Nikon数字相机的MakerNote
• 附录3: Casio数字相机的MakerNote
• 附录4: Fujifilm数字相机的MakerNote
• 附录5: Canon数字相机的MakerNote
• 修订履历
• 鸣谢

什么是 Exif?

基本上, Exif文件格式与JPEG 文件格式相同. Exif按照JPEG的规格在JPEG中插入一些 图像/数字相机 的信息数据以及缩略图像. 于是你能通过与JPEG兼容的互联网浏览器/图片浏览器/图像处理等一些软件 来查看Exif格式的图像文件. 就跟浏览通常的JPEG图像文件一样.

JPEG格式和标记

每一个JPEG文件的内容都开始于一个二进制的值 \’0xFFD8\’, 并结束与二进制值\’0xFFD9\’. 在JPEG的数据 中有好几种类似于二进制 0xFFXX 的数据, 它们都统称作 “标记”, 并且它们代表了一段JPEG的 信息数据. 0xFFD8 的意思是SOI图像起始(Start of image), 0xFFD9 则表示 EOI图像结束 (End of image). 这两个特殊的标记的后面都不跟随数据, 而其他的标记在后面则会附带数据. 标记的基本 格式如下.

0xFF+标记号(1个字节)+数据大小描述符(2个字节)+数据内容(n个字节)

数据大小描述符(2个字节) 是 “Motorola” 的字节顺序, 数据的低位被存放在高地址，也就是 BigEndian. 请注意上面中的 “数据内容” 中包含他前面的数据大小描述符, 如果下面的是一个标记的话;

FF C1 00 0C

它就表示这个标记(0xFFC1) 的数据占 0x000C(等于12)个字节. 但是这个数据大小\’12\’ 包含了 “数据大小” 描述符, 也就是在0x000C后面它只允许带有10 个字节大小的数据.

在JPEG 格式中, 最开始先是用一些标记来描述数据, 然后是放置 SOS数据流的起始(Start of stream) 标记. 在SOS标记的后面才是, 存放JPEG图像的数据流并终结于EOI标记.

Exif使用的标记

0xFFE0~0xFFEF之间的标记被叫做 “应用标记”, 它们在JPEG图像解码中不是必须存在的. 它们被使用于用户的应用程序之中. 例如, 老款的olympus/canon/casio/agfa 数字相机使用 JFIF(JPEG文件交换格式/JPEG File Interchange Format)来存储图像. JFIF 使用 APP0(0xFFE0) 标记来插入数字相机的配置信息数据和缩略图.

Exif也使用应用标记来插入数据, 但是Exif 使用 APP1(0xFFE1)标记来避免与JFIF格式的 冲突. 且每一个 Exif 文件格式都开始于它, 如;

该图像文件从SOI(0xFFD8) 标记开始, 因此它是一个 JPEG 文件. 后面马上跟着 APP1 标记. 而它的所有 Exif数据都被存储在 APP1 数据域中. 上面的 “SSSS” 这部分表示 APP1 数据域 (Exif data area)的大小. 请注意这里的大小 “SSSS” 包含描述符本身的大小.

在 “SSSS”后面, 是 APP1 的数据. 其中第一个部分是一个特殊的数据，它用来标识是否是 Exif, 其值是ASCII 字符 “Exif” 和 两个0x00字节 的组合字符串.

在 APP1 标记域的后面是, 跟随着其他的 JPEG 标记.

Exif数据结构

Exif的数据结构 (APP1)大致如下面那样. 这是”Intel”字节序的情况, 并且它包含了JPEG 格式的 缩略图. 就像上面描述的那样, Exif 数据开始于ASCII字符 “Exif” 和2个字节的0x00, 后面才是 Exif的数据. Exif 使用 TIFF 格式来存储数据. 想获取TIFF的更多的细节的话, 请参考 “TIFF6.0规格说明(TIFF6.0 specification)”.

TIFF 头的结构

TIFF格式中前8个字节是 TIFF 头. 其中最开始的前2个字节定义了 TIFF 数据的字节序. 如果这个值是 0x4949=”I I”的话, 就表示按照 “Intel” 的字节序(Little Endian) 来排列数据. 如果是 0x4d4d=”MM”, 则说明按照 “Motorola” 的字节序(Big Endian)来排列数据. 例如, 这个值是\’305,419,896\’ (注意：16进制值为0x12345678). 在 Motorola 的 字节序中, 数据存储时的排列顺序为 0x12,0x34,0x56,0x78. 而用 Intel 的字节序的话, 它就是按照 0x78,0x56,0x34,0x12 来排序数据. 几乎所有的数字相机都是使用 Intel 的字节序. 不过 Ricoh 使用的是 Motorola 的. Sony 使用的是 Intel 字节序(除了 D700). Kodak 的DC200/210/240 使用的是 Motorola 字节序, 但是 DC220/260 使用的是 Intel的, 尽管它们都是使用在 PowerPC的平台上! 因此当我们需要使用 Exif 数据的值的时候, 我们必须每次都要检查它的字节序. 尽管 JPEG 数据仅仅是使用 Motorola 字节序, 但 Exif 却是允许这两种字节序存在的. 我不明白 Exif 为什么不把字节序修订成 Motorola的.

随后的两个字节是一个2字节长度的固定值 0x002A. 如果数据使用 Intel 字节序, 则这两个 字节的数据排列为 “0x2a,0x00”. 如果是 Motorola 的, 则是 “0x00,0x2a”. TIFF头的最后的 4个字节是到第一个 IFD(图像文件目录/Image File Directory, 将在下一节中描述)的偏移量. 这个偏移量是指从TIFF头(“II” 或者 “MM”)开始, 包含自己偏移量值的本身, 到下一个IFD为止的 长度的字节数. 通常地第一个 IFD 是紧挨着 TIFF 头出现的, 因此这个偏移量的值是 \’0x00000008\’.

IFD : 图像文件目录

紧挨着 TIFF 头, 就是第一个 IFD:图像文件目录(Image File Directory). 它包含了图像 信息的数据. 在下面的表格中, 前两个字节(\’EEEE\’) 表示在IFD中有多少个目录项(directory entry) . 它后面存放就是目录项(每个项目大小为12字节) . 在最后一个目录项之后, 有 一个4个字节大小的数据(表格中\’LLLLLLLL\’ ), 它意味着到下一个IFD的偏移量. 如果这个 值是\’0x00000000\’, 则表示它是最后一个IFD 并且不在跟任何的 IFD 相连接.

上表中的\’TTTT\'(2个字节) 是一个标签的号码, 代表数据的种类. \’ffff\'(2个字节)表示 数据的格式, \’NNNNNNNN\'(4个字节)表示组件的数目. \’DDDDDDDD\'(4个字节) 则是数据的 值或者到数据值的偏移量.

数据格式

数据格式 (上面表格中的\’ffff\’) 的定义如下表示. “rational” 的意思是说明数据的 内容是一个分数, 它含有2个有符号/无符号的长整形(signed/unsigned long integer)值, 并且第一个值表示的是分子, 第二个值则是, 分母.

通过多个存储在\’NNNNNNNN\’数据区的\’组件的大小(字节数)\’你能得到所有数据的字节长度. 如果数据的长度小于4个字节, 则\’DDDDDDDD\’ 就表示的是标签的值. 如果长度超过4字节, 则\’DDDDDDDD\’ 里存放的就是所要存储数据的偏移量地址.

IFD数据结构

在Exif格式中, 第一个IFD 是IFD0(主图像IFD), 然后它连接到IFD1(缩略图IFD) 并且IFD 连接在此结束. 但是 IFD0/IFD1 不包含任何的数字相机的信息例如快门速度, 焦距等. IFD0 总是包含一个特殊的标签 Exif偏移量(0x8769), 它表示到 Exif子IFD 的偏移量. Exif子IFD 也是一个IFD 格式化的数据, 它包含了数字相机的信息.

在扩展Exif格式(Exif2.1/DCF)中, Exif子IFD还包含了特殊的标签 Exif Interoperability Offset (0xa005). 这个偏移量也指向Interoperability IFD. 根据 DCF 规格, 这个标签是必须的并且子IFD (主图像 IFD) 和 IFD1 (缩略图 IFD) 中可能也会包含Interoperability IFD. 通常, 仅仅主图像仅仅有这个标签.

另外一些数字相机也为Makernote(制造商注释)使用 IFD 数据格式; 这是生产商特定的 魔数(magic number)区域. 判断makernote 是否是IFD 格式是非常困难的, 必须仔细的 编程. 关于Makernote的信息请参考附录.

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

上面的是TIFF数据的开头部分, 对它的解读如下;

• 前两个字节是 “I I”, 所以字节序是 \’Intel\’.
• 在地址0x0004~0x0007处存放的值是 0x08000000, 因此IFD0 从地址 \’0x0008\’开始
• 在地址0x0008~0x0009处存放的值是 0x0200, 则表示IFD0有 \’2\’ 个目录项.
• 在地址0x000a~0x000b处存放的值是 0x1A01, 它意味着这是一个 XResolution(0x011A) 标签, 表示这是图像的水平分辨率.
• 地址0x000c~0x000d处存放的值为 0x0500, 说明数据的格式是一个 unsigned rational(0x0005).
• 地址0x000e~0x0011处存放的值是 0x01000000, 说明组件的数据只有 \’1\’个. Unsigned rational的数据大小是8字节(组件的大小), 因此数据的总长度是 1×8=8字节.
• 总数居长度比4字节大了, 因此它后面的4个字节里面存放的是一个指向实际数据的偏移量地址.
• 地址0x0012~0x0015处存放的是 0x26000000, 表示XResolution(水平分辨率) 数据的存储地址是0x0026
• 地址0x0026~0x0029处存放的数据是 0x48000000, 说明分子的值为 72, 而地址0x002a~0x002d 处存放的是0x0100000000, 说明分母为 \’1\’. 因此XResoultion 的值是 72/1.
• 地址0x0016~0x0017处存放的数据为0x6987, 表示下一个标签是 ExifOffset(0x8769). 这就是 指向 Exif子IFD的偏移量
• 而它的数据格式是 0x0004, 即是一个无符号的长整形(unsigned long integer).
• 这个标签只有一个组件. 无符号长整形的数据大小是4字节, 因此总数据长度为4字节.
• 总数据长度是 4字节, 则说明下一个4字节的数据中存放的是Exif子IFD的偏移量.
• 地址0x001e~0x0021处存放的是 0x11020000, 则说明Exif子IFD的开始地址是 \’0x0211\’.
• 这是最后一个目录项, 接下来的4个字节存放的是下一个IFD的偏移地址.
• 地址0x0022~0x0025处存放的是 0x40000000, 就可以知道下一个IFD的开始地址为 \’0x0040\’

缩略图

Exif格式中包含缩略图像(除了Ricoh RDC-300Z). 通常它被放到IFD1的后面. 缩略图有 3 种格式; JPEG 格式(JPEG 使用YCbCr), RGB TIFF 格式, YCbCr TIFF 格式. 在Exif2.1之后推荐使用JPEG 格式和160×120像素的尺寸. 根据 DCF 规格, 缩略图像必须 使用JPEG 格式以及图像的尺寸 固定为160×120 像素.

JPEG格式的缩略图

IFD1中的标签Compression(0x0103)如果是 \’6\’, 则缩略图就是JPEG格式. 几乎所有的 Exif图像中缩略图都使用JPEG 格式. 在这种情况下, 你能从IFD1的JpegIFOffset(0x0201) 标签中得到缩略图的偏移量, 从标签JpegIFByteCount(0x0202)中得到缩略图的大小. 数据格式则是普通的 JPEG 格式, 也就是从0xFFD8处开始在0xFFD9处结束.

TIFF格式的缩略图

IFD1的标签Compression(0x0103)如果是 \’1\’, 则缩略图的格式就没有经过压缩的 (就是TIFF 图像). 缩略图数据的开始点是标签 StripOffset(0x0111) , 缩略图的尺寸 就是标签 StripByteCounts(0x0117) 之和.

如果缩略图使用非压缩格式并且IFD1中的标签 PhotometricInterpretation(0x0106) 是 \’2\’, 则缩略图使用了 RGB 格式. 在这种情况下, 你只要简单的把数据拷贝到计算机的RGB格式 中就能看到缩略图了(如 BMP 格式, 或者拷贝到 VRAM 目录下). Kodak DC-210/220/260 就使用 这个格式. 注意TIFF中存储的像素数据是\’RGB\’ 顺序的, 而 BMP 里的存储顺序则是 \’BGR\’ .
如果这个标签的值是 \’6\’, 缩略图使用 YCbCr 格式. 如果你想要看到缩略图的话, 你必须把它 转换成 RGB 格式的. Ricoh RDC4200/4300, Fuji DS-7/300 和 DX-5/7/9 使用的是这种格式 (较新的 RDC5000/MX-X00 系列使用的是 JPEG). 在下一节中主要描述的就是Fuji DS相机的缩略图 的图像转换. 想要了解更多的信息, 请参考 TIFF6.0 规格说明.

在DX-5/7/9的场合, YCbCrSubsampling(0x0212) 的值是 \’2,1\’, PlanarConfiguration(0x011c) 的 值是 \’1\’. 因此这种图像的数据排列是下面的那样.

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). . . .

括 号中的数字代表的是像素坐标. DX 系列中000YCbCrCoefficients(0x0211) 的值是 \’0.299/0.587/0.114\’, ReferenceBlackWhite(0x0214) 的值是 \’0,255,128,255,128,255\’. 于是把 Y/Cb/Cr 转换成 RGB 就是;

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

水 平 subsampling 的值是 \’2\’, 因此你能使用 Y(1,0)和 Cr(0,0)/Cb(0,0)计算出B(1,0)/R(1,0)/G(1,0). 根据ImageWidth(0x0100) 和 ImageLength(0x0101)的值可以重复这些转换.

Exif/TIFF使用的标签数

下面显示了 Exif/TIFF 使用的标签数. 如果这个标签组件数目的上限, CompoNo 一栏就代表这一数值. 如果这个数值没有, 则说明这儿没有上限值.

下面是各厂商的Makernote的规格说明，但由于下面所提及的相机太过于古老，不准备全部翻译。

附录1: 奥林帕斯数字相机的MakerNote

下面是根据Peter Esherick解析出来的Olympus D450Z(C-920Z)的数据.

奥林帕斯的数字相机的MakerNote开始于 ASCII 字符串 “OLYMP”. 数据格式跟IFD一样, 但是它是从偏移量 0x07 开始. 实际的数据结构的例子如下.

:0000: 4F 4C 59 4D 50 00 01 00-0B 00 00 02 04 00 03 00 OLYMP........... :0010: 00 00 0E 04 00 00 01 02-03 00 01 00 00 00 03 00 ................

附录2: 尼康相机的MakerNote

Nikon相机的MakerNote有两种格式. E700/E800/E900/E900S/E910/E950相机开始于 ASCII 字符串 “Nikon”. 数据格式与IFD一样, 但是它从偏移地址0x08处开始. 除了开始字符串 之外这跟奥林帕斯相机的一样. 实际的数据结构的例子如下表示.

:0000: 4E 69 6B 6F 6E 00 01 00-05 00 02 00 02 00 06 00 Nikon........... :0010: 00 00 EC 02 00 00 03 00-03 00 01 00 00 00 06 00 ................

在E990像集中, 没有Ascii 字符串. 就想通常的 IFD (如. IFD0, SubIFD)一样, 从数据的第一个 字节开始就是IFD . Nikon D1 也使用这个格式. 实际数据结构的例子如下表示.

:0000: 10 00 01 00 07 00 04 00-00 00 00 01 00 00 02 00 ................ :0010: 03 00 02 00 00 00 00 00-64 00 03 00 02 00 06 00 ........d.......

以下数据由 Max Lyons 解析.

Appendix 3: MakerNote of Casio

Casio started to use Exif format from QV2000/QV8000. Casio\’s MakerNote format is the same as usual IFD (e.g. IFD0, SubIFD0). Example of actual data structure is shown below.

:0000: 00 14 00 01 00 03 00 00-00 01 00 0A 00 00 00 02 ................ :0010: 00 03 00 00 00 01 00 03-00 00 00 03 00 03 00 00 ................

The data below is analyzed by Eckhard Henkel .

Appendix 4: MakerNote of Fujifilm

Fujifilm\’s digicam added the MakerNote tag from the Year2000\’s model (e.g.Finepix1400,Finepix4700). It uses IFD format and start from ASCII character \’FUJIFILM\’, and next 4 bytes(value 0x000c) points the offset to first IFD entry. Example of actual data structure is shown below.

:0000: 46 55 4A 49 46 49 4C 4D-0C 00 00 00 0F 00 00 00 :0000: FUJIFILM........ :0010: 07 00 04 00 00 00 30 31-33 30 00 10 02 00 08 00 :0010: ......0130......

There are two big differences to the other manufacturers.

• Fujifilm\’s Exif data uses Motorola align, but MakerNote ignores it and uses Intel align.
• The other manufacturer\’s MakerNote counts the “offset to data” from the first byte of TIFF header (same as the other IFD), but Fujifilm counts it from the first byte of MakerNote itself.

I think it\’s a BUG, but it can\’t be helped now… The data below is analyzed at Fujifilm FinePix4900Z.

Appendix 5: MakerNote of Canon

The data below was primarily analysed by David Burren and the master version of this information is available at: http://www.burren.cx/david/canon.html. Please send any updates to David.
This document is based on his Rev.1.11(2001/01/30) of document.

Canon\’s MakerNote data is in IFD format, starting at offset 0.

Some of these tags and fields are only produced on cameras such as the EOS D30, but (to current observation) all this is valid for all Canon digicams (at least since the A50). If the tag is not found, or is shorter than shown here, it simply means that data is not supported by that camera.

EOS D30 Custom Functions

修订履历

rev. 1.4

• 追加了佳能的Makernote
• 在富士的makernote中增加了色彩/色调 标签

rev. 1.3

• 追加了 Exif2.1 规格
• 添加了富士的 Makernote

rev. 1.2

• 追加了 DCF 规格
• 追加了Interoperability IFD
• 添加了尼康/卡西欧的Makernote

rev. 1.1

• 在TIFF头的标签标记中追加了字节顺序的解释
• 为”unsigned short/long”修正了一些标签的数据格式
• 修正了FocalPlaneResolutionUnit的值
• 附录1: 奥林帕斯的MakerNote

rev. 1.0

• 第一版发布

鸣谢

我想要感谢;

Daniel Switkin: 标签标记的字节序, ImageWidth/ImageLeng格式
Peter Esherick: 奥林帕斯的MakerNote
Matthias Wandel: FocalPlaneResolutionUnit的值
Max Lyons: 尼康的Makernote   …它的 网页在这里
Eckhard Henkel: 卡西欧的Makernote   …它的 网页在这里
David Burren: 富士的FocalPlaneResolutionUnit的值 / 佳能的Makernote  …它的 网页在这里