C++ 实现BMP位图读写_c++ bmp 图片字符取模源程序-优快云博客

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BMP文件读写

1. 问题描述

分析图像格式BMP

–可借助Matlab体会图像的读写和显示。
利用C语言编写程序，实现图像的输入和输出和显示。

–自行编写BMP文件的读写。

–调用开源库实现其他若干常见图像和视频文件格式的输入和输出。

–设计功能较完整的界面。

2. 技术背景

opencv
Visual Studio 2019

3. 解决方案

3.1 BMP文件结构

BMP文件由4部分组成：

位图文件头（bitmap-file header）
位图信息头（bitmap-information header）
调色板
位图数据

BMP文件整体结构如下图所示：

3.1.1 位图文件头

位图文件头的数据结构如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
	//WORD bfType;			//文件类型
	DWORD bfSize;			//文件大小
	WORD bfReserved1;		//保留字
	WORD bfReserved2;		//保留字
	DWORD bfOffBits;		//文件头到实际图像数据之间的偏移量
}BITMAPFILEHEADER;

结构体中的成员说明如下：

表1 BMP文件头信息说明

名称	占用空间	说明
bfType	2字节	说明文件类型，该值必须为0x4D42，也就是字符“BM”
bfSize	4字节	说明位图文件大小，以字节为单位
bfReserved1/2	4字节	保留字，必须设置为0
bfOffBits	4字节	说明从文件头开始到实际的图像数据之间的偏移量

3.1.2 位图信息头

位图信息头的数据结构如下：

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER {
	DWORD biSize;			//位图信息头大小
	LONG biWidth;			//位图宽度
	LONG biHeight;			//位图高度
	WORD biPlanes;			//颜色平面数
	WORD biBitCount;		//每个像素的位数
	DWORD biCompression;	//压缩方式
	DWORD biSizeImage;		//位图全部像素占用的字节数
	LONG biXPelsPerMeter;	//水平方向分辨率
	LONG biYPelsPerMeter;	//垂直方向分辨率
	DWORD biClrUsed;		//使用的颜色数
	DWORD biClrImportant;	//重要颜色数
}BITMAPINFOHEADER;

结构体中的成员说明如下：

表2 BMP文件头信息说明

名称	占用空间	说明
biSize	4字节	位图信息头的大小
biWidth	4字节	位图的宽度，单位是像素
biHeight	4字节	位图的高度，单位是像素
biPlanes	2字节	颜色平面数，固定值1
biBitCount	2字节	每个像素的位数
biCompression	4字节	压缩方式，0为不压缩
biSizeImage	4字节	位图全部像素占用的字节数
biXPelsPerMeter	4字节	水平方向分辨率（像素/米）
biYPelsPerMeter	4字节	垂直方向分辨率（像素/米）
biClrUsed	4字节	使用的颜色数
biClrImportant	4字节	重要颜色数

3.1.3 调色板

调色板是一张映射表，标识颜色索引号与其代表的颜色的对应关系。

typedef struct tagRGBQUAD {
	BYTE rgbBlue;
	BYTE rgbGreen;
	BYTE rgbRed;
	BYTE rgbReserved;
}RGBQUAD;

3.1.4 位图数据

windows在早期开发BMP文件系统时，依照笛卡尔坐标系设计了BMP位图的数据存储结构，即图像的原点是上左下角。但是现在的图像基本上是以图像左上角为原点存储图像数据，这就导致如果按照现在的方式读取BMP位图显示的图像在垂直方向上和原图是相反的。所以在读取BMP位图数据时，应该把第一行位图数据放在存储矩阵的最后一行。

typedef struct tagIMAGEDATA {
	BYTE red;
	BYTE green;
	BYTE blue;
}IMAGEDATA;

3.2 BMP文件读写

在C++中，读写文件需要用文件流对象(fstream)，文件流对象有两个子类，分别是文件输入流对象(ifstream)和文件输出流对象(ofstream)。

ifstream in(path,ios::binary);

ofstream out(path, ios::binary);

上面的代码分别定义了一个文件输入流对象和文件输出流对象，而且都是以二进制方式读写。

3.2.1 读BMP文件

C++中，读取文件数据可以用文件输入流ifstrem类中的read函数。

函数原型ifstream& read(char* s, streamsize n)

其中，s为一个char型数组，用来保存读取得到的数据值，n为读取的数据长度。

下面的代码定义了一个文件输入流对象，连接到path所指的文件。通过read函数把path所指的文件的前sizeof(bfType)个字节的数据保存到bfType变量中，然后文件指针向后移动**sizeof(bfType)**个字节。

ifstream in(path,ios::binary);

WORD bfType;
in.read((char*)(&bfType), sizeof(bfType));

上面有提到，windows在早期开发BMP文件系统时，依照笛卡尔坐标系设计了BMP位图的数据存储结构，即图像的原点是再左下角。但是opencv中显示图像时，原点时图像的左上角，所以两种存储格式在行数上是相反的，在列数上是相同的。下面的代码就是把BMP位图中数据依照opencv图像存储格式读了出来，使得opencv显示的图像和原图一致。

if (channels == 1) {

	Mat dst = Mat(rows, cols, CV_8UC1);

	for (int i = rows - 1; i >= 0; i--) {
		for (int j = 0; j < cols; j++) {
			in.read((char*)(&dst.at<uchar>(i, j)), sizeof(uchar));
		}
	}

	in.close();
	return dst;
}

完整代码如下：

//*********************BMP图像读取函数**********************************
//参数：
//		path：BMP图像路径
//返回值：
//		BMP图像数据
//*********************************************************************
Mat CV2::imreadBMP(const char* path) {

	ifstream in(path,ios::binary);

	WORD bfType;
	in.read((char*)(&bfType), sizeof(bfType));
	
	//检查是否为BMP文件
	if (bfType != 0x4d42) {
		throw "the file is not a bmp file!";
	}

	//读取文件头数据
	BITMAPFILEHEADER strHead;
	in.read((char*)(&strHead), sizeof(strHead));
	showBmpFileHead(strHead);

	//读取信息头数据
	BITMAPINFOHEADER strInfo;
	in.read((char*)(&strInfo), sizeof(strInfo));
	showBmpInfoHead(strInfo);

	//读取调色板数据
	RGBQUAD strPla[256];
	for (unsigned int nCounti = 0; nCounti < strInfo.biClrUsed; nCounti++) {
		//存储的时候，一般去掉保留字rgbReserved
		in.read((char*)(&strPla[nCounti].rgbBlue), sizeof(BYTE));
		in.read((char*)(&strPla[nCounti].rgbGreen),  sizeof(BYTE));
		in.read((char*)(&strPla[nCounti].rgbRed),  sizeof(BYTE));
		//cout << "strPla[nCounti].rgbBlue" << strPla[nCounti].rgbBlue << endl;
		//cout << "strPla[nCounti].rgbGreen" << strPla[nCounti].rgbGreen << endl;
		//cout << "strPla[nCounti].rgbRed" << strPla[nCounti].rgbRed << endl;
	}

	int rows = strInfo.biHeight;
	int cols = strInfo.biWidth;

	//得到通道数
	int channels = strInfo.biBitCount / 8;

	//读取位图数据，并保存在Mat(dst)数据结构中
	if (channels == 1) {

		Mat dst = Mat(rows, cols, CV_8UC1);

		for (int i = rows - 1; i >= 0; i--) {
			for (int j = 0; j < cols; j++) {
				in.read((char*)(&dst.at<uchar>(i, j)), sizeof(uchar));
			}
		}

		in.close();
		return dst;
	}

	if (channels == 3) {

		Mat dst = Mat(rows, cols, CV_8UC3);

		for (int i = rows - 1; i >= 0; i--) {
			for (int j = 0; j < cols; j++) {
				in.read((char*)(&dst.at<Vec3b>(i, j)), sizeof(Vec3b));
			}
		}
		in.close();
		return dst;
	}
	
	return Mat();
}

3.2.1 写BMP文件

写BMP文件与读BMP文件类似，下面的代码定义了一个输出流对象out，然后在头文件中的bfType中写入了0x4d42。

ofstream out(path, ios::binary);

WORD bfType = 0x4d42;
out.write((char*)(&bfType), sizeof(bfType));

在写文件时，一些参数是根据经验值预设的，opencv中存储像素的数据结构是MAT，下面的代码根据输入参数image的属性值，初始化了BMP位图的文件头与信息头。

//写入文件头
BITMAPFILEHEADER strHead;

int rows = image.rows;
int cols = image.cols;

strHead.bfOffBits = 54;
strHead.bfReserved1 = 0;
strHead.bfReserved2 = 0;
strHead.bfSize = image.channels() * rows * cols + strHead.bfOffBits;

out.write((char*)(&strHead), sizeof(strHead));

//写入信息头
BITMAPINFOHEADER strInfo;

strInfo.biSize = 40;
strInfo.biWidth = cols;
strInfo.biHeight = rows;
strInfo.biPlanes = 1;
strInfo.biBitCount = image.channels() * 8;
strInfo.biCompression = 0;
strInfo.biSizeImage = image.channels() * rows * cols;
strInfo.biXPelsPerMeter = 2834;
strInfo.biYPelsPerMeter = 2834;
strInfo.biClrUsed = 0;
strInfo.biClrImportant = 0;

完整代码如下：

//*********************BMP图像写入函数**********************************
//参数：
//		path：保存BMP图像路径，image：图像数据
//返回值：
//		
//*********************************************************************
void CV2::imwriteBMP(const char* path, Mat image) {

	ofstream out(path, ios::binary);

	WORD bfType = 0x4d42;
	out.write((char*)(&bfType), sizeof(bfType));

	//写入文件头
	BITMAPFILEHEADER strHead;

	int rows = image.rows;
	int cols = image.cols;

	strHead.bfOffBits = 54;
	strHead.bfReserved1 = 0;
	strHead.bfReserved2 = 0;
	strHead.bfSize = image.channels() * rows * cols + strHead.bfOffBits;
	
	out.write((char*)(&strHead), sizeof(strHead));
	
	//写入信息头
	BITMAPINFOHEADER strInfo;

	strInfo.biSize = 40;
	strInfo.biWidth = cols;
	strInfo.biHeight = rows;
	strInfo.biPlanes = 1;
	strInfo.biBitCount = image.channels() * 8;
	strInfo.biCompression = 0;
	strInfo.biSizeImage = image.channels() * rows * cols;
	strInfo.biXPelsPerMeter = 2834;
	strInfo.biYPelsPerMeter = 2834;
	strInfo.biClrUsed = 0;
	strInfo.biClrImportant = 0;

	out.write((char*)(&strInfo), sizeof(strInfo));

	int channels = image.channels();
	if (channels == 1) {

		for (int i = rows - 1; i >= 0; i--) {
			for (int j = cols - 1; j >= 0; j--) {
				out.write((char*)(&image.at<uchar>(i, j)), sizeof(uchar));
			}
		}

		out.close();
	}

	if (channels == 3) {

		for (int i = rows - 1; i >= 0; i--) {
			for (int j = 0; j < cols; j++) {
				out.write((char*)(&image.at<Vec3b>(i, j)), sizeof(Vec3b));
			}
		}
		out.close();
	}
}

4.实施示例

以lena图像为例

4.1 文件头验证

用UltraEdit打开lena图像后，可以看到图像的具体数据。下图中依次框出了文件头中的文件类型、位图大小、保留值、偏移量。

根据每个名称的字节数，依次读取数据，并转换为10进制，算出实际值，如下表所示：

表3 lena图像文件头数据

名称	占用空间	说明	实际数据
bfType	2字节	说明文件类型，该值必须为0x4D42，也就是字符“BM”	0x4D42 (BM)
bfSize	4字节	说明位图文件大小，以字节为单位	0x41EE6 (270054)
bfReserved1/2	4字节	保留字，必须设置为0	0
bfOffBits	4字节	说明从文件头开始到实际的图像数据之间的偏移量	0x36 (54)

运行代码后，文件头输出信息如下：

经过对比，实际读入的文件头信息与表3信息一致。

4.2 信息头验证

下图中依次框出了信息头中每个成员的具体数值。

根据每个名称的字节数，依次读取数据，并转换为10进制，算出实际值，如下表所示：

表4 lena图像信息头数据

名称	占用空间	说明	实际数据
biSize	4字节	位图信息头的大小	0x28 (40)
biWidth	4字节	位图的宽度，单位是像素	0x190 (400)
biHeight	4字节	位图的高度，单位是像素	0xE1 (255)
biPlanes	2字节	固定值1	1
biBitCount	2字节	每个像素的位数	0x18 (24)
biCompression	4字节	压缩方式，0为不压缩	0
biSizeImage	4字节	位图全部像素占用的字节数	0x41EB0 (270000)
biXPelsPerMeter	4字节	水平方向分辨率（像素/米）	0xB12 (2834)
biYPelsPerMeter	4字节	垂直方向分辨率（像素/米）	0xB12 (2834)
biClrUsed	4字节	使用的颜色数	0
biClrImportant	4字节	重要颜色数	0

运行代码后，文件头输出信息如下：

经过对比，实际读入的信息头信息与表4信息一致。

4.3 图像读取效果

下面的代码调用了自己写的函数imreadBMP,将读取的图像数据保存在mybmp变量中，然后调用opencv库函数imshow显示图像。

Mat mybmp = cv2.imreadBMP("lena.bmp");
imshow("mybmp", mybmp);

可以看到，读取的图像和原始图像一致。

4.4 图像写入效果

下面的代码调用了自己写的函数imwriteBMP，将上面读取的图像数据写入了myfun.bmp文件中。

cv2.imwriteBMP("myfun.bmp", mybmp);

可以看到，写入的图像和原图像一致。
经过对比，实际读入的信息头信息与表4信息一致。

4.3 图像读取效果

下面的代码调用了自己写的函数imreadBMP,将读取的图像数据保存在mybmp变量中，然后调用opencv库函数imshow显示图像。

Mat mybmp = cv2.imreadBMP("lena.bmp");
imshow("mybmp", mybmp);

[外链图片转存中…(img-w3C7xP0F-1629094703854)]

可以看到，读取的图像和原始图像一致。

4.4 图像写入效果

下面的代码调用了自己写的函数imwriteBMP，将上面读取的图像数据写入了myfun.bmp文件中。

cv2.imwriteBMP("myfun.bmp", mybmp);

[外链图片转存中…(img-iMUyfr4p-1629094703856)]

可以看到，写入的图像和原图像一致。