BMP文件格式解析

BMP文件格式解析

作者：水木子

一、圖像概述

1.1 位圖

位圖（Bitmap），又稱柵格圖（英語：Raster graphics）或點陣圖，是使用像素陣列來表示的圖像。 ----維基百科

簡單地說，位圖就是由一個一個像素點構成的圖像。常見的圖像格式有jpg(jpeg)、png、bmp都是位圖。

1.2 矢量圖

矢量圖形是計算機圖形學中用點、直線或者多邊形等基於數學方程的幾何圖元表示圖像。

​ ----維基百科

矢量圖與位圖不同，它不是由一個一個像素點構成的，它的實質是數學表達式。svg格式文件是矢量圖。

1.3 位圖與矢量圖的區別

位圖與矢量圖最明顯的區別是：位圖放大會出現馬賽克，畫質變差；矢量圖可以在不降低畫質的條件下無限放大。

圖像來源：維基百科

圖中a表示原圖像。若a爲矢量圖，則放大紅框中圖像時，效果如b，可以看見圖像質量並沒有下降；如果a是位圖，則放大紅框中圖像時，效果如c，可以明顯看見有一個一個小方格，圖像質量明顯下降。

1.4 如何表示像素點的顏色

選擇一張位圖，在PS中放大到3200%，如下所見：

可以很明顯得看見一個一個的小方塊，這就是像素點。

一個像素點有特定的位置和顏色值。每個像素的顏色由RGB組合或灰度值表示。

本小節重點介紹如何表示顏色。

根據位深度，可以將位圖分爲1、4、8、16、24及32位圖像等。這裏的位深度是指用於表示像素點顏色的比特位個數。如果一個像素點由一個比特位表示顏色，那麼其位深度爲1，如果一個像素點由四個比特位表示顏色，則其位深度爲4，依次類推。

• 如果一張圖片的像素點由1個比特位來表示顏色，則這個比特位爲0或1，則可以表示2¹種顏色，即黑與白，則這張照片是純粹的黑白照片。

• 如果一張圖片的像素點由8個比特位來表示顏色，則這八個比特位共可以表示2⁸種顏色，即256。這種圖像通常（有例外,下面會講）稱爲灰度圖，因爲這256種顏色是黑白灰（這裏的灰是指244種不同程度的灰）。如下爲灰度圖：

• 如果一張圖片的像素點由24個比特位來表示顏色，則這24個比特位共可以表示2²⁴種顏色，即有1600萬個以上的顏色。這種圖像稱爲真彩色圖。這24個比特位以8位分爲三個通道，分別表示紅、綠、藍。這就是RGB顏色編碼方式，用紅、綠、藍三原色的光學強度來表示一種顏色。這是最常見的位圖編碼方法，可以直接用於屏幕顯示。

二、BMP文件格式

2.1 BMP簡介

BMP取自位圖Bitmap的縮寫，也稱爲DIB（與設備無關的位圖），是一種獨立於顯示器的位圖數字圖像文件格式。常見於微軟視窗和OS/2操作系統。 ----維基百科

BMP格式就是表示位圖的格式。

BMP格式圖像中的像素點，其位深度可以是1，4，8，24，32，但常見的BMP位深度還是8和24。

選擇一張BMP圖像，右鍵打開屬性 --> 詳細信息，可以查看其位深度。

當BMP文件位深度爲8時，並不一定代表這張圖片爲灰度圖，如下：

這張圖片的位深度爲8，但其並不是灰度圖，我們稱之爲僞彩色圖。

下面這張圖是位深度爲24的真彩色圖，可以作爲對比：

可以看出真彩色圖的質量明顯高於僞彩色圖。

2.2 BMP文件格式組成

BMP文件由以下四部分組成：

• 位圖文件頭（BITMAPFILEHEADER)
• 位圖信息頭（BITMAPINFOHEADER)
• 顏色表*（RGBQUAD[])
• 像素陣列（Pixels[][])

由於顏色表並不一定存在，故加*說明。

下面先將各部分的信息簡單說明一下：

2.2.1 位圖文件頭

用於描述整個bmp文件的情況，具體包括BMP文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息。

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
    WORD	bfType;                  // 位圖文件的類型，必須爲BMP (2個字節)
    DWORD	bfSize;                  // 位圖文件的大小，以字節爲單位 (4個字節)
    WORD	bfReserved1;             // 位圖文件保留字，必須爲0 (2個字節)
    WORD	bfReserved2;             // 位圖文件保留字，必須爲0 (2個字節)
    DWORD	bfOffBits;               // 位圖數據的起始位置，以相對於位圖 (4個字節)
} BITMAPFILEHEADER;

位圖文件頭總共有14個字節。

2.2.2 位圖信息頭

用於描述位圖的尺寸等信息。

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
	DWORD biSize;     		// 本結構所佔用字節數  (4個字節)
	LONG biWidth;      		// 位圖的寬度，以像素爲單位(4個字節)
	LONG biHeight;     		// 位圖的高度，以像素爲單位(4個字節)
	WORD biPlanes;    		// 目標設備的級別，必須爲1(2個字節)
	WORD biBitCount; 		// 每個像素所需的位數，必須是1(雙色)、// 4(16色)、8(256色)、
	    					//24(真彩色)或32(增強真彩色)之一 (2個字節)
	DWORD biCompression; 	// 位圖壓縮類型，必須是 0(不壓縮)、 1(BI_RLE8 
	                     	// 壓縮類型)或2(BI_RLE4壓縮類型)之一 ) (4個字節)
	DWORD biSizeImage;     	// 位圖的大小，以字節爲單位(4個字節)
	LONG biXPelsPerMeter;  	// 位圖水平分辨率，每米像素數(4個字節)
	LONG biYPelsPerMeter;   // 位圖垂直分辨率，每米像素數(4個字節)
	DWORD biClrUsed;        // 位圖實際使用的顏色表中的顏色數(4個字節)
	DWORD biClrImportant;   // 位圖顯示過程中重要的顏色數(4個字節)
} BITMAPINFOHEADER;

位圖信息頭一共有40個字節。

2.2.3 顏色表

用於說明位圖中的顏色，它有若干個表項，每一個表項是一個RGBQUAD類型的結構，定義一種顏色。

typedef struct tagRGBQUAD 
{
　　BYTE rgbBlue;          // 藍色的亮度(值範圍爲0-255)
　　BYTE rgbGreen;         // 綠色的亮度(值範圍爲0-255)
　　BYTE rgbRed;           // 紅色的亮度(值範圍爲0-255)
　　BYTE rgbReserved;      // 保留，必須爲0
} RGBQUAD;

可以看到一個RGB表項爲4個字節。

顏色表中RGBQUAD結構數據的個數由位圖信息頭中的biBitCount來確定：

• 當biBitCount=1, 4, 8時，分別有2, 16，256個表項
• 當biBitCount=24時，沒有顏色表項

2.2.4 像素陣列

l記錄了位圖的每一個像素值，記錄順序是在掃描行內是從左到右，掃描行之間是從下到上。位圖的一個像素值所佔的字節數如下：

• 當biBitCount=1時，8個像素佔1個字節;

• 當biBitCount=4時，2個像素佔1個字節;

• 當biBitCount=8時，1個像素佔1個字節;

• 當biBitCount=24時，1個像素佔3個字節，分別是R、G、B;

Windows規定一個掃描行所佔的字節數必須是4的倍數(即以long爲單位)，不足的以0填充。

三、實例解析BMP文件格式

用notepad++打開grey8.bmp文件，選擇插件 --> HEX-Editor --> View in HEX，如果沒有可自行選擇插件管理進行安裝，最終界面如下：

這是以十六進制的形式顯示圖像信息，一個十六進制數字佔4個比特位，故一行表示十六個字節。

在對BMP文件進行具體解析前，我們還要先了解一下數據的存放順序：

在BMP文件中，如果一個數據需要用幾個字節來表示的話，那麼該數據的存放字節順序爲“低地址存放低位數據，高地址存放高位數據”。如數據0x1756在內存中的存儲順序爲：

這種存儲方式稱爲小端方式(little endian) , 與之相反的是大端方式（big endian）。

3.1 位圖文件頭

下圖紅框中爲位圖文件頭：

• 頭兩個字節（0，1）表示位圖文件的類型，即0x4d42表示類型，爲BMP，這與DUMP中的頭兩個字節表示的符號BM一致。

• 後面的四個字節（2，3，4，5）表示位圖文件的大小，即0x0000c436表示位圖文件大小，換算爲十進制爲50230，我們打開grey8.bmp的屬性，發現其大小確爲50230字節：

  位圖文件的大小，即bfSize的值需要如何計算呢？
  $bfSize=位圖文件頭的大小（14字節）+位圖信息頭的大小（40字節）\\+顏色表項*4字節+圖像的寬度*高度*位深度/8（字節）$
  我們打開grey8.bmp的屬性，點擊詳細信息，可以看到grey8.bmp的大小爲256x192像素，位深度爲8，又因爲其位深度爲8，故其顏色表項有256項（每項佔據4字節），故grey8.bmp的大小爲：
  $bfSize=14+40+256*4+256*192*8/8=50230(字節)$

• 再後面的兩個字節（6，7）是位圖文件保留字1，必須爲0，即爲0x0000。

• 再後面的兩個字節（8，9）是位圖文件保留字2，必須爲0，即爲0x0000。

• 最後的四個字節（a,b,c,d）是位圖數據的起始位置，其值爲0x00000436，換算爲十進制爲1078。這個表示的是從文件開始到像素陣列之間的字節數，即其大小爲：位圖文件頭（14字節）+位圖信息頭（40字節）+[256個表項*4字節]，因爲顏色表項並不一定存在，故用[]括起來。在grey8.bmp圖像中存在顏色表，故位圖數據的起始值爲1078。

3.2 位圖信息頭

• 頭四個字節（第一行的e,f，第二行的0,1)表示位圖信息頭所佔用的字節數，即爲0x00000028，換算爲十進制是40；

• 後四個字節（第二行的2，3，4，5）爲位圖的以像素爲單位的寬度，即0x00000100，換算爲十進制爲256，與實際相符。

• 後四個字節（第二行的6，7，8，9）爲位圖的以像素爲單位的高度，即0x000000c0，換算爲十進制爲192，與實際相符。

• 後兩個字節（第二行的a,b）爲目標設備的級別，必須爲1，其值爲0x0001，相符。

• 後兩個字節（第二行的c,d）爲每個像素所需的位數，其值爲0x0008，與實際的位深度相一致。

• 後四個字節（第二行的e,f，第三行的0，1）表示位圖的壓縮類型，其值爲0x00000000，即不壓縮。

• 後四個字節（第三行的2，3，4，5）爲位圖的大小，以字節爲單位，其值爲0x0000c000，換算爲十進制爲49152，其實就是計算像素陣列的大小，計算方式爲：
  $biSizeImage=圖像的寬度*高度*位深度/8$
  在grey8.bmp圖像中
  $biSizeImage=256*192*8/8=49152$

• 後四個字節（第三行的6，7，8，9）表示位圖的水平分辨率，其值爲0x00002e23。

• 後四個字節（第三行的a,b,c,d）表示位圖的垂直分辨率，其值爲0x00002e23。

• 後四個字節（第三行的e,f，第四行的0，1）表示位圖實際使用的顏色表中的顏色數，其值爲0x00000000，一般置爲0。

• 最後的四個字節（第四行的2，3，4，5）表示位圖顯示過程中重要的顏色數，其值爲0x00000000，一般置爲0。

3.3 顏色表

當位深度爲24時，沒有顏色表，位圖信息頭緊接着就是像素陣列；

當位深度不爲24時，有顏色表，並且有2^位深度個顏色表項，每個表項佔據4個字節。

在如下圖的黃框中，共有256個顏色表項，共由256*4個字節（只顯示了一部分）：

由於每個顏色表項爲4個字節，因此我們以4個字節爲單位劃分爲一個個的顏色表項，即一個黑框。

由於grey8.bmp是灰度圖，因此其顏色表項是由規律可循的。

在顏色表項內部，RGB三個分量相等，第4個分量爲0；在整個顏色表中，顏色表項的前三個分量數值由0到255依次遞增1。其實，rgb(0,0,0)代表黑色，rgb(255,255,255)代表白色，rgb(x,x,x)（x不等於0或255，x爲0到255之間的整數)代表不同程度的灰色。

當BMP文件爲僞彩色圖時，其位深度是8位，但並沒有規律可循。比如第一個顏色表項是rgb(1,22,3,0)，第二個顏色表項是rgb(10,89,90,0)，依次類推。這些顏色並不是黑白灰，而是會顯示出其他顏色，但是，最多隻能顯示256種顏色，遠遠不如真彩色圖的1600萬多種顏色，因此這類圖像叫做僞彩色圖。

3.4 像素陣列

顏色表（或位圖信息頭）後就是像素陣列，在本例中，位深度爲8，故一個字節就代表一個像素點。那如何確定這個像素點的顏色呢？一個字節表示的範圍爲[0,255]，這下你該明白了吧！根據這個字節的值找到相應的顏色表項，這個顏色表項所對應的顏色就是這個像素的顏色。對於有顏色表的BMP，其運作方式就是如此。

對於真彩色圖，其位深度爲24，一個像素就自然而然地對應着R、G、B三個顏色分量，故不需要顏色表了，並且，對於真彩色圖，如果有顏色表，那麼其有1600萬多個顏色表項，整個文件將會非常龐大。

三、代碼實驗

3.1 實驗環境

• 操作系統：Windows 10
• 編譯器：Dev-cpp，Visual Studio 2017

3.2 實驗內容

將以下grey8_test.bmp灰度圖的顏色表項修改爲隨機值，將原灰度圖變爲僞彩色圖。

3.3 其他信息

BITMAPFILEHEADER、BITMAPINFOHEADER、RGBQUAD 這三個結構體在windows.h中都有定義

3.4 關鍵代碼

因爲代碼都有詳細註釋，故在此處不再詳細說明。

• 讀取相關信息：

	BITMAPFILEHEADER *fileHeader;
	BITMAPINFOHEADER *infoHeader;
	//爲位圖文件頭、位圖信息頭指針分配空間 
	fileHeader = (BITMAPFILEHEADER *)malloc(sizeof(BITMAPFILEHEADER));
	infoHeader = (BITMAPINFOHEADER *)malloc(sizeof(BITMAPINFOHEADER));
	//讀取灰度圖src的位圖文件頭、位圖信息頭信息 
	fread(fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, src);
	fread(infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, src);
	//爲顏色表指針分配空間 
	RGBQUAD *rgb = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD) * 256);
	//讀取顏色表項
	fread(rgb, sizeof(RGBQUAD), 256, src);

• 利用隨機數函數修改顏色表項

	//修改顏色表項的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;
	}

• 將讀取到的信息寫入目標文件

	//將位圖文件頭、位圖信息頭、顏色表寫入目標文件
	fwrite(fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, target);
	fwrite(infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, target);
	fwrite(rgb, sizeof(RGBQUAD), 256, target);

• 讀取像素信息並寫入，注意四字節對齊

	//讀取灰度圖像的像素
	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 注意點！！！

• 以二進制形式打開文件！！！！！！！
• 注意一行的像素所佔的字節數是4的倍數。讀文件時，要多讀取後面補充的0字節；寫文件時，也要多寫需要填充的0字節。否則可能會出現圖像錯亂的現象。

3.6 結果

利用我們的程序，生成了以下圖片，還挺漂亮的！

3.7 完整代碼

參考code文件中的源.cpp和question3文件

四、擴展實驗

• 編寫C/C++程序，讀取一個24位真彩色BMP文件，然後轉化爲灰色圖像，最後存儲爲8位僞彩色BMP文件。
• 編寫C/C++程序，讀取一個8位僞彩色BMP文件，轉化爲24位真彩色BMP文件，最後存儲。

備註：從RGB到灰度圖的轉換公式：Gray = R*0.299 + G*0.587 + B*0.114

五、參考資料

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

[2] 多媒體基礎課程相關資料

[3] 維基百科關於“位圖”、“矢量圖”、“BMP格式”的介紹