图像处理笔记一bmp文件结构处理与显示

Posted 2020-09-01 Aaron_L

1.1图和调色板的概念

如今Windows(3.x以及95，98，NT)系列已经成为绝大多数用户使用的操作系统，它比DOS成功的一个重要因素是它可视化的漂亮界面。那么Windows是如何显示图象的呢？这就要谈到位图(bitmap)。

我们知道，普通的显示器屏幕是由许许多多点构成的，我们称之为象素。显示时采用扫描的方法：电子枪每次从左到右扫描一行，为每个象素着色，然后从上到下这样扫描若干行，就扫过了一屏。为了防止闪烁，每秒要重复上述过程几十次。例如我们常说的屏幕分辨率为640×480，刷新频率为70Hz，意思是说每行要扫描640个象素，一共有480行，每秒重复扫描屏幕70次。

我们称这种显示器为位映象设备。所谓位映象，就是指一个二维的象素矩阵，而位图就是采用位映象方法显示和存储的图象。举个例子，图1.1是一幅普通的黑白位图，图1.2是被放大后的图，图中每个方格代表了一个象素。我们可以看到：整个骷髅就是由这样一些黑点和白点组成的。

                                                                    

1.1    骷髅                                                                            图1.2     放大后的骷髅位图

那么，彩色图是怎么回事呢？

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。

这样，根据红、绿、蓝各种不同的组合我们就能表示出256×256×256，约1600万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来说已经足够丰富了。

表1.1     常见颜色的RGB组合值

颜色	R	G	B
红	255	0	0
蓝	0	255	0
绿	0	0	255
黄	255	255	0
紫	255	0	255
青	0	255	255
白	255	255	255
黑	0	0	0
灰	128	128	128

你大概已经明白了，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。的确是这样的，但实际上的做法还有些差别。

让我们来看看下面的例子。

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 UpTable)，似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术。其实不光是Windows位图，许多图象文件格式如pcx、tif、gif等都用到了。所以很好地掌握调色板的概念是十分有用的。

有一种图，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，这种图叫做真彩色图(true color)。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2²⁴种颜色，即调色板有2²⁴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。

1.2 bmp文件格式

介绍完位图和调色板的概念，下面就让我们来看一看Windows的位图文件(.bmp文件)的格式是什么样子的。

bmp文件大体上分成四个部分，如图1.3所示。

位图文件头BITMAPFILEHEADER

位图信息头BITMAPINFOHEADER

调色板Palette

实际的位图数据ImageDate

图1.3     Windows位图文件结构示意图

第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：

typedefstruct tagBITMAPFILEHEADER {

WORD          bfType;

DWORD bfSize;

WORD          bfReserved1;

WORD          bfReserved2;

DWORDbfOffBits;

}BITMAPFILEHEADER;

这个结构的长度是固定的，为14个字节(WORD为无符号16位整数，DWORD为无符号32位整数)，各个域的说明如下：

bfType

指定文件类型，必须是0x424D，即字符串“BM”，也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是“BM”。

bfSize

指定文件大小，包括这14个字节。

bfReserved1，bfReserved2     

为保留字，不用考虑

bfOffBits

为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数，即图1.3中前三个部分的长度之和。

第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER，也是一个结构，其定义如下：

typedefstruct tagBITMAPINFOHEADER{

DWORD biSize;

LONG           biWidth;

LONG           biHeight;

WORD          biPlanes;

WORD          biBitCount

DWORD biCompression;

DWORD biSizeImage;

LONG           biXPelsPerMeter;

LONG           biYPelsPerMeter;

DWORD biClrUsed;

DWORD biClrImportant;

}BITMAPINFOHEADER;

这个结构的长度是固定的，为40个字节(LONG为32位整数)，各个域的说明如下：

biSize

指定这个结构的长度，为40。

biWidth

指定图象的宽度，单位是象素。

biHeight

指定图象的高度，单位是象素。

biPlanes

必须是1，不用考虑。

biBitCount

指定表示颜色时要用到的位数，常用的值为1(黑白二色图), 4(16色图), 8(256色), 24(真彩色图)(新的.bmp格式支持32位色，这里就不做讨论了)。

biCompression

指定位图是否压缩，有效的值为BI_RGB，BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是，Windows位图可以采用RLE4，和RLE8的压缩格式，但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况，即biCompression为BI_RGB的情况。

biSizeImage

指定实际的位图数据占用的字节数，其实也可以从以下的公式中计算出来：

biSizeImage=biWidth’ × biHeight

要注意的是：上述公式中的biWidth’必须是4的整倍数(所以不是biWidth，而是biWidth’，表示大于或等于biWidth的，最接近4的整倍数。举个例子，如果biWidth=240，则biWidth’=240；如果biWidth=241，biWidth’=244)。

如果biCompression为BI_RGB，则该项可能为零

biXPelsPerMeter

指定目标设备的水平分辨率，单位是每米的象素个数，关于分辨率的概念，我们将在第4章详细介绍。

biYPelsPerMeter

指定目标设备的垂直分辨率，单位同上。

biClrUsed

指定本图象实际用到的颜色数，如果该值为零，则用到的颜色数为2^biBitCount。

biClrImportant

指定本图象中重要的颜色数，如果该值为零，则认为所有的颜色都是重要的。

第三部分为调色板Palette，当然，这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图，如真彩色图，前面已经讲过，是不需要调色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。

调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素(如果该值为零，则有2^biBitCount个元素)。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构，占4个字节，其定义如下：

typedefstruct tagRGBQUAD {

BYTE   rgbBlue; //该颜色的蓝色分量

BYTE   rgbGreen; //该颜色的绿色分量

BYTE   rgbRed; //该颜色的红色分量

BYTE   rgbReserved; //保留值

} RGBQUAD;

第四部分就是实际的图象数据了。对于用到调色板的位图，图象数据就是该象素颜在调色板中的索引值。对于真彩色图，图象数据就是实际的R、G、B值。下面针对2色、16色、256色位图和真彩色位图分别介绍。

对于2色位图，用1位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑，1表示白)，所以一个字节可以表示8个象素。

对于16色位图，用4位可以表示一个象素的颜色，所以一个字节可以表示2个象素。

对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个象素。

对于真彩色图，三个字节才能表示1个象素，哇，好费空间呀！没办法，谁叫你想让图的颜色显得更亮丽呢，有得必有失嘛。

要注意两点：

(1)    每一行的字节数必须是4的整倍数，如果不是，则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage时已经提到了。

(2)    一般来说，.bMP文件的数据从下到上，从左到右的。也就是说，从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个象素，然后是左边第二个象素……接下来是倒数第二行左边第一个象素，左边第二个象素……依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个象素。

开发工具：vc++6.0，Win32 控制台程序

[cpp] view plain copy

1. /** 
2. * 程序名: WorkBmp.cpp 
3. * 功  能: 读取和显示24位BMP图像,并把图像数据输入到ImageData.txt中 
4. * 24位bmp可以通过画图程序中的另存为的文件类型中可以选择 
5. * bmp文件放到工程目录下 
6. */  
7. #include <iostream.h>  
8. #include <stdio.h>  
9. #include <windows.h>  
10. #include <fstream.h>  
11. int biWidth;  //图像宽  
12. int biHeight;  //图像高  
13. int biBitCount; //图像类型，每像素位数  
14. //RGBQUAD *pColorTable;  //颜色表指针  
15. unsigned char *pBmpBuf;  //存储图像数据  
16. int lineByte;         //图像数据每行字节数  
17. /** 
18. * 函数名: readBmp 
19. * 参  数: bmpName -- bmp文件名 
20. * 功  能: 读入bmp文件，并获取相应的信息 
21. */  
22. bool readBmp(char *bmpName)  
23. {  
24.     FILE *fp;  
25.     if( (fp = fopen(bmpName,"rb")) == NULL)  //以二进制的方式打开文件  
26.     {  
27.         cout<<"The file "<<bmpName<<"was not opened"<<endl;  
28.         return FALSE;  
29.     }  
30.     if(fseek(fp,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_CUR))  //跳过BITMAPFILEHEADE  
31.     {  
32.         cout<<"跳转失败"<<endl;  
33.         return FALSE;  
34.     }  
35.     BITMAPINFOHEADER infoHead;  
36.     fread(&infoHead,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);   //从fp中读取BITMAPINFOHEADER信息到infoHead中,同时fp的指针移动  
37.     biWidth = infoHead.biWidth;  
38.     biHeight = infoHead.biHeight;  
39.     biBitCount = infoHead.biBitCount;  
40.     lineByte = (biWidth*biBitCount/8+3)/4*4;   //lineByte必须为4的倍数  
41.     //24位bmp没有颜色表，所以就直接到了实际的位图数据的起始位置  
42.     pBmpBuf = new unsigned char[lineByte * biHeight];  
43.     fread(pBmpBuf,sizeof(char),lineByte * biHeight,fp);  
44.     fclose(fp);   //关闭文件  
45.     return TRUE;  
46.   
47. }  
48. /** 
49. * 函数名: saveBmp 
50. * 参  数: bmpName -- bmp文件名 
51. * 功  能: 将bmp位图文件的相关信息，写入新创建的文件中 
52. */  
53. bool saveBmp(char *bmpName)  
54. {  
55.     FILE *fp;  
56.     if( (fp = fopen(bmpName,"wb") )== NULL)   //以二进制写入方式打开  
57.     {  
58.         cout<<"打开失败!"<<endl;  
59.         return FALSE;  
60.     }  
61.     //设置BITMAPFILEHEADER参数  
62.     BITMAPFILEHEADER fileHead;  
63.     fileHead.bfType = 0x4D42;     
64.     fileHead.bfSize = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + lineByte * biHeight;  
65.     fileHead.bfReserved1 = 0;  
66.     fileHead.bfReserved2 = 0;  
67.     fileHead.bfOffBits = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER);  
68.     fwrite(&fileHead,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp);  
69.     //设置BITMAPINFOHEADER参数  
70.     BITMAPINFOHEADER infoHead;  
71.     infoHead.biSize = 40;  
72.     infoHead.biWidth = biWidth;  
73.     infoHead.biHeight = biHeight;  
74.     infoHead.biPlanes = 1;  
75.     infoHead.biBitCount = biBitCount;  
76.     infoHead.biCompression = BI_RGB;  
77.     infoHead.biSizeImage = lineByte * biHeight;  
78.     infoHead.biXPelsPerMeter = 0;  
79.     infoHead.biYPelsPerMeter = 0;  
80.     infoHead.biClrUsed = 0;  
81.     infoHead.biClrImportant = 0;  
82.     //写入  
83.     fwrite(&infoHead,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);  
84.     fwrite(pBmpBuf,sizeof(char),lineByte * biHeight,fp);  
85.     fclose(fp);    //关闭文件  
86.     return TRUE;  
87.   
88.   
89. }  
90. /** 
91. * 函数名: work 
92. * 功  能: 处理位图信息，并将位图数据保存到ImageData文件中 
93. */  
94. void work()  
95. {  
96.     char readFileName[] = "nv.BMP";   //定义要读入的文件名  
97.     if(FALSE == readBmp(readFileName))  
98.         cout<<"readfile error!"<<endl;  
99.     //输出图像的信息  
100.     cout<<"Width = "<<biWidth<<" Height = "<<biHeight<<" biBitCount="<<biBitCount<<endl;  
101.     ofstream outfile("ImageData.txt",ios::in | ios::trunc);  
102.     if(!outfile)  
103.     {  
104.         cout<<"open error"<<endl;  
105.         return ;  
106.     }  
107.     int count = 0;  
108.     //图像数据信息是从左下角按行开始存储的  
109.     for(int i = 0; i < biHeight; i++ )  
110.     {  
111.         for(int j = 0; j < biWidth; j++ )  
112.         {  
113.             for(int k = 0; k < 3; k++ )  
114.             {  
115.                 int temp = *(pBmpBuf + i * lineByte + j + k);  
116.                 count++;  
117.                 outfile<<temp<<" ";  
118.                 if(count % 8 == 0)  
119.                 {  
120.                     outfile<<endl;  
121.                 }  
122.             }  
123.         }  
124.     }  
125.     cout<<"总的像素数:"<<count / 3<<endl;  
126.   
127.     char writeBmpName[] = "nvcpy.BMP";  
128.     saveBmp(writeBmpName);  
129.     delete []pBmpBuf;  //释放内存  
130. }  
131.   
132. int main()  
133. {  
134.     work();  
135.     return 0;  
136. }