【學習總結】BMP格式

BMP格式詳解

BMP（Bitmap-File）位圖文件是Windows採用的圖形文件格式，在Windows環境下運行的所有圖像處理軟件都支持BMP
圖像文件格式。Windows系統內部各圖像繪製操作都是以BMP爲基礎的。

Windows 3.0以前：BMP圖像件格式與顯示設備有關，因此把這種BMP圖像文件格式稱爲設備相關位圖
DDB（device-dependent bitmap）文件格式。

Windows 3.0以後：BMP圖像文件與顯示設備無關，因此把這種BMP圖像文件格式稱爲設備無關位圖DIB
（device-independent bitmap）文件格式。

注：Windows 3.0以後，在系統中仍然存在DDB位圖，像BitBlt()這種函數就是基於DDB位圖的，BMP位圖文件默認的文件
擴展名是BMP或者bmp（有時它也會以.DIB或.RLE作擴展名）。

1.1 BMP格式結構

BMP文件的數據按照從文件頭開始的先後順序分爲四個部分：
◆ 位圖文件頭(bmp file header)：提供文件的格式、大小等信息
◆ 位圖信息頭(bitmap information)：提供圖像數據的尺寸、位平面數、壓縮方式、顏色索引等信息
◆ 調色板(color palette)：可選，如使用索引來表示圖像，調色板就是索引與其對應的顏色的映射表
◆ 位圖數據(bitmap data)：圖像數據。

數據段名稱	大小（byte）	開始地址	結束地址
位圖文件頭(bitmap-file header)	14	0000h	000Dh
位圖信息頭(bitmap-information header)	40	000Eh	0035h
調色板(color table)	由biBitCount決定	0036h	未知
圖片點陣數據(bitmap data)	由圖片大小和顏色定	未知	未知

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 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）。

BMP格式比較簡單，它只包含兩個重要參數：編碼格式（Encoding）和像素位數（bpp, bit-per-pixel）。到目前爲止，BMP格式
所支持的所有像素位數與編碼格式的組合如下：

序號	像素位數（bpp）	編碼格式（Encoding）
1	1	bit
2	4	bgr(blue-green-red)
3	4	rle(run-length encode)
4	8	bgr
5	8	rle
6	grayscale	bgr
7	grayscale	rle
8	16	bgr
9	16	bitfields-555
10	16	bitfields-565
11	16	bitfields-customized
12	24	bgr
13	32	bgr
14	32	bitfields-888
15	32	bitfields-customized

其中24bpp稱爲真彩（true-color）圖像，應用最爲廣泛。16bpp的bmp圖像擁有存儲空間小，解析速度快，仿真彩效果好等特點，
經常出現在遊戲軟件中。grayscale（灰度）圖像其實是8bpp的一種情況。

1.2 BMP文件頭

BMP文件結構體定義如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEARER
{
	UINT16 bfType;	//2Bytes,必須爲“BM”，即0x424D 纔是Windows位圖文件
	DWORD bfSize;	//4Bytes,整個BMP文件的大小
	UINT16 bfReserved1;	//2Bytes,保留，爲0
	UINT16 bfReserved2;	//2Bytes,保留，爲0
	DWORD bfOffBits;	//4Bytes,文件起始位置到圖像像素數據的字節偏移量
}BITMAPFILEHEADER;

變量名	地址偏移	大小	作用說明
bfType	0000h	2Bytes	文件標識符，必須爲“BM”，即0x424D纔是Windows位圖文件 ’BM’：Windows 3.1x，95，NT，…
bfSize	0002h	4Bytes	整個BMP文件的大小（以位B位單位）。
bfReserved1	0006h	2Bytes	保留，必須設置爲0。
bfReserved2	0008h	2Bytes	保留，必須設置爲0。
bfOffBits	000Ah	4Bytes	說明從文件頭0000h開始到圖像像素數據的字節偏移量（以字節Bytes爲單位），調色板長度根據位圖格式不同而變化，

可以用這個偏移量快速從文件中讀取圖像數據。

1.3 BMP信息頭

BMP信息頭結構體定義如下：

typedef struct _tagBMP_INFOHEADER
{
	DWORD  biSize;    			//4Bytes，INFOHEADER結構體大小，存在其他版本INFOHEADER，用作區分
	LONG   biWidth;    			//4Bytes，圖像寬度（以像素爲單位）
	LONG   biHeight;    		//4Bytes，圖像高度，+：圖像存儲順序爲Bottom2Top，-：Top2Bottom
	WORD   biPlanes;    		//2Bytes，圖像數據平面，BMP存儲RGB數據，因此總爲1
	WORD   biBitCount;         	//2Bytes，圖像像素位數
	DWORD  biCompression;     	//4Bytes，0：不壓縮，1：RLE8，2：RLE4
	DWORD  biSizeImage;       	//4Bytes，4字節對齊的圖像數據大小
	LONG   biXPelsPerMeter;   	//4Bytes，用象素/米表示的水平分辨率
	LONG   biYPelsPerMeter;   	//4Bytes，用象素/米表示的垂直分辨率
	DWORD  biClrUsed;          	//4Bytes，實際使用的調色板索引數，0：使用所有的調色板索引
	DWORD biClrImportant;     	//4Bytes，重要的調色板索引數，0：所有的調色板索引都重要
}BMP_INFOHEADER;

變量名	地址偏移	大小	作用說明
biSize	000Eh	4Bytes	BMP信息頭即BMP_INFOHEADER結構體所需要的字節數（以字節爲單位）。
biWidth	0012h	4Bytes	圖像的寬度（以像素爲單位）。
biHeight	0016h	4Bytes	圖像的高度（以像素爲單位）。還有一個用處，指明圖像是正向的位圖還是倒向的位圖，值是正數說明圖像是倒向的即圖像存儲是由下到上；值是負數說明圖像是倒向的即圖像存儲是由上到下。大多數BMP位圖是倒向的位圖，所以此值是正值。
biPlanes	001Ah	2Bytes	爲目標設備說明位面數，其值總設置爲1。
biBitCount	001Ch	2Bytes	說明一個像素點佔幾位（以比特位/像素爲單位），其值可爲1,4,8,16,24或32。
biCompression	001Eh	4Bytes	說明圖像數據的壓縮類型，取值範圍爲： 0 BI_RGB 不壓縮（最常用） 1 BI_RLE8 8比特遊程編碼（BLE），只用於8位位圖 2 BI_RLE4 4比特遊程編碼（BLE），只用於4位位圖 3 BI_BITFIELDS比特域（BLE），只用於16/32位位圖
biSizeImage	0022h	4Bytes	說明圖像的大小，以字節爲單位。當用BI_RGB格式時，總設置爲0
biXPelsPerMeter	0026h	4Bytes	說明水平分辨率，用像素/米表示，有符號整數。
biYPelsPerMeter	002Ah	4Bytes	說明垂直分辨率，用像素/米表示，有符號整數。
biClrUsed	002Eh	4Bytes	說明位圖實際使用的調色板索引數，0：使用所有的調色板索引。
biClrImportant	0032h	4Bytes	說明對圖像顯示有重要影響的顏色索引的數目，如果是0，表示都重要。

1.4 BMP調色板

BMP調色板結構體定義如下：

typedef struct _tagRGBQUAD
{
 BYTE  rgbBlue;       //指定藍色強度
 BYTE  rgbGreen;      //指定綠色強度
 BYTE  rgbRed;        //指定紅色強度
 BYTE  rgbReserved;  //保留，設置爲0
} RGBQUAD;

調色板其實是一張映射表，標識顏色索引號與其代表的顏色的對應關係。它在文件中的佈局就像一個二維數組 $palette[N][4]$ ，
其中N表示總的顏色索引數，每行的四個元素分別表示該索引對應的B、G、R、和Alpha的值，每個分量佔一個字節。如不設透
明通道時，Alpha爲0。N爲256。

索引：(藍，綠，紅，Alpha)

說明：使用調色板是爲了減少文件的存儲大小，如果其索引需要的位數和直接存儲一樣沒有什麼減少，那麼也就沒有必要使用調
色板；調色板最多隻需要256項，因此，8位以上則不需要調色板。

1，4，8位圖像纔會使用調色板數據，16,24,32位圖像不需要調色板數據，即調色板最多隻需要256項（索引0 - 255）。
顏色表的大小根據所使用的顏色模式而定：2色圖像爲8字節；16色圖像位64字節；256色圖像爲1024字節。
其中，每4字節表示一種顏色，並以B（藍色）、G（綠色）、R（紅色）、alpha（32位位圖的透明度值，一般不需要）。
即首先4字節表示顏色號1的顏色，接下來表示顏色號2的顏色，依此類推。

顏色表中RGBQUAD結構數據的個數有biBitCount來確定，
當biBitCount=1,4,8時，分別有2,16,256個表項。

當biBitCount=1時，爲2色圖像，BMP位圖中有2個數據結構RGBQUAD，
一個調色板佔用4字節數據，故2色圖像的調色板長
度爲 $2*4$ 爲8字節。

當biBitCount=4時，爲16色圖像，BMP位圖中有16個數據結構RGBQUAD，
一個調色板佔用4字節數據，故16像的調色板長度爲 $16*4$ 爲64字節。

當biBitCount=8時，爲256色圖像，BMP位圖中有256個數據結構RGBQUAD，
一個調色板佔用4字節數據，故256色圖像的調
色板長度爲 $256*4$ 爲1024字節。

當biBitCount=16，24或32時，沒有顏色表。

1.5 BMP圖像數據區

位圖數據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,又稱爲Bottom_Up位圖。
位圖的一個像素值所佔的字節數:
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;
也就是說,一個像素所佔的字節數是biBitCount/8

對齊規則

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，數據對齊滿足以上要求，對數據的獲取速
度等都是有很大的增益。
//一個掃描行所佔的字節數計算方法:
$DataSizePerLine= (biWidth* biBitCount+31)/8;$ 即 $DataSizePerLine= (biWidth* biBitCount+31)/32*4;$

1Byte = 8Bits 想得到的就是BYTES，但是計算中間單位是4Bytes，這個明白吧？就是說即使是1Bits也作爲4Bytes來看待，因爲是
“大於或等於biWidth的，離4最近的整倍數”。 4Bytes的單位，就是32Bits的單位，所以，讓它除以32就得到了當下的4的整倍數，
但是，如果有餘數就必須給結果再增加1，既然這樣，不如在做除法之前就把它加進去，這樣，給bits加上31，確保只要有餘數，結
果就會加1。最後要得到Bytes值，需要給這個中間單位再 $*4$ .
位圖數據的大小(不壓縮情況下):
$DataSize= DataSizePerLine* biHeight;$

顏色表接下來位爲位圖文件的圖像數據區，在此部分記錄着每點像素對應的顏色號，其記錄方式也隨顏色模式而定，既2色圖像每點
佔1位（8位爲1字節）；16色圖像每點佔4位（半字節）；256色圖像每點佔8位（1字節）；真彩色圖像每點佔24位（3字節）。所以，
整個數據區的大小也會隨之變化。究其規律而言，可的出如下計算公式：
$圖像數據信息大小=（圖像寬度*圖像高度*記錄像素的位數）/8$ 。

1.6 識別BMP圖片包含的數據內容

代碼如下：

#include <stdio.h>     
#include <stdlib.h>   
#include <iostream>   

using namespace std;

typedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned short WORD;
typedef unsigned int DWORD;
typedef unsigned short UINT16;
typedef long LONG;

typedef struct tagBITMAPFILEHEARER
{
	//UINT16 bfType;
	DWORD bfSize;
	UINT16 bfReserved1;
	UINT16 bfReserved2;
	DWORD bfOffBits;
}BITMAPFILEHEADER;

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

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

typedef struct tagIMAGEDATA
{
	BYTE red;
	BYTE green;
	BYTE blue;
}IMAGEDATA;

BITMAPFILEHEADER strHead;
RGBQUAD strPla[256]; 
BMP_INFOHEADER strInfo;
  
void showBmpHead(BITMAPFILEHEADER pBmpHead) {
	cout << "Bitmap file header" << endl << endl;
	cout << "File size:" << pBmpHead.bfSize << endl;
	cout << "Reserved1:" << pBmpHead.bfReserved1 << endl;
	cout << "Reserved2:" << pBmpHead.bfReserved2 << endl;
	cout << "The number of bytes offset from the actual bitmap data:" << pBmpHead.bfOffBits << endl << endl;
}

void showBmpInforHead(BMP_INFOHEADER pBmpInforHead) {
	cout << "Bitmap information header" << endl << endl;
	cout << "The length of the structure:" << pBmpInforHead.biSize << endl;
	cout << "Width:" << pBmpInforHead.biWidth << endl;
	cout << "Height:" << pBmpInforHead.biHeight << endl;
	cout << "biPlanes:" << pBmpInforHead.biPlanes << endl;
	cout << "biBitCount:" << pBmpInforHead.biBitCount << endl;
	cout << "Compression:" << pBmpInforHead.biCompression << endl;
	cout << "The number of bytes consumed by the actual bitmap data:" << pBmpInforHead.biSizeImage << endl;
	cout << "X:" << pBmpInforHead.biXPelsPerMeter << endl;
	cout << "Y:" << pBmpInforHead.biYPelsPerMeter << endl;
	cout << "Clr:" << pBmpInforHead.biClrUsed << endl;
	cout << "Significant color number:" << pBmpInforHead.biClrImportant << endl;
}

RGBQUAD* ReadFile(char *strFile) 
{
	
	FILE *fpBMP;
	fpBMP = fopen(strFile, "rb");

	if (fpBMP != NULL) {
		
		WORD bfType;

		fread(&bfType, 1, sizeof(WORD), fpBMP);
		if (0x4d42 != bfType) {
			cout << "the file is not a bmp file!" << endl;
			return NULL;
		}

		fread(&strHead, 1, sizeof(BITMAPFILEHEADER), fpBMP);
		showBmpHead(strHead);

		fread(&strInfo, 1, sizeof(BMP_INFOHEADER), fpBMP);
		showBmpInforHead(strInfo);  

		cout << endl;

		int i;
		IMAGEDATA **imagedata;
		imagedata = (IMAGEDATA **)malloc(sizeof(IMAGEDATA*)*strInfo.biHeight);

		for (i = 0; i < strInfo.biHeight; i++)
			*(imagedata + i) = (IMAGEDATA*)malloc(sizeof(IMAGEDATA)*strInfo.biWidth);  

		for (i = 0; i < strInfo.biHeight; i++) {
			for (int j = 0; j < strInfo.biWidth; j++) {
				fread(*(imagedata + i) + j, sizeof(IMAGEDATA), 1, fpBMP);
			}
		}

		cout << "==================red======================" << endl;
		for (i = 0; i < strInfo.biHeight; i++) {
			for (int j = 0; j < strInfo.biWidth; j++) {
				printf("%d  ", imagedata[i][j].red);
			}
			cout << endl;
		}
		cout << "===================green=====================" << endl;
		for (i = 0; i < strInfo.biHeight; i++) {
			for (int j = 0; j < strInfo.biWidth; j++) {
				printf("%d  ", imagedata[i][j].green);
			}
			cout << endl;
		}
		cout << "====================blue====================" << endl;
		for (i = 0; i < strInfo.biHeight; i++) {
			for (int j = 0; j < strInfo.biWidth; j++) {
				printf("%d  ", imagedata[i][j].blue);
			}
			cout << endl;
		}
		fclose(fpBMP);
	}
	else {
		cout << "file open error!" << endl;
		return NULL;
	}
}

int main() 
{
	char strFile[30] = "..//test.bmp";
	cout << strFile << endl;
	ReadFile(strFile);
	system("pause");
}

1.7 參考說明

BMP數據格式詳解
 代碼參考
 BMP文件格式詳解（BMP file format）

【學習總結】BMP格式

BMP格式詳解

1.1 BMP格式結構

1.2 BMP文件頭

1.3 BMP信息頭

1.4 BMP調色板

1.5 BMP圖像數據區

對齊規則

1.6 識別BMP圖片包含的數據內容

1.7 參考說明

【學習總結】BMP格式

【學習總結】SDL2源碼分析

【學習計劃】操作系統（進程管理）（基本概念）（一）

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