BMP文件格式解析

梦里梦外; 2023-05-30 08:57 139阅读 0赞

BMP文件格式解析

作者：水木子

### 文章目录 ###

*   *  一、图像概述
     *   *  1.1 位图
         *  1.2 矢量图
         *  1.3 位图与矢量图的区别
         *  1.4 如何表示像素点的颜色
     *  二、BMP文件格式
     *   *  2.1 BMP简介
         *  2.2 BMP文件格式组成
         *   *  2.2.1 位图文件头
             *  2.2.2 位图信息头
             *  2.2.3 颜色表
             *  2.2.4 像素阵列
     *  三、实例解析BMP文件格式
     *   *   *  3.1 位图文件头
             *  3.2 位图信息头
             *  3.3 颜色表
             *  3.4 像素阵列
     *  三、代码实验
     *   *   *  3.1 实验环境
             *  3.2 实验内容
             *  3.3 其他信息
             *  3.4 关键代码
             *  3.5 注意点！！！
             *  3.6 结果
             *  3.7 完整代码
     *  四、扩展实验
     *  五、参考资料

## 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。 ----维基百科

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。
> 
>  ----维基百科

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。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx_size_16_color_FFFFFF_t_70]

图像来源：维基百科

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：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-MESatFy9-1573204554252)(img/image-20191102143341677.png)\]][img-MESatFy9-1573204554252_img_image-20191102143341677.png]

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：
    
    ![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XND0Cdem-1573204554252)(img/grey8.bmp)\]][img-XND0Cdem-1573204554252_img_grey8.bmp]
 *  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。 ----维基百科

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：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Mo8accMD-1573204554254)(img/swift8.bmp)\]][img-Mo8accMD-1573204554254_img_swift8.bmp]

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：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wwYgzFde-1573204554258)(img/swift24.bmp)\]][img-wwYgzFde-1573204554258_img_swift24.bmp]

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：

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-MYsNmSvS-1573204554260)(img/image-20191102154654330.png)\]][img-MYsNmSvS-1573204554260_img_image-20191102154654330.png]

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：
> 
> ![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NSD9dSVY-1573204554262)(img/bmp\_5.png)\]][img-NSD9dSVY-1573204554262_img_bmp_5.png]
> 
> 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：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

*  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：
    
    ![20191108171947989.png][]
    
    位图文件的大小，即bfSize的值需要如何计算呢？  
     b f S i z e = 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） 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：  
     b f S i z e = 14 + 40 + 256 ∗ 4 + 256 ∗ 192 ∗ 8 / 8 = 50230 ( 字 节 ) 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 ####

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7pzsYKPp-1573204554264)(img/BITMAPINFOHEADER .png)\]][img-7pzsYKPp-1573204554264_img_BITMAPINFOHEADER .png]

*  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：  
     b i S i z e I m a g e = 图 像 的 宽 度 ∗ 高 度 ∗ 位 深 度 / 8 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  
     b i S i z e I m a g e = 256 ∗ 192 ∗ 8 / 8 = 49152 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）：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

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。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fPGLoDqK-1573204554267)(img/grey8\_test-1572943023710.bmp "grey8\_test.bmp")\]][img-fPGLoDqK-1573204554267_img_grey8_test-1572943023710.bmp _grey8_test.bmp]

#### 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！

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CPtn37fu-1573204554269)(img/1.bmp)\]\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-eTnc5MNE-1573204554271)(img/2.bmp)\]\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7PEO2f0U-1573204554273)(img/3.bmp)\]][img-CPtn37fu-1573204554269_img_1.bmp_img-eTnc5MNE-1573204554271_img_2.bmp_img-7PEO2f0U-1573204554273_img_3.bmp]

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PMaqaxgH-1573204554275)(img/4.bmp)\]\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7bQn5VRs-1573204554277)(img/5.bmp)\]\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oMHLZ8xG-1573204554281)(img/pseudo.bmp)\]][img-PMaqaxgH-1573204554275_img_4.bmp_img-7bQn5VRs-1573204554277_img_5.bmp_img-oMHLZ8xG-1573204554281_img_pseudo.bmp]

#### 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][https_www.cnblogs.com_Matrix_Yao_archive_2009_12_02_1615295.html]

\[2\] 多媒体基础课程相关资料

\[3\] 维基百科关于“位图”、“矢量图”、“BMP格式”的介绍

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