数字图像处理之位图在计算机中的存储结构
位图是windows中广泛应用的一种图像格式,其后缀名为.bmp.位图也称为位映射图片.
一张位图包含了许许多多的像素点,每个像素点有不同的颜色。由此构成了五彩斑斓的位图图像,
然而正是因为由像素点这一基本元素构成，所以在放大图片的时候，人眼便能够区分一个一个
的像素点,进而造成位图失真。本文主要介绍位图文件在计算机内存中的存储形式。
当然这里还要介绍两种位图:DDB,DIB
DDB(device dependent bitmap),为设备相关位图,这种位图与具体的输出设备相关。
在这种位图的结构中没有保存调色板信息。因为在输出显示时是调用系统的调色板。这
便是这种位图的局限性。
DIB(device independent bitmap),为设备无关位图。这种位图与具体的输出无关。
其结构中包含四个部分文件头,信息头,调色板,数据区域。所以下文均是介绍这种位图
的结构信息。
BMP文件由文件头，位图信息头，颜色信息和图像数据四部分组成。
这wingdi.h中对位图文件头和信息头也作了相应的结构体定义。
//对位图文件头的定义
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
WORD bfType; //位图文件的类型， 必须为BM 对应的16进制为0x4D42
DWORD bfSize; //位图文件的大小，字节单位
WORD bfReserved1; //位图文件保留字，必须为0
WORD bfReserved2; //位图文件保留字，必须为0
DWORD bfOffBits; //为从文件头到实际图像数据区域的长度，即前三个结构长度之和。
} BITMAPFILEHEADER, FAR *LPBITMAPFILEHEADER, *PBITMAPFILEHEADER;
文件头长度固定为14个字节，其中WORD占两个字节，DWORD占四个字节。
//对位图信息头的定义
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
DWORD biSize; //指定该信息头所占字节数，固定占40个字节
LONG biWidth; //位图的宽度，单位为像素
LONG biHeight; //位图的高度，单位为像素
WORD biPlanes; //目标设备的位面数，必须是1
WORD biBitCount; //每个像素所占的位数
DWORD biCompression; //位图的压缩方式，大多数情况下为0，也可能是BI_RGB
DWORD biSizeImage; //位图的大小，字节单位
LONG biXPelsPerMeter; //水平分辨率，水平每米所占像素个数
LONG biYPelsPerMeter; //垂直分辨率，垂直每米所占像素个数
DWORD biClrUsed; //指出该位图中实际使用的色彩数，若为0，则为2^biBitCount
DWORD biClrImportant; //位图显示中比较重要的颜色数,若为0，则所有颜色都是重要的。
} BITMAPINFOHEADER, FAR *LPBITMAPINFOHEADER, *PBITMAPINFOHEADER;
信息头固定长度为40个字节，其中word占两个字节，Dword和Long各占四个字节。
//对颜色表的定义(针对一个像素而定义)
typedef struct tagRGBQUAD {
BYTE rgbBlue; //该颜色的蓝色分量(0-255)
BYTE rgbGreen; //该颜色的绿色分量(0-255)
BYTE rgbRed; //该颜色的红色分量(0-255)
BYTE rgbReserved; //保留值
} RGBQUAD;
颜色表中RGBQUAD结构数据的个数有biBitCount来确定:
当biBitCount=1,4,8时，分别有2,16,256个表项;
当biBitCount=24时，没有颜色表项。
位图信息头和颜色表组成位图信息，BITMAPINFO结构定义如下:
typedef struct tagBITMAPINFO {
BITMAPINFOHEADER bmiHeader; // 位图信息头
RGBQUAD bmiColors[1]; // 颜色表
} BITMAPINFO;
// 位图数据
位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右,扫描行之间是从下到上。位图的一个像素值所占的字节数:
当biBitCount=1时，8个像素占1个字节;
当biBitCount=4时，2个像素占1个字节;
当biBitCount=8时，1个像素占1个字节;
当biBitCount=24时,1个像素占3个字节;
Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是
4的倍数(即以long为单位),不足的以0填充，
一个扫描行所占的字节数计算方法:
DataSizePerLine= (biWidth* biBitCount+31)/8;
// 一个扫描行所占的字节数
DataSizePerLine= DataSizePerLine/4*4; // 字节数必须是4的倍数
位图数据的大小(不压缩情况下):
DataSize= DataSizePerLine* biHeight;
下面用hexeditor16位编辑器对一张位图的存储结构进行说明：
上图则是对苹果位图用16位编辑器打开后的存储结构
前14个字节为位图文件头:
0-1字节:42 4D 位图类型BM
2-5字节:36 A8 05 00 位图文件大小为实际上应该0x0005A836 总共为370742个字节
6-7字节:00 00 保留字 0
8-9字节:00 00 保留字 0
10-13字节:36 00 00 00位图文件头到数据的偏移,实际上为00 00 00 36,实例偏移为54字节。
而文件头14字节，信息头40字节一共54字节。那么颜色表呢?颜色表为0.是的，颜色表为0
说明该位图使用24位真彩色，而非索引调色板。故位图信息结构中不包括调色板。
第14到53这40个字节为位图信息头:
14-17字节:28 00 00 00实际上为0x00000028=40标识该信息头结构所占字节数。
18-21字节:55 01 00 00实际上为0x00000155=341标识该位图的宽度，单位为像素
22-25字节:00 00 01 6A实际上为0x0000016A=362标识该位图的高度，单位为像素
26-27字节:01 00实际上为0x0001=1标识目标设备的位面数，强制为1
28-29字节:18 00实际上为0x0018=24标识每个像素所占的位数。因为每个像素由RGB三种
颜色分量组成，且每个分量占一个字节。而每个像素占24.故该图使用了RGB三种
分量的所有组合，为24色真彩色图像
30-33字节:00 00 00 00实际上为0，标识位图压缩类型
34-37字节:00 A8 05 00实际上为0x0005A800=1448,表示为位图大小，字节为单位
38-41字节:C4 0E 00 00实际上为0x00000EC4=3780,表示水平每米所占的像素，即水平分辨率
42-45字节:C4 0E 00 00实际上为0x00000EC4=3780,表示垂直每米所占的像素，即垂直分辨率
46-49字节:00 00 00 00表示实际使用的颜色数。若为0，则标识为真彩色位图，使用的颜色种类为2^biBitCount
50-53字节:00 00 00 00表示位图显示中比较重要的颜色数.若为0，则标识位图中所以的颜色都重要
而位图图像数据的扫描读取方式则是以从左到右，从下到上的方式进行。而本图又为24位真彩图,故每个像素
占三个字节。故每次从最后一行开始从左到右。一次性读三个字节代表一个像素的颜色数据值。
而对应非24为真色图：
当biBitCount=16时，两个字节代表一个像素点的颜色数据值。此时存在颜色表，颜色表的种类为2^16种。所以在
图像中保存此调色板，在显示位图时调用此调色板的索引值以两个字节代表一个像素点进行显示。
当biBitCount=8时，一个字节代表一个像素点的颜色数据值。此时存在颜色表，颜色表的种类为2^8=256种。所以在
图像中保存此调色板，在显示位图时调用此调色板的索引值以一个字节代表一个像素点进行显示。
当biBitCount=4时，半个字节代表一个像素点的颜色数据值。此时存在颜色表，颜色表的种类为2^4=128种。所以在
图像中保存此调色板，在显示位图时调用此调色板的索引值以半个字节代表一个像素点进行显示，即一个字节表示两个
像素点。
当biBitCount=2时，个字节代表一个像素点的颜色数据值。此时存在颜色表，颜色表的种类为2^2=4种。所以在
图像中保存此调色板，在显示位图时调用此调色板的索引值以四分之一个字节代表一个像素点进行显示，即一个字节表示
四分之一个像素点。
当biBitCount=1时，此时为灰度图像。仅黑白两种颜色。一个字节可标识八个像素点。
所以不能看出颜色深度越神，所保存的调色板越大，存储需要的内存空间越大。
至此,本文关于设备无关位图的结构已经作了详解的解释，相信读者在看完此文后对位图结构有个大致了解，
以至于在后续图像处理的应用中有所帮助。
作者水平有限，难免有错误或者不清除的地方，希望读者批评指正大家共同进步。