DIB位圖（Bitmap）的讀取和保存

設備無關位圖（Device Independent Bitmap）是可以保存在磁盤的位圖文件，可以從磁盤讀取到內存或者從內存保存到磁盤上。它的文件結構是標準化的，可以在Windows/Linux/Unix等平臺上顯示相同的效果。本文主要介紹了
1. 如果將位圖文件從磁盤讀到內存中
2. 在內存中對位圖文件進行操作後，如何將位圖保存到磁盤

1 讀取位圖到內存中

1.1 DIB文件結構

要將位圖文件（.bmp）從磁盤讀取到內存，首先要了解其文件結構。DIB的文件組成有以下4個部分：
1. 文件表頭，主要包含了文件的類型（必須是BM），文件的大小（所佔用的字節數）和位圖的像素矩陣的便宜量。
2. 信息表頭，包含了兩部分內容：位圖的相關信息（位圖的大小、位深度、位面數、壓縮和編碼等）和指向RGB顏色表（調色盤）的指針。
3. RGB色彩對照表，也就是調色板，不一定會有。16位及以上直接使用RGB通道表示顏色，一般不需要調色板。
4. 位圖的像素信息矩陣，表示具體的像素。1，4，8位顏色，保存的是調色板的索引，具體的顏色根據索引在調色板中查找；16位及其以上不使用調色板，直接使用RGB組成像素顏色。

1.2 在Windows下DIB的內存結構

要將DIB數據讀取到內存，就需要在內存中分配相應的空間。Windows提供了幾種結構體，結構體中的字段對應着DIB文件的各個信息值，具體如下

引用自 http://blog.csdn.net/wenzhou1219/article/details/26162869

將DIB讀取到內存只需要將磁盤數據填充到相應到結構體即可。在磁盤上DIB需要連續的結構存儲，在內存中則不需要連續的存儲空間，可以分段將數據讀取到相應的結構體中。
讀取DIB到內存的具體步驟：
1. 將文件頭信息讀取到BITMAPFILEHEADER結構體中。
2. 將位圖頭信息讀取到BITMAPINFOHEADER結構體中。
3. 如果有調色板，則將其信息讀取到RGBQUAD中。
4. 讀取位圖像素信息到像素矩陣中。

fp.Read(&bmfileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER)); // 讀取BMP文件頭 
...
//讀取文件信息頭
ret = fp.Read(&bmHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER)); 
...
fp.Read(m_dibBits, GetBodySize());  //讀取像素信息 

1.3 結構體各字段信息

BITMAPFILEHEADER

代表文件頭信息的結構體BITMAPFILEHEADER的聲明如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
        WORD    bfType;
        DWORD   bfSize;
        WORD    bfReserved1;
        WORD    bfReserved2;
        DWORD   bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER  

其中，
* bfType是文件類型，該字段必須是BM，如果不是則說明該文件不是DIB。
* bfSize是位圖文件的大小（字節數）
* bfReserved1和bfReserved2 是保留字段
* bfOffBits 從BITMAPFILEHEADER的起始位置到位圖像素的字節偏移量。

BITMAPINFO

在上面提到，位圖信息和位圖的調色板是存放在同一個結構體中的，該結構體就是BITMAPINFO，其聲明如下

typedef struct tagBITMAPINFO {
  BITMAPINFOHEADER bmiHeader;
  RGBQUAD          bmiColors[1];
} BITMAPINFO, *PBITMAPINFO;

bmiHeader是位圖頭信息
bmiColors是調色板

BITMAPINFOHEADER

位圖的頭信息結構BITMAPINFOHEADER，該結構包含了DIB的尺寸和顏色格式等信息，聲明如下

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
        DWORD      biSize;
        LONG       biWidth;
        LONG       biHeight;
        WORD       biPlanes;
        WORD       biBitCount;
        DWORD      biCompression;
        DWORD      biSizeImage;
        LONG       biXPelsPerMeter;
        LONG       biYPelsPerMeter;
        DWORD      biClrUsed;
        DWORD      biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER  

其中，
* biSize是該結構體所佔用的字節說
* biWidth DIB的寬（以像素爲單位），如果biCompression是BI_JPEG或者BI_PNG，則biWidth是解壓縮後JPEG或者PNG圖像的寬度。
* biHeight，DIB的高（以像素爲單位）。
* 如果biHeight是正的，則DIB的像素是按照從下往上（bottom-up，也就是像素數組的第一行保存的實際是DIB的最後一行像素值），圖像源點在左下角。
* 如果biHeight是負的，則DIB的像素是按照從上往下保存的（up-bottom），而且像素的數據是不能被壓縮的其biCompression必須是BI_RGB或者BI_FIELDS
* 如果biCompression是BI_JPEG或者BI_PNG，則biHeight是解壓縮後JPEG或者PNG的高
* biPlanes 目標設備的平面數，總是設爲1.
* biBitCount，每個像素所佔用的位數。0，表示JPEG或者PNG指定每個像素所佔用的位數。還可以是1,4,8,16,24,32。
* biCompression，數據的壓縮方法（up-down的DIB不能被壓縮），可以是以下值：
* BI_RGB / BI_FIELDS未被壓縮
* BI_RLE4 / BI_RLE8 使用遊程長度編碼 （RLE，run-length encode）
* BI_JPEG / BI_PNG 指示該圖像是JPEG或者PNG圖像。
* biSizeImage 圖像的字節數，對於BI_RGB的DIB其值爲0.
* biXPelsPerMeter / biYPelsPerMeter 顯示該DIB的目標設備所需的分辨率（單位是像素每米）
* biClrUsed DIB實際使用調色板中的顏色個數，通常爲0表示使用調色板中的全部顏色。
* biClrImportant 顯示DIB所必須的顏色個數，通常爲0表示全部顏色都是必須的。

詳細的解釋參見 https://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd183376(v=vs.85).aspx

RGBQUAD

typedef struct tagRGBQUAD {
  BYTE rgbBlue;
  BYTE rgbGreen;
  BYTE rgbRed;
  BYTE rgbReserved;
} RGBQUAD;

注意，其存儲順序是BGR。

1.3 DIB的結構實例

是一幅寬和高都是32的位圖（放大後，可以看到表示像素的一個個方塊），其有16種顏色。下面是該圖像的16進制數據

* 首先是文件的頭信息 BITMAPFILEINFO 共有14個字節（0x00-0x0D），其起始的兩個字節爲0x4d42（大端存儲，高位在前）表示文件類型爲BM，最後4個字節 0x0076是位圖的像素信息相對於文件頭的偏移量，也就是從0x0076爲圖像的像素信息。
* 下面是位圖的頭信息 BITMAPINFOHEADER共有40個字節（0x0E-0x35），起始的4個字節是0x0028就是該結構體的大小，緊接着的4個字節是圖像的寬0x0020
* 跟着是圖像的調色板，0x36 - 0x75。調色板共有16種顏色，也就是說有調色板中有16個RGBQUAD，其大小爲16 * 4.
* 最後是位圖的數據 0x76-0x275

1.4 讀取

    CFile fp(dibName, CFile::modeRead | CFile::typeBinary);
    BITMAPFILEHEADER bmfileHeader;
    BITMAPINFOHEADER bmHeader;
    ULONGLONG headpos;
    int paletteSize = 0;
    int ret, cbHeaderSize;
    headpos = fp.GetPosition(); // 獲取文件指針的位置
    ret = fp.Read(&bmfileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER)); // 讀取BMP文件頭
    if (bmfileHeader.bfType != 0x4d42) //判斷文件類型標頭是不是x4d42，表示該文件爲BMP類型文件
    {
        AfxMessageBox(_T("文件不是bmp!"));
        return;
    }
    //讀取文件信息頭
    ret = fp.Read(&bmHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER));
    // 計算RGBQUAD的大小
    switch (bmHeader.biBitCount)
    {
    case 1:
        paletteSize = 2;
        break;
    case 4:
        paletteSize = 16;
        break;
    case 8:
        paletteSize = 256;
        break;
    }
    // 爲BITMAPINFO分配存儲空間
    cbHeaderSize = sizeof(BITMAPINFOHEADER)+paletteSize * sizeof(RGBQUAD);
    m_dibInfo = (BITMAPINFO*) new char[cbHeaderSize];
    m_dibInfo->bmiHeader = bmHeader;
    if (paletteSize) //是否有調色板
    {
        ret = fp.Read(&(m_dibInfo->bmiColors[0]), paletteSize * sizeof(RGBQUAD));
        if (ret != int(paletteSize * sizeof(RGBQUAD) ) )
        {
            delete[] m_dibInfo;
            m_dibInfo = NULL;
            return;
        }
    }
    //爲像素數組分配存儲空間，大小由GetBodySize決定
    m_dibBits = (void*) new char[GetBodySize()];
    fp.Seek(headpos + bmfileHeader.bfOffBits, CFile::begin); // 將文件指針移動到DIB像素數組
    ret = fp.Read(m_dibBits, GetBodySize());
    if (ret != int(GetBodySize()))
    {
        delete[] m_dibInfo;
        delete[] m_dibBits;
        m_dibInfo = NULL;
        m_dibBits = NULL;
    }
    fp.Close();  

知道了DIB的文件結構後，讀取其到內存還是挺簡單的，需要注意的是DIB的像素數組的大小。由於DIB的寬度需要時4的倍數，不是的話需要填充0將其湊成4的倍數，所以其像素數組的大小不能簡單的width * height * biBitCount / 8，其中biBitCount是每個像素佔用的位數。其具體的計算方法如下
1. 首先計算一行所佔用的字節數 bytesPerLine
bytesPerLine = ((m_dibInfo->bmiHeader.biWidth * m_dibInfo->bmiHeader.biBitCount + 31) / 32 ) * 4
2. 將bytesPerLine乘以圖像的高
bytesPerLine * m_dibInfo->bmiHeader.biHeight

1.5 總結

本文主要對DIB的文件結構以及其對應的內存中的結構體做了一個總結，並對一個具體的DIB16進制數據結構進行分析，最後實現瞭如何將一個DIB數據讀取到內存中。

一直對位圖結構不是很瞭解，趁着在公司實習沒有具體的工作安排，對DIB的結構作了個總結。至於如何將處理後的位圖數據寫回磁盤文件，在知道位圖結構的情況下，只需要填充相應的結構字段就行了，需要注意的還是位圖的寬需要是4的倍數，不是的話要用0補齊。