链接：https://phoboslab.org/log/2021/11/qoi-fast-lossless-image-compression

（看代码设计的时候，真的大为震撼，伟大的algorithm T.T）

docs：QOI图像格式

在这里插入图片描述

qoi项目提出了Quite OK Image（QOI）格式，这是一种快速且无损的图像压缩方案。

它为开发者提供了核心库API接口，能够便捷地将原始像素数据编码为QOI格式，或将QOI文件解码还原为图像。

项目还包含qoiconv命令行工具用于图像格式转换，以及qoibench工具用于性能评估（对比PNG等格式）。

架构

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章节导航

  1. 图像描述(qoi_desc)
  2. QOI文件格式
  3. QOI库API接口
  4. 命令行转换器(qoiconv)
  5. 基准测试工具(qoibench)
  6. 像素哈希与索引
  7. 行程长度编码(QOI_OP_RUN)
  8. 差值编码(QOI_OP_DIFF, QOI_OP_LUMA)

第一章：图像描述结构体（qoi_desc）

欢迎来到QOI（“Quite OK Image”）图像格式的世界！

在这个开篇章节中，我们将深入探讨QOI库理解与处理图像的基础概念——qoi_desc结构体。

图像描述的定义

假设我们持有一张数字照片。在打印、屏幕显示或发送给他人之前，计算机需要掌握其基本属性：

  • 图片宽度是多少？
  • 图片高度是多少？
  • 使用标准RGB色彩模式还是包含透明通道的RGBA模式？
  • 色彩空间如何解析（例如明亮或暗淡）？

这正是qoi_desc结构体所提供的"身份证"功能。

这个精炼的结构体包含了QOI库处理图像所需的所有基础维度与色彩属性信息，而无需接触实际像素数据。

qoi_desc的核心构成

该结构体包含四个关键要素：

组件描述
width图像宽度，以像素为单位
height图像高度，以像素为单位
channels每像素的色彩分量数。通常为3（RGB三通道）或4（RGBA四通道含透明）
colorspace色彩解析方式。常规图像使用QOI_SRGB（标准sRGB），线性未校正数据使用QOI_LINEAR。初学者只需理解这是色彩的"风味"定义

在qoi.h头文件中可见其具体定义：

// 摘自：qoi.htypedef struct {unsigned int width;      // 图像宽度（像素单位）unsigned int height;     // 图像高度（像素单位）unsigned char channels;  // 3代表RGB，4代表RGBAunsigned char colorspace; // 0代表sRGB，1代表线性色彩空间
} qoi_desc;// 色彩空间常量定义
#define QOI_SRGB   0
#define QOI_LINEAR 1

这就是我们图像身份证的蓝图。

读取图像时的qoi_desc应用

图像处理中最常见的操作之一是从文件载入图像。

当通过QOI库加载QOI图像时，首先需要从文件头读取qoi_desc信息，该操作由qoi_read函数完成。

以qoiconv.c格式转换工具中的简化示例说明：

// 摘自：qoiconv.c// 1. 声明qoi_desc类型变量（当前为空身份证）
qoi_desc desc;// 2. 调用qoi_read加载图像
//    - argv[1]是输入文件名（如"input.qoi"）
//    - &desc指向空结构体，qoi_read将填充该结构体
//    - 0表示"使用文件中指定的通道数"
void *pixels = qoi_read(argv[1], &desc, 0);// 若pixels非空（读取成功），desc将包含图像的完整元数据
// 例如可获取：
// int image_width = desc.width;
// int image_height = desc.height;
// int image_channels = desc.channels;

此时desc变量已载入完整图像参数，pixels变量则存储实际像素数据。

写入图像时的qoi_desc应用

保存QOI文件时，需通过qoi_desc告知库文件图像参数。参考qoiconv.c中的保存示例：

// 摘自：qoiconv.c// 假设w、h、channels已存储图像参数
// pixels包含实际像素数据// 调用qoi_write保存图像
// - argv[2]是输出文件名（如"output.qoi"）
// - 第三个参数即时构建qoi_desc结构体
int encoded = qoi_write(argv[2], pixels, &(qoi_desc)
{.width = w,.height = h,.channels = channels,.colorspace = QOI_SRGB // 明确指定sRGB色彩空间
});

此处我们主动构建图像身份证并传递给编码函数。

底层实现机制

QOI文件以14字节的头部起始，精确存储qoi_desc信息。

QOI编码*qoi_encode流程：

在这里插入图片描述

解码*qoi_decode过程示意图：

在这里插入图片描述

QOI库通过qoi_write_32和qoi_read_32辅助函数处理32位整数的读写，channels和colorspace则作为8位值处理。编码函数核心实现：

// 摘自：qoi.h（QOI_IMPLEMENTATION段）void *qoi_encode(const void *data, const qoi_desc *desc, int *out_len) {unsigned char *bytes;  // QOI文件数据缓冲区int p = 0;  // 缓冲区当前位置指针// 写入魔数标识qoi_write_32(bytes, &p, QOI_MAGIC);// 写入描述信息qoi_write_32(bytes, &p, desc->width);qoi_write_32(bytes, &p, desc->height);bytes[p++] = desc->channels;bytes[p++] = desc->colorspace;// ...（后续编码过程）return bytes;
}

对应解码实现：

// 摘自：qoi.h（QOI_IMPLEMENTATION段）void *qoi_decode(const void *data, int size, qoi_desc *desc, int channels) {const unsigned char *bytes = (const unsigned char *)data;int p = 0;// 读取并验证魔数unsigned int header_magic = qoi_read_32(bytes, &p);// 填充描述变量desc->width = qoi_read_32(bytes, &p);desc->height = qoi_read_32(bytes, &p);desc->channels = bytes[p++];desc->colorspace = bytes[p++];// ...（后续解码过程）return pixels;
}

总结

本章阐明了qoi_desc作为QOI图像元数据核心容器的关键作用，其包含的宽度、高度、通道数（RGB/RGBA）和色彩空间参数，既是图像编码的起点，也是解码过程的基石。

下一章将深入解析这些元数据在QOI文件格式中的具体组织方式。

第二章：QOI 文件格式

在第一章：图像描述（qoi_desc）中，我们学习了qoi_desc结构体，它就像一张"身份证"，保存着图像的宽度、高度和色彩类型等关键信息。

但仅仅了解图像的元数据是不够的；我们需要一种将图像永久存储在计算机磁盘上的方法，以便保存、共享或后续加载。

从像素到文件

假设我们有一张精美的数码照片，当前仅以原始像素数据的形式存在于计算机内存中。为了永久保存，需要将其写入文件。

但如何将这些信息——图像的尺寸、颜色及压缩方式——组织成单个文件，且保证任何QOI兼容程序都能正确解析？

这正是QOI文件格式要解决的问题。

它就像一本详尽的食谱，精确说明图像数据在.qoi文件内的结构组织和压缩方式。遵循这个规范，任何支持QOI的程序都能正确读写图像，确保所有人看到的画面完全一致。

.qoi文件的内部结构

.qoi文件采用极简结构设计，便于计算机快速处理。我们可以将.qoi文件视为专为图像设计的容器，包含三个主要部分：

  1. 文件头：位于文件起始位置，作为整张图像的"身份证"
  2. 像素数据：图像的实际颜色信息，通过智能分块实现高效存储
  3. 结束标记：文件末尾的特殊标识，宣告数据终止

让我们深入解析每个部分。

第一部分：文件头——图像的增强版"身份证"

QOI文件始终以文件头开始，固定长度为14字节。这个头部至关重要，因为它包含第一章讨论的所有图像元数据。

除了qoi_desc中的width（宽度）、height（高度）、channels（通道数）和colorspace（色彩空间）外，文件头还包含4字节的"魔法标识"：字符序列"qoif"。这个魔法字符串告知打开文件的程序：“请注意，这是QOI图像文件！”

QOI库编码图像时，首先写入这个头部。以下是qoi_encode（qoi_write的核心编码函数）的起始部分：

// 来源：qoi.h（位于 QOI_IMPLEMENTATION 中）
void *qoi_encode(const void *data, const qoi_desc *desc, int *out_len) {unsigned char *bytes; // 存储文件原始字节int p = 0;           // 'p' 跟踪当前写入位置// 1. 写入魔法标识"qoif"qoi_write_32(bytes, &p, QOI_MAGIC); // QOI_MAGIC 是数值形式的'qoif'// 2. 写入图像宽度qoi_write_32(bytes, &p, desc->width);// 3. 写入图像高度qoi_write_32(bytes, &p, desc->height);// 4. 写入通道数（3表示RGB，4表示RGBA）bytes[p++] = desc->channels;// 5. 写入色彩空间（0表示sRGB，1表示线性）bytes[p++] = desc->colorspace;// ... 函数后续部分将写入像素数据块return bytes;
}

这段代码显示，文件最开始的字节依次是魔法标识、图像宽度、高度、通道数和色彩空间。

这种设计确保读取文件时，程序无需解码像素数据即可立即获取图像基本信息。

第二部分：像素数据——智能打包的"数据块"

文件头之后是图像颜色数据的主体部分。QOI在此展现其精妙的压缩技术：不采用逐个像素记录RGBA值的低效方式，而是使用多种"数据块"。

这些数据块如同不同类型的指令集。例如：

  • “重复前一个像素10次”（运行块/QOI_OP_RUN）
  • “此像素与前一个略有不同”（差值块/QOI_OP_DIFF）
  • “此像素与之前某位置完全相同”（索引块/QOI_OP_INDEX）
  • “直接记录完整像素值”（RGB/RGBA块，当其他块不适用时使用）

QOI编码器智能]选择最紧凑的数据块类型，这种智能打包使QOI文件体积小于未压缩图像。我们将在后续章节（如第七章：行程编码和第八章：差值编码）深入解析各数据块类型。

像素始终按行编码，从左到右，从图像左上角开始。

第三部分：结束标记——终止信号

每个QOI文件以固定的结束标记收尾：7个0x00字节（全零）后接1个0x01字节（一）。

结束标记如同电影的"剧终"提示，对解码器至关重要。

它明确标识图像数据的终点，防止解码器越界读取可能导致错误或误将随机内容解析为像素数据。

以下是qoi_encode添加结束标记的实现：

// 来源：qoi.h（位于 QOI_IMPLEMENTATION，编码函数末尾）
void *qoi_encode(const void *data, const qoi_desc *desc, int *out_len) {// ...（文件头和像素块的编码代码）// 写入8字节结束标记for (int i = 0; i < (int)sizeof(qoi_padding); i++) {// qoi_padding 是预定义数组 {0,0,0,0,0,0,0,1}bytes[p++] = qoi_padding[i];}*out_len = p; // 更新文件总大小return bytes;
}

此循环简单地将预定义的8字节序列写入文件，标记数据终止。

完整的QOI文件结构

下表总结.qoi文件的完整结构，展示各部分的顺序和大致大小：

组成部分大小（字节）描述
魔法标识 ("qoif")4标识QOI图像文件
宽度4图像宽度（像素单位，如1920）
高度4图像高度（像素单位，如1080）
通道数13表示RGB图像，4表示RGBA（含透明度）
色彩空间10表示sRGB（标准色彩空间），1表示线性色彩空间
像素数据块可变压缩后的像素信息，由运行块、差值块、索引块等组成，构成文件主体
结束标记8固定序列（7个0x00后接0x01），标识文件结束

这种简洁可预测的结构是QOI文件编解码速度优异的关键。

库函数如何处理文件格式

通过QOI库API函数，我们可以直观理解编解码过程与文件格式的交互。

编码图像（写入.qoi文件）

使用qoi_write（内部调用qoi_encode）保存图像时，库函数按QOI规范组织数据：

在这里插入图片描述

QOI库如同专业主厨，将原始像素"食材"按精确配方打包成标准文件。

解码图像（读取.qoi文件）

使用qoi_read（内部调用qoi_decode）加载文件时，库函数按顺序解析各部分数据：

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此时，QOI库如同细心的读者，逐步解析文件各部分：先验证"身份证"，再按"配方步骤"重构图像，最终确认终止标记。

总结

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本章建立了对QOI文件格式的基础认知：每个.qoi文件包含固定大小的文件头（元数据标识）、可变长度的像素数据块（智能压缩），以及明确的**结束标记**。

这种简洁、高效且可预测的结构设计，正是QOI卓越性能的核心。

接下来，我们将通过QOI库API深入探讨如何以编程方式操作这些组件。

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