把opencv Mat 按位存成bmp二值图像 （1bit 1pixel）(位深度为1)

在 OpenCV 中，直接使用 imwrite 保存二值图像为 BMP 时，默认会将其存储为 8 位灰度图像（每个像素占用 1 字节）。要实现 1 位（位深度为1）的 BMP 二值图像，需要手动处理二进制数据并直接构造符合 BMP 文件格式规范的二进制文件。以下是分步解决方案：

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步骤 1：将 OpenCV Mat 转换为二值数据

确保输入图像为单通道（CV_8UC1），且像素值仅为 0（黑） 或 255（白）：

cv::Mat binaryMat = ...; // 输入的二值矩阵（0和255）

// 转换为 0和1 的二值数据（按位存储）
cv::Mat bitMat;
binaryMat.convertTo(bitMat, CV_8UC1); // 确保数据类型为单通道
bitMat = (bitMat == 255);             // 将255映射为1，0保持为0

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步骤 2：构造 BMP 文件结构

BMP 文件格式包含以下关键部分（按顺序写入）：

1. BMP文件头（BITMAPFILEHEADER）
2. BMP信息头（BITMAPINFOHEADER）
3. 调色板（Palette，适用于1位图像）
4. 位图数据（每像素1bit，行对齐到4字节）

(1) 定义 BMP 头结构

#pragma pack(push, 1) // 禁用内存对齐
struct BITMAPFILEHEADER {
    uint16_t bfType;        // 文件类型，必须为 "BM" (0x4D42)
    uint32_t bfSize;        // 文件总大小
    uint16_t bfReserved1;   // 保留字段，设为0
    uint16_t bfReserved2;   // 保留字段，设为0
    uint32_t bfOffBits;     // 数据偏移量（头+调色板）
};

struct BITMAPINFOHEADER {
    uint32_t biSize;        // 信息头大小（40字节）
    int32_t  biWidth;       // 图像宽度（像素）
    int32_t  biHeight;      // 图像高度（像素）
    uint16_t biPlanes;      // 颜色平面数，必须为1
    uint16_t biBitCount;    // 每像素位数（1表示1位）
    uint32_t biCompression; // 压缩方式（0表示不压缩）
    uint32_t biSizeImage;   // 图像数据大小（行对齐后的字节数）
    int32_t  biXPelsPerMeter; 
    int32_t  biYPelsPerMeter;
    uint32_t biClrUsed;   
    uint32_t biClrImportant;
};
#pragma pack(pop)

(2) 调色板（Palette）

1位 BMP 需要定义 2 个调色板项（对应黑、白）：

uint8_t palette[8] = {
    0,0,0,0,       // 颜色0：BGR黑 (00 00 00)
    255,255,255,0  // 颜色1：BGR白 (FF FF FF)
};

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步骤 3：计算行对齐和图像数据大小

BMP 要求每行数据对齐到 4 字节：

int width = binaryMat.cols;
int height = binaryMat.rows;

// 每行像素所需的字节数（按1位存储）
int rowSize = (width + 31) / 32 * 4; // (位宽对齐到32bits，再转为字节数并4字节对齐)
int dataSize = rowSize * height;

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步骤 4：生成 BMP 二进制数据

将二值数据按行打包为每像素1位：

std::vector<uint8_t> bitmapData(dataSize, 0); // 初始化全0

for (int y = 0; y < height; y++) {
    for (int x = 0; x < width; x++) {
        // 获取二值数据（0或1）
        uint8_t bit = bitMat.at<uint8_t>(height - y - 1, x); // BMP行存储是自下而上的

        // 计算目标位置的字节和位偏移
        int byteIdx = y * rowSize + x / 8;
        int bitIdx = 7 - (x % 8); // BMP位顺序是高位在前

        // 设置对应位
        if (bit) {
            bitmapData[byteIdx] |= (1 << bitIdx);
        }
    }
}

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步骤 5：填充 BMP 头信息

BITMAPFILEHEADER bmfh = {
    0x4D42,                             // bfType: 'BM'
    sizeof(BITMAPFILEHEADER) + 
    sizeof(BITMAPINFOHEADER) + 
    sizeof(palette) + dataSize,         // bfSize: 总文件大小
    0,                                  // 保留字段
    0,
    sizeof(BITMAPFILEHEADER) + 
    sizeof(BITMAPINFOHEADER) + 
    sizeof(palette)                     // bfOffBits: 数据偏移量
};

BITMAPINFOHEADER bmih = {
    sizeof(BITMAPINFOHEADER),           // biSize
    width,                              // biWidth
    height,                             // biHeight
    1,                                  // biPlanes
    1,                                  // biBitCount（1位）
    0,                                  // biCompression（不压缩）
    dataSize,                           // biSizeImage（数据大小）
    0,                                  // biXPelsPerMeter
    0,                                  // biYPelsPerMeter
    0,                                  // biClrUsed
    0
};

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步骤 6：写入文件

将头、调色板、位图数据写入文件：

std::ofstream outFile("output_1bit.bmp", std::ios::binary");

outFile.write((char*)&bmfh, sizeof(BITMAPFILEHEADER));
outFile.write((char*)&bmih, sizeof(BITMAPINFOHEADER));
outFile.write((char*)palette, sizeof(palette));
outFile.write((char*)bitmapData.data(), bitmapData.size());

outFile.close();

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完整代码示例

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <fstream>
#include <vector>

#pragma pack(push, 1)
struct BITMAPFILEHEADER { /* 同上 */ };
struct BITMAPINFOHEADER { /* 同上 */ };
#pragma pack(pop)

void save1bitBMP(const cv::Mat& binaryMat, const std::string& filename) {
    int width = binaryMat.cols;
    int height = binaryMat.rows;

    // ---- 生成调色板 ----
    uint8_t palette[8] = {0,0,0,0, 255,255,255,0};

    // ---- 计算行对齐和数据大小 ----
    int rowSize = ((width + 31) / 32) * 4;
    int dataSize = rowSize * height;

    // ---- 将 OpenCV Mat 转换为 1bit 数据 ----
    cv::Mat bitMat;
    binaryMat.convertTo(bitMat, CV_8UC1);
    bitMat = (bitMat == 255);

    std::vector<uint8_t> bitmapData(dataSize, 0);
    for (int y = 0; y < height; y++) {
        for (int x = 0; x < width; x++) {
            uint8_t bit = bitMat.at<uint8_t>(height - y - 1, x); // BMP存储行倒序
            int byteIdx = y * rowSize + x / 8;
            int bitIdx = 7 - (x % 8);
            if (bit) {
                bitmapData[byteIdx] |= (1 << bitIdx);
            }
        }
    }

    // ---- 填充 BMP 头信息 ----
    BITMAPFILEHEADER bmfh = {/* 同步骤5 */};
    BITMAPINFOHEADER bmih = {/* 同步骤5 */};

    // ---- 写入文件 ----
    std::ofstream outFile(filename, std::ios::binary");
    outFile.write((char*)&bmfh, sizeof(BITMAPFILEHEADER));
    outFile.write((char*)&bmih, sizeof(BITMAPINFOHEADER));
    outFile.write((char*)palette, sizeof(palette));
    outFile.write((char*)bitmapData.data(), bitmapData.size());
}

// 使用示例
int main() {
    cv::Mat mat = cv::imread("input.png", cv::IMREAD_GRAYSCALE);
    cv::threshold(mat, mat, 128, 255, cv::THRESH_BINARY);
    save1bitBMP(mat, "output_1bit.bmp");
    return 0;
}

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关键注意事项

1. BMP 行顺序：BMP 默认存储从下到上的行数据，需翻转行索引。
2. 位操作：每个字节中，像素的位存储顺序是高位在前（左到右的第1个像素对应字节的最高位 bit7）。
3. 调色板定义：1位的 BMP 必须包含 2 种颜色，分别对应像素值的 0 和 1。
4. 内存对齐：使用 #pragma pack(1) 确保结构中无填充字节。

通过此方法，可以将 OpenCV 的二值 Mat 保存为真正的 1 位 BMP 图像。