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图像编程学习笔记1――bmp文件结构处理与显示

2016-09-28 00:00:00 广州睿丰德信息科技有限公司 阅读
睿丰德科技 专注RFID识别技术和条码识别技术与管理软件的集成项目。质量追溯系统、MES系统、金蝶与条码系统对接、用友与条码系统对接

文本内容转载自《数字图像处理编程入门》,代码为自己实现

1.1图和调色板的概念

如今Windows(3.x以及95,98,NT)系列已经成为绝大多数用户使用的操作系统,它比DOS成功的一个重要因素是它可视化的漂亮界面。那么Windows是如何显示图象的呢?这就要谈到位图(bitmap)。

我们知道,普通的显示器屏幕是由许许多多点构成的,我们称之为象素。显示时采用扫描的方法:电子枪每次从左到右扫描一行,为每个象素着色,然后从上到下这样扫描若干行,就扫过了一屏。为了防止闪烁,每秒要重复上述过程几十次。例如我们常说的屏幕分辨率为640×480,刷新频率为70Hz,意思是说每行要扫描640个象素,一共有480行,每秒重复扫描屏幕70次。

我们称这种显示器为位映象设备。所谓位映象,就是指一个二维的象素矩阵,而位图就是采用位映象方法显示和存储的图象。举个例子,图1.1是一幅普通的黑白位图,图1.2是被放大后的图,图中每个方格代表了一个象素。我们可以看到:整个骷髅就是由这样一些黑点和白点组成的。

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1.1    骷髅                                                                            图1.2     放大后的骷髅位图

那么,彩色图是怎么回事呢?

我们先来说说三元色RGB概念。

我们知道,自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝(R,G,B)组合而成。有的颜色含有红色成分多一些,如深红;有的含有红色成分少一些,如浅红。针对含有红色成分的多少,可以分成0到255共256个等级,0级表示不含红色成分;255级表示含有100%的红色成分。同样,绿色和蓝色也被分成256级。这种分级概念称为量化。

这样,根据红、绿、蓝各种不同的组合我们就能表示出256×256×256,约1600万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来说已经足够丰富了。

表1.1     常见颜色的RGB组合值

颜色

R

G

B

255

0

0

0

255

0

绿

0

0

255

255

255

0

255

0

255

0

255

255

255

255

255

0

0

0

128

128

128

你大概已经明白了,当一幅图中每个象素赋予不同的RGB值时,能呈现出五彩缤纷的颜色了,这样就形成了彩色图。的确是这样的,但实际上的做法还有些差别。

让我们来看看下面的例子。

有一个长宽各为200个象素,颜色数为16色的彩色图,每一个象素都用R、G、B三个分量表示。因为每个分量有256个级别,要用8位(bit),即一个字节(byte)来表示,所以每个象素需要用3个字节。整个图象要用200×200×3,约120k字节,可不是一个小数目呀!如果我们用下面的方法,就能省的多。

因为是一个16色图,也就是说这幅图中最多只有16种颜色,我们可以用一个表:表中的每一行记录一种颜色的R、G、B值。这样当我们表示一个象素的颜色时,只需要指出该颜色是在第几行,即该颜色在表中的索引值。举个例子,如果表的第0行为255,0,0(红色),那么当某个象素为红色时,只需要标明0即可。

让我们再来计算一下:16种状态可以用4位(bit)表示,所以一个象素要用半个字节。整个图象要用200×200×0.5,约20k字节,再加上表占用的字节为3×16=48字节.整个占用的字节数约为前面的1/6,省很多吧?

这张R、G、B的表,就是我们常说的调色板(Palette),另一种叫法是颜色查找表LUT(Look UpTable),似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术。其实不光是Windows位图,许多图象文件格式如pcx、tif、gif等都用到了。所以很好地掌握调色板的概念是十分有用的。

有一种图,它的颜色数高达256×256×256种,也就是说包含我们上述提到的R、G、B颜色表示方法中所有的颜色,这种图叫做真彩色图(true color)。真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色,而是说它具有显示所有颜色的能力,即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时,每个象素直接用R、G、B三个分量字节表示,而不采用调色板技术。原因很明显:如果用调色板,表示一个象素也要用24位,这是因为每种颜色的索引要用24位(因为总共有224种颜色,即调色板有224行),和直接用R,G,B三个分量表示用的字节数一样,不但没有任何便宜,还要加上一个256×256×256×3个字节的大调色板。所以真彩色图直接用R、G、B三个分量表示,它又叫做24位色图。

1.2 bmp文件格式

介绍完位图和调色板的概念,下面就让我们来看一看Windows的位图文件(.bmp文件)的格式是什么样子的。

bmp文件大体上分成四个部分,如图1.3所示。

位图文件头BITMAPFILEHEADER

位图信息头BITMAPINFOHEADER

调色板Palette

实际的位图数据ImageDate

图1.3     Windows位图文件结构示意图

第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER,是一个结构,其定义如下:

typedefstruct tagBITMAPFILEHEADER {

WORD          bfType;

DWORD bfSize;

WORD          bfReserved1;

WORD          bfReserved2;

DWORDbfOffBits;

}BITMAPFILEHEADER;

这个结构的长度是固定的,为14个字节(WORD为无符号16位整数,DWORD为无符号32位整数),各个域的说明如下:

bfType

指定文件类型,必须是0x424D,即字符串“BM”,也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是“BM”。

bfSize

指定文件大小,包括这14个字节。

bfReserved1,bfReserved2     

为保留字,不用考虑

bfOffBits

为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数,即图1.3中前三个部分的长度之和。

第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER,也是一个结构,其定义如下:

typedefstruct tagBITMAPINFOHEADER{

DWORD biSize;

LONG           biWidth;

LONG           biHeight;

WORD          biPlanes;

WORD          biBitCount

DWORD biCompression;

DWORD biSizeImage;

LONG           biXPelsPerMeter;

LONG           biYPelsPerMeter;

DWORD biClrUsed;

DWORD biClrImportant;

}BITMAPINFOHEADER;

这个结构的长度是固定的,为40个字节(LONG为32位整数),各个域的说明如下:

biSize

指定这个结构的长度,为40。

biWidth

指定图象的宽度,单位是象素。

biHeight

指定图象的高度,单位是象素。

biPlanes

必须是1,不用考虑。

biBitCount

指定表示颜色时要用到的位数,常用的值为1(黑白二色图), 4(16色图), 8(256色), 24(真彩色图)(新的.bmp格式支持32位色,这里就不做讨论了)。

biCompression

指定位图是否压缩,有效的值为BI_RGB,BI_RLE8,BI_RLE4,BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是,Windows位图可以采用RLE4,和RLE8的压缩格式,但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况,即biCompression为BI_RGB的情况。

biSizeImage

指定实际的位图数据占用的字节数,其实也可以从以下的公式中计算出来:

biSizeImage=biWidth’ × biHeight

要注意的是:上述公式中的biWidth’必须是4的整倍数(所以不是biWidth,而是biWidth’,表示大于或等于biWidth的,最接近4的整倍数。举个例子,如果biWidth=240,则biWidth’=240;如果biWidth=241,biWidth’=244)。

如果biCompression为BI_RGB,则该项可能为零

biXPelsPerMeter

指定目标设备的水平分辨率,单位是每米的象素个数,关于分辨率的概念,我们将在第4章详细介绍。

biYPelsPerMeter

指定目标设备的垂直分辨率,单位同上。

biClrUsed

指定本图象实际用到的颜色数,如果该值为零,则用到的颜色数为2biBitCount

biClrImportant

指定本图象中重要的颜色数,如果该值为零,则认为所有的颜色都是重要的。

第三部分为调色板Palette,当然,这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图,如真彩色图,前面已经讲过,是不需要调色板的,BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。

调色板实际上是一个数组,共有biClrUsed个元素(如果该值为零,则有2biBitCount个元素)。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构,占4个字节,其定义如下:

typedefstruct tagRGBQUAD {

BYTE   rgbBlue; //该颜色的蓝色分量

BYTE   rgbGreen; //该颜色的绿色分量

BYTE   rgbRed; //该颜色的红色分量

BYTE   rgbReserved; //保留值

} RGBQUAD;

第四部分就是实际的图象数据了。对于用到调色板的位图,图象数据就是该象素颜在调色板中的索引值。对于真彩色图,图象数据就是实际的R、G、B值。下面针对2色、16色、256色位图和真彩色位图分别介绍。

对于2色位图,用1位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑,1表示白),所以一个字节可以表示8个象素。

对于16色位图,用4位可以表示一个象素的颜色,所以一个字节可以表示2个象素。

对于256色位图,一个字节刚好可以表示1个象素。

对于真彩色图,三个字节才能表示1个象素,哇,好费空间呀!没办法,谁叫你想让图的颜色显得更亮丽呢,有得必有失嘛。

要注意两点:

(1)    每一行的字节数必须是4的整倍数,如果不是,则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage时已经提到了。

(2)    一般来说,.bMP文件的数据从下到上,从左到右的。也就是说,从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个象素,然后是左边第二个象素……接下来是倒数第二行左边第一个象素,左边第二个象素……依次类推,最后得到的是最上面一行的最右一个象素。

开发工具:vc++6.0,Win32 控制台程序

 

[cpp] view plaincopy  
    1. /** 
    2. * 程序名: WorkBmp.cpp 
    3. * 功  能: 读取和显示24位BMP图像,并把图像数据输入到ImageData.txt中 
    4. * 24位bmp可以通过画图程序中的另存为的文件类型中可以选择 
    5. * bmp文件放到工程目录下 
    6. */  
    7. #include <iostream.h>  
    8. #include <stdio.h>  
    9. #include <windows.h>  
    10. #include <fstream.h>  
    11. int biWidth;  //图像宽  
    12. int biHeight;  //图像高  
    13. int biBitCount; //图像类型,每像素位数  
    14. //RGBQUAD *pColorTable;  //颜色表指针  
    15. unsigned char *pBmpBuf;  //存储图像数据  
    16. int lineByte;         //图像数据每行字节数  
    17. /** 
    18. * 函数名: readBmp 
    19. * 参  数: bmpName -- bmp文件名 
    20. * 功  能: 读入bmp文件,并获取相应的信息 
    21. */  
    22. bool readBmp(char *bmpName)  
    23. {  
    24.     FILE *fp;  
    25.     if( (fp = fopen(bmpName,"rb")) == NULL)  //以二进制的方式打开文件  
    26.     {  
    27.         cout<<"The file "<<bmpName<<"was not opened"<<endl;  
    28.         return FALSE;  
    29.     }  
    30.     if(fseek(fp,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_CUR))  //跳过BITMAPFILEHEADE  
    31.     {  
    32.         cout<<"跳转失败"<<endl;  
    33.         return FALSE;  
    34.     }  
    35.     BITMAPINFOHEADER infoHead;  
    36.     fread(&infoHead,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);   //从fp中读取BITMAPINFOHEADER信息到infoHead中,同时fp的指针移动  
    37.     biWidth = infoHead.biWidth;  
    38.     biHeight = infoHead.biHeight;  
    39.     biBitCount = infoHead.biBitCount;  
    40.     lineByte = (biWidth*biBitCount/8+3)/4*4;   //lineByte必须为4的倍数  
    41.     //24位bmp没有颜色表,所以就直接到了实际的位图数据的起始位置  
    42.     pBmpBuf = new unsigned char[lineByte * biHeight];  
    43.     fread(pBmpBuf,sizeof(char),lineByte * biHeight,fp);  
    44.     fclose(fp);   //关闭文件  
    45.     return TRUE;  
    46.   
    47. }  
    48. /** 
    49. * 函数名: saveBmp 
    50. * 参  数: bmpName -- bmp文件名 
    51. * 功  能: 将bmp位图文件的相关信息,写入新创建的文件中 
    52. */  
    53. bool saveBmp(char *bmpName)  
    54. {  
    55.     FILE *fp;  
    56.     if( (fp = fopen(bmpName,"wb") )== NULL)   //以二进制写入方式打开  
    57.     {  
    58.         cout<<"打开失败!"<<endl;  
    59.         return FALSE;  
    60.     }  
    61.     //设置BITMAPFILEHEADER参数  
    62.     BITMAPFILEHEADER fileHead;  
    63.     fileHead.bfType = 0x4D42;     
    64.     fileHead.bfSize = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + lineByte * biHeight;  
    65.     fileHead.bfReserved1 = 0;  
    66.     fileHead.bfReserved2 = 0;  
    67.     fileHead.bfOffBits = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER);  
    68.     fwrite(&fileHead,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp);  
    69.     //设置BITMAPINFOHEADER参数  
    70.     BITMAPINFOHEADER infoHead;  
    71.     infoHead.biSize = 40;  
    72.     infoHead.biWidth = biWidth;  
    73.     infoHead.biHeight = biHeight;  
    74.     infoHead.biPlanes = 1;  
    75.     infoHead.biBitCount = biBitCount;  
    76.     infoHead.biCompression = BI_RGB;  
    77.     infoHead.biSizeImage = lineByte * biHeight;  
    78.     infoHead.biXPelsPerMeter = 0;  
    79.     infoHead.biYPelsPerMeter = 0;  
    80.     infoHead.biClrUsed = 0;  
    81.     infoHead.biClrImportant = 0;  
    82.     //写入  
    83.     fwrite(&infoHead,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);  
    84.     fwrite(pBmpBuf,sizeof(char),lineByte * biHeight,fp);  
    85.     fclose(fp);    //关闭文件  
    86.     return TRUE;  
    87.   
    88.   
    89. }  
    90. /** 
    91. * 函数名: work 
    92. * 功  能: 处理位图信息,并将位图数据保存到ImageData文件中 
    93. */  
    94. void work()  
    95. {  
    96.     char readFileName[] = "nv.BMP";   //定义要读入的文件名  
    97.     if(FALSE == readBmp(readFileName))  
    98.         cout<<"readfile error!"<<endl;  
    99.     //输出图像的信息  
    100.     cout<<"Width = "<<biWidth<<" Height = "<<biHeight<<" biBitCount="<<biBitCount<<endl;  
    101.     ofstream outfile("ImageData.txt",ios::in | ios::trunc);  
    102.     if(!outfile)  
    103.     {  
    104.         cout<<"open error"<<endl;  
    105.         return ;  
    106.     }  
    107.     int count = 0;  
    108.     //图像数据信息是从左下角按行开始存储的  
    109.     for(int i = 0; i < biHeight; i++ )  
    110.     {  
    111.         for(int j = 0; j < biWidth; j++ )  
    112.         {  
    113.             for(int k = 0; k < 3; k++ )  
    114.             {  
    115.                 int temp = *(pBmpBuf + i * lineByte + j + k);  
    116.                 count++;  
    117.                 outfile<<temp<<" ";  
    118.                 if(count % 8 == 0)  
    119.                 {  
    120.                     outfile<<endl;  
    121.                 }  
    122.             }  
    123.         }  
    124.     }  
    125.     cout<<"总的像素数:"<<count / 3<<endl;  
    126.   
    127.     char writeBmpName[] = "nvcpy.BMP";  
    128.     saveBmp(writeBmpName);  
    129.     delete []pBmpBuf;  //释放内存  
    130. }  
    131.   
    132. int main()  
    133. {  
    134.     work();  
    135.     return 0;  
    136. }  
    137.                                            from:http://blog.csdn.net/sun1956/article/details/8648460
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