数字图像处理：关于BMP格式图像的理解和读写（c++）

一、什么是BMP格式? 它与我们常见的其他图片格式（jpeg, jpg, png, tif）有什么区别?

1、JPEG

JPEG是Joint Photographic Experts Group（联合图像专家小组）的缩写，是第一个国际图像压缩标准。JPEG图像压缩算法能够在提供良好的压缩性能的同时，具有比较好的重建质量，被广泛应用于图像、视频处理领域。人们日常碰到的“.jpeg”、‘’.jpg“等指代的是图像数据经压缩编码后在媒体上的封存形式，不能与JPEG压缩标准混为一谈。

2、BMP

BMP，（全称Bitmap）是Windows操作系统中的标准图像文件格式，可以分成两类：设备相关位图（DDB）和设备无关位图（DIB），使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BMP 文件所占用的空间很大。BMP文件的图像深度可选1bit、4bit、8bit及24bit。BMP 文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。

3、TIF

TIF，正确的是TIFF，标签图像文件格式（Tagged Image File Format，简写为TIFF）是一种灵活的位图格式，主要用来存储包括照片和艺术图在内的图像。它最初由Aldus公司与微软公司一起为PostScript打印开发。TIFF与JPEG和PNG一起成为流行的高位彩色图像格式。TIFF格式在业界得到了广泛的支持，如Adobe公司的Photoshop、The GIMP Team的GIMP、Ulead PhotoImpact 和Paint Shop Pro等图像处理应用、QuarkXPress 和Adobe InDesign 这样的桌面印刷和页面排版应用，扫描、传真、文字处理、光学字符识别和其它一些应用等都支持这种格式。

4、PNG

PNG，图像文件存储格式，其设计目的是试图替代GIF和TIFF文件格式，同时增加一些GIF文件格式所不具备的特性。PNG的名称来源于“可移植网络图形格式(Portable Network Graphic Format，PNG)”，也有一个非官方解释“PNG’s Not GIF”，是一种位图文件(bitmap file)存储格式，读作“ping”。PNG用来存储灰度图像时，灰度图像的深度可多到16位，存储彩色图像时，彩色图像的深度可多到48位，并且还可存储多到16位的α通道数据。PNG使用从LZ77派生的无损数据压缩算法，一般应用于JAVA程序、网页或S60程序中，原因是它压缩比高，生成文件体积小。

二、怎么计算BMP的大小

BMP是一种不压缩的图像文件，我们怎么计算bmp图像的大小呢？

BMP的类别及存储方式

1.BMP的常见类型

通常我们最常见的就是24位图，所谓的24位图，就是说一个像素的颜色信息用24位来表示，也就是说，对于三原色BRG，每一个颜色都用以字节（8）位来表示。除了24位图，还有1位（单色），2位（4色，CGA），4位（16色，VGA），8位（256色），16位（增强色），24位（真彩色）和32位等。

2. BMP的文件头：

BMP文件头（bmp file header）：共14字节

0-1：bfType，表示文件类型，BMP格式的文件这两个字节是0x4D42，10进制就是19778，字符显示就是‘BM’；
2-5：bfSize，表示文件的大小，检查文件信息，验证正确；
6-7：bfReserved1，保留位，必须设置为0；
8-9：bfReserved2，保留位，必须设置为0；
a-d：bfOffBits，4字节的偏移，表示从文件头到位图数据的偏移；

位图信息头（bitmap information）：共40字节；

0e-11：4字节的biSize, 信息头的大小，即40；
12-15：4字节的biWidth，用像素表示图像的宽度，查看文件信息验证正确；
16-19：4字节的biHeight，以像素为单位说明图像的高度，同时如果为正，说明位图倒立（即数据表示从图像的左下角到右上角），如果为负说明正向； （这两个信息在程序要在内存分配的时候使用）
1a-1b：2字节的biPlanes，为目标设备说明颜色平面数，总被设置为1；
1c-1d：2字节的biBitCount，说明比特数/像素数，值有1、2、4、8、16、24、32；
1e-21：4字节的biCompression，说明图像的压缩类型，最常用的就是0（BI_RGB），表示不压缩；
22-25：4字节的biSizeImage，说明位图数据的大小，当用BI_RGB格式时，可以设置为0；
26-29：4字节的biXPelsPerMeter，表示水平分辨率，单位是像素/米，有符号整数；
2a-2d：4字节的biYPelsPerMeter，表示垂直分辨率，单位是像素/米，有符号整数；
2e-31：4字节的biClrUsed，说明位图使用的调色板中的颜色索引数，为0说明使用所有；
32-35：4字节的biClrImportant，说明对图像显示有重要影响的颜色索引数，为0说明都重要；

所以，总的BMP格式从头到尾的顺序应该是：
a. bmp文件头（bmp file header）：共14字节；
b. 位图信息头（bitmap information）：共40字节；
c. 调色板（color palette）：可选；
d. 位图数据；

计算大小

假设我们获取的是每个像素是24位的bmp图像，即每个像素占用三个字节（按照R、G、B的顺序，每个分量占一个字节），此外，这种格式还需要54个额外的字节来存储“头”信息，可以根据以下公式确定BMP文件大小：

Hbytes=(Hpixels*3+3) & (11.......00)
24b RGB BMP文件大小= 54 + Hbytes*Vpixels

其中Vpixels和Hpixels是图像的高度和宽度，（这里V是指vertical，H是指horizon，与一般width和high表示方式要区别开，如果是640×480的图片，就是对应Vpixels=480, Hpixels=640)，则图片大小为

54+3×640×480=921654 bytes。

但是看公式，可以知道Hbytes必须舍入为下一个可以被4整除的整数，以确保BMP图像大小是4的倍数。

为什么要确保BMP图像大小是4的倍数?

1.首先普及一个概念，什么是32位系统、64位系统？

32位和64位操作系统是指：CPU一次处理数据的能力是32位还是64位。现在市场上的CPU一般都是64位的，但是这些CPU并不是真正意义上的64 位CPU，里面依然保留了大部分32位的技术，只是进行了部分64位的改进。32位和64位的区别还涉及了内存的寻址方面，32位系统的最大寻址空间是2 的32次方= 4294967296（bit）= 4（GB）左右，而64位系统的最大寻址空间的寻址空间则达到了2的64次方= 4294967296（bit）的32次方=数值大于1亿GB。换而言之，就是说32位系统的处理器最大只支持到4G内存，而64位系统最大支持的内存高达亿位数。

2.网上最多的解释

位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是左到右,扫描行之间是从下到上。位图的一个像素值所占的字节数:
当biBitCount(每个像素所需的位数)=1时，8个像素占1个字节;
当biBitCount=4时，2个像素占1个字节;
当biBitCount=8时，1个像素占1个字节;
当biBitCount=24时,1个像素占3个字节;
Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数(即以long为单位),不足的以0填充。

3.举个例子

如果是24位1024×1024的BMP文件需要的存储空间为：

54+1024*1024*3 = 3145782字节

如果是24位321×1024的BMP文件需要的存储空间为：

54+（321*3+1）*127 = 122482字节

相当于需要每行要浪费一个字节，总共需要浪费127个字节。

三、怎么读取bmp格式的图片

#include "ImageStuff.h"


unsigned char **ReadBMP(char *filename) {
    int i;
    FILE *f = fopen(filename, "rb");
    if (f == NULL) {
        printf("\n\n%s NOT FOUND\n\n", filename);
        exit(1);
    }

    unsigned char HeaderInfo[54];
    fread(HeaderInfo, sizeof(unsigned char), 54, f); // read the 54-byte header

    // extract image height and width from header
    int width = *(int *) &HeaderInfo[18];
    int height = *(int *) &HeaderInfo[22];

    //copy header for re-use
    for (i = 0; i < 54; i++) {
        ip.HeaderInfo[i] = HeaderInfo[i];
    }

    ip.Vpixels = height;
    ip.Hpixels = width;
    int RowBytes = (width * 3 + 3) & (~3);//Be careful with this!
    ip.Hbytes = RowBytes;

    printf("\n   Input BMP File name: %20s  (%u x %u)", filename, ip.Hpixels, ip.Vpixels);

    unsigned char tmp;
    unsigned char **TheImage = (unsigned char **) malloc(height * sizeof(unsigned char *));
    for (i = 0; i < height; i++) {
        TheImage[i] = (unsigned char *) malloc(RowBytes * sizeof(unsigned char));
    }

    for (i = 0; i < height; i++) {
        fread(TheImage[i], sizeof(unsigned char), RowBytes, f);
    }


    fclose(f);
    return TheImage;  // remember to free() it in caller!
}

四、怎么写入bmp格式的图片

void WriteBMP(unsigned char **img, char *filename) {
    FILE *f = fopen(filename, "wb");
    if (f == NULL) {
        printf("\n\nFILE CREATION ERROR: %s\n\n", filename);
        exit(1);
    }

    unsigned long int x, y;
    char temp;

    //write header
    for (x = 0; x < 54; x++) {
        fputc(ip.HeaderInfo[x], f);
    }

    //write data
    for (x = 0; x < ip.Vpixels; x++) {
        for (y = 0; y < ip.Hbytes; y++) {
            temp = img[x][y];
            fputc(temp, f);
        }
    }
    printf("\n  Output BMP File name: %20s  (%u x %u)", filename, ip.Hpixels, ip.Vpixels);

    fclose(f);
}

对应的头文件 ImageStuff.h：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>

struct ImgProp {
    int Hpixels;
    int Vpixels;
    unsigned char HeaderInfo[54];
    unsigned long int Hbytes;
};

struct Pixel {
    unsigned char R;
    unsigned char G;
    unsigned char B;
};

unsigned char **ReadBMP(char *);

void WriteBMP(unsigned char **, char *);

extern struct ImgProp ip;

参考地址：
https://blog.csdn.net/u012877472/article/details/50272771