1. 摘要
??BMP是英文Bitmap（位圖）的簡(jiǎn)寫鹏倘，它是Windows操作系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像文件格式，能夠被多種Windows應(yīng)用程序所支持。BMP圖像文件是Windows采用的圖形文件格式撮竿，在Windows環(huán)境下運(yùn)行的所有圖象處理軟件都支持BMP圖象文件格式吮便。Windows系統(tǒng)內(nèi)部各圖像繪制操作都是以BMP為基礎(chǔ)的。
??本實(shí)驗(yàn)將會(huì)對(duì)BMP位圖的文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析倚聚，并實(shí)現(xiàn)BMP位圖的讀取线衫、顯示和保存。
??關(guān)鍵詞：BMP位圖文件結(jié)構(gòu)分析惑折、BMP位圖的讀取授账、BMP位圖的保存、BMP位圖的顯示
2. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與相關(guān)平臺(tái)
2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
對(duì)BMP位圖的文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析
編寫程序惨驶，實(shí)現(xiàn)對(duì)24位彩色位圖進(jìn)行讀取白热、顯示、保存操作
2.2 實(shí)驗(yàn)的相關(guān)平臺(tái)與工具
??Notepad++（用于分析BMP圖像的文件結(jié)構(gòu)）粗卜、Vs code屋确、C++
3. BMP位圖文件結(jié)構(gòu)分析
??在本節(jié)中，我們將要對(duì)BMP位圖的文件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析续扔。在此之前攻臀，我們需要事先了解兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
在BMP文件中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用小端方式(little endian)纱昧，即“低地址存放低位數(shù)據(jù)刨啸，高地址存放高位數(shù)據(jù)”。
以下所有分析均以字節(jié)為單位進(jìn)行识脆。
3.1位圖的文件結(jié)構(gòu)
??位圖的文件結(jié)構(gòu)如表3-1所示设联，位圖的數(shù)據(jù)包括四項(xiàng)，分別是：位圖文件頭灼捂、位圖信息頭离例、調(diào)色板和位圖數(shù)據(jù)。
??表3-1 位圖的文件格式：
| 位圖文件頭BITMAPFILEHEADER |
|---|
| 位圖信息頭BITMAPINFOHEADER |
| 調(diào)色板Palette |
| 位圖數(shù)據(jù)ImageData |
3.2 位圖的文件頭分析
??位圖文件頭主要用于識(shí)別位圖文件悉稠，以及記錄文件的大小宫蛆、位圖數(shù)據(jù)位置等信息，共占14個(gè)字節(jié)偎球。圖3-2是位圖文件頭結(jié)構(gòu)的定義洒扎，位圖文件頭的字段含義如表3-3所示。
??表3-3 位圖頭文件的字段以及含義：
| 字段 | 字節(jié)數(shù) | 含義 |
|---|---|---|
| bfType | 2 | 聲明位圖文件的類型衰絮，該值必須為0x4D42袍冷，即字符'BM'。表示這是Windows支持的位圖格式猫牡。 【注】該值也可以設(shè)置位’BA’,’CI’,’CP’等不同格式胡诗，但由于因?yàn)镺S/2系統(tǒng)并沒有被普及開。因此在編程時(shí)，只需判斷第一個(gè)標(biāo)識(shí)為否為“BM”即可煌恢。 |
| bfSize | 4 | 聲明BMP文件的大小骇陈，單位是字節(jié) |
| bfReserved1 | 2 | 保留字段，必須設(shè)置為0 |
| bfReserved2 | 2 | 保留字段瑰抵，必須設(shè)置為0 |
| bfOffBits | 4 | 聲明從文件頭開始到實(shí)際的圖象數(shù)據(jù)之間的字節(jié)的偏移量你雌，可以用這個(gè)偏移值迅速的從文件中讀取到位數(shù)據(jù)。 |
??用Notepad++打開BMP圖像文件“l(fā)ena-單色位.bmp”二汛，如下圖3-4所示婿崭。可見紅框1中肴颊，第1-2字節(jié)數(shù)據(jù)為0x4d42氓栈，為BMP位圖的固定標(biāo)識(shí)。在紅框2中婿着，第3-6字節(jié)數(shù)據(jù)為0x00008d8e授瘦，表示36238字節(jié)，可見該值與在Window資源管理器中查看文件屬性中的圖片大小的是一致的竟宋。
??在紅框3中提完，此處的數(shù)據(jù)為0x0000003e，表示62字節(jié)丘侠，表示位圖數(shù)據(jù)位于從文件開始往后數(shù)的62字節(jié)處氯葬。
3.3 位圖的信息頭分析
??BITMAPINFO段由兩部分組成：BITMAPINFOHEADER結(jié)構(gòu)體和RGBQUAD結(jié)構(gòu)體，其中的BITMAPINFOHEADER結(jié)構(gòu)體表示位圖信息頭婉陷。同樣地，Windows為位圖信息頭定義了如下結(jié)構(gòu)體官研，如下圖3-5所示秽澳。位圖信息頭的字段含義如下表3-6所示。
??表3-6 位圖信息頭的字段以及含義：
| 字段 | 占字節(jié)數(shù) | 含義 |
|---|---|---|
| biSize | 4 | 聲明BITMAPINFOHEADER占用的字節(jié)數(shù) |
| biWidth | 4 | 聲明圖片的寬度戏羽，單位是像素 |
| biHeight | 4 | 聲明圖片的高度担神，單位是像素 |
| biPlanes | 2 | 聲明目標(biāo)設(shè)備說(shuō)明位面數(shù)，其值將總是被設(shè)為1 |
| biBitCount | 2 | 聲明單位像素的位數(shù)始花，表示Bmp圖像的顏色位數(shù)妄讯，如24位圖，32位圖 |
| biCompression | 4 | 聲明圖像壓縮屬性酷宵，由于bmp圖片是不壓縮亥贸，該值等于0 |
| biSizeImage | 4 | 聲明Bmp圖像數(shù)據(jù)區(qū)的大小 |
| biXPelsPerMeter | 4 | 聲明圖像的水平分辨率 |
| biYPelsPerMeter | 4 | 聲明圖像的垂直分辨率 |
| biClrUsed | 4 | 聲明使用了顏色索引表的數(shù)量 |
| biClrImportant | 4 | 聲明重要的顏色的數(shù)量，等于0時(shí)表示所有顏色都很重要 |
??繼續(xù)用Notepad++分析BMP圖像的文件結(jié)構(gòu)浇垦，如下圖3-7所示炕置。可見紅框1所示的數(shù)據(jù)為biSize字段，它的值為0x00000028=40朴摊，表示位圖信息頭的大小為40字節(jié)。紅框2與3所示的數(shù)據(jù)表示圖像的寬度與高度甚纲，對(duì)應(yīng)的值為0x0000 021b = 539像素介杆，0x0000 0214 = 532像素鹃操。
??紅框4處表示圖像的位深度，因?yàn)檫@是一張黑白圖像这溅，所以位深度為1组民。
??若打開的是24位深度的圖片，可見該字段的值為0x0018悲靴，代表顏色深度為24臭胜，如下圖3-8所示。
??繼續(xù)分析文件癞尚，如下圖3-9所示耸三。紅框5處聲明了BMP圖像的數(shù)據(jù)區(qū)大小，即0x00008d50 = 36176字節(jié)浇揩。紅框6處定義了圖像的水平分辨率和垂直分辨率仪壮。
??紅框7處定義了使用彩色表的索引值的數(shù)量，當(dāng)該值為0時(shí)胳徽，表示使用所有調(diào)色板項(xiàng)积锅。
3.4 調(diào)色板分析
??調(diào)色板一般是針對(duì)16位以下的圖像設(shè)置的，對(duì)于16位及以上的BMP格式圖像养盗，其位圖像素?cái)?shù)據(jù)是直接對(duì)應(yīng)像素的RGB顏色值進(jìn)行描述缚陷，因此省去了調(diào)色板。對(duì)于16位以下的BMP格式圖像往核，其位圖像素?cái)?shù)據(jù)中記錄的是調(diào)色板的索引值箫爷。調(diào)色板的作用是，當(dāng)圖像的位深度值比較小時(shí)聂儒，通過(guò)調(diào)色板記錄所有的顏色值虎锚，而位圖數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)調(diào)色板的索引項(xiàng)，因此達(dá)到節(jié)省存儲(chǔ)空間的效果衩婚。
??調(diào)色板的數(shù)據(jù)由RGBQUAD結(jié)構(gòu)體項(xiàng)組成窜护，該結(jié)構(gòu)體由4個(gè)字節(jié)型數(shù)據(jù)組成，所以一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)體只占用4字節(jié)空間非春，從左到右每個(gè)字節(jié)依次表示(藍(lán)色柄慰，綠色鳍悠，紅色，未使用)坐搔。調(diào)色板的結(jié)構(gòu)體定義如下圖3-10所示：
??分析圖像的第55-62個(gè)字節(jié)藏研，該處聲明的是圖像的彩色表項(xiàng)，由于現(xiàn)在使用的圖像是單色圖概行，只有黑白兩種顏色蠢挡，所以調(diào)色板中也只有兩項(xiàng)，對(duì)應(yīng)著黑色和白色凳忙。如下圖3-11所示业踏。
??接下來(lái)，我們看一下位深度大于16位的BMP圖像的調(diào)色板涧卵。
??我們用Notepad++打開一張位深度為24的BMP圖像勤家，如下圖3-12所示。紅框1處為位圖文件頭的bfOffBits字段柳恐，值為54字節(jié)伐脖，表示從文件頭起始到位圖數(shù)據(jù)之間的字節(jié)的偏移量54字節(jié)。
??紅框2處的字段為位圖信息頭的biSize字段乐设，值為40字節(jié)讼庇。觀察兩組數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，位圖的文件頭固定為14字節(jié)近尚，加上信息頭的40字節(jié)因此總字節(jié)數(shù)為54字節(jié)蠕啄，正等于bfOffBits字段的偏移量「甓停可以由此得知歼跟，24位位深度的BMP圖像沒有調(diào)色板數(shù)據(jù)。
1.3 位圖數(shù)據(jù)分析
??位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖每一個(gè)像素的像素值格遭，存儲(chǔ)的順序是在掃描行內(nèi)是從左到右嘹承，掃描行之間是從下到上。根據(jù)不同的位圖如庭，位圖數(shù)據(jù)所占據(jù)的字節(jié)數(shù)也是不同的。比如撼港，對(duì)于24位的位圖坪它，每三個(gè)字節(jié)表示一個(gè)像素。對(duì)于本案例中的單色圖帝牡，一個(gè)字節(jié)則可以對(duì)應(yīng)八個(gè)像素點(diǎn)的像素值往毡。
??根據(jù)圖像提供的位圖數(shù)據(jù)，可以得知每個(gè)像素點(diǎn)的值靶溜，以此繪制圖像开瞭。
??如下圖3-13所示懒震，位圖數(shù)據(jù)共有36176字節(jié)，位圖文件頭與位圖信息頭共54字節(jié)嗤详，再加上彩色表的兩個(gè)索引項(xiàng)共8個(gè)字節(jié)个扰，可以得知該圖像共36238字節(jié)。此數(shù)據(jù)與用Window資源管理器直接查看圖像的大小一致葱色。
??在位圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取過(guò)程中递宅，有一點(diǎn)需要特別注意：BMP存儲(chǔ)格式要求每行的字節(jié)數(shù)必須是4的倍數(shù)。若某行的字節(jié)數(shù)不是4的倍數(shù)苍狰，需要額外添加字符‘0’湊夠到4的倍數(shù)办龄。在對(duì)位圖數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫時(shí)，這一點(diǎn)需要特別留意淋昭，否則無(wú)法對(duì)位圖圖像進(jìn)行正確的讀寫俐填。
4. 使用C++實(shí)現(xiàn)對(duì)位圖文件的讀寫、顯示
??在本小節(jié)中，將會(huì)用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)24位位圖文件的讀寫，顯示操作沪铭。
??本程序定義了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體ImgInfo悬秉，里面包含了位圖文件頭BITMAPFILEHEADER、位圖信息頭BITMAPINFOHEADER排嫌，還有一個(gè)二維數(shù)組imgData，用于存放像素值信息。如下圖4-1所示撩银，加入二維數(shù)組imgData字段的好處是可以使用二維數(shù)組更方便地對(duì)圖像的像素點(diǎn)進(jìn)行操作。
??在程序的主函數(shù)中豺憔，調(diào)用了readBitmap额获、showBitmap、saveBitmap三個(gè)函數(shù)恭应，實(shí)現(xiàn)對(duì)BMP圖像的讀取抄邀、顯示、保存操作昼榛，如圖4-2所示境肾。
4.1 位圖文件的讀取
??位圖文件讀取主要由程序中的readBitmap函數(shù)實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵代碼如下圖4-3所示胆屿，通過(guò)使用fread函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)位圖文件頭與位圖信息頭的讀取奥喻。
??在下圖4-4中，通過(guò)fseek函數(shù)與位圖文件頭的bfOffBits字段非迹，對(duì)圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行定位环鲤，以此來(lái)讀取像素?cái)?shù)據(jù)信息，并存放到二維數(shù)組中憎兽。
??注意藍(lán)色框中的代碼冷离，由于BMP位圖采用4字節(jié)對(duì)齊的存儲(chǔ)機(jī)制吵冒，可能會(huì)存在一些無(wú)意義的填充數(shù)據(jù)，因此我們?cè)谧x取數(shù)據(jù)時(shí)必須將他們排除西剥。
4.2在控制臺(tái)上顯示位圖圖像
??在控制臺(tái)上顯示位圖圖像痹栖，主要由程序中的showBitmap函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
??根據(jù)結(jié)構(gòu)體ImgInfo中的imgData字段蔫耽，我們可以很輕易地獲取圖像的像素值信息结耀，并使用SetPixel函數(shù)將像素值顯示在控制臺(tái)特定的位置，這部分的關(guān)鍵代碼如下圖4-5所示匙铡。
??需要注意的是图甜，BMP位圖的像素?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)方式是行內(nèi)從左到右，行間從下到上（即第一個(gè)數(shù)據(jù)存放的是圖像左下角的像素信息鳖眼，最后一個(gè)數(shù)據(jù)存放的是圖像右上角的像素信息）黑毅，因此在編程時(shí)需要考慮清楚像素點(diǎn)與其圖像實(shí)際的坐標(biāo)位置。
4.3 位圖文件的保存
??位圖文件的保存钦讳，主要在程序中的saveBitmap函數(shù)中實(shí)現(xiàn)矿瘦，如下圖4-6所示。與位圖文件的讀取類似愿卒，按照BMP位圖的文件結(jié)構(gòu)缚去，先使用fwrite函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)位圖文件頭和位圖信息頭的寫入，再遍歷像素點(diǎn)信息將像素值寫入文件中琼开。
??同樣地易结，位圖的像素信息存取采用4字節(jié)對(duì)齊的方式，在寫入每一行位圖數(shù)據(jù)后且字節(jié)長(zhǎng)度不足4的倍數(shù)時(shí)柜候，需要填充’0’字符搞动。
4.4實(shí)驗(yàn)效果
??如下圖4-7所示，在運(yùn)行程序后渣刷，將圖像數(shù)據(jù)讀出鹦肿，然后在控制臺(tái)上顯示圖像，最后將圖像保存到本地辅柴。
5.總結(jié)
位圖的文件結(jié)構(gòu)包括四項(xiàng)箩溃，分別是：位圖文件頭、位圖信息頭碌嘀、調(diào)色板和位圖數(shù)據(jù)涣旨。
位圖文件頭存放位圖文件的大小、位圖數(shù)據(jù)位置等信息筏餐。
位圖信息圖存放位圖文件的寬高、圖像位深度牡拇、水平/垂直分辨率魁瞪、位圖數(shù)據(jù)大小等等關(guān)鍵信息穆律。
調(diào)色板一般是針對(duì)16位以下的圖像設(shè)置的，對(duì)于16位及以上的BMP格式圖像导俘，其位圖像素?cái)?shù)據(jù)是直接對(duì)應(yīng)像素的RGB顏色值進(jìn)行描述峦耘。
位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖每一個(gè)像素的像素值，存儲(chǔ)的順序是在掃描行內(nèi)是從左到右旅薄，掃描行之間是從下到上辅髓，并要求每行的字節(jié)數(shù)必須是4的倍數(shù)。
6. 參考文章
[1] 百度百科--Bitmap位圖.https://baike.baidu.com/item/Bitmap/6493270?fr=aladdin
[2] Bitmap 圖片格式并用 C++ 讀寫 Bitmap.
https://blog.csdn.net/weixin_34208185/article/details/86257499
[3] BMP格式詳解.https://blog.csdn.net/gwwgle/article/details/4775396
[4] Bitmap每行4字節(jié)對(duì)齊.https://blog.csdn.net/a_flying_bird/article/details/50585146
7.附--完整代碼
// ImgOpt.cpp : 此文件包含 "main" 函數(shù)少梁。程序執(zhí)行將在此處開始并結(jié)束洛口。
//
#include <iostream>
#include <Windows.h>
#include <malloc.h>
#include <vector>
using namespace std;
string imgPath = "C:/Users/ZXX-PC/Desktop/lena-24位.bmp";
string saveImgPath = "C:/Users/ZXX-PC/Desktop/lena-24位-save.bmp";
//自定義了一個(gè)ImgInfo的結(jié)構(gòu)體，包含BMP文件頭凯沪、BMP信息頭和像素點(diǎn)的RGB值第焰。
//目前只支持24位圖像的讀取和顯示
typedef struct{
BITMAPFILEHEADER bf;
BITMAPINFOHEADER bi;
vector<vector<char>> imgData;
}ImgInfo;
//根據(jù)圖片路徑讀取Bmp圖像，生成ImgInfo對(duì)象
ImgInfo readBitmap(string imgPath) {
ImgInfo imgInfo;
char* buf; //定義文件讀取緩沖區(qū)
char* p;
FILE* fp;
fopen_s(&fp, imgPath.c_str(), "rb");
if (fp == NULL) {
cout << "打開文件失敗!" << endl;
exit(0);
}
fread(&imgInfo.bf, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp);
fread(&imgInfo.bi, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp);
if (imgInfo.bi.biBitCount != 24){
cout << "不支持該格式的BMP位圖妨马！" << endl;
exit(0);
}
fseek(fp, imgInfo.bf.bfOffBits, 0);
buf = (char*)malloc(imgInfo.bi.biWidth * imgInfo.bi.biHeight * 3);
fread(buf, 1, imgInfo.bi.biWidth * imgInfo.bi.biHeight * 3, fp);
p = buf;
vector<vector<char>> imgData;
for (int y = 0; y < imgInfo.bi.biHeight; y++){
for (int x = 0; x < imgInfo.bi.biWidth; x++) {
vector<char> vRGB;
vRGB.push_back(*(p++)); //blue
vRGB.push_back(*(p++)); //green
vRGB.push_back(*(p++)); //red
if (x == imgInfo.bi.biWidth - 1)
{
for (int k = 0; k < imgInfo.bi.biWidth % 4; k++) p++;
}
imgData.push_back(vRGB);
}
}
fclose(fp);
imgInfo.imgData = imgData;
return imgInfo;
}
void showBitmap(ImgInfo imgInfo) {
HWND hWindow; //窗口句柄
HDC hDc; //繪圖設(shè)備環(huán)境句柄
int yOffset = 150;
hWindow = GetForegroundWindow();
hDc = GetDC(hWindow);
int posX, posY;
for (int i = 0; i < imgInfo.imgData.size(); i++){
char blue = imgInfo.imgData.at(i).at(0);
char green = imgInfo.imgData.at(i).at(1);
char red = imgInfo.imgData.at(i).at(2);
posX = i % imgInfo.bi.biWidth;
posY = imgInfo.bi.biHeight - i / imgInfo.bi.biWidth + yOffset;
SetPixel(hDc, posX, posY, RGB(red, green, blue));
}
}
void saveBitmap(ImgInfo imgInfo) {
FILE* fpw;
fopen_s(&fpw, saveImgPath.c_str(), "wb");
fwrite(&imgInfo.bf, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fpw); //寫入文件頭
fwrite(&imgInfo.bi, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fpw); //寫入文件頭信息
int size = imgInfo.bi.biWidth * imgInfo.bi.biHeight;
for (int i = 0; i < size; i++) {
fwrite(&imgInfo.imgData.at(i).at(0), 1, 1, fpw);
fwrite(&imgInfo.imgData.at(i).at(1), 1, 1, fpw);
fwrite(&imgInfo.imgData.at(i).at(2), 1, 1, fpw);
if (i % imgInfo.bi.biWidth == imgInfo.bi.biWidth - 1) {
char ch = '0';
for (int j = 0; j < imgInfo.bi.biWidth % 4; j++) {
fwrite(&ch, 1, 1, fpw);
}
}
}
fclose(fpw);
cout << "已保存圖像至: " + saveImgPath << endl;
}
int main() {
ImgInfo imgInfo = readBitmap(imgPath);
showBitmap(imgInfo);
saveBitmap(imgInfo);
}
