图像编程学习笔记1——bmp文件结构处理与显示
文本内容转载自《数字图像处理编程入门》,代码为自己实现
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2biBitCount。
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2biBitCount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
- /**
- * 程序名: WorkBmp.cpp
- * 功 能: 读取和显示24位BMP图像,并把图像数据输入到ImageData.txt中
- * 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
- * bmp文件放到工程目录下
- */
- #include <iostream.h>
- #include <stdio.h>
- #include <windows.h>
- #include <fstream.h>
- int biWidth; //图像宽
- int biHeight; //图像高
- int biBitCount; //图像类型,每像素位数
- //RGBQUAD *pColorTable; //颜色表指针
- unsigned char *pBmpBuf; //存储图像数据
- int lineByte; //图像数据每行字节数
- /**
- * 函数名: readBmp
- * 参 数: bmpName -- bmp文件名
- * 功 能: 读入bmp文件,并获取相应的信息
- */
- bool readBmp(char *bmpName)
- {
- FILE *fp;
- if( (fp = fopen(bmpName,"rb")) == NULL) //以二进制的方式打开文件
- {
- cout<<"The file "<<bmpName<<"was not opened"<<endl;
- return FALSE;
- }
- if(fseek(fp,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_CUR)) //跳过BITMAPFILEHEADE
- {
- cout<<"跳转失败"<<endl;
- return FALSE;
- }
- BITMAPINFOHEADER infoHead;
- 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
- biWidth = infoHead.biWidth;
- biHeight = infoHead.biHeight;
- biBitCount = infoHead.biBitCount;
- lineByte = (biWidth*biBitCount/8+3)/4*4; //lineByte必须为4的倍数
- //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
- pBmpBuf = new unsigned char[lineByte * biHeight];
- fread(pBmpBuf,sizeof(char),lineByte * biHeight,fp);
- fclose(fp); //关闭文件
- return TRUE;
- }
- /**
- * 函数名: saveBmp
- * 参 数: bmpName -- bmp文件名
- * 功 能: 将bmp位图文件的相关信息,写入新创建的文件中
- */
- bool saveBmp(char *bmpName)
- {
- FILE *fp;
- if( (fp = fopen(bmpName,"wb") )== NULL) //以二进制写入方式打开
- {
- cout<<"打开失败!"<<endl;
- return FALSE;
- }
- //设置BITMAPFILEHEADER参数
- BITMAPFILEHEADER fileHead;
- fileHead.bfType = 0x4D42;
- fileHead.bfSize = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + lineByte * biHeight;
- fileHead.bfReserved1 = 0;
- fileHead.bfReserved2 = 0;
- fileHead.bfOffBits = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER);
- fwrite(&fileHead,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp);
- //设置BITMAPINFOHEADER参数
- BITMAPINFOHEADER infoHead;
- infoHead.biSize = 40;
- infoHead.biWidth = biWidth;
- infoHead.biHeight = biHeight;
- infoHead.biPlanes = 1;
- infoHead.biBitCount = biBitCount;
- infoHead.biCompression = BI_RGB;
- infoHead.biSizeImage = lineByte * biHeight;
- infoHead.biXPelsPerMeter = 0;
- infoHead.biYPelsPerMeter = 0;
- infoHead.biClrUsed = 0;
- infoHead.biClrImportant = 0;
- //写入
- fwrite(&infoHead,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);
- fwrite(pBmpBuf,sizeof(char),lineByte * biHeight,fp);
- fclose(fp); //关闭文件
- return TRUE;
- }
- /**
- * 函数名: work
- * 功 能: 处理位图信息,并将位图数据保存到ImageData文件中
- */
- void work()
- {
- char readFileName[] = "nv.BMP"; //定义要读入的文件名
- if(FALSE == readBmp(readFileName))
- cout<<"readfile error!"<<endl;
- //输出图像的信息
- cout<<"Width = "<<biWidth<<" Height = "<<biHeight<<" biBitCount="<<biBitCount<<endl;
- ofstream outfile("ImageData.txt",ios::in | ios::trunc);
- if(!outfile)
- {
- cout<<"open error"<<endl;
- return ;
- }
- int count = 0;
- //图像数据信息是从左下角按行开始存储的
- for(int i = 0; i < biHeight; i++ )
- {
- for(int j = 0; j < biWidth; j++ )
- {
- for(int k = 0; k < 3; k++ )
- {
- int temp = *(pBmpBuf + i * lineByte + j + k);
- count++;
- outfile<<temp<<" ";
- if(count % 8 == 0)
- {
- outfile<<endl;
- }
- }
- }
- }
- cout<<"总的像素数:"<<count / 3<<endl;
- char writeBmpName[] = "nvcpy.BMP";
- saveBmp(writeBmpName);
- delete []pBmpBuf; //释放内存
- }
- int main()
- {
- work();
- return 0;
- }
- from:http://blog.csdn.net/sun1956/article/details/8648460
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