Mat 图像和 BMP格式图像的相互转换

一、前言

​ 格式转换很常见，其实在我实现了 Mat 转 BMP 之后才发现原来 imwrite 接口可以直接将 Mat 数据保存为 .bmp图像，不过下文所谈及的转换是在内存中的转换，因为将图像发送给识别服务器时显然不能先将 Mat 保存为 .bmp 文件，然后再读该文件以二进制形式发送给识别服务，而是应该直接在内存中完成其转换。

二、Mat 和 BMP 数据结构

1. Mat 数据结构

   ​ Mat 数据结构由矩阵头和指向矩阵数据的指针构成：Mat = 矩阵头 + 矩阵数据指针，下面代码是 Mat 类的代码片段，其中 uchar* data 比较常见，UMatData* u 为GPU版的 Mat，将图像交由 GPU 处理之前需要将 Mat 转为 UMat。

   int flags;
   //! the matrix dimensionality, >= 2
   int dims;
   //! the number of rows and columns or (-1, -1) when the matrix has more than 2 dimensions
   int rows, cols;
   //! pointer to the data
   uchar* data;
   //! helper fields used in locateROI and adjustROI
   const uchar* datastart;
   const uchar* dataend;
   const uchar* datalimit;
   
   //! custom allocator
   MatAllocator* allocator;
   //! and the standard allocator
   static MatAllocator* getStdAllocator();
   static MatAllocator* getDefaultAllocator();
   static void setDefaultAllocator(MatAllocator* allocator);
   
   //! internal use method: updates the continuity flag
   void updateContinuityFlag();
   
   //! interaction with UMat
   UMatData* u;
   
   MatSize size;
   MatStep step;

2. BMP 数据结构

   ​ Bitmap 是Windows显示图片的基本格式，Windows下图片的显示都必须先转化为位图然后进行显示。BitMap俗称位图，没有任何压缩，图片比较大，其它的图片格式都是在其基础上采用相应的压缩算法生成的。

   Bitmap = 文件头 + 信息头 + 调色板 + 像素数据

   文件头：BITMAPFILEHEADER，大小为14个字节

   信息头：BITMAPINFOHEADER，大小为40个字节

   调色板：RGBQUAD[n], 大小为 4*n 个字节，可以理解为一个数组，每个元素对应一种颜色，根据像素值索引颜色，通常调色板分为灰阶调色板和彩色调色板，顾名思义灰阶调色板为黑白图像使用，彩色调色板为彩色图像使用；使用调色板主要是为减小图片尺寸，只有1、4、8位图才需要调色板，对应的颜色种类是 2、16、256。16、24、32位图有足够的空间来自由组合出各种颜色，如果使用调色板反而会占用过多的空间，16位图可以是RGB(556)或者RGB(565)，24位图是RGB(888)，32位图是RGBA(8888)。

   像素数据：uchar * p。

三、转换实现思路

搞清楚了 Mat 和 BMP 的数据结构，转换也就很简单了，Mat转BMP时将 Mat 头里（也就是Mat类的相关成员变量）赋值给 BMP 的文件头和信息头，数据指针指向的数据拷贝到 BMP 的数据部分；BMP转Mat也是同样的道理。

四、Mat 转 BMP

int CAlgorithm::Mat2Bmp(cv::Mat * pMat, uchar * & pBmp, ulong & size)
{
    if (!pMat)
    {
        return -1;
    }

    /////////////////////////////////创建bmp空白图片///////////////////////////
    int depth = pMat->depth();
    int channels = pMat->channels();
    int width = pMat->cols;
    int height = pMat->rows;

    // 获取图像每个像素的位数
    // depth 代表每个通道元素的宽度，0：CV_8U
    uint pixelSize = (8 << (depth / 2)) * channels;

    // bmp规定每一行的长度必须是4的整数倍, pMat->cols * pixelSize / 8 为每一行有效数据长度 
    // 其实OpenCV已经规定每行长度必须是4的整数倍，多以Mat也是
    //uint lineSize = ((width * pixelSize / 8) + 3) / 4 * 4;
    uint lineSize = width * pixelSize / 8;

    // 计算需要的调色板的大小，以便为bmp图像申请内存空间
    // 只有1、4、8位图才需要调色板（1->2, 4->16, 8->256），因为16、24、32位有足够的空间以便自由组合

    uint colorTableSize = 0;

    // 当前只支持8位图
    if (1 == pixelSize)
    {
        colorTableSize = 2 * sizeof(RGBQUAD);

        RGBQUAD* pColorTable = (RGBQUAD*)(&pBmp[sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER)]);
        for (int i = 0; i < 2; ++i)
        {
            // 灰阶调色板
            pColorTable[i].rgbRed = i;
            pColorTable[i].rgbGreen = i;
            pColorTable[i].rgbBlue = i;

            // 也可以创建彩色调色版
        }
    }
    else if (4 == pixelSize)
    {
        colorTableSize = 16 * sizeof(RGBQUAD);

        RGBQUAD* pColorTable = (RGBQUAD*)(&pBmp[sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER)]);
        for (int i = 0; i < 16; ++i)
        {
            // 灰阶调色板
            pColorTable[i].rgbRed = i;
            pColorTable[i].rgbGreen = i;
            pColorTable[i].rgbBlue = i;

            // 也可以创建彩色调色版
        }
    }
    if (8 == pixelSize)
    {
        colorTableSize = 256 * sizeof(RGBQUAD);

        RGBQUAD* pColorTable = (RGBQUAD*)(&pBmp[sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER)]);
        for (int i = 0; i < 256; ++i)
        {
            // 灰阶调色板
            pColorTable[i].rgbRed = i;
            pColorTable[i].rgbGreen = i;
            pColorTable[i].rgbBlue = i;

            // 也可以创建彩色调色版
        }
    }

    // bmp图片的大小, sizeof(BITMAPFILEHEADER) = 14, sizeof(BITMAPINFOHEADER) = 40
    size = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + colorTableSize + height * lineSize;

    pBmp = (uchar*)malloc(size);
    if(!pBmp)
    {
        return -2;
    }
    memset(pBmp, 0, size);

    /////////////////////////////////为bmp图片的文件头赋值/////////////////////////////////
    BITMAPFILEHEADER * pFileHead = (BITMAPFILEHEADER *)pBmp;
    pFileHead->bfType = 0x4D42; // 0x4D42 代表 “BM”，位图标志
    pFileHead->bfSize = size;
    pFileHead->bfOffBits = sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + colorTableSize; // 图像数据偏移量

    /////////////////////////////////为bmp图片的信息头赋值/////////////////////////////////
    BITMAPINFOHEADER * pInfoHead = (BITMAPINFOHEADER *)(&pBmp[sizeof(BITMAPFILEHEADER)]);
    pInfoHead->biSize = 40;             // 信息头的大小
    pInfoHead->biWidth = width;
    pInfoHead->biHeight = height;
    pInfoHead->biPlanes = 1;            // 图像平面数，rgb为1？什么时候大于1？
    pInfoHead->biBitCount = pixelSize;  // 图像每个像素所占的位数
    pInfoHead->biCompression = 0;       // 0:不压缩，1：REL8, 2：REL4
    pInfoHead->biSizeImage = height * lineSize;     // 图像数据大小
    pInfoHead->biXPelsPerMeter = 0;     // 水平方向像素/米，分辨率
    pInfoHead->biYPelsPerMeter = 0;     // 垂直方向像素/米，分辨率
    pInfoHead->biClrUsed = 0;           // BMP图像使用的颜色，0:表示使用全部颜色
    pInfoHead->biClrImportant = 0;      // 重要的颜色数，0：所有的颜色都重要，当显卡不能够显示所有颜色时，辅助驱动程序显示颜色

    ///////////////////////////////////为bmp图片的调色板赋值/////////////////////////////////
    //// 8位图
    //if (8 == pixelSize)
    //{
    //  // 只有1、4、8位图才需要调色板（1->2, 4->16, 8->256），因为16、24、32位有足够的空间以便自由组合
    //  RGBQUAD* pColorTable = (RGBQUAD*)(&pBmp[sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER)]);
    //  for (int i = 0; i < 256; ++i)
    //  {
    //      // 灰阶调色板
    //      pColorTable[i].rgbRed = i;
    //      pColorTable[i].rgbGreen = i;
    //      pColorTable[i].rgbBlue = i;

    //      // 也可以创建彩色调色版
    //  }
    //}

    /////////////////////////////////为bmp图片的图像数据赋值/////////////////////////////////
    // BMP 和 Mat 数据都是自左向右，但是BMP是自下而上，Mat是自上而下，故而在数据转换时需要颠倒数据上下位置

    //uchar * pBmpData = pBmp + pFileHead->bfOffBits;
    uchar * pBmpData = pBmp + pFileHead->bfOffBits + height * lineSize; // 最后一行尾地址
    uchar * pMatData = pMat->data;  // 第一行首地址

    // 将Mat从上往下一行一行拷给BMP
    for (int i = 0; i < height; ++i)
    {
        // 这里的 width 代表水平方向的像素个数，但是每个像素占1个字节，通过查表索引（RGB
        // 每次拷贝一行
        pBmpData -= lineSize;
        memcpy(pBmpData, pMatData, lineSize);
        pMatData += lineSize;
    }

    return 0;
}

五、BMP转Mat

int CAlgorithm::Bmp2Mat(uchar * pBmp, cv::Mat & mat)
{
    // 获取文件头信息
    if (!pBmp)
    {
        return -1;
    }

    BITMAPFILEHEADER * pFileHead = (BITMAPFILEHEADER *)pBmp;
    if (pFileHead->bfType != 0x4D42)
    {
        return -2;
    }

    BITMAPINFOHEADER* pInfoHead = (BITMAPINFOHEADER *)(pBmp + sizeof(BITMAPFILEHEADER));

    long height = pInfoHead->biHeight;
    long width = pInfoHead->biWidth;
    ulong dataSize = pInfoHead->biSizeImage;

    uchar * pMatData = (uchar *)malloc(dataSize);
    memset(pMatData, 0, dataSize);

    // bmp数据填充数据为至下而上、至左而右，mat为至上而下、至左而右
    uint lineSize = width * (pInfoHead->biBitCount) / 8;

    // 最后一行尾地址
    uchar * pBmpData = (uchar *)(pBmp + pFileHead->bfSize); // 每个像素占一个字节
    for (int h = 0; h < height; ++h)
    {
        pBmpData -= lineSize;
        memcpy(pMatData, pBmpData, lineSize);   // 复制整行
        pMatData += lineSize;
    }

    // Mat数据指针移到最前面
    pMatData -= dataSize;

    mat.create(height, width, CV_MAKETYPE(CV_8U, (pInfoHead->biBitCount) / 8));
    memcpy(mat.data, pMatData, dataSize);

    free(pMatData);

    return 0;
}

六、一点体会

​ 在一份 Mat 转 BMP 的代码基础上进行了改进，BMP 转 Mat 是自己实现的，做完之后发现实现功能其实不难，花了一个周末的时间，了解到了很多感兴趣的东西，期间也学到了很多。