位图(BMP)文件结构分析以及使用C++实现位图的读写与显示

作者: AchillesL | 来源:发表于2020-10-08 16:37 被阅读0次

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 <iostream>
#include <Windows.h>
#include <malloc.h>
#include <vector>

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<vector<char>> 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 << "打开文件失败!" << endl;
        exit(0);
    }

    fread(&imgInfo.bf, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp);
    fread(&imgInfo.bi, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp);

    if (imgInfo.bi.biBitCount != 24){
        cout << "不支持该格式的BMP位图！" << endl;
        exit(0);
    }

    fseek(fp, imgInfo.bf.bfOffBits, 0);

    buf = (char*)malloc(imgInfo.bi.biWidth * imgInfo.bi.biHeight * 3);
    fread(buf, 1, imgInfo.bi.biWidth * imgInfo.bi.biHeight * 3, fp);

    p = buf;

    vector<vector<char>> imgData;
    for (int y = 0; y < imgInfo.bi.biHeight; y++){
        for (int x = 0; x < imgInfo.bi.biWidth; x++) {
            vector<char> vRGB;

            vRGB.push_back(*(p++));     //blue
            vRGB.push_back(*(p++));     //green
            vRGB.push_back(*(p++));     //red

            if (x == imgInfo.bi.biWidth - 1)
            {
                for (int k = 0; k < imgInfo.bi.biWidth % 4; k++) p++;
            }
            imgData.push_back(vRGB);
        }
    }
    fclose(fp);
    imgInfo.imgData = imgData;
    return imgInfo;
}

void showBitmap(ImgInfo imgInfo) {
    HWND hWindow;                                                //窗口句柄
    HDC hDc;                                                     //绘图设备环境句柄
    int yOffset = 150;                      
    hWindow = GetForegroundWindow();
    hDc = GetDC(hWindow);

    int posX, posY;
    for (int i = 0; i < imgInfo.imgData.size(); i++){
        char blue = imgInfo.imgData.at(i).at(0);
        char green = imgInfo.imgData.at(i).at(1);
        char red = imgInfo.imgData.at(i).at(2);

        posX = i % imgInfo.bi.biWidth;
        posY = imgInfo.bi.biHeight - i / imgInfo.bi.biWidth + yOffset;
        SetPixel(hDc, posX, posY, RGB(red, green, blue));
    }
}

void saveBitmap(ImgInfo imgInfo) {
    FILE* fpw;
    fopen_s(&fpw, saveImgPath.c_str(), "wb");
    fwrite(&imgInfo.bf, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fpw);  //写入文件头
    fwrite(&imgInfo.bi, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fpw);  //写入文件头信息

    int size = imgInfo.bi.biWidth * imgInfo.bi.biHeight;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        fwrite(&imgInfo.imgData.at(i).at(0), 1, 1, fpw);
        fwrite(&imgInfo.imgData.at(i).at(1), 1, 1, fpw);
        fwrite(&imgInfo.imgData.at(i).at(2), 1, 1, fpw);

        if (i % imgInfo.bi.biWidth == imgInfo.bi.biWidth - 1) {
            char ch = '0';
            for (int j = 0; j < imgInfo.bi.biWidth % 4; j++) {
                fwrite(&ch, 1, 1, fpw);
            }
        }
    }
    fclose(fpw);
    cout << "已保存图像至: " + saveImgPath << endl;
}

int main() {
    ImgInfo imgInfo = readBitmap(imgPath);
    showBitmap(imgInfo);
    saveBitmap(imgInfo);
}