西电C语言程序设计实验之位图图像文件缩放

Posted 2021-06-01 akyna-zh

位图图像文件缩放

编写一个程序，可以在命令行输入参数，完成指定文件的缩放，并存储到新文件，命令行参数如下：

zoom file1.bmp 200 file2.bmp

第一个参数为可执行程序名称，第二个参数为原始图像文件名，第三个参数为缩放比例（百分比），第四个参数为新文件名。

声明：

由于window上主要是24位图和256色8位图居多，所以这里的程序只编写了针对于这两种图片的算法，如果想实现其他位图的缩放，也很简单，只需要在一些位置进行对应的修改。

算法分析：

1.最邻近插值算法

很简单，就是对新图中的每一个点（X,Y），通过压缩比例pzoom可以对应的找到原图所在点（x,y）的大致位置，然后对应字节拷贝过去即可。

2.双线性插值算法

较第一种方法准确一点的算法，大概就是对新图中的每一个点，通过压缩比例pzoom可以对应的找到原图对应的x1,y1，然后可以进一步获得邻近的x2=x1+1和y2=y1+1，由着四个值可以确定4个原图的点。然后根据权值思想先进行水平方向的插值找到两个点，后对这两点在竖直方向进行插值即可找到结果，再把对应字节拷贝过去即可。

图片解释：
水平方向插值：
竖直方向插值：

知道这两个算法后就事半功倍了：

程序运行过程分析：

1.定义bmp图片结构

这个需要先了解bmp图片四大件：文件头，信息头，调色板，位图数据，如果是24位则没有调色板。

先单独读取bmp图片文本标识符0x4d42,这个只能单独读取，读取文件头时不包含它，应该去掉或者注释掉。如下文件头结构所示：

文件头：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
	//unsigned short bfType;	  // 保存图片类型，读取时需要注释掉，文本标识符只能单独进行读写
    unsigned int   bfSize;        // 文件大小
    unsigned short bfReserved1;   // 保留，设置为0
    unsigned short bfReserved2;   // 保留，设置为0
    unsigned int   bfOffBits;     // 从文件头到实际的图像数据之间的字节的偏移量(没调色板的话是54)
}BITMAPFILEHEADER;

信息头：

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {
    unsigned int    biSize;          // 此结构体的大小
    unsigned int    biWidth;         // 图像的宽
    unsigned int    biHeight;        // 图像的高
    unsigned short  biPlanes;        // 颜色平面数 恒为1
    unsigned short  biBitCount;      // 一像素所占的位数 Windows系统有8,16,24 
    unsigned int    biCompression;   // 说明图象数据压缩的类型，0为不压缩
    unsigned int    biSizeImage;     // 图像大小, 值等于上面文件头结构中bfSize-bfOffBits
    int             biXPelsPerMeter; // 说明水平分辨率，用像素/米表示 一般为0 
    int             biYPelsPerMeter; // 说明垂直分辨率，用像素/米表示 一般为0 
    unsigned int    biClrUsed;       // 说明位图实际使用的彩色表中的颜色索引数（设为0的话，则说明使用所有调色板项）
    unsigned int    biClrImportant;  // 说明对图象显示有重要影响的颜色索引的数目 如果是0表示都重要
}BITMAPINFOHEADER;

调色板：

typedef struct tagRGBQUAND{
	unsigned char r;
	unsigned char g;
	unsigned char b;
	unsigned char rgbReserved;
}RGBQUAND;

位图数据则是一个一个的字节了，无需定义结构体，后面直接读取即可。

2.读取图片信息

//读取原图信息
	BITMAPFILEHEADER fileHeader;	// 原图文件头
	BITMAPINFOHEADER infoHeader;	// 原图消息头 
	fread(&fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp1);
	fread(&infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp1);
	int byte = infoHeader.biBitCount / 8;//每个像素的字节数 
	RGBQUAND *palette = (RGBQUAND*)malloc((int)pow(2, infoHeader.biBitCount) * 4);//分配调色板空间 
	if(infoHeader.biBitCount != 24)//如果是24位图的没有调色板 
		fread(palette, sizeof(RGBQUAND), (int)pow(2, infoHeader.biBitCount), fp1);

3.得到原图宽高和修改后的宽高

这里有一点特别值得注意的就是图像长或宽必须是4的倍数，如果不满足就会导致图像显示不出来。

	unsigned int oldWidth, oldHeight, newWidth, newHeight;
	oldWidth = infoHeader.biWidth;
	oldHeight = infoHeader.biHeight;
	printf("Oldphoto's height:%d\\n", oldHeight);
	printf("Oldphoto's width:%d\\n", oldWidth);
	//图像显示不出来原因在于图像长或宽不是4的倍数 下面这一步可以保证得到的宽高是4的倍数
	newHeight = ((int)(oldHeight * pzoom) + 3) / 4 * 4;
	newWidth = ((int)(oldWidth * pzoom) + 3) / 4 * 4;
	printf("Newphoto's height:%d\\n", newHeight);
	printf("Newphoto's width:%d\\n", newWidth);
	unsigned int oldsize = oldWidth * oldHeight * byte, newsize = newWidth * newHeight * byte;

4.获取原图位图数据

这里需要先让文件指针指向位图数据开始的字节（54），如果有调色板需要加上分配调色板所需要的空间。

	//获取原图位图数据
	unsigned char *sourceData = (unsigned char*)malloc(oldsize);
	if(infoHeader.biBitCount == 24){//无调色板时 
		fseek(fp1, 54, SEEK_SET);//文件指针指向文件的第54个字节 
		fread(sourceData, oldsize, 1, fp1); 
	}else if(infoHeader.biBitCount == 8){//有调色板是要加上分配调色板所需要的空间 
		fseek(fp1, 1078, SEEK_SET);//文件指针指向文件的第54+2^8*4=1078个字节 
		fread(sourceData, oldsize, 1, fp1); 
	}

5.修改两个header的数据并把修改后的header(及调色板信息)写入新图片中

	//修改两个header的数据并把修改后的header(及调色板信息)写入新图片中 
	infoHeader.biWidth = newWidth;
	infoHeader.biHeight = newHeight;
	if(infoHeader.biBitCount == 24){
		fileHeader.bfSize = 54 + newsize;
		infoHeader.biSizeImage = newsize;
	}else if(infoHeader.biBitCount == 8){
		fileHeader.bfSize = 1078 + newsize;
		infoHeader.biSizeImage = newsize;
	}	 
	fwrite(&fileType, sizeof(unsigned short), 1, fp2);
	fwrite(&fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp2);
	fwrite(&infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp2);
	if(infoHeader.biBitCount!=24)	fwrite(palette,sizeof(RGBQUAND),pow(2,infoHeader.biBitCount),fp2);

6.进行图片缩放：

最邻近插值算法：

	//使用最邻近差值算法进行图片缩放 
	unsigned int x, y;						//原图所在像素点的宽高
	unsigned int X, Y; 						//新图所在像素点的宽高 
 	unsigned char *pDestination; 			//修改像素的位置（即字节偏移量） 
	unsigned char *pSource;					//获取像素的位置（即字节偏移量） 
	unsigned char *destinationData = (unsigned char*)malloc(newsize);//开好新图片的位图数据所需空间
	for(Y = 0; Y < newHeight; Y++){
		y = Y / pzoom;				
		pDestination = destinationData + Y * newWidth * byte;
		pSource = sourceData + y * oldWidth * byte;
		for(X = 0; X < newWidth; X++){
 			x = X / pzoom;
			memcpy(pDestination + X * byte, pSource + x * byte, byte);
		}
	}	

双线性插值算法：

再次提醒，由于window上主要是24bit图和256色8位图居多，所以这里的程序只编写了针对于这两种图片的算法，如果想实现其他位图的缩放，可以进行对应的修改。

关键点分析：

对于8位图的算法：

*(pDestination + X*byte) = *(pSource1 + x1*byte) * (1-p) * (1-q) +
					 	  *(pSource1 + x2*byte) * p * (1-q) +
					 	  *(pSource2 + x1*byte) * (1-p) * q + 
						  *(pSource2 + x2*byte) * p * q;

pSource1和pSource2分别对应于y1,y2高度下的两个位置，q为y1离Y/pzoom的距离，p为x1离X/pzoom的距离，对y1高度，在水平方向进行插值就是
*(pSource1+x1*byte) * (1-p)*(1-q) + *(pSource1+x2*byte) * p*(1-q)
同理：对y2高度，在水平方向进行插值：
*(pSource2 + x1*byte) * (1-p) * q + *(pSource2 + x2*byte) * p * q;
这两个东西相加就相当于在竖直方向进行插值了！

另外，由于是8位位图，这里byte=1，所以只有一个位置进行插值。
如果是24位位图，则理所应当的要在三个位置进行插值了。

//使用双线性差值法进行图片缩放	
	double p,q;
	unsigned int x1, y1, x2, y2;				//原图所在像素点的宽高
	unsigned int X, Y; 			 
 	unsigned char *pDestination; 				//修改像素的位置（即字节偏移量） 
	unsigned char *pSource1,*pSource2;			//获取像素的位置（即字节偏移量）
	unsigned char *destinationData = (unsigned char*)malloc(newsize);//开好新图片的位图数据所需空间 
	for(Y = 0; Y < newHeight; Y++){
		y1 = Y / pzoom;
		y2 = Y / pzoom + 1;
		q = Y / pzoom - y1;
		pDestination = destinationData + Y * newWidth * byte;
		pSource1 = sourceData + y1 * oldWidth * byte;
		pSource2 = sourceData + y2 * oldWidth * byte;
		for(X = 0; X < newWidth; X++){
	 		x1 = X / pzoom;
	 		x2 = X / pzoom + 1;
	 		p = X / pzoom - x1;
	 		if(byte == 3){
			*(pDestination + X*byte) = *(pSource1 + x1*byte) * (1-p) * (1-q) +
									   *(pSource1 + x2*byte) * p * (1-q) +
									   *(pSource2 + x1*byte) * (1-p) * q + 
									   *(pSource2 + x2*byte) * p * q;

			*(pDestination + X*byte+1) = *(pSource1 + x1*byte+1) * (1-p) * (1-q) + 
										 *(pSource1 + x2*byte+1) * p * (1-q) + 
										 *(pSource2 + x1*byte+1) * (1-p) * q + 
										 *(pSource2 + x2*byte+1) * p * q;
									 
			*(pDestination + X*byte+2) =*(pSource1 + x1*byte+2) * (1-p) * (1-q) + 
									 	*(pSource1 + x2*byte+2) * p * (1-q) + 
										*(pSource2 + x1*byte+2) * (1-p) * q + 
										*(pSource2 + x2*byte+2) * p * q;
			}
			else if(byte == 1){
				*(pDestination + X*byte) = *(pSource1 + x1*byte) * (1-p) * (1-q) +
										   *(pSource1 + x2*byte) * p * (1-q) +
										   *(pSource2 + x1*byte) * (1-p) * q +
										   *(pSource2 + x2*byte) * p * q;
			}
		}
	}	

7.将位图数据写入新的图片并进行后续处理

	fwrite(destinationData, newsize, 1, fp2);	
	printf("success！\\n");
	free(destinationData);
	free(sourceData);
	free(palette);
	fclose(fp1); 
	fclose(fp2);

效果显示：

24位图缩小：

缩小到原来的0.66倍

24位位图放大：

放大到原来的2.33倍：

256色8位位图缩小：

缩小到原来的一半：

256色8位位图放大：

放大到原来的1.69倍：

后记

这个操作不算难，主要就是坑点有点多，多亏了大神队友及时发现一些小问题，我们才最终顺利完成了这个项目。另外不得不说，解决问题的过程才是真正提升能力的过程。另外，需要完整源码的可以私我。

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