数字图像处理与机器视觉：Visual C++与Matlab实现（第2版）
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2.1 位图文件及其C++操作

Windows操作系统中使用最多的图形文件格式就是位图格式，最常见的位图文件的扩展名为BMP。BMP是英文Bitmap（位图）的简写，这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，几乎不进行压缩，因此它占用的磁盘空间较大。下面主要介绍使用Visual C++对BMP文件的操作。

2.1.1 设备无关位图

Windows 3.0以后的BMP位图文件格式与显示设备无关，因此把这种BMP位图文件称为设备无关位图（Device Independent Bitmap, DIB）。DIB自带颜色信息，因此调色板管理非常简单。现在，任何Windows操作系统的计算机都能够显示和处理DIB，它通常以BMP文件的形式被保存在磁盘中。

2.1.2 BMP图像文件数据结构

典型的BMP图像文件由以下4部分组成，如图2.1所示。

图2.1 BMP文件的组成

（1）位图文件头（BITMAPFILEHEADER）数据结构，包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息。

（2）位图信息头（BITMAPINFOHEADER）数据结构，包含有BMP图像的宽、高、压缩方法以及定义颜色等信息。

（3）调色板，即颜色索引表。

（4）实际的位图数据。

下面分别介绍BMP图像文件的这4个部分。

1．位图文件头（BITMAPFILEHEADER）结构

位图文件头（BITMAPFILEHEADER）的定义可以在微软公司提供的类库（Microsoft Foundation Classes, MFC）Library中找到，这部分文件头包含了位图文件的类型、大小和包含设备无关位图的图像文件布局。

BITMAPFILEHEADER结构体具有固定的长度14字节，其定义和描述如下。

      typedef struct     tagBITMAPFILEHEADER {
        WORD bfType;                // 指定文件类型，必须是“BM”（0x4D42）
        DWORD    bfSize;           // 指定位图文件的大小，以字节表示
        WORD bfReserved1;           // 保留字，必须为0
        WORD bfReserved2;           // 保留字，必须为0
        DWORD    bfOffBits;        // 指定从实际图像数据到文件头起始的偏移量，以字节为单位
      } BITMAPFILEHEADER, *PBITMAPFILEHEADER;

2．位图信息头（BITMAPINFOHEADER）结构

BITMAPINFOHEADER结构体中包含了设备无关位图关于颜色维度和色彩格式的信息，其定义和描述如下。

      typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
        DWORD    biSize;           // 本结构体占用的大小，单位为字节
        LONG biWidth;               // 位图图像的宽度，单位为像素
        LONG biHeight;              // 位图图像的高度，单位为像素
        WORD biPlanes;              // 设备上颜色平面数目，必须为1
        WORD biBitCount;            // 存储每个像素所使用的二进制位数
        DWORD    biCompression;    // 是否压缩存储图像数据
        DWORD    biSizeImage;      // 指定图像的大小（以字节为单位）
        LONG biXPelsPerMeter;       // 图像的水平分辨率，单位是像素每米
        LONG biYPelsPerMeter;       // 图像的垂直分辨率，单位是像素每米
        DWORD    biClrUsed;        // 图像中实际使用了颜色索引表中的多少种颜色
        DWORD    biClrImportant;   // 图象中重要的颜色数，如果该值为0，则认为所有的颜色都是重要的
      } BITMAPINFOHEADER, *PBITMAPINFOHEADER;

重要成员参数解释如下。

• biBitCount指定存储每个像素使用的二进制数据位数，间接确定图像中可能存在的最大颜色数目。可取：1、4、8、16、24、32，其含义见下文讲解。

• biSizeImage指定图像大小（以字节为单位）。biSizeImage=biWidth' × biHeight。其中biWidth’是图像每行占用的字节数，与实际宽度biWidth不同，biWidth’必须是4的整数倍，即大于或等于biWidth的，最接近4的整倍数。例如，biWidth=400，则biWidth'=400，如果biWidth=401，则biWidth'=404。如果biCompression为BI_RGB，该项可能为零。

• biClrUsed成员指定了在位图图像中实际使用到的颜色数目。如果biClrUsed成员被设置为零，那么图像中实际使用的颜色数目是和biBitCount成员中规定的值相同的最大数目。

小技巧：biBitCount成员

BITMAPINFOHEADER结构的biBitCount成员可用于确定位图图像中每个像素所占用的数据长度（单位是位）和图像中所包含的最多颜色数目。这个成员的取值可以有6种，分别对应BMP图像允许的6种颜色模式。

BMP文件的色深也就是存储每个像素使用的位数有1（单色）、4（16色）、8（256色）、16（64×1024色，高彩色）、24（16×10242色，真彩色）、32（4096×10242色，增强型真彩色）6种。它们与biBitCount之间的对应关系如下。

（1）biBitCount=1，位图图像是单色的，并且成员bmiColor索引表包含两个条目。位图图像数组中的每一个数据位代表一个像素。如果这个数据位是0，那么此像素在显示时使用bmiColors索引表中的第一种颜色；如果这个数据位是1，那么此像素在显示时使用bmiColors索引表中的第二种颜色。

（2）biBitCount=4，位图图像包含最多16种颜色，并且成员bmiColors索引表中包含至多16个条目。此时位图图像数据区中的每一个像素条目长度是4位（0.5字节）。例如，如果位图图像数据区的第一个字节数值是0x1F，这一字节表示2个像素的颜色，第一个像素是在索引表中的第二种颜色，第二个像素是在索引表中的第16种颜色。

（3）biBitCount=8，位图图像包含最多256种颜色，并且成员bmiColors索引表中包含至多256种颜色。在这种情况下，位图图像数据区中的每个字节代表一个像素的图像数据。

（4）biBitCount=16，位图图像包含最多216种颜色，并且BITMAPINFOHEADER的biCompression成员取值必须为BI_BITFIELDS。此时bmiColors成员包含3个DWORD类型的颜色掩码分别用以指定每个像素的红、绿、蓝的颜色成分。

（5）biBitCount=24，位图图像包含最多224种颜色，并且成员bmiColors索引表为空（NULL）。在位图图像数据区中的每个三比特组中的数据表示某个像素中的红、绿、蓝颜色成分的相对强度。

（6）biBitCount=32，位图图像包含最多232种颜色，BITMAPINFOHEADER的biCompression成员必须是BI_BITFIELDS, bmiColors成员包含三个DWORD类型的颜色掩码用以指定每个像素颜色中的红色、绿色和蓝色成分。

3．调色板结构

有些位图（如索引图像）需要调色板（Palette），有些（像真彩色图）则不需要，它们的BITMAPINFOHEADER后面直接是位图数据。

调色板实际上是一个RGBQUAD型的数组，该数组总共有biClrUsed个元素（如果biClrUsed等于0，则有2的biBitCount次幂个元素）。RGBQUAD是一个用于存储RGB颜色数据的4个字节的结构体，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;

注意

除位图调色板外，还有逻辑调色板和系统调色板的概念。有时，在更新了位图调色板后需要更新逻辑调色板和系统调色板，才能将颜色的变换正确地反映出来。但仅当系统处于256色显示模式时才需要用到系统调色板，而目前的系统已经很少使用256色的显示模式了，因此一般不会涉及相关的操作，本书也对此不加讨论，仅在DIPDemo程序中实现了该逻辑。

4．实际位图数据

实际位图数据是一片连续的存储区域，其中保存着图像中每个像素的灰度（颜色）信息。对于256色灰度图像，图像数据就是该像素的实际灰度，1个像素需要1字节来表示；对于索引图像，图像数据就是该像素颜色在调色板中的索引值；而对于真彩色图，图像数据就是实际的RGB值，1个像素需要3字节来表示。

注意

一般来说，BMP文件的实际位图数据是从下到上、从左到右的。即从文件中最先读到的是图像最后一行左边第1个像素，然后是左边第2个像素，…，接下来是倒数第2行的最左边第1个，左边第2个，…，最后是第1行的左侧第1个像素，第2个像素，…，第1行最右侧的像素。

位图数据每一行占用的字节数必须是4的整数倍，如果不是，则需要补齐。

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