本文介绍了BMP图像格式的基础知识，包括BMP文件结构、信息头、调色板及图像数据区等内容。并提供了C语言实现BMP图像加载、转换和保存的方法。
这一系列的文章都将以BMP格式图像为主做处理，主要是为了让大家能对图像处理有一个良好的认知，后面会教大家写一个能支持BMP，JPG，JPEG，PNG等格式的图像处理库。
首先你要对图像处理以及图像理论有一个基本的认识，如果没有任何基本的图像知识的话我建议先看一下博主的这篇文章：Opencv学习笔记_计算机视觉是什么？Opencv的起源 虽然说这篇文章是介绍计算机视觉和opencv的但是其中包含了很多图像理论知识。
首先第一步要对BMP图像文件格式要有一个基本的认识：
BMP图像格式详解
一．简介
BMP(Bitmap-File)图形文件是Windows采用的图形文件格式，在Windows环境下运行的所有图象处理软件都支持BMP图象文件格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。Windows 3.0以前的BMP图文件格式与显示设备有关，因此把这种BMP图象文件格式称为设备相关位图DDB(device-dependent bitmap)文件格式。Windows 3.0以后的BMP图象文件与显示设备无关，因此把这种BMP图象文件格式称为设备无关位图DIB(device-independent bitmap)格式（注：Windows 3.0以后，在系统中仍然存在DDB位图，象BitBlt()这种函数就是基于DDB位图的，只不过如果你想将图像以BMP格式保存到磁盘文件中时，微软极力推荐你以DIB格式保存），目的是为了让Windows能够在任何类型的显示设备上显示所存储的图象。BMP位图文件默认的文件扩展名是BMP或者bmp（有时它也会以.DIB或.RLE作扩展名）。
二．BMP格式结构
BMP文件的数据按照从文件头开始的先后顺序分为四个部分：
◆
位图文件头(bmp file header)： 提供文件的格式、大小等信息
◆
位图信息头(bitmap information)：提供图像数据的尺寸、位平面数、压缩方式、颜色索引等信息
◆
调色板(color palette)：可选，如使用索引来表示图像，调色板就是索引与其对应的颜色的映射表
◆
位图数据(bitmap data)：图像数据区
BMP图片文件数据表如下：
| 数据段名称 | 大小（byte） | 开始地址 | 结束地址 |
|
位图文件头(bitmap-file header)
| 14 | 0000h | 000Dh |
|
位图信息头(bitmap-information header)
| 40 | 000Eh | 0035h |
|
调色板(color table)
| 由biBitCount决定 | 0036h | 未知 |
|
图片点阵数据(bitmap data)
| 由图片大小和颜色定 | 未知 | 未知 |
三．BMP文件头
BMP文件头结构体定义如下：
typedef struct
tagBITMAPFILEHEADER
{
UINT16 bfType; //2Bytes，必须为"BM"，即0x424D 才是Windows位图文件
DWORD bfSize; //4Bytes，整个BMP文件的大小
UINT16 bfReserved1; //2Bytes，保留，为0
UINT16 bfReserved2; //2Bytes，保留，为0
DWORD bfOffBits; //4Bytes，文件起始位置到图像像素数据的字节偏移量
}
BITMAPFILEHEADER;
BMP文件头数据表如下：
| 变量名 | 地址偏移 | 大小 | 作用说明 |
| bfType | 0000h | 2Bytes |
文件标识符，必须为"BM"，即0x424D 才是Windows位图文件
‘BM’：Windows 3.1x, 95, NT,… ‘BA’：OS/2 Bitmap Array ‘CI’：OS/2 Color Icon
‘CP’：OS/2 Color Pointer ‘IC’：OS/2 Icon
‘PT’：OS/2 Pointer
因为OS/2系统并没有被普及开，所以在编程时，你只需判断第一个标识“BM”就行
|
| bfSize | 0002h | 4Bytes | 整个BMP文件的大小（以位B为单位） |
| bfReserved1 | 0006h | 2Bytes | 保留，必须设置为0 |
| bfReserved2 | 0008h | 2Bytes | 保留，必须设置为0 |
| bfOffBits | 000Ah | 4Bytes | 说明从文件头0000h开始到图像像素数据的字节偏移量（以字节Bytes为单位），以为位图的调色板长度根据位图格式不同而变化，可以用这个偏移量快速从文件中读取图像数据 |
四．BMP信息头
BMP信息头结构体定义如下：
typedef struct
_tagBMP_INFOHEADER
{
DWORD biSize; //4Bytes，INFOHEADER结构体大小，存在其他版本I NFOHEADER，用作区分
LONG biWidth; //4Bytes，图像宽度（以像素为单位）
LONG biHeight; //4Bytes，图像高度，+：图像存储顺序为Bottom2Top，-：Top2Bottom
WORD biPlanes; //2Bytes，图像数据平面，BMP存储RGB数据，因此总为1
WORD biBitCount; //2Bytes，图像像素位数
DWORD biCompression; //4Bytes，0：不压缩，1：RLE8，2：RLE4
DWORD biSizeImage; //4Bytes，4字节对齐的图像数据大小
LONG biXPelsPerMeter; //4 Bytes，用象素/米表示的水平分辨率
LONG biYPelsPerMeter; //4 Bytes，用象素/米表示的垂直分辨率
DWORD biClrUsed; //4 Bytes，实际使用的调色板索引数，0：使用所有的调色板索引
DWORD biClrImportant; //4 Bytes，重要的调色板索引数，0：所有的调色板索引都重要
}
BMP_INFOHEADER;
BMP信息头数据表如下：
|
变量名
|
地址偏移
|
大小
|
作用说明
|
|
biSize
|
000Eh
|
4Bytes
|
BNP信息头即BMP_INFOHEADER结构体所需要的字节数（以字节为单位）
|
|
biWidth
|
0012h
|
4Bytes
|
说明图像的宽度（以像素为单位）
|
|
biHeight
|
0016h
|
4Bytes
|
说明图像的高度（以像素为单位）。这个值还有一个用处，指明图像是正向的位图还是倒向的位图，该值是正数说明图像是倒向的即图像存储是由下到上；该值是负数说明图像是倒向的即图像存储是由上到下。大多数BMP位图是倒向的位图，所以此值是正值。
|
|
biPlanes
|
001Ah
|
2Bytes
|
为目标设备说明位面数，其值总设置为1
|
|
biBitCount
|
001Ch
|
2Bytes
|
说明一个像素点占几位（以比特位/像素位单位），其值可为1,4,8,16,24或32
|
|
biCompression
|
001Eh
|
4Bytes
|
说明图像数据的压缩类型，取值范围为：
0 BI_RGB 不压缩（最常用）
1 BI_RLE8 8比特游程编码（BLE），只用于8位位图
2 BI_RLE4 4比特游程编码（BLE），只用于4位位图
3 BI_BITFIELDS比特域（BLE），只用于16/32位位图
4
|
|
biSizeImage
|
0022h
|
4Bytes
|
说明图像的大小，以字节为单位。当用BI_RGB格式时，总设置为0
|
|
biXPelsPerMeter
|
0026h
|
4Bytes
|
说明水平分辨率，用像素/米表示，有符号整数
|
|
biYPelsPerMeter
|
002Ah
|
4Bytes
|
说明垂直分辨率，用像素/米表示，有符号整数
|
| biClrUsed | 002Eh | 4Bytes | 说明位图实际使用的调色板索引数，0：使用所有的调色板索引 |
| biClrImportant | 0032h | 4Bytes | 说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，表示都重要。 |
五．BMP调色板
BMP调色板结构体定义如下：
typedef struct
_tagRGBQUAD
{
BYTE rgbBlue; //指定蓝色强度
BYTE rgbGreen; //指定绿色强度
BYTE rgbRed; //指定红色强度
BYTE rgbReserved; //保留，设置为0
}
RGBQUAD;
1，4，8位图像才会使用调色板数据，16,24,32位图像不需要调色板数据，即调色板最多只需要256项（索引0 - 255）。
颜色表的大小根据所使用的颜色模式而定：2色图像为8字节；16色图像位64字节；256色图像为1024字节。其中，每4字节表示一种颜色，并以B（蓝色）、G（绿色）、R（红色）、alpha（32位位图的透明度值，一般不需要）。即首先4字节表示颜色号1的颜色，接下来表示颜色号2的颜色，依此类推。
颜色表中RGBQUAD结构数据的个数有biBitCount来确定，当biBitCount=1,4,8时，分别有2,16,256个表项。
当biBitCount=1时，为2色图像，BMP位图中有2个数据结构
RGBQUAD，一个调色板占用4字节数据，所以2色图像的调色板长度为2*4为8字节。
当biBitCount=4时，为16色图像，BMP位图中有16个数据结构
RGBQUAD，一个调色板占用4字节数据，所以16像的调色板长度为16*4为64字节。
当biBitCount=8时，为256色图像，BMP位图中有256个数据结构
RGBQUAD，一个调色板占用4字节数据，所以256色图像的调色板长度为256*4为1024字节。
当biBitCount=16，24或32时，没有颜色表。
五．BMP图像数据区
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从左到右,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=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，
一个扫描行所占的字节数计算方法:
DataSizePerLine= (biWidth* biBitCount+31)/8;
// 一个扫描行所占的字节数
DataSizePerLine= DataSizePerLine/4*4; // 字节数必须是4的倍数
位图数据的大小(不压缩情况下):
DataSize= DataSizePerLine* biHeight;
颜色表接下来位为位图文件的图像数据区，在此部分记录着每点像素对应的颜色号，其记录方式也随颜色模式而定，既2色图像每点占1位（8位为1字节）；16色图像每点占4位（半字节）；256色图像每点占8位（1字节）；真彩色图像每点占24位（3字节）。所以，整个数据区的大小也会随之变化。究其规律而言，可的出如下计算公式：图像数据信息大小=（图像宽度*图像高度*记录像素的位数）/8。
通过上面的描述，我们基本上对BMP图像文件格式有一个基本的认识了，那么我们可以通过c语言的结构体的内存对齐机制来依次读取这些头文件信息，并转化成可识别的十进制信息！
首先第一步，对c语言的基本类型定义别名，方便维护。
//8bit
typedef char UINT_8;
//16bit
typedef char UINT_16[2];
//22bit
typedef char UINT_22[3];
//256bit
typedef char UINT_256[256];
//32bit
typedef int UINT_32;
//data
typedef char* DATA;
//64 fbit
typedef double FUINT_64;
//16bit int
typedef short SUINT_16;
然后根据头信息在文件中的字节偏移地址来定义结构体：
| 变量名 | 地址偏移 | 大小 | 作用说明 |
| bfType | 0000h | 2Bytes |
文件标识符，必须为"BM"，即0x424D 才是Windows位图文件
‘BM’：Windows 3.1x, 95, NT,… ‘BA’：OS/2 Bitmap Array ‘CI’：OS/2 Color Icon
‘CP’：OS/2 Color Pointer ‘IC’：OS/2 Icon
‘PT’：OS/2 Pointer
因为OS/2系统并没有被普及开，所以在编程时，你只需判断第一个标识“BM”就行
|
| bfSize | 0002h | 4Bytes | 整个BMP文件的大小（以位B为单位） |
| bfReserved1 | 0006h | 2Bytes | 保留，必须设置为0 |
| bfReserved2 | 0008h | 2Bytes | 保留，必须设置为0 |
| bfOffBits | 000Ah | 4Bytes | 说明从文件头0000h开始到图像像素数据的字节偏移量（以字节Bytes为单位），以为位图的调色板长度根据位图格式不同而变化，可以用这个偏移量快速从文件中读取图像数据 |
|
变量名
|
地址偏移
|
大小
|
作用说明
|
|
biSize
|
000Eh
|
4Bytes
|
BNP信息头即BMP_INFOHEADER结构体所需要的字节数（以字节为单位）
|
|
biWidth
|
0012h
|
4Bytes
|
说明图像的宽度（以像素为单位）
|
|
biHeight
|
0016h
|
4Bytes
|
说明图像的高度（以像素为单位）。这个值还有一个用处，指明图像是正向的位图还是倒向的位图，该值是正数说明图像是倒向的即图像存储是由下到上；该值是负数说明图像是倒向的即图像存储是由上到下。大多数BMP位图是倒向的位图，所以此值是正值。
|
|
biPlanes
|
001Ah
|
2Bytes
|
为目标设备说明位面数，其值总设置为1
|
|
biBitCount
|
001Ch
|
2Bytes
|
说明一个像素点占几位（以比特位/像素位单位），其值可为1,4,8,16,24或32
|
|
biCompression
|
001Eh
|
4Bytes
|
说明图像数据的压缩类型，取值范围为：
0 BI_RGB 不压缩（最常用）
1 BI_RLE8 8比特游程编码（BLE），只用于8位位图
2 BI_RLE4 4比特游程编码（BLE），只用于4位位图
3 BI_BITFIELDS比特域（BLE），只用于16/32位位图
4
|
|
biSizeImage
|
0022h
|
4Bytes
|
说明图像的大小，以字节为单位。当用BI_RGB格式时，总设置为0
|
|
biXPelsPerMeter
|
0026h
|
4Bytes
|
说明水平分辨率，用像素/米表示，有符号整数
|
|
biYPelsPerMeter
|
002Ah
|
4Bytes
|
说明垂直分辨率，用像素/米表示，有符号整数
|
| biClrUsed | 002Eh | 4Bytes | 说明位图实际使用的调色板索引数，0：使用所有的调色板索引 |
| biClrImportant | 0032h | 4Bytes | 说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，表示都重要。 |
注意这里一定要使用#pragma pack(1)告诉编译器结构体按1字节对齐（详细：
详解C语言内存对齐）否则在读入文件流数据时会出现数据混淆的原因
//结构体
//图像结构体，防止结构体对齐否则读取文件流时出错，所以用pragma命令强制对齐
#pragma pack(1)
typedef struct image_struct{
UINT_16 image_pil; //文件标识符
UINT_32 image_Size; //文件大小
UINT_16 image_Reserved1; //无需过问
UINT_16 image_Reserved2; //无需过问
UINT_32 image_Offbits; //头文件到图像数据偏移量
UINT_32 image_Stsize; //结构体所需大小
UINT_32 image_Width; //图像宽度
UINT_32 image_Height; //图像高度
UINT_16 image_Planes; //目标设备位面数
SUINT_16 image_Bitcount; //像素点占用多少bit位
UINT_32 image_Compression; //图像压缩类型
UINT_32 image_Sizeimage; //图像的大小
UINT_32 image_Xpelspermeter; //水平分辨率
UINT_32 image_Ypelspermeter; //垂直分辨率
UINT_32 image_ClrUsed; //调色板索引数
UINT_32 image_Clrlmportant; //图像显示重要颜色索引数目
DATA image_Data; //图像数据
UINT_32 image_Data_Size; //图像数据大小
}image;
#pragma pack()
下面开始写我们的第一个函数：image_load,加载图像文件
注意如果不使用c语言的内存对齐方式读取数据的话需要考虑大小端的问题，我们直接使用结构体来读取这样就不用考虑大小端的问题了，因为内存中的存储大小端与文件中是对应的！我们只需要直接读取到内存当中就行了！
//函数
//加载图像
int image_load(struct image_struct** im, char *path){
FILE *image_path_fp;
image_path_fp = fopen(path, "rb");
if (image_path_fp == NULL){
return -1;
}
//取文件大小
fseek(image_path_fp, 0, SEEK_END); //定位到文件末
int nFileLen = ftell(image_path_fp); //文件长度
fseek(image_path_fp, 0, SEEK_SET); //恢复到文件头，防止从文件尾读取数据
//读取头信息
if (fread((*im), (sizeof(struct image_struct) - ((sizeof(DATA/*image_Data*/)+(sizeof(UINT_32)/*image_Data_Size*/)))/*暂不读取数据，无法从头文件中获取数据偏移量，防止数据混乱*/), 1, image_path_fp) == 0){
return -2;
}
//给data变量分配内存
(*im)->image_Data = (DATA)malloc(nFileLen-(*im)->image_Offbits/*完整的数据大小*/);
//判断是否分配成功
if ((*im)->image_Data == NULL){ //如果没有可用堆内存则malloc返回NULL
return -3;
}
//读取数据
//读取前将文件指针挪移到文件头信息后，找到正确的数据存储区
fseek(image_path_fp, 0, SEEK_SET); //恢复到文件头，因为已经fread一次了，所以数据文件指针发生变更
fseek(image_path_fp, (*im)->image_Offbits, SEEK_CUR); //忽略头数据
if (fread((*im)->image_Data, (nFileLen - (*im)->image_Offbits/*file - off = 实际大小*/), 1, image_path_fp) == 0){
return -4;
}
//保存文件大小,方便读写操作
(*im)->image_Data_Size = (nFileLen - (*im)->image_Offbits/*file - off = 实际大小*/);
//文件指针释放，防止占用文件内核的临界资源
fclose(image_path_fp);
image_path_fp == NULL;
return 0;
}
图像加载函数写完了，我们可能在使用结构体时会定义指针，所以为了方便我们在写一个用于分配内存的函数
//给图像数据分配内存
int image_malloc(struct image_struct** im){
*im = (struct image_struct*)malloc(sizeof(struct image_struct));
if (*im == NULL){
return -1;
}
return 0;
}
还需要一个图像保存函数：
//保存图像数据到文件
int image_save_file(struct image_struct** im, char *path){
FILE* file_fp = fopen(path, "wb+"); //以二进制可读写方式打开
if (file_fp == NULL){ //判断文件指针是否为空
return -1;
}
//写入头信息
fwrite((*im), (*im)->image_Offbits/*直接写入头文件到数据的偏移量大小即可*/, 1, file_fp);
//写入文件数据
fwrite((*im)->image_Data, (*im)->image_Data_Size, 1, file_fp);
return 0;
}
基本函数编写完成了，那么来做一个测试吧：
int main(){
image *imga;
image_malloc(&imga);
image_load(&imga, "test.bmp");
printf("图像宽度：%d\n", imga->image_Width);
printf("图像高度：%d\n", imga->image_Height);
printf("图像文件占用字节：%d\n", imga->image_Size);
printf("图像每个像素占用bit位：%d\n", imga->image_Bitcount);
getchar();
}
完整代码：
/*Robust图像处理库
*版本：v1.0
*作者：周志豪
*4.17 19：09
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
//类型定义
//8bit
typedef char UINT_8;
//16bit
typedef char UINT_16[2];
//22bit
typedef char UINT_22[3];
//256bit
typedef char UINT_256[256];
//32bit
typedef int UINT_32;
//data
typedef char* DATA;
//64 fbit
typedef double FUINT_64;
//16bit int
typedef short SUINT_16;
//结构体
//图像结构体，防止结构体对齐否则读取文件流时出错，所以用pragma命令强制对齐
#pragma pack(1)
typedef struct image_struct{
UINT_16 image_pil; //文件标识符
UINT_32 image_Size; //文件大小
UINT_16 image_Reserved1; //无需过问
UINT_16 image_Reserved2; //无需过问
UINT_32 image_Offbits; //头文件到图像数据偏移量
UINT_32 image_Stsize; //结构体所需大小
UINT_32 image_Width; //图像宽度
UINT_32 image_Height; //图像高度
UINT_16 image_Planes; //目标设备位面数
SUINT_16 image_Bitcount; //像素点占用多少bit位
UINT_32 image_Compression; //图像压缩类型
UINT_32 image_Sizeimage; //图像的大小
UINT_32 image_Xpelspermeter; //水平分辨率
UINT_32 image_Ypelspermeter; //垂直分辨率
UINT_32 image_ClrUsed; //调色板索引数
UINT_32 image_Clrlmportant; //图像显示重要颜色索引数目
DATA image_Data; //图像数据
UINT_32 image_Data_Size; //图像数据大小
}image;
#pragma pack()
//函数
//加载图像
int image_load(struct image_struct** im, char *path){
FILE *image_path_fp;
image_path_fp = fopen(path, "rb");
if (image_path_fp == NULL){
return -1;
}
//取文件大小
fseek(image_path_fp, 0, SEEK_END); //定位到文件末
int nFileLen = ftell(image_path_fp); //文件长度
fseek(image_path_fp, 0, SEEK_SET); //恢复到文件头，防止从文件尾读取数据
//读取头信息
if (fread((*im), (sizeof(struct image_struct) - ((sizeof(DATA/*image_Data*/)+(sizeof(UINT_32)/*image_Data_Size*/)))/*暂不读取数据，无法从头文件中获取数据偏移量，防止数据混乱*/), 1, image_path_fp) == 0){
return -2;
}
//给data变量分配内存
(*im)->image_Data = (DATA)malloc(nFileLen-(*im)->image_Offbits/*完整的数据大小*/);
//判断是否分配成功
if ((*im)->image_Data == NULL){ //如果没有可用堆内存则malloc返回NULL
return -3;
}
//读取数据
//读取前将文件指针挪移到文件头信息后，找到正确的数据存储区
fseek(image_path_fp, 0, SEEK_SET); //恢复到文件头，因为已经fread一次了，所以数据文件指针发生变更
fseek(image_path_fp, (*im)->image_Offbits, SEEK_CUR); //忽略头数据
if (fread((*im)->image_Data, (nFileLen - (*im)->image_Offbits/*file - off = 实际大小*/), 1, image_path_fp) == 0){
return -4;
}
//保存文件大小,方便读写操作
(*im)->image_Data_Size = (nFileLen - (*im)->image_Offbits/*file - off = 实际大小*/);
//文件指针释放，防止占用文件内核的临界资源
fclose(image_path_fp);
image_path_fp == NULL;
return 0;
}
//给图像数据分配内存
int image_malloc(struct image_struct** im){
*im = (struct image_struct*)malloc(sizeof(struct image_struct));
if (*im == NULL){
return -1;
}
return 0;
}
//将图像转换成反向图_该方法只能用于真彩图
int image_reverse_rgb(struct image_struct** im){
if ((*im) == NULL){ //判断传递进来的图像指针是否为空
return -1;
}
//转换成反向图很简单只需要将每个图像里的像素点转换成负的就可以了,注意在一个24位的图像文件中一个字节对应一个颜色值三个字节则为一个完整的像素点，所以我们一个一个像素点的转换就可以了
//算法公式为：S=-R-G-B
for (int i = 0; i < (*im)->image_Data_Size; ++i){
if ((*im)->image_Data[i] == (int)0){ //如果等于0则不处理
continue; //开始下一次循环
}//i*(*im)->image_Width + j
(*im)->image_Data[i] = -(*im)->image_Data[i]; //调用宏函数转换
}
return 0;
}
//保存图像数据到文件
int image_save_file(struct image_struct** im, char *path){
FILE* file_fp = fopen(path, "wb+"); //以二进制可读写方式打开
if (file_fp == NULL){ //判断文件指针是否为空
return -1;
}
//写入头信息
fwrite((*im), (*im)->image_Offbits/*直接写入头文件到数据的偏移量大小即可*/, 1, file_fp);
//写入文件数据
fwrite((*im)->image_Data, (*im)->image_Data_Size, 1, file_fp);
return 0;
}
int main(){
image *imga;
image_malloc(&imga);
image_load(&imga, "test.bmp");
printf("图像宽度：%d\n", imga->image_Width);
printf("图像高度：%d\n", imga->image_Height);
printf("图像文件占用字节：%d\n", imga->image_Size);
printf("图像每个像素占用bit位：%d\n", imga->image_Bitcount);
getchar();
}
运行结果：
本篇先让大家对BMP格式有一个基本的认知，和读取图像头信息中较为重要的信息
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