Как разработчик видит файл изображения: общая «структура файла» при разных форматах

С точки зрения пользователя файл изображения — это просто «картинка». Для разработчика это другое: бинарные данные, содержащие изображение, и одновременно структурированный файл, в котором описано, как эти данные интерпретировать.

В этой статье мы оставим в стороне особенности конкретных форматов (JPG/PNG/WebP) и сосредоточимся на общей структуре, которая встречается в большинстве файлов изображений. Терминов будет минимум, а объяснение — только через структуру.

Файл изображения — это не «пиксели», а «набор байтов с правилами»

Схема структуры файла изображения

Обычно файл изображения включает три части:

  1. Идентификация — сообщает, к какому формату относится файл.
  2. Данные для интерпретации — размер, цветовая модель и другие подсказки для декодирования.
  3. Собственно данные изображения — как правило, в сжатом или закодированном виде.

Названия и порядок могут отличаться, но общий «скелет» почти всегда одинаков.

1) Сигнатура файла: первый признак типа

Большинство файлов изображений начинается с уникального набора байтов — сигнатуры. Это надежнее, чем расширение.

  • Расширение можно поменять как угодно.
  • Сигнатуру сложно «подделать», если файл не соответствует формату.

Поэтому тип файла определяют по первым байтам, а не по имени.

Сигнатура обычно занимает всего несколько байтов, но именно с нее начинается решение: стоит ли читать заголовок и как именно.

2) Заголовок: минимум данных для восстановления пикселей

После сигнатуры идет заголовок. В нем — сведения, которые нужны декодеру, чтобы восстановить пиксельный массив.

Обычно это:

  • Ширина/высота
  • Цветовая модель (например, RGB и наличие альфа-канала)
  • Глубина цвета (8 бит, 16 бит и т. д.)
  • Способ сжатия/кодирования и дополнительные этапы обработки

Главная мысль: данные изображения редко «читаются напрямую». Заголовок задает правила, по которым их нужно интерпретировать. Без корректного заголовка даже сохраненные данные могут оказаться бесполезными.

3) Метаданные: информация об изображении, а не сами пиксели

Помимо самой картинки файл может хранить дополнительные данные. Они не всегда нужны для отображения, но часто важны — или проблемны.

Примеры:

  • Время съемки, параметры камеры, ориентация
  • Сведения о цветовом пространстве
  • Встроенная миниатюра (thumbnail)
  • Автор, права, информация о программе

С точки зрения разработки метаданные:

  • Опциональны
  • Иногда влияют на поведение (например, ориентация)
  • Могут создавать риски приватности (например, геоданные)

Поэтому в некоторых системах нужно обрабатывать не только пиксели, но и метаданные.

4) Данные изображения: обычно в сжатом/закодированном виде

Файл изображения предназначен для хранения и передачи, поэтому «сырые» пиксели обычно не сохраняют как есть.

Типичные варианты:

  • Без сжатия (редко или ограниченно) — значения пикселей напрямую
  • Сжатие/кодирование (чаще всего) — преобразование ради меньшего размера

Ключевой вывод:

Содержимое файла редко является готовым массивом пикселей. Чтобы получить пиксели в памяти, нужна декодировка.

Файл оптимизирован под хранение, а пиксельный буфер в памяти — под обработку.

5) «Файл» и «память»: два представления одного изображения

Одно и то же изображение существует в двух формах:

  • На диске — поток байтов: сигнатура + заголовок/метаданные + данные
  • В памяти — объект с шириной/высотой, буфером пикселей и, возможно, дополнительной информацией

Типичный процесс:

  1. Прочитать начало файла и определить формат (сигнатура).
  2. Прочитать заголовок и понять, как декодировать.
  3. Декодировать данные в пиксельный буфер.
  4. Затем выполнять ресайз, кроп, фильтры и т. п.

Так что файл изображения — это не просто «картинка», а структурированный набор данных.

Итог: читать файл изображения — значит интерпретировать его структуру

Детали зависят от формата, но общая последовательность почти всегда одна: сигнатура → заголовок → (опционально) метаданные → данные изображения. Это не случайность, а дизайн, который делает интерпретацию безопасной и последовательной.

Когда мы говорим «открыть изображение», мы на деле:

  • Определяем формат по сигнатуре
  • Получаем правила интерпретации из заголовка
  • При необходимости учитываем метаданные
  • Восстанавливаем пиксели в памяти через декодирование

Понимание этой структуры помогает быстрее диагностировать проблемы даже без готовых библиотек.

Анонс следующей статьи

  • Как связаны python-magic и команда Linux file и как они определяют тип файла.
  • Чем отличаются open(), load() и verify() в Pillow (PIL) и когда что применять.

Смотрите также: