图像处理学习笔记——BMP图片详解

一、位图和调色板的概念

1.位图（Bitmap）：

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。

2.彩色图：

当一幅图中每个象素赋予不同的 RGB 值时，就能呈现出五彩缤纷的颜色了，这样就形成了彩色图。
下表是常见的一些颜色的 RGB 组合值。

3.调色板（颜色查找表）：

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 2002003， 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 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 2002000.5，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。

这张 RGB 的表，即是我们常说的调色板(Palette) 。不光是 Windows 位图，许多图象文件格式如 pcx，tif，gif 等都用到了调色板。

4.真彩色图

有一种图，它的颜色数高达 256 * 256 * 256 种，也就是说包含 R，G，B 颜色表示方法中所有的颜色，这种图叫做真彩色图( TrueColor)。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 2 的 24 次方种颜色，即调色板有 2 的 24 次方行)，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。

二、Bmp 文件格式

Windows 的位图文件(.bmp 文件）的格式大体上分成四个部分，如图 3 所示。

1.位图文件头

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

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
WORD bfType;
DWORD bfSize;
WORD bfReserved1;
WORD bfReserved2;
DWORD bfOffBits;
} 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3中前三个部分的长度之和。

2.位图信息头

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

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; 

这个结构的长度是固定的，为40个字节（WORD为无符号16位整数，DWORD无符号32位整数,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；这个值除了用于描述图像的高度之外，它还有另一个用处，就是指明该图像是倒向的位图，还是正向的位图如果该值是一个正数，说明图像是倒向的，如果该值是一个负数，则说明图像是正向的。大多数的BMP文件都是倒向的位图，也就是说，高度值是一个正数。
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色图),24(真彩色图),新的.bmp格式支持32位图
biCompression：   指定位图是否压缩，有效的值为BI_RGB（不压缩），BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS(每个象素的比特由指定的掩码决定)。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BI_RGB。
biSizeImage：     指定实际的位图数据占用的字节数，如果biCompression为BI_RGB，则该项为零，其实也可以从以下的公式中计算出来：biSizeImage=biWidth'*biHeight。举个例子，如果biWidth=240，则biWidth'=240；如果biWidth=241，biWidth'=244)
biXPelsPerMeter： 指定目标设备的水平分辨率，用象素/米表示，关于分辨率的概念，我们将在打印部分详细介绍。
biYPelsPerMeter： 指定目标设备的垂直分辨率，用象素/米表示。
biClrUsed：       指定本图像实际用到的颜色数，如果该值为0，则用到的颜色数为2的biBitCount次方
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。

3.调色板(颜色表)

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2的biBitCount次方个元素：当 biBitCount=1、4、8 时，分
别有 2、16、256 个表项；当 biBitCount 大于 8 时，没有调色板项。）。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：

　　typedef struct 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;

4.位图数据

第四部分就是实际的图象数据了。对于用到调色板的位图，图象数据就是该像素颜在调色板中的索引值，当 biBitCount 大于 8 时，没有调色板项。对于真彩色图，图象数据就是实际的R,G,B值。

下面分别介绍：

• 当 biBitCount=1bit - 2色位图：用1位就可以表示该像素的颜色（一般0表示黑，1表示白），所以1个字节可以表示8个像素。
• 当 biBitCount=4bit -16色位图：用4位可以表示一个像素的颜色，所以1个字节可以表示2个像素。
• 当 biBitCount=8bit -256色位图：1个字节刚好可以表示1个像素。
• 当 biBitCount=16bit - 高彩色位图，2个字节表示1个像素。
• 当 biBitCount=24bit - 真彩色图：3个字节才能表示1个像素。
• 当 biBitCount=32bit - 增强型真彩色位图，4个字节表示1个像素。

biBitCount=1 表示位图最多有两种颜色，缺省情况下是黑色和白色，你也可以自己定义这两种颜色。图像信息头装调色板中将有两个调色板项，称为索引 0 和索引 1。图象数据阵列中的每一位表示一个像素。如果一个位是 0，显示时就使用索引 0 的 RGB 值，如果位是 1，则使用索引 1 的 RGB 值。

biBitCount=16 表示位图最多有 65536 种颜色。每个像素用 16 位（2 个字节）表示。这种格式叫作高彩色，或叫增强型 16 位色，或 64K 色。它的情况比较复杂，当 biCompression 成员的值是 BI_RGB 时，它没有调色板。16 位中，最低的 5 位表示蓝色分量，中间的 5 位表示绿色分量，高的 5 位表示红色分量，一共占用了 15 位，最高的一位保留，设为 0。这种格式也被称作 555 16 位位图。如果biCompression 成员的值是 BI_BITFIELDS，那么情况就复杂了，首先是原来调色板的位置被三个 DWORD 变量占据，称为红、绿、蓝掩码。分别用于描述红、绿、蓝分量在 16 位中所占的位置。在 Windows 95（或 98）中，系统可接受两种格式的位域：555和 565，在 555 格式下，红、绿、蓝的掩码分别是：0x7C00、0x03E0、0x001F，而在 565 格式下，它们则分别为：0xF800、0x07E0、0x001F。你在读取一个像素之后，可以分别用掩码“与”上像素值，从而提取出想要的颜色分量（当然还要再经过适当的左右移操作）。在 NT 系统中，则没有格式限制，只不过要求掩码之间不能有重叠。（注：这种格式的图像使用起来是比较麻烦
的，不过因为它的显示效果接近于真彩，而图像数据又比真彩图像小的多，所以，它更多的被用于游戏软件）。

biBitCount=32 表示位图最多有 4294967296(2 的 32 次方)种颜色。这种位图的结构与 16 位位图结构非常类似，当 biCompression 成员的值是 BI_RGB 时，它也没有调色板，32 位中有 24位用于存放 RGB 值，顺序是：最高位—保留，红 8 位、绿 8 位、蓝 8 位。这种格式也被成为888 32 位图。如果 biCompression 成员的值是BI_BITFIELDS 时，原来调色板的位置将被三个DWORD 变量占据，成为红、绿、蓝掩码，分别用于描述红、绿、蓝分量在 32 位中所占的位置。在 Windows 95(or 98)中，系统只接受 888 格式，也就是说三个掩码的值将只能是：0xFF0000、0xFF00、0xFF。而在 NT 系统中，你只要注意使掩码之间不产生重叠就行。（注：这种图像格
式比较规整，因为它是 DWORD 对齐的，所以在内存中进行图像处理时可进行汇编级的代码优化（简单））。

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像素，然后是左边第二个像素…接下来是倒数第二行左边第一个像素，左边第二个像素…依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个像素。
   ——参考正点原子