1. 摘要
??BMP是英文Bitmap（位圖）的簡寫，它是Windows操作系統中的標準圖像文件格式，能夠被多種Windows應用程序所支持。BMP圖像文件是Windows采用的圖形文件格式，在Windows環境下運行的所有圖象處理軟件都支持BMP圖象文件格式。Windows系統內部各圖像繪制操作都是以BMP為基礎的。
??本實驗將會對BMP位圖的文件結構進行分析，并實現BMP位圖的讀取、顯示和保存。
??關鍵詞：BMP位圖文件結構分析、BMP位圖的讀取、BMP位圖的保存、BMP位圖的顯示
2. 實驗內容與相關平臺
2.1 實驗內容
對BMP位圖的文件結構進行分析
編寫程序，實現對24位彩色位圖進行讀取、顯示、保存操作
2.2 實驗的相關平臺與工具
??Notepad++（用于分析BMP圖像的文件結構）、Vs code、C++
3. BMP位圖文件結構分析
??在本節中，我們將要對BMP位圖的文件結構進行分析。在此之前，我們需要事先了解兩個關鍵點：
在BMP文件中，數據存儲采用小端方式(little endian)，即“低地址存放低位數據，高地址存放高位數據”。
以下所有分析均以字節為單位進行。
3.1位圖的文件結構
??位圖的文件結構如表3-1所示，位圖的數據包括四項，分別是：位圖文件頭、位圖信息頭、調色板和位圖數據。
??表3-1 位圖的文件格式：
| 位圖文件頭BITMAPFILEHEADER |
|---|
| 位圖信息頭BITMAPINFOHEADER |
| 調色板Palette |
| 位圖數據ImageData |
3.2 位圖的文件頭分析
??位圖文件頭主要用于識別位圖文件，以及記錄文件的大小、位圖數據位置等信息，共占14個字節。圖3-2是位圖文件頭結構的定義，位圖文件頭的字段含義如表3-3所示。
??表3-3 位圖頭文件的字段以及含義：
| 字段 | 字節數 | 含義 |
|---|---|---|
| bfType | 2 | 聲明位圖文件的類型，該值必須為0x4D42，即字符'BM'。表示這是Windows支持的位圖格式。 【注】該值也可以設置位’BA’,’CI’,’CP’等不同格式，但由于因為OS/2系統并沒有被普及開。因此在編程時，只需判斷第一個標識為否為“BM”即可。 |
| bfSize | 4 | 聲明BMP文件的大小，單位是字節 |
| bfReserved1 | 2 | 保留字段，必須設置為0 |
| bfReserved2 | 2 | 保留字段，必須設置為0 |
| bfOffBits | 4 | 聲明從文件頭開始到實際的圖象數據之間的字節的偏移量，可以用這個偏移值迅速的從文件中讀取到位數據。 |
??用Notepad++打開BMP圖像文件“lena-單色位.bmp”，如下圖3-4所示。可見紅框1中，第1-2字節數據為0x4d42，為BMP位圖的固定標識。在紅框2中，第3-6字節數據為0x00008d8e，表示36238字節，可見該值與在Window資源管理器中查看文件屬性中的圖片大小的是一致的。
??在紅框3中，此處的數據為0x0000003e，表示62字節，表示位圖數據位于從文件開始往后數的62字節處。
3.3 位圖的信息頭分析
??BITMAPINFO段由兩部分組成：BITMAPINFOHEADER結構體和RGBQUAD結構體，其中的BITMAPINFOHEADER結構體表示位圖信息頭。同樣地，Windows為位圖信息頭定義了如下結構體，如下圖3-5所示。位圖信息頭的字段含義如下表3-6所示。
??表3-6 位圖信息頭的字段以及含義：
| 字段 | 占字節數 | 含義 |
|---|---|---|
| biSize | 4 | 聲明BITMAPINFOHEADER占用的字節數 |
| biWidth | 4 | 聲明圖片的寬度，單位是像素 |
| biHeight | 4 | 聲明圖片的高度，單位是像素 |
| biPlanes | 2 | 聲明目標設備說明位面數，其值將總是被設為1 |
| biBitCount | 2 | 聲明單位像素的位數，表示Bmp圖像的顏色位數，如24位圖，32位圖 |
| biCompression | 4 | 聲明圖像壓縮屬性，由于bmp圖片是不壓縮，該值等于0 |
| biSizeImage | 4 | 聲明Bmp圖像數據區的大小 |
| biXPelsPerMeter | 4 | 聲明圖像的水平分辨率 |
| biYPelsPerMeter | 4 | 聲明圖像的垂直分辨率 |
| biClrUsed | 4 | 聲明使用了顏色索引表的數量 |
| biClrImportant | 4 | 聲明重要的顏色的數量，等于0時表示所有顏色都很重要 |
??繼續用Notepad++分析BMP圖像的文件結構，如下圖3-7所示。可見紅框1所示的數據為biSize字段，它的值為0x00000028=40，表示位圖信息頭的大小為40字節。紅框2與3所示的數據表示圖像的寬度與高度，對應的值為0x0000 021b = 539像素，0x0000 0214 = 532像素。
??紅框4處表示圖像的位深度，因為這是一張黑白圖像，所以位深度為1。
??若打開的是24位深度的圖片，可見該字段的值為0x0018，代表顏色深度為24，如下圖3-8所示。
??繼續分析文件，如下圖3-9所示。紅框5處聲明了BMP圖像的數據區大小，即0x00008d50 = 36176字節。紅框6處定義了圖像的水平分辨率和垂直分辨率。
??紅框7處定義了使用彩色表的索引值的數量，當該值為0時，表示使用所有調色板項。
3.4 調色板分析
??調色板一般是針對16位以下的圖像設置的，對于16位及以上的BMP格式圖像，其位圖像素數據是直接對應像素的RGB顏色值進行描述，因此省去了調色板。對于16位以下的BMP格式圖像，其位圖像素數據中記錄的是調色板的索引值。調色板的作用是，當圖像的位深度值比較小時，通過調色板記錄所有的顏色值，而位圖數據則存儲調色板的索引項，因此達到節省存儲空間的效果。
??調色板的數據由RGBQUAD結構體項組成，該結構體由4個字節型數據組成，所以一個RGBQUAD結構體只占用4字節空間，從左到右每個字節依次表示(藍色，綠色，紅色，未使用)。調色板的結構體定義如下圖3-10所示：
??分析圖像的第55-62個字節，該處聲明的是圖像的彩色表項，由于現在使用的圖像是單色圖，只有黑白兩種顏色，所以調色板中也只有兩項，對應著黑色和白色。如下圖3-11所示。
??接下來，我們看一下位深度大于16位的BMP圖像的調色板。
??我們用Notepad++打開一張位深度為24的BMP圖像，如下圖3-12所示。紅框1處為位圖文件頭的bfOffBits字段，值為54字節，表示從文件頭起始到位圖數據之間的字節的偏移量54字節。
??紅框2處的字段為位圖信息頭的biSize字段，值為40字節。觀察兩組數據數據，位圖的文件頭固定為14字節，加上信息頭的40字節因此總字節數為54字節，正等于bfOffBits字段的偏移量。可以由此得知，24位位深度的BMP圖像沒有調色板數據。
1.3 位圖數據分析
??位圖數據記錄了位圖每一個像素的像素值，存儲的順序是在掃描行內是從左到右，掃描行之間是從下到上。根據不同的位圖，位圖數據所占據的字節數也是不同的。比如，對于24位的位圖，每三個字節表示一個像素。對于本案例中的單色圖，一個字節則可以對應八個像素點的像素值。
??根據圖像提供的位圖數據，可以得知每個像素點的值，以此繪制圖像。
??如下圖3-13所示，位圖數據共有36176字節，位圖文件頭與位圖信息頭共54字節，再加上彩色表的兩個索引項共8個字節，可以得知該圖像共36238字節。此數據與用Window資源管理器直接查看圖像的大小一致。
??在位圖數據存儲與讀取過程中，有一點需要特別注意：BMP存儲格式要求每行的字節數必須是4的倍數。若某行的字節數不是4的倍數，需要額外添加字符‘0’湊夠到4的倍數。在對位圖數據進行讀寫時，這一點需要特別留意，否則無法對位圖圖像進行正確的讀寫。
4. 使用C++實現對位圖文件的讀寫、顯示
??在本小節中，將會用C++語言實現對24位位圖文件的讀寫，顯示操作。
??本程序定義了一個新的結構體ImgInfo，里面包含了位圖文件頭BITMAPFILEHEADER、位圖信息頭BITMAPINFOHEADER，還有一個二維數組imgData，用于存放像素值信息。如下圖4-1所示，加入二維數組imgData字段的好處是可以使用二維數組更方便地對圖像的像素點進行操作。
??在程序的主函數中，調用了readBitmap、showBitmap、saveBitmap三個函數，實現對BMP圖像的讀取、顯示、保存操作，如圖4-2所示。
4.1 位圖文件的讀取
??位圖文件讀取主要由程序中的readBitmap函數實現，關鍵代碼如下圖4-3所示，通過使用fread函數實現對位圖文件頭與位圖信息頭的讀取。
??在下圖4-4中，通過fseek函數與位圖文件頭的bfOffBits字段，對圖像像素數據進行定位，以此來讀取像素數據信息，并存放到二維數組中。
??注意藍色框中的代碼，由于BMP位圖采用4字節對齊的存儲機制，可能會存在一些無意義的填充數據，因此我們在讀取數據時必須將他們排除。
4.2在控制臺上顯示位圖圖像
??在控制臺上顯示位圖圖像，主要由程序中的showBitmap函數實現。
??根據結構體ImgInfo中的imgData字段，我們可以很輕易地獲取圖像的像素值信息，并使用SetPixel函數將像素值顯示在控制臺特定的位置，這部分的關鍵代碼如下圖4-5所示。
??需要注意的是，BMP位圖的像素數據存儲方式是行內從左到右，行間從下到上（即第一個數據存放的是圖像左下角的像素信息，最后一個數據存放的是圖像右上角的像素信息），因此在編程時需要考慮清楚像素點與其圖像實際的坐標位置。
4.3 位圖文件的保存
??位圖文件的保存，主要在程序中的saveBitmap函數中實現，如下圖4-6所示。與位圖文件的讀取類似，按照BMP位圖的文件結構，先使用fwrite函數實現對位圖文件頭和位圖信息頭的寫入，再遍歷像素點信息將像素值寫入文件中。
??同樣地，位圖的像素信息存取采用4字節對齊的方式，在寫入每一行位圖數據后且字節長度不足4的倍數時，需要填充’0’字符。
4.4實驗效果
??如下圖4-7所示，在運行程序后，將圖像數據讀出，然后在控制臺上顯示圖像，最后將圖像保存到本地。
5.總結
位圖的文件結構包括四項，分別是：位圖文件頭、位圖信息頭、調色板和位圖數據。
位圖文件頭存放位圖文件的大小、位圖數據位置等信息。
位圖信息圖存放位圖文件的寬高、圖像位深度、水平/垂直分辨率、位圖數據大小等等關鍵信息。
調色板一般是針對16位以下的圖像設置的，對于16位及以上的BMP格式圖像，其位圖像素數據是直接對應像素的RGB顏色值進行描述。
位圖數據記錄了位圖每一個像素的像素值，存儲的順序是在掃描行內是從左到右，掃描行之間是從下到上，并要求每行的字節數必須是4的倍數。
6. 參考文章
[1] 百度百科--Bitmap位圖.https://baike.baidu.com/item/Bitmap/6493270?fr=aladdin
[2] Bitmap 圖片格式并用 C++ 讀寫 Bitmap.
https://blog.csdn.net/weixin_34208185/article/details/86257499
[3] BMP格式詳解.https://blog.csdn.net/gwwgle/article/details/4775396
[4] Bitmap每行4字節對齊.https://blog.csdn.net/a_flying_bird/article/details/50585146
7.附--完整代碼
// ImgOpt.cpp : 此文件包含 "main" 函數。程序執行將在此處開始并結束。
//
#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";
//自定義了一個ImgInfo的結構體，包含BMP文件頭、BMP信息頭和像素點的RGB值。
//目前只支持24位圖像的讀取和顯示
typedef struct{
BITMAPFILEHEADER bf;
BITMAPINFOHEADER bi;
vector<vector<char>> imgData;
}ImgInfo;
//根據圖片路徑讀取Bmp圖像，生成ImgInfo對象
ImgInfo readBitmap(string imgPath) {
ImgInfo imgInfo;
char* buf; //定義文件讀取緩沖區
char* p;
FILE* fp;
fopen_s(&fp, imgPath.c_str(), "rb");
if (fp == NULL) {
cout << "打開文件失敗!" << endl;
exit(0);
}
fread(&imgInfo.bf, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp);
fread(&imgInfo.bi, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp);
if (imgInfo.bi.biBitCount != 24){
cout << "不支持該格式的BMP位圖！" << 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; //繪圖設備環境句柄
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); //寫入文件頭
fwrite(&imgInfo.bi, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fpw); //寫入文件頭信息
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 << "已保存圖像至: " + saveImgPath << endl;
}
int main() {
ImgInfo imgInfo = readBitmap(imgPath);
showBitmap(imgInfo);
saveBitmap(imgInfo);
}
