VisualC++数字图像处理之BMP文件

在多种文件格式中，BMP是最基本的文件格式，因为BMP文件格式是没有经过压缩的图像，今天我们就来看看BMP到底是个啥东东。

一、BMP文件

 BMP(Bitmap-File)图形文件，又叫位图文件，是Windows采用的图形文件格式，在Windows环境下运行的所有图象处理软件都支持BMP图象文件格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。一个BMP文件由四部分组成：文件信息头、位图信息头、调色板、位图数据。

1、文件信息头（BITMAPFILEHEADER）

位图文件头（bitmap-file header）包含了图像类型、图像大小、图像数据存放地址和两个保留未使用的字段。

打开WINGDI.h文件，搜索"BITMAPFILEHEADER"就可以定位到BMP文件的位图文件头的数据结构定义。

structtagBITMAPFILEHEADER { // bmfh
    WORD    bfType; （说明文件的类型，该值必需是0x4D42，也就是字符'BM'，否则表示根本不是BMP）
    DWORD   bfSize;
    WORD    bfReserved1;
    WORD    bfReserved2;
    DWORD   bfOffBits;

各个字段所占字节数及描述如下：

字 段 名	大小（单位：字节）	描 述
bfType	2	说明文件的类型，该值必需是0x4D42，也就是字符'BM'，否则表示根本不是BMP
bfSize	4	说明该位图文件的大小，用字节为单位
bfReserved1	2	保留，必须设置为0
bfReserved2	2	保留，必须设置为0
bfOffBits	4	说明从文件头开始到实际的图象数据之间的字节的偏移量。这个参数是非常有用的，因为位图信息头和调色板的长度会根据不同情况而变化，所以你可以用这个偏移值迅速的从文件中读取到位数据，以字节为单位。

图1 示例图片

使用UtraEdit打开示例图片1，可以看到文件第一、二个字节分别为42和4D，这正是BM的ascii码值。38、04、01、00代表了该文件的大小，这里的换算关系是：

Ox00010438(Byte)=16*16*16*16+4*16*16+16*3+8=66616≈65KB (如图3中所示，此处要留意二进制文件的解析及换算方式)

这里细心的小伙伴会发现图3中有大小和占用空间两个数量，这是由于windows 系统的文件管理方式带来的差别，有兴趣可以看看windows系统中簇的概念。其他变量以此类推，在此不一一介绍。

图2 二进制文件

图3 bmp文件大小

2、位图信息头

位图信息头（bitmap-information header）包含了位图信息头的大小、图像的宽高、图像的色深、压缩说明图像数据的大小和其他一些参数。

打开WINGDI.h文件，搜索"tagBITMAPINFOHEADER"就可以定位到BMP文件的位图信息头的数据结构定义。

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{

        DWORD      biSize;

        LONG       biWidth;

        LONG       biHeight;

        WORD       biPlanes;

        WORD       biBitCount;

        DWORD      biCompression;

        DWORD      biSizeImage;

        LONG       biXPelsPerMeter;

        LONG       biYPelsPerMeter;

        DWORD      biClrUsed;

        DWORD      biClrImportant;

} BITMAPINFOHEADER, FAR *LPBITMAPINFOHEADER, *PBITMAPINFOHEADER;

字 段 名	大小 （单位： 字节）	描 述
biSize	4	本结构所占用的字节数大小，
biWidth	4	BMP图像的宽度，单位像素
biHeight	4	BMP图像的高度，单位像素
biPlanes	2	总为1，目标设备的级别
biBitCount	2	BMP图像的色深，即一个像素用多少位表示，常见有1、4、8、16、24和32，分别对应单色、16色、256色、16位高彩色、24位真彩色和32位增强型真彩色
biCompression	4	说明图象数据压缩的类型，其中：  BI_RGB：没有压缩 BI_RLE8：每个象素8比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成(重复象素计数和颜色索引)； BI_RLE4：每个象素4比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成 BI_BITFIELDS：每个象素的比特由指定的掩码决定。 BI_JPEG：JPEG格式
biSizeImage	4	BMP图像数据大小，必须是4的倍数，图像数据大小不是4的倍数时用0填充补足，若BI_RGB格式时即未压缩，可设置为0
biXPelsPerMeter	4	水平分辨率，单位像素/m
biYPelsPerMeter	4	垂直分辨率，单位像素/m
biClrUsed	4	BMP图像使用的颜色，0表示使用全部颜色，对于256色位图来说，此值为100h=256
biClrImportant	4	重要的颜色数，此值为0时所有颜色都重要，对于使用调色板的BMP图像来说，当显卡不能够显示所有颜色时，此值将辅助驱动程序显示颜色

在图2中，第一行的e,f对应列的28和00代表biSize的数值，40个字节，其他的以此类推。

在本图片中

biSize=40

biWidth=256

biPlanes=1

biBitCount=8

biCompression=0

biSizeImage=0

biXPelsPerMeter=0x000B12

biYPelsPerMeter=0x000B12

biClrUsed=0

biClrImportant=0

注意：windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数，不足的以0填充，一个扫描行所占字节数计算方法如下

DataSizePerLine=(biWidth*biBitCount+31)/8(这里是+31是非常聪明的一种写法，保证每行必须有四个字节而且能被4整除)。

 

3、调色板

那么究竟调色板是什么东西？有什么用？为什么我们这种图片不带调试板呢？

我们先来说说三元色RGB概念。我们知道，自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝（R，G，B）组合而成。有的颜色含有红色成分多一些，如深红；有的含有红色成分少一些，如浅红。针对含有红色成分的多少，可以分成0到255共256个等级，0级表示不含红色成分；255级表示含有100%的红色成分。同样，绿色和蓝色也被分成256级。这种分级概念称为量化。

表1.1 常见颜色的RGB组合值

 

当一幅图中每个象素赋予不同的RGB值时，能呈现出五彩缤纷的颜色了，这样就形成了彩色图。

让我们举例说明什么是调色板？为什么需要调色板？

       有一个长宽各为200个象素，颜色数为16色的彩色图，每一个象素都用R、G、B三个分量表示。因为每个分量有256个级别，要用8位（bit），即一个字节（byte）来表示，所以每个象素需要用3个字节。整个图象要用200×200×3，约120k字节，可不是一个小数目呀！如果我们用下面的方法，就能省的多。

因为是一个16色图，也就是说这幅图中最多只有16种颜色，我们可以用一个表：表中的每一行记录一种颜色的R、G、B值。这样当我们表示一个象素的颜色时，只需要指出该颜色是在第几行，即该颜色在表中的索引值。举个例子，如果表的第0行为255，0，0（红色），那么当某个象素为红色时，只需要标明0即可。

让我们再来计算一下：16种状态可以用4位（bit）表示，所以一个象素要用半个字节。整个图象要用200×200×0.5，约20k字节，再加上表占用的字节为3×16=48字节.整个占用的字节数约为前面的1/6，省很多吧？

这张R、G、B的表，就是我们常说的调色板（Palette），另一种叫法是颜色查找表LUT(Look Up Table），似乎更确切一些。调色板在windows里的结构定义如下：

typedef structtagPALETTEENTRY { // pe
    BYTE peRed;
    BYTE peGreen;
    BYTE peBlue;
    BYTE peFlags;
} PALETTEENTRY;

表1.2 tagRGBTRIPLE结构

字 段 名	大小（单位：字节）	描 述
rgbBlue	1	蓝色值
rgbGreen	1	绿色值
rgbRed	1	红色值
rgbReserved	1	保留，总为0

 

调色板中RGBQUAD结构的个数由bitBitCount来确定，当等于1.4.8时候，分别有2,16,256个表项；当bitBit=24,没有颜色表项。

这是因为当BMP是24位真彩色的BMP，它的颜色数高达256×256×256种，也就是说包含我们上述提到的R、G、B颜色表示方法中所有的颜色。真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色，而是说它具有显示所有颜色的能力，即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时，每个象素直接用R、G、B三个分量字节表示，而不采用调色板技术。原因很明显：如果用调色板，表示一个象素也要用24位，这是因为每种颜色的索引要用24位（因为总共有256×256×256种颜色，即调色板256×256×256行），和直接用R，G，B三个分量表示用的字节数一样，不但没有任何便宜，还要加上一个256×256×256×3个字节的大调色板。所以真彩色图直接用R、G、B三个分量表示，它又叫做24位色图。

这么看来BMP文件不能一概而论了，其是否用调色板或者是RGB掩码，位图数据中的数据的真正含义直接与biBitCount 有关，不同类型的位图，其中的设计原理也不同，下面对此作一个对比：

通过计算得出bfOffBits为0x000436=1078，而sizeof（BITMAPFILEHEADER ）+sizeof（BITMAPINFOHEADER）=14+40=54（bite）

剩下的就是1078-54=1024，说明该结构是有调色版的，调色版的字节数为1024。根据以上分析我们可以得到biBitCount代表有256种颜色，而每个tagRGBTRIPLE结构是4个字节，则256*4=1024，这样就对应了起来。

4、位图数据
      如果图像是1、4和8位色，则紧跟着调色板的是位图数据，位图数据是指向调色板的索引序号。

如果位图是16位、24位和32位色，则图像文件中不保留调色板，即不存在调色板，图像的颜色直接在位图数据中给出。

16位图像使用2字节保存颜色值，常见有两种格式：5位红5位绿5位蓝和5位红6位绿5位蓝，即555格式和565格式。555格式只使用了15 位，最后一位保留，设为0。

24位图像使用3字节保存颜色值，每一个字节代表一种颜色，按红、绿、蓝排列。

32位图像使用4字节保存颜色值，每一个字节代表一种颜色，除了原来的红、绿、蓝，还有Alpha通道，即透明色。

如果图像带有调色板，则位图数据可以根据需要选择压缩与不压缩，如果选择压缩，则根据BMP图像是16色或256色，采用RLE4或RLE8压缩算法压缩。

二、编程实现

参考链接

1、http://blog.csdn.net/lanbing510/article/details/8176231

2、http://www.cnblogs.com/tiandsp/archive/2012/10/22/2734552.html

3、http://www.cnblogs.com/lzlsky/archive/2012/08/16/2641698.html

4、http://blog.csdn.net/lanbing510/article/details/8176231

5、VisualC++ 数字图像处理典型案例详解 机械工业出版社        沈晶、刘海波等著