位图(BMP)文件结构分析以及使用C++实现位图的读写与显示 |
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1. 摘要
BMP是英文Bitmap(位图)的简写,它是Windows操作系统中的标准图像文件格式,能够被多种Windows应用程序所支持。BMP图像文件是Windows采用的图形文件格式,在Windows环境下运行的所有图象处理软件都支持BMP图象文件格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。 本实验将会对BMP位图的文件结构进行分析,并实现BMP位图的读取、显示和保存。 关键词:BMP位图文件结构分析、BMP位图的读取、BMP位图的保存、BMP位图的显示 2. 实验内容与相关平台 2.1 实验内容对BMP位图的文件结构进行分析 编写程序,实现对24位彩色位图进行读取、显示、保存操作 2.2 实验的相关平台与工具Notepad++(用于分析BMP图像的文件结构)、Vs code、C++ 3. BMP位图文件结构分析在本节中,我们将要对BMP位图的文件结构进行分析。在此之前,我们需要事先了解两个关键点: 在BMP文件中,数据存储采用小端方式(little endian),即“低地址存放低位数据,高地址存放高位数据”。 以下所有分析均以字节为单位进行。 3.1位图的文件结构位图的文件结构如表3-1所示,位图的数据包括四项,分别是:位图文件头、位图信息头、调色板和位图数据。 表3-1 位图的文件格式: 位图文件头BITMAPFILEHEADER 位图信息头BITMAPINFOHEADER 调色板Palette 位图数据ImageData 3.2 位图的文件头分析位图文件头主要用于识别位图文件,以及记录文件的大小、位图数据位置等信息,共占14个字节。图3-2是位图文件头结构的定义,位图文件头的字段含义如表3-3所示。 图3-2表3-3 位图头文件的字段以及含义: 字段 字节数 含义 bfType 2 声明位图文件的类型,该值必须为0x4D42,即字符'BM'。表示这是Windows支持的位图格式。 【注】该值也可以设置位’BA’,’CI’,’CP’等不同格式,但由于因为OS/2系统并没有被普及开。因此在编程时,只需判断第一个标识为否为“BM”即可。 bfSize 4 声明BMP文件的大小,单位是字节 bfReserved1 2 保留字段,必须设置为0 bfReserved2 2 保留字段,必须设置为0 bfOffBits 4 声明从文件头开始到实际的图象数据之间的字节的偏移量,可以用这个偏移值迅速的从文件中读取到位数据。用Notepad++打开BMP图像文件“lena-单色位.bmp”,如下图3-4所示。可见红框1中,第1-2字节数据为0x4d42,为BMP位图的固定标识。在红框2中,第3-6字节数据为0x00008d8e,表示36238字节,可见该值与在Window资源管理器中查看文件属性中的图片大小的是一致的。 在红框3中,此处的数据为0x0000003e,表示62字节,表示位图数据位于从文件开始往后数的62字节处。 图3-4 3.3 位图的信息头分析BITMAPINFO段由两部分组成:BITMAPINFOHEADER结构体和RGBQUAD结构体,其中的BITMAPINFOHEADER结构体表示位图信息头。同样地,Windows为位图信息头定义了如下结构体,如下图3-5所示。位图信息头的字段含义如下表3-6所示。 图3-5表3-6 位图信息头的字段以及含义: 字段 占字节数 含义 biSize 4 声明BITMAPINFOHEADER占用的字节数 biWidth 4 声明图片的宽度,单位是像素 biHeight 4 声明图片的高度,单位是像素 biPlanes 2 声明目标设备说明位面数,其值将总是被设为1 biBitCount 2 声明单位像素的位数,表示Bmp图像的颜色位数,如24位图,32位图 biCompression 4 声明图像压缩属性,由于bmp图片是不压缩,该值等于0 biSizeImage 4 声明Bmp图像数据区的大小 biXPelsPerMeter 4 声明图像的水平分辨率 biYPelsPerMeter 4 声明图像的垂直分辨率 biClrUsed 4 声明使用了颜色索引表的数量 biClrImportant 4 声明重要的颜色的数量,等于0时表示所有颜色都很重要继续用Notepad++分析BMP图像的文件结构,如下图3-7所示。可见红框1所示的数据为biSize字段,它的值为0x00000028=40,表示位图信息头的大小为40字节。红框2与3所示的数据表示图像的宽度与高度,对应的值为0x0000 021b = 539像素,0x0000 0214 = 532像素。 红框4处表示图像的位深度,因为这是一张黑白图像,所以位深度为1。 图3-7若打开的是24位深度的图片,可见该字段的值为0x0018,代表颜色深度为24,如下图3-8所示。 图3-8继续分析文件,如下图3-9所示。红框5处声明了BMP图像的数据区大小,即0x00008d50 = 36176字节。红框6处定义了图像的水平分辨率和垂直分辨率。 红框7处定义了使用彩色表的索引值的数量,当该值为0时,表示使用所有调色板项。 图3-9 3.4 调色板分析调色板一般是针对16位以下的图像设置的,对于16位及以上的BMP格式图像,其位图像素数据是直接对应像素的RGB颜色值进行描述,因此省去了调色板。对于16位以下的BMP格式图像,其位图像素数据中记录的是调色板的索引值。调色板的作用是,当图像的位深度值比较小时,通过调色板记录所有的颜色值,而位图数据则存储调色板的索引项,因此达到节省存储空间的效果。 调色板的数据由RGBQUAD结构体项组成,该结构体由4个字节型数据组成,所以一个RGBQUAD结构体只占用4字节空间,从左到右每个字节依次表示(蓝色,绿色,红色,未使用)。调色板的结构体定义如下图3-10所示: 图3-10分析图像的第55-62个字节,该处声明的是图像的彩色表项,由于现在使用的图像是单色图,只有黑白两种颜色,所以调色板中也只有两项,对应着黑色和白色。如下图3-11所示。 图3-11接下来,我们看一下位深度大于16位的BMP图像的调色板。 我们用Notepad++打开一张位深度为24的BMP图像,如下图3-12所示。红框1处为位图文件头的bfOffBits字段,值为54字节,表示从文件头起始到位图数据之间的字节的偏移量54字节。 红框2处的字段为位图信息头的biSize字段,值为40字节。观察两组数据数据,位图的文件头固定为14字节,加上信息头的40字节因此总字节数为54字节,正等于bfOffBits字段的偏移量。可以由此得知,24位位深度的BMP图像没有调色板数据。 图3-12 1.3 位图数据分析位图数据记录了位图每一个像素的像素值,存储的顺序是在扫描行内是从左到右,扫描行之间是从下到上。根据不同的位图,位图数据所占据的字节数也是不同的。比如,对于24位的位图,每三个字节表示一个像素。对于本案例中的单色图,一个字节则可以对应八个像素点的像素值。 根据图像提供的位图数据,可以得知每个像素点的值,以此绘制图像。 如下图3-13所示,位图数据共有36176字节,位图文件头与位图信息头共54字节,再加上彩色表的两个索引项共8个字节,可以得知该图像共36238字节。此数据与用Window资源管理器直接查看图像的大小一致。 图3-13在位图数据存储与读取过程中,有一点需要特别注意:BMP存储格式要求每行的字节数必须是4的倍数。若某行的字节数不是4的倍数,需要额外添加字符‘0’凑够到4的倍数。在对位图数据进行读写时,这一点需要特别留意,否则无法对位图图像进行正确的读写。 4. 使用C++实现对位图文件的读写、显示在本小节中,将会用C++语言实现对24位位图文件的读写,显示操作。 本程序定义了一个新的结构体ImgInfo,里面包含了位图文件头BITMAPFILEHEADER、位图信息头BITMAPINFOHEADER,还有一个二维数组imgData,用于存放像素值信息。如下图4-1所示,加入二维数组imgData字段的好处是可以使用二维数组更方便地对图像的像素点进行操作。 在程序的主函数中,调用了readBitmap、showBitmap、saveBitmap三个函数,实现对BMP图像的读取、显示、保存操作,如图4-2所示。 图4-1 图4-2 4.1 位图文件的读取位图文件读取主要由程序中的readBitmap函数实现,关键代码如下图4-3所示,通过使用fread函数实现对位图文件头与位图信息头的读取。 图4-3在下图4-4中,通过fseek函数与位图文件头的bfOffBits字段,对图像像素数据进行定位,以此来读取像素数据信息,并存放到二维数组中。 注意蓝色框中的代码,由于BMP位图采用4字节对齐的存储机制,可能会存在一些无意义的填充数据,因此我们在读取数据时必须将他们排除。 图4-4 4.2在控制台上显示位图图像在控制台上显示位图图像,主要由程序中的showBitmap函数实现。 根据结构体ImgInfo中的imgData字段,我们可以很轻易地获取图像的像素值信息,并使用SetPixel函数将像素值显示在控制台特定的位置,这部分的关键代码如下图4-5所示。 需要注意的是,BMP位图的像素数据存储方式是行内从左到右,行间从下到上(即第一个数据存放的是图像左下角的像素信息,最后一个数据存放的是图像右上角的像素信息),因此在编程时需要考虑清楚像素点与其图像实际的坐标位置。 图4-5 4.3 位图文件的保存位图文件的保存,主要在程序中的saveBitmap函数中实现,如下图4-6所示。与位图文件的读取类似,按照BMP位图的文件结构,先使用fwrite函数实现对位图文件头和位图信息头的写入,再遍历像素点信息将像素值写入文件中。 同样地,位图的像素信息存取采用4字节对齐的方式,在写入每一行位图数据后且字节长度不足4的倍数时,需要填充’0’字符。 图4-6 4.4实验效果如下图4-7所示,在运行程序后,将图像数据读出,然后在控制台上显示图像,最后将图像保存到本地。 图4-7 5.总结位图的文件结构包括四项,分别是:位图文件头、位图信息头、调色板和位图数据。 位图文件头存放位图文件的大小、位图数据位置等信息。 位图信息图存放位图文件的宽高、图像位深度、水平/垂直分辨率、位图数据大小等等关键信息。 调色板一般是针对16位以下的图像设置的,对于16位及以上的BMP格式图像,其位图像素数据是直接对应像素的RGB颜色值进行描述。 位图数据记录了位图每一个像素的像素值,存储的顺序是在扫描行内是从左到右,扫描行之间是从下到上,并要求每行的字节数必须是4的倍数。 6. 参考文章[1] 百度百科--Bitmap位图.https://baike.baidu.com/item/Bitmap/6493270?fr=aladdin [2] Bitmap 图片格式并用 C++ 读写 Bitmap. https://blog.csdn.net/weixin_34208185/article/details/86257499 [3] BMP格式详解.https://blog.csdn.net/gwwgle/article/details/4775396 [4] Bitmap每行4字节对齐.https://blog.csdn.net/a_flying_bird/article/details/50585146 7.附--完整代码 // ImgOpt.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。 // #include #include #include #include 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"; //自定义了一个ImgInfo的结构体,包含BMP文件头、BMP信息头和像素点的RGB值。 //目前只支持24位图像的读取和显示 typedef struct{ BITMAPFILEHEADER bf; BITMAPINFOHEADER bi; vector imgData; }ImgInfo; //根据图片路径读取Bmp图像,生成ImgInfo对象 ImgInfo readBitmap(string imgPath) { ImgInfo imgInfo; char* buf; //定义文件读取缓冲区 char* p; FILE* fp; fopen_s(&fp, imgPath.c_str(), "rb"); if (fp == NULL) { cout |
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