Windows位图（Bitmap）和调色板（Palette）

1．位图和调色板的概念

　　如今Windows（3.x以及95，NT）系列已经成为决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，例如你可以在桌面上铺上你喜欢的墙纸。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的点构成的，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，下图1是一幅普通的黑白位图，图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。

彩色图

　　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，如淡红。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。这种分级的概念被称作量化。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1千6百万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来已经足够了。
　　
下表是常见的一些颜色的RGB组合值。
颜色R G B
红 255 0 0
蓝 0 0 25
绿 0 255 0
黄 255 255 0
紫 255 0 255
青 0 255 255
白 255 255 255
黑 0 0 0

　　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，就能呈现出五彩缤纷的颜色了，这样就形成了彩色图。对，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RGB的表，即是我们常说的调色板(Palette)，另一种叫法是颜色查找表LUT(LookUp Table),似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术.其实是不光是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重要的.

　　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(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。

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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3所示。
　　

图3.Windows位图文件结构示意图(右)

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位图第一部分

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。

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位图第二部分

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
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，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BI_RGB。
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。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，我们将在打印部分详细介绍。
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。

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位图第三部分

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）。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;

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位图第四部分

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，对于真彩色图，图象数据就是实际的R,G,B值。下面就2色，16色，256色位图和真彩色位图分别介绍。

• 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），所以一个字节可以表示8个像素。
• 16色位图：用4位可以表示一个像素的颜色，所以一个字节可以表示2个像素。
• 256色位图；一个字节刚好可以表示1个像素。
  真彩色图：三个字节才能表示1个像素。

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。

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3．显示一个bmp文件的C程序

下面的函数LoadBmpFile，其功能是从一个.bmp文件中读取数据（包括BITMAPINFOHEADER，调色板和实际图象数据）将其存储在一个全局内存句柄hImgData中，这个hImgData将在以后的图象处理程序中用到。同时填写一个类型为HBITMAP的全局变量hBitmap和一个类型为HPALETTE的全局变量hPalette。这两个变量将在处理WM_PAINT消息时用到，用来显示出位图。该函数的两个参数分别是用来显示位图的窗口句柄，和.bmp文件名（全路径），当函数成功时，返回TRUE，否则返回FALSE.

BITMAPFILEHEADER bf;
BITMAPINFOHEADER bi;

BOOL LoadBmpFile(HWND hWnd,char* BmpFileName)
{
    HFILE hf;                //文件句柄
    LPBITMAPINFOHEADER lpImgData; //指向BITMAPINFOHEADER结构的指针
    LOGPALETTE *pPal;       //指向逻辑调色板结构的指针
    LPRGBQUAD lpRGB;        //指向RGBQUAD结构的指针
    HPALETTE hPrevPalette;  //用来保存设备中原来的调色板
    HDC hDc;                //设备句柄
    HLOCAL hPal;            //存储调色板的局部内存句柄
    DWORD LineBytes;        //每一行的字节数
    DWORD ImgSize;          //实际的图象数据占用的字节数
    DWORD NumColors;        //实际用到的颜色数，即调色板数组中的颜色个数
    DWORD i;

    if((hf=_lopen(BmpFileName,OF_READ))==HFILE_ERROR)
    {
         MessageBox (hWnd,"Filec:\\test.bmpnotfound!","ErrorMessage",
         MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
         return FALSE;              //打开文件错误，返回
    }

　　//将BITMAPFILEHEADER结构从文件中读出，填写到bf中
　　_lread(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER));
　　//将BITMAPINFOHEADER结构从文件中读出，填写到bi中
　　_lread(hf,(LPSTR)&bi,sizeof(BITMAPINFOHEADER));
　　
　　//LineBytes为每一行的字节数
　　LineBytes=(DWORD)WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount);

　　//ImgSize为实际的图象数据占用的字节数
　　ImgSize=(DWORD)LineBytes*bi.biHeight;

　　//NumColors为实际用到的颜色数，即调色板数组中的颜色个数
　　if(bi.biClrUsed!=0)
　　  NumColors=(DWORD)bi.biClrUsed;//如果bi.biClrUsed不为零，就是本图象实际用到的颜色数
    else        //否则，用到的颜色数为2的biBitCount次方。
    {
          switch(bi.biBitCount){
          case1:NumColors=2;break;
          case4:NumColors=16;break;
          case8:NumColors=256;break;
          case24:
            {
                NumColors=0;        //对于真彩色图，没用到调色板
                break;
            }
          default://不处理其它的颜色数，认为出错
          {
MessageBox(hWnd,"Invalidcolornumbers!","ErrorMessage", MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);                                                       
          _lclose(hf);
        return FALSE;           //关闭文件，返回FALSE
          }
    }

　　if(bf.bfOffBits!=(DWORD)(NumColors*sizeof(RGBQUAD)+sizeof(BITMAPFILEHEADER)
　　+sizeof(BITMAPINFOHEADER)))
　　{
            //计算出的偏移量与实际偏移量不符，一定是颜色数出错
            MessageBox(hWnd,"Invalidcolornumbers!","ErrorMessage",
            MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
            _lclose(hf);
            return FALSE;//关闭文件，返回FALSE
　　}
    　　bf.bfSize=sizeof(BITMAPFILEHEADER)+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImageSize;
　　//分配内存，大小为BITMAPINFOHEADER结构长度+调色板+实际位图数据
　　if((hImgData=GlobalAlloc(GHND,(DWORD)(sizeof(BITMAPINFOHEADER)+
　　NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize)))==NULL)
　　{
          //分配内存错误
          MessageBox(hWnd,"Errorallocmemory!","ErrorMessage",
          MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
          _lclose(hf);
          return FALSE;//关闭文件，返回FALSE
　　}

　　//指针lpImgData指向该内存区
　　lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);

　　//文件指针重新定位到BITMAPINFOHEADER开始处
　　_llseek(hf,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_SET);

　　//将文件内容读入lpImgData
　　_hread(hf,(char*)lpImgData,(long)sizeof(BITMAPINFOHEADER)
　　+(long)NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize);

　　_lclose(hf);//关闭文件
　　if(NumColors!=0) //NumColors不为零，说明用到了调色板
　　{
          //为逻辑调色板分配局部内存，大小为逻辑调色板结构长度加NumColors个PALETTENTRY大小
          hPal=LocalAlloc(LHND,sizeof(LOGPALETTE)+NumColors*sizeof(PALETTEENTRY));

          //指针pPal指向该内存区
          pPal=(LOGPALETTE*)LocalLock(hPal);

          //填写逻辑调色板结构的头
          pPal->palNumEntries=NumColors;
          pPal->palVersion=0x300;

          //lpRGB指向的是调色板开始的位置
          lpRGB=(LPRGBQUAD)((LPSTR)lpImgData+(DWORD)sizeof(BITMAPINFOHEADER));

          //填写每一项
          for(i=0;i　　
          {
              pPal->palPalEntry[i].peRed=lpRGB->rgbRed;
              pPal->palPalEntry[i].peGreen=lpRGB->rgbGreen;
              pPal->palPalEntry[i].peBlue=lpRGB->rgbBlue;
              pPal->palPalEntry[i].peFlags=(BYTE)0;
              lpRGB++;//指针移到下一项
          }

　　//产生逻辑调色板，hPalette是一个全局变量
　　hPalette=CreatePalette(pPal);

　　//释放局部内存
　　LocalUnlock(hPal);
　　LocalFree(hPal);
　}

　　//获得设备上下文句柄
　　hDc=GetDC(hWnd);
　　if(hPalette)//如果刚才产生了逻辑调色板
　　{
          //将新的逻辑调色板选入DC，将旧的逻辑调色板句柄保存在hPrevPalette
          hPrevPalette=SelectPalette(hDc,hPalette,FALSE);
          RealizePalette(hDc);
　　}

　　//产生位图句柄
　　hBitmap=CreateDIBitmap(hDc，（LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,(LONG)CBM_INIT,
　　(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),
　　(LPBITMAPINFO)lpImgData,DIB_RGB_COLORS);

　　//将原来的调色板（如果有的话）选入设备上下文句柄
　　if(hPalette&&hPrevPalette)
　　{
          SelectPalette(hDc,hPrevPalette,FALSE);
          RealizePalette(hDc);
　　}
　　ReleaseDC(hWnd,hDc); //释放设备上下文
　　GlobalUnlock(hImgData); //解锁内存区
　　Return TRUE; //成功返回
}

上面的程序中，要说明的有两点：
第一，对于需要调色板的图，要想正确的显示，必须根据.bmp文件，产生逻辑调色板。产生的方法是:

1.为逻辑调色板指针分配内存，大小为逻辑调色板结构(LOGPALETTE)长度加NumColors个PALETTENTRY大小.
（调色板的每一项都是一个PALETTEENTRY结构）

2.填写逻辑调色板结构的头pPal->palNumEntries=NumColors;pPal->palVersion=0x300;

3.从文件中读取调色板的RGB值，填写到每一项中。
  4，产生逻辑调色板：hPalette=CreatePalette(pPal)

第二，产生位图（BITMAP）句柄，该项工作由函数CreateDIBitmap来完成

hBitmap=CreateDIBitmap(
hDc,
LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,
(LONG)CBM_INIT,(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD), 
(LPBITMAPINFO)lpImgData,
DIB_RGB_COLORS);

CreateDIBitmap的作用是产生一个和Windows设备无关的位图。
该函数的参数：
第一项: 为设备上下文句柄，如果位图用到了调色板，要在调用CreateDIBitmap之前将逻辑调色板选入该设备上下文中，产生hBitmap后，再把原调色板选入该设备上下文中，并释放该上下文；
第二项: 为指向BITMAPINFOHEADER的指针；
第三项: 就用常量CBM_INI，不用考虑；
第四项: 为指向调色板的指针；
第五项: 为指向BITMAPINFO（包括BITMAPINFOHEADER,调色板,及实际的图象数据）的指针；
第六项: 就用常量DIB_RGB_COLORS，不用考虑。

　　上面提到了设备上下文，相信编过Windows程序的读者对它并不陌生，这里再简单的介绍一下。Windows操作系统统一管理着诸如显示，打印等操作，将它们看作是一个个的设备，每一个设备都有一个复杂的数据结构来维护。所谓设备上下文就是指这个数据结构。然而，我们不能直接和这些设备上下文打交道，只能通过引用标识它的句柄（实际上是一个整数），让Windows去做相应的处理。产生的逻辑调色板句柄hPalette和位图句柄hBitmap要在处理WM_PAINT消息时使用，这样才能在屏幕上显示出来，处理过程如下面的程序。

　  StaticHDC hDC,hMemDC;
　　PAINTSTRUCT ps;
　　case WM_PAINT:
　　{
          hDC=BeginPaint(hwnd,&ps);//获得屏幕设备上下文
          if(hBitmap)//hBitmap一开始是NULL，当不为NULL时表示有图
　　  {
              hMemDC=CreateCompatibleDC(hDC);//建立一个内存设备上下文
              if(hPalette)//有调色板
            {
                      //将调色板选入屏幕设备上下文
                      SelectPalette(hDC,hPalette,FALSE);
                      //将调色板选入内存设备上下文
                      SelectPalette(hMemDC,hpalette,FALSE);
                      RealizePalette(hDC);
            }
              //将位图选入内存设备上下文
              SelectObject(hMemDC,hBitmap);
              //显示位图
              BitBlt(hDC,0,0,bi.biWidth,bi.biHeight,hMemDC,0,0,SRCCOPY);
              //释放内存设备上下文
              DeleteDC(hMemDC);
　　}
　　//释放屏幕设备上下文
　　EndPaint(hwnd,&ps);
　　break;
　　}

　
　　在上面的程序中，我们调用CreateCompatibleDC创建一个内存设备上下文。SelectObject函数将于设备无关的位图选入内存设备上下文中。然后我们调用BitBlt函数在内存设备上下文和屏幕设备上下文中进行位拷贝。由于所有操作都是在内存中进行，所以是最快的。

BitBlt函数的参数分别为：

  1. 目标设备上下文，在上面的程序里，为屏幕设备上下文，如果改成打印设备上下文，就不是显示位图，而是打印；
  2. 目标矩形左上角点x坐标；
  3. 目标矩形左上角点y坐标，在上面的程序中，2和3为（0，0），表示显示在窗口的左上角；
  4. 目标矩形的宽度；
  5. 目标矩形的高度；
  6. 源设备上下文，在上面的程序里，为内存设备上下文；
  7. 源矩形左上角点x坐标；
  8. 源矩形左上角点y坐标；
  9. 操作方式，在这里为SRCCOPY，表示直接将源矩形拷贝到目标矩形。还可以是反色，擦除，做"与"运算等操作，具体细节见VC++帮助。你可以试着改改第2，3，4，5，7，8，9项参数，就能体会到它们的含义了。

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