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DIB位图（Bitmap）的读取和保存

设备无关位图（Device Independent Bitmap）是可以保存在磁盘的位图文件，可以从磁盘读取到内存或者从内存保存到磁盘上。它的文件结构是标准化的，可以在Windows/Linux/Unix等平台上显示相同的效果。本文主要介绍了

  1. 如果将位图文件从磁盘读到内存中
  2. 在内存中对位图文件进行操作后，如何将位图保存到磁盘

1 读取位图到内存中

1.1 DIB文件结构

要将位图文件（.bmp）从磁盘读取到内存，首先要了解其文件结构。DIB的文件组成有以下4个部分：

  1. 文件表头，主要包含了文件的类型（必须是BM），文件的大小（所占用的字节数）和位图的像素矩阵的便宜量。
  2. 信息表头，包含了两部分内容：位图的相关信息（位图的大小、位深度、位面数、压缩和编码等）和指向RGB颜色表（调色盘）的指针。
  3. RGB色彩对照表，也就是调色板，不一定会有。16位及以上直接使用RGB通道表示颜色，一般不需要调色板。
  4. 位图的像素信息矩阵，表示具体的像素。1，4，8位颜色，保存的是调色板的索引，具体的颜色根据索引在调色板中查找；16位及其以上不使用调色板，直接使用RGB组成像素颜色。

1.2 在Windows下DIB的内存结构

要将DIB数据读取到内存，就需要在内存中分配相应的空间。Windows提供了几种结构体，结构体中的字段对应着DIB文件的各个信息值，具体如下

DIB位图（Bitmap）的读取和保存-LMLPHP

将DIB读取到内存只需要将磁盘数据填充到相应到结构体即可。在磁盘上DIB需要连续的结构存储，在内存中则不需要连续的存储空间，可以分段将数据读取到相应的结构体中。

读取DIB到内存的具体步骤：

  1. 将文件头信息读取到BITMAPFILEHEADER结构体中。
  2. 将位图头信息读取到BITMAPINFOHEADER结构体中。
  3. 如果有调色板，则将其信息读取到RGBQUAD中。
  4. 读取位图像素信息到像素矩阵中。
fp.Read(&bmfileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER)); // 读取BMP文件头

...

//读取文件信息头

ret = fp.Read(&bmHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER));

...

fp.Read(m_dibBits, GetBodySize());  //读取像素信息

1.3 结构体各字段信息

BITMAPFILEHEADER

代表文件头信息的结构体BITMAPFILEHEADER的声明如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {

        WORD    bfType;

        DWORD   bfSize;

        WORD    bfReserved1;

        WORD    bfReserved2;

        DWORD   bfOffBits;

} BITMAPFILEHEADER

其中，

  • bfType是文件类型，该字段必须是BM，如果不是则说明该文件不是DIB。
  • bfSize是位图文件的大小（字节数）
  • bfReserved1和bfReserved2 是保留字段
  • bfOffBits 从BITMAPFILEHEADER的起始位置到位图像素的字节偏移量。
BITMAPINFO

在上面提到，位图信息和位图的调色板是存放在同一个结构体中的，该结构体就是BITMAPINFO，其声明如下

typedef struct tagBITMAPINFO {

  BITMAPINFOHEADER bmiHeader;

  RGBQUAD          bmiColors[1];

} BITMAPINFO, *PBITMAPINFO;

bmiHeader是位图头信息

bmiColors是调色板

BITMAPINFOHEADER

位图的头信息结构BITMAPINFOHEADER，该结构包含了DIB的尺寸和颜色格式等信息，声明如下

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{

        DWORD      biSize;

        LONG       biWidth;

        LONG       biHeight;

        WORD       biPlanes;

        WORD       biBitCount;

        DWORD      biCompression;

        DWORD      biSizeImage;

        LONG       biXPelsPerMeter;

        LONG       biYPelsPerMeter;

        DWORD      biClrUsed;

        DWORD      biClrImportant;

} BITMAPINFOHEADER

其中，

  • biSize是该结构体所占用的字节说
  • biWidth DIB的宽（以像素为单位），如果biCompression是BI_JPEG或者BI_PNG，则biWidth是解压缩后JPEG或者PNG图像的宽度。
  • biHeight，DIB的高（以像素为单位）。
    • 如果biHeight是正的，则DIB的像素是按照从下往上（bottom-up，也就是像素数组的第一行保存的实际是DIB的最后一行像素值），图像源点在左下角。
    • 如果biHeight是负的，则DIB的像素是按照从上往下保存的（up-bottom），而且像素的数据是不能被压缩的其biCompression必须是BI_RGB或者BI_FIELDS
    • 如果biCompression是BI_JPEG或者BI_PNG，则biHeight是解压缩后JPEG或者PNG的高
  • biPlanes 目标设备的平面数，总是设为1.
  • biBitCount，每个像素所占用的位数。0，表示JPEG或者PNG指定每个像素所占用的位数。还可以是1,4,8,16,24,32。
  • biCompression，数据的压缩方法（up-down的DIB不能被压缩），可以是以下值：
    • BI_RGB / BI_FIELDS未被压缩
    • BI_RLE4 / BI_RLE8 使用游程长度编码 （RLE，run-length encode）
    • BI_JPEG / BI_PNG 指示该图像是JPEG或者PNG图像。
  • biSizeImage 图像的字节数，对于BI_RGB的DIB其值为0.
  • biXPelsPerMeter / biYPelsPerMeter 显示该DIB的目标设备所需的分辨率（单位是像素每米）
  • biClrUsed DIB实际使用调色板中的颜色个数，通常为0表示使用调色板中的全部颜色。
  • biClrImportant 显示DIB所必须的颜色个数，通常为0表示全部颜色都是必须的。
RGBQUAD
typedef struct tagRGBQUAD {

  BYTE rgbBlue;

  BYTE rgbGreen;

  BYTE rgbRed;

  BYTE rgbReserved;

} RGBQUAD;

注意，其存储顺序是BGR。

1.3 DIB的结构实例

DIB位图（Bitmap）的读取和保存-LMLPHP

是一幅宽和高都是32的位图（放大后，可以看到表示像素的一个个方块），其有16种颜色。下面是该图像的16进制数据

DIB位图（Bitmap）的读取和保存-LMLPHP

  • 首先是文件的头信息 BITMAPFILEINFO 共有14个字节（0x00-0x0D），其起始的两个字节为0x4d42（大端存储，高位在前）表示文件类型为BM，最后4个字节 0x0076是位图的像素信息相对于文件头的偏移量，也就是从0x0076为图像的像素信息。
  • 下面是位图的头信息 BITMAPINFOHEADER共有40个字节（0x0E-0x35），起始的4个字节是0x0028就是该结构体的大小，紧接着的4个字节是图像的宽0x0020
  • 跟着是图像的调色板，0x36 - 0x75。调色板共有16种颜色，也就是说有调色板中有16个RGBQUAD，其大小为16 * 4.
  • 最后是位图的数据 0x76-0x275

1.4 读取

    CFile fp(dibName, CFile::modeRead | CFile::typeBinary);

    BITMAPFILEHEADER bmfileHeader;

    BITMAPINFOHEADER bmHeader;

    ULONGLONG headpos;

    int paletteSize = 0;

    int ret, cbHeaderSize;

    headpos = fp.GetPosition(); // 获取文件指针的位置

    ret = fp.Read(&bmfileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER)); // 读取BMP文件头

    if (bmfileHeader.bfType != 0x4d42) //判断文件类型标头是不是x4d42，表示该文件为BMP类型文件

    {

        AfxMessageBox(_T("文件不是bmp!"));

        return;

    }

    //读取文件信息头

    ret = fp.Read(&bmHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER));

    // 计算RGBQUAD的大小

    switch (bmHeader.biBitCount)

    {

    case 1:

        paletteSize = 2;

        break;

    case 4:

        paletteSize = 16;

        break;

    case 8:

        paletteSize = 256;

        break;

    }

    // 为BITMAPINFO分配存储空间

    cbHeaderSize = sizeof(BITMAPINFOHEADER)+paletteSize * sizeof(RGBQUAD);

    m_dibInfo = (BITMAPINFO*) new char[cbHeaderSize];

    m_dibInfo->bmiHeader = bmHeader;

    if (paletteSize) //是否有调色板

    {

        ret = fp.Read(&(m_dibInfo->bmiColors[0]), paletteSize * sizeof(RGBQUAD));

        if (ret != int(paletteSize * sizeof(RGBQUAD) ) )

        {

            delete[] m_dibInfo;

            m_dibInfo = NULL;

            return;

        }

    }

    //为像素数组分配存储空间，大小由GetBodySize决定

    m_dibBits = (void*) new char[GetBodySize()];

    fp.Seek(headpos + bmfileHeader.bfOffBits, CFile::begin); // 将文件指针移动到DIB像素数组

    ret = fp.Read(m_dibBits, GetBodySize());

    if (ret != int(GetBodySize()))

    {

        delete[] m_dibInfo;

        delete[] m_dibBits;

        m_dibInfo = NULL;

        m_dibBits = NULL;

    }

    fp.Close();

知道了DIB的文件结构后，读取其到内存还是挺简单的，需要注意的是DIB的像素数组的大小。由于DIB的宽度需要时4的倍数，不是的话需要填充0将其凑成4的倍数，所以其像素数组的大小不能简单的width * height * biBitCount / 8，其中biBitCount是每个像素占用的位数。其具体的计算方法如下

  1. 首先计算一行所占用的字节数 bytesPerLine

    bytesPerLine = ((m_dibInfo->bmiHeader.biWidth * m_dibInfo->bmiHeader.biBitCount + 31) / 32 ) * 4
  2. 将bytesPerLine乘以图像的高

    bytesPerLine * m_dibInfo->bmiHeader.biHeight

1.5 总结

本文主要对DIB的文件结构以及其对应的内存中的结构体做了一个总结，并对一个具体的DIB16进制数据结构进行分析，最后实现了如何将一个DIB数据读取到内存中。

一直对位图结构不是很了解，趁着在公司实习没有具体的工作安排，对DIB的结构作了个总结。至于如何将处理后的位图数据写回磁盘文件，在知道位图结构的情况下，只需要填充相应的结构字段就行了，需要注意的还是位图的宽需要是4的倍数，不是的话要用0补齐。本来想写个DEMO的但是太累，明天再说吧。

05-11 00:41
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