BMP文件格式解析

BMP文件格式解析

作者：水木子

一、图像概述

1.1 位图

位图（Bitmap），又称栅格图（英语：Raster graphics）或点阵图，是使用像素阵列来表示的图像。 ----*

简单地说，位图就是由一个一个像素点构成的图像。常见的图像格式有jpg(jpeg)、png、bmp都是位图。

1.2 矢量图

矢量图形是计算机图形学中用点、直线或者多边形等基于数学方程的几何图元表示图像。

​ ----*

矢量图与位图不同，它不是由一个一个像素点构成的，它的实质是数学表达式。svg格式文件是矢量图。

1.3 位图与矢量图的区别

位图与矢量图最明显的区别是：位图放大会出现马赛克，画质变差；矢量图可以在不降低画质的条件下无限放大。

图像来源：*

图中a表示原图像。若a为矢量图，则放大红框中图像时，效果如b，可以看见图像质量并没有下降；如果a是位图，则放大红框中图像时，效果如c，可以明显看见有一个一个小方格，图像质量明显下降。

1.4 如何表示像素点的颜色

选择一张位图，在PS中放大到3200%，如下所见：

可以很明显得看见一个一个的小方块，这就是像素点。

一个像素点有特定的位置和颜色值。每个像素的颜色由RGB组合或灰度值表示。

本小节重点介绍如何表示颜色。

根据位深度，可以将位图分为1、4、8、16、24及32位图像等。这里的位深度是指用于表示像素点颜色的比特位个数。如果一个像素点由一个比特位表示颜色，那么其位深度为1，如果一个像素点由四个比特位表示颜色，则其位深度为4，依次类推。

• 如果一张图片的像素点由1个比特位来表示颜色，则这个比特位为0或1，则可以表示2¹种颜色，即黑与白，则这张照片是纯粹的黑白照片。

• 如果一张图片的像素点由8个比特位来表示颜色，则这八个比特位共可以表示2⁸种颜色，即256。这种图像通常（有例外,下面会讲）称为灰度图，因为这256种颜色是黑白灰（这里的灰是指244种不同程度的灰）。如下为灰度图：

  

• 如果一张图片的像素点由24个比特位来表示颜色，则这24个比特位共可以表示2²⁴种颜色，即有1600万个以上的颜色。这种图像称为真彩色图。这24个比特位以8位分为三个通道，分别表示红、绿、蓝。这就是RGB颜色编码方式，用红、绿、蓝三原色的光学强度来表示一种颜色。这是最常见的位图编码方法，可以直接用于屏幕显示。

二、BMP文件格式

2.1 BMP简介

BMP取自位图Bitmap的缩写，也称为DIB（与设备无关的位图），是一种独立于显示器的位图数字图像文件格式。常见于微软视窗和OS/2操作系统。 ----*

BMP格式就是表示位图的格式。

BMP格式图像中的像素点，其位深度可以是1，4，8，24，32，但常见的BMP位深度还是8和24。

选择一张BMP图像，右键打开属性 --> 详细信息，可以查看其位深度。

当BMP文件位深度为8时，并不一定代表这张图片为灰度图，如下：

这张图片的位深度为8，但其并不是灰度图，我们称之为伪彩色图。

下面这张图是位深度为24的真彩色图，可以作为对比：

可以看出真彩色图的质量明显高于伪彩色图。

2.2 BMP文件格式组成

BMP文件由以下四部分组成：

• 位图文件头（BITMAPFILEHEADER)
• 位图信息头（BITMAPINFOHEADER)
• 颜色表*（RGBQUAD[])
• 像素阵列（Pixels[][])

由于颜色表并不一定存在，故加*说明。

下面先将各部分的信息简单说明一下：

2.2.1 位图文件头

用于描述整个bmp文件的情况，具体包括BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
    WORD	bfType;                  // 位图文件的类型，必须为BMP (2个字节)
    DWORD	bfSize;                  // 位图文件的大小，以字节为单位 (4个字节)
    WORD	bfReserved1;             // 位图文件保留字，必须为0 (2个字节)
    WORD	bfReserved2;             // 位图文件保留字，必须为0 (2个字节)
    DWORD	bfOffBits;               // 位图数据的起始位置，以相对于位图 (4个字节)
} BITMAPFILEHEADER;

位图文件头总共有14个字节。

2.2.2 位图信息头

用于描述位图的尺寸等信息。

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
	DWORD biSize;     		// 本结构所占用字节数  (4个字节)
	LONG biWidth;      		// 位图的宽度，以像素为单位(4个字节)
	LONG biHeight;     		// 位图的高度，以像素为单位(4个字节)
	WORD biPlanes;    		// 目标设备的级别，必须为1(2个字节)
	WORD biBitCount; 		// 每个像素所需的位数，必须是1(双色)、// 4(16色)、8(256色)、
	    					//24(真彩色)或32(增强真彩色)之一 (2个字节)
	DWORD biCompression; 	// 位图压缩类型，必须是 0(不压缩)、 1(BI_RLE8 
	                     	// 压缩类型)或2(BI_RLE4压缩类型)之一 ) (4个字节)
	DWORD biSizeImage;     	// 位图的大小，以字节为单位(4个字节)
	LONG biXPelsPerMeter;  	// 位图水平分辨率，每米像素数(4个字节)
	LONG biYPelsPerMeter;   // 位图垂直分辨率，每米像素数(4个字节)
	DWORD biClrUsed;        // 位图实际使用的颜色表中的颜色数(4个字节)
	DWORD biClrImportant;   // 位图显示过程中重要的颜色数(4个字节)
} BITMAPINFOHEADER;

位图信息头一共有40个字节。

2.2.3 颜色表

用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一个RGBQUAD类型的结构，定义一种颜色。

typedef struct tagRGBQUAD 
{
　　BYTE rgbBlue;          // 蓝色的亮度(值范围为0-255)
　　BYTE rgbGreen;         // 绿色的亮度(值范围为0-255)
　　BYTE rgbRed;           // 红色的亮度(值范围为0-255)
　　BYTE rgbReserved;      // 保留，必须为0
} RGBQUAD;

可以看到一个RGB表项为4个字节。

颜色表中RGBQUAD结构数据的个数由位图信息头中的biBitCount来确定：

• 当biBitCount=1, 4, 8时，分别有2, 16，256个表项
• 当biBitCount=24时，没有颜色表项

2.2.4 像素阵列

l记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描行之间是从下到上。位图的一个像素值所占的字节数如下：

• 当biBitCount=1时，8个像素占1个字节;

• 当biBitCount=4时，2个像素占1个字节;

• 当biBitCount=8时，1个像素占1个字节;

• 当biBitCount=24时，1个像素占3个字节，分别是R、G、B;

Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数(即以long为单位)，不足的以0填充。

三、实例解析BMP文件格式

用notepad++打开grey8.bmp文件，选择插件 --> HEX-Editor --> View in HEX，如果没有可自行选择插件管理进行安装，最终界面如下：

这是以十六进制的形式显示图像信息，一个十六进制数字占4个比特位，故一行表示十六个字节。

在对BMP文件进行具体解析前，我们还要先了解一下数据的存放顺序：

在BMP文件中，如果一个数据需要用几个字节来表示的话，那么该数据的存放字节顺序为“低地址存放低位数据，高地址存放高位数据”。如数据0x1756在内存中的存储顺序为：

这种存储方式称为小端方式(little endian) , 与之相反的是大端方式（big endian）。

3.1 位图文件头

下图红框中为位图文件头：

• 头两个字节（0，1）表示位图文件的类型，即0x4d42表示类型，为BMP，这与DUMP中的头两个字节表示的符号BM一致。

• 后面的四个字节（2，3，4，5）表示位图文件的大小，即0x0000c436表示位图文件大小，换算为十进制为50230，我们打开grey8.bmp的属性，发现其大小确为50230字节：

  

  位图文件的大小，即bfSize的值需要如何计算呢？
  $bfSize=位图文件头的大小（14字节）+位图信息头的大小（40字节）\\+颜色表项*4字节+图像的宽度*高度*位深度/8（字节）$bfSize=位图文件头的大小（14字节）+位图信息头的大小（40字节）+颜色表项∗4字节+图像的宽度∗高度∗位深度/8（字节）
  我们打开grey8.bmp的属性，点击详细信息，可以看到grey8.bmp的大小为256x192像素，位深度为8，又因为其位深度为8，故其颜色表项有256项（每项占据4字节），故grey8.bmp的大小为：
  $bfSize=14+40+256*4+256*192*8/8=50230(字节)$bfSize=14+40+256∗4+256∗192∗8/8=50230(字节)

• 再后面的两个字节（6，7）是位图文件保留字1，必须为0，即为0x0000。

• 再后面的两个字节（8，9）是位图文件保留字2，必须为0，即为0x0000。

• 最后的四个字节（a,b,c,d）是位图数据的起始位置，其值为0x00000436，换算为十进制为1078。这个表示的是从文件开始到像素阵列之间的字节数，即其大小为：位图文件头（14字节）+位图信息头（40字节）+[256个表项*4字节]，因为颜色表项并不一定存在，故用[]括起来。在grey8.bmp图像中存在颜色表，故位图数据的起始值为1078。

3.2 位图信息头

• 头四个字节（第一行的e,f，第二行的0,1)表示位图信息头所占用的字节数，即为0x00000028，换算为十进制是40；

• 后四个字节（第二行的2，3，4，5）为位图的以像素为单位的宽度，即0x00000100，换算为十进制为256，与实际相符。

• 后四个字节（第二行的6，7，8，9）为位图的以像素为单位的高度，即0x000000c0，换算为十进制为192，与实际相符。

• 后两个字节（第二行的a,b）为目标设备的级别，必须为1，其值为0x0001，相符。

• 后两个字节（第二行的c,d）为每个像素所需的位数，其值为0x0008，与实际的位深度相一致。

• 后四个字节（第二行的e,f，第三行的0，1）表示位图的压缩类型，其值为0x00000000，即不压缩。

• 后四个字节（第三行的2，3，4，5）为位图的大小，以字节为单位，其值为0x0000c000，换算为十进制为49152，其实就是计算像素阵列的大小，计算方式为：
  $biSizeImage=图像的宽度*高度*位深度/8$biSizeImage=图像的宽度∗高度∗位深度/8
  在grey8.bmp图像中
  $biSizeImage=256*192*8/8=49152$biSizeImage=256∗192∗8/8=49152

• 后四个字节（第三行的6，7，8，9）表示位图的水平分辨率，其值为0x00002e23。

• 后四个字节（第三行的a,b,c,d）表示位图的垂直分辨率，其值为0x00002e23。

• 后四个字节（第三行的e,f，第四行的0，1）表示位图实际使用的颜色表中的颜色数，其值为0x00000000，一般置为0。

• 最后的四个字节（第四行的2，3，4，5）表示位图显示过程中重要的颜色数，其值为0x00000000，一般置为0。

3.3 颜色表

当位深度为24时，没有颜色表，位图信息头紧接着就是像素阵列；

当位深度不为24时，有颜色表，并且有2^位深度个颜色表项，每个表项占据4个字节。

在如下图的黄框中，共有256个颜色表项，共由256*4个字节（只显示了一部分）：

由于每个颜色表项为4个字节，因此我们以4个字节为单位划分为一个个的颜色表项，即一个黑框。

由于grey8.bmp是灰度图，因此其颜色表项是由规律可循的。

在颜色表项内部，RGB三个分量相等，第4个分量为0；在整个颜色表中，颜色表项的前三个分量数值由0到255依次递增1。其实，rgb(0,0,0)代表黑色，rgb(255,255,255)代表白色，rgb(x,x,x)（x不等于0或255，x为0到255之间的整数)代表不同程度的灰色。

当BMP文件为伪彩色图时，其位深度是8位，但并没有规律可循。比如第一个颜色表项是rgb(1,22,3,0)，第二个颜色表项是rgb(10,89,90,0)，依次类推。这些颜色并不是黑白灰，而是会显示出其他颜色，但是，最多只能显示256种颜色，远远不如真彩色图的1600万多种颜色，因此这类图像叫做伪彩色图。

3.4 像素阵列

颜色表（或位图信息头）后就是像素阵列，在本例中，位深度为8，故一个字节就代表一个像素点。那如何确定这个像素点的颜色呢？一个字节表示的范围为[0,255]，这下你该明白了吧！根据这个字节的值找到相应的颜色表项，这个颜色表项所对应的颜色就是这个像素的颜色。对于有颜色表的BMP，其运作方式就是如此。

对于真彩色图，其位深度为24，一个像素就自然而然地对应着R、G、B三个颜色分量，故不需要颜色表了，并且，对于真彩色图，如果有颜色表，那么其有1600万多个颜色表项，整个文件将会非常庞大。

三、代码实验

3.1 实验环境

• 操作系统：Windows 10
• 编译器：Dev-cpp，Visual Studio 2017

3.2 实验内容

将以下grey8_test.bmp灰度图的颜色表项修改为随机值，将原灰度图变为伪彩色图。

3.3 其他信息

BITMAPFILEHEADER、BITMAPINFOHEADER、RGBQUAD 这三个结构体在windows.h中都有定义

3.4 关键代码

因为代码都有详细注释，故在此处不再详细说明。

• 读取相关信息：

	BITMAPFILEHEADER *fileHeader;
	BITMAPINFOHEADER *infoHeader;
	//为位图文件头、位图信息头指针分配空间 
	fileHeader = (BITMAPFILEHEADER *)malloc(sizeof(BITMAPFILEHEADER));
	infoHeader = (BITMAPINFOHEADER *)malloc(sizeof(BITMAPINFOHEADER));
	//读取灰度图src的位图文件头、位图信息头信息 
	fread(fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, src);
	fread(infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, src);
	//为颜色表指针分配空间 
	RGBQUAD *rgb = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD) * 256);
	//读取颜色表项
	fread(rgb, sizeof(RGBQUAD), 256, src);

• 利用随机数函数修改颜色表项

	//修改颜色表项的RGB三分量的值 
	srand((unsigned)time(NULL));
	for (int i = 0; i < 256; i++) {
		rgb[i].rgbBlue = rand() % 255;
		rgb[i].rgbGreen = rand() % 255;
		rgb[i].rgbRed = rand() % 255;
	}

• 将读取到的信息写入目标文件

	//将位图文件头、位图信息头、颜色表写入目标文件
	fwrite(fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, target);
	fwrite(infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, target);
	fwrite(rgb, sizeof(RGBQUAD), 256, target);

• 读取像素信息并写入，注意四字节对齐

	//读取灰度图像的像素
	unsigned char *ch;
	ch = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char));

	for (int i = 0; i < height; i++)
	{
		for (int j = 0; j < ((width + 3) / 4) * 4; j++)
		{
			fread(ch, sizeof(unsigned char), 1, src);
			fwrite(ch, sizeof(unsigned char), 1, target);
		}
	}

3.5 注意点！！！

• 以二进制形式打开文件！！！！！！！
• 注意一行的像素所占的字节数是4的倍数。读文件时，要多读取后面补充的0字节；写文件时，也要多写需要填充的0字节。否则可能会出现图像错乱的现象。

3.6 结果

利用我们的程序，生成了以下图片，还挺漂亮的！

3.7 完整代码

参考code文件中的源.cpp和question3文件

四、扩展实验

• 编写C/C++程序，读取一个24位真彩色BMP文件，然后转化为灰色图像，最后存储为8位伪彩色BMP文件。
• 编写C/C++程序，读取一个8位伪彩色BMP文件，转化为24位真彩色BMP文件，最后存储。

备注：从RGB到灰度图的转换公式：Gray = R*0.299 + G*0.587 + B*0.114

五、参考资料

[1] https://www.cnblogs.com/Matrix_Yao/archive/2009/12/02/1615295.html

[2] 多媒体基础课程相关资料

[3] *关于“位图”、“矢量图”、“BMP格式”的介绍