DIB位图（Bitmap）的读取和保存

设备无关位图（Device Independent Bitmap）是可以保存在磁盘的位图文件，可以从磁盘读取到内存或者从内存保存到磁盘上。它的文件结构是标准化的，可以在Windows/Linux/Unix等平台上显示相同的效果。本文主要介绍了

1. 如果将位图文件从磁盘读到内存中
2. 在内存中对位图文件进行操作后，如何将位图保存到磁盘

1 读取位图到内存中

1.1 DIB文件结构

要将位图文件（.bmp）从磁盘读取到内存，首先要了解其文件结构。DIB的文件组成有以下4个部分：

1. 文件表头，主要包含了文件的类型（必须是BM），文件的大小（所占用的字节数）和位图的像素矩阵的便宜量。
2. 信息表头，包含了两部分内容：位图的相关信息（位图的大小、位深度、位面数、压缩和编码等）和指向RGB颜色表（调色盘）的指针。
3. RGB色彩对照表，也就是调色板，不一定会有。16位及以上直接使用RGB通道表示颜色，一般不需要调色板。
4. 位图的像素信息矩阵，表示具体的像素。1，4，8位颜色，保存的是调色板的索引，具体的颜色根据索引在调色板中查找；16位及其以上不使用调色板，直接使用RGB组成像素颜色。

1.2 在Windows下DIB的内存结构

要将DIB数据读取到内存，就需要在内存中分配相应的空间。Windows提供了几种结构体，结构体中的字段对应着DIB文件的各个信息值，具体如下

引用自 http://blog.csdn.net/wenzhou1219/article/details/26162869

将DIB读取到内存只需要将磁盘数据填充到相应到结构体即可。在磁盘上DIB需要连续的结构存储，在内存中则不需要连续的存储空间，可以分段将数据读取到相应的结构体中。
读取DIB到内存的具体步骤：

1. 将文件头信息读取到BITMAPFILEHEADER结构体中。
2. 将位图头信息读取到BITMAPINFOHEADER结构体中。
3. 如果有调色板，则将其信息读取到RGBQUAD中。
4. 读取位图像素信息到像素矩阵中。

fp.Read(&bmfileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER)); // 读取BMP文件头 
...
//读取文件信息头
ret = fp.Read(&bmHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER)); 
...
fp.Read(m_dibBits, GetBodySize());  //读取像素信息 

1.3 结构体各字段信息

BITMAPFILEHEADER

代表文件头信息的结构体BITMAPFILEHEADER的声明如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
        WORD    bfType;
        DWORD   bfSize;
        WORD    bfReserved1;
        WORD    bfReserved2;
        DWORD   bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER  

其中，

• bfType是文件类型，该字段必须是BM，如果不是则说明该文件不是DIB。
• bfSize是位图文件的大小（字节数）
• bfReserved1和bfReserved2 是保留字段
• bfOffBits 从BITMAPFILEHEADER的起始位置到位图像素的字节偏移量。

BITMAPINFO

在上面提到，位图信息和位图的调色板是存放在同一个结构体中的，该结构体就是BITMAPINFO，其声明如下

typedef struct tagBITMAPINFO {
  BITMAPINFOHEADER bmiHeader;
  RGBQUAD          bmiColors[1];
} BITMAPINFO, *PBITMAPINFO;

bmiHeader是位图头信息
bmiColors是调色板

BITMAPINFOHEADER

位图的头信息结构BITMAPINFOHEADER，该结构包含了DIB的尺寸和颜色格式等信息，声明如下

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
        DWORD      biSize;
        LONG       biWidth;
        LONG       biHeight;
        WORD       biPlanes;
        WORD       biBitCount;
        DWORD      biCompression;
        DWORD      biSizeImage;
        LONG       biXPelsPerMeter;
        LONG       biYPelsPerMeter;
        DWORD      biClrUsed;
        DWORD      biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER  

其中，

• biSize是该结构体所占用的字节说
• biWidth DIB的宽（以像素为单位），如果biCompression是BI_JPEG或者BI_PNG，则biWidth是解压缩后JPEG或者PNG图像的宽度。
• biHeight，DIB的高（以像素为单位）。
  • 如果biHeight是正的，则DIB的像素是按照从下往上（bottom-up，也就是像素数组的第一行保存的实际是DIB的最后一行像素值），图像源点在左下角。
  • 如果biHeight是负的，则DIB的像素是按照从上往下保存的（up-bottom），而且像素的数据是不能被压缩的其biCompression必须是BI_RGB或者BI_FIELDS
  • 如果biCompression是BI_JPEG或者BI_PNG，则biHeight是解压缩后JPEG或者PNG的高
• biPlanes 目标设备的平面数，总是设为1.
• biBitCount，每个像素所占用的位数。0，表示JPEG或者PNG指定每个像素所占用的位数。还可以是1,4,8,16,24,32。
• biCompression，数据的压缩方法（up-down的DIB不能被压缩），可以是以下值：
  • BI_RGB / BI_FIELDS未被压缩
  • BI_RLE4 / BI_RLE8 使用游程长度编码 （RLE，run-length encode）
  • BI_JPEG / BI_PNG 指示该图像是JPEG或者PNG图像。
• biSizeImage 图像的字节数，对于BI_RGB的DIB其值为0.
• biXPelsPerMeter / biYPelsPerMeter 显示该DIB的目标设备所需的分辨率（单位是像素每米）
• biClrUsed DIB实际使用调色板中的颜色个数，通常为0表示使用调色板中的全部颜色。
• biClrImportant 显示DIB所必须的颜色个数，通常为0表示全部颜色都是必须的。

详细的解释参见 https://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd183376(v=vs.85).aspx

RGBQUAD

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

注意，其存储顺序是BGR。

1.3 DIB的结构实例

是一幅宽和高都是32的位图（放大后，可以看到表示像素的一个个方块），其有16种颜色。下面是该图像的16进制数据

• 首先是文件的头信息 BITMAPFILEINFO 共有14个字节（0x00-0x0D），其起始的两个字节为0x4d42（大端存储，高位在前）表示文件类型为BM，最后4个字节 0x0076是位图的像素信息相对于文件头的偏移量，也就是从0x0076为图像的像素信息。
• 下面是位图的头信息 BITMAPINFOHEADER共有40个字节（0x0E-0x35），起始的4个字节是0x0028就是该结构体的大小，紧接着的4个字节是图像的宽0x0020
• 跟着是图像的调色板，0x36 - 0x75。调色板共有16种颜色，也就是说有调色板中有16个RGBQUAD，其大小为16 * 4.
• 最后是位图的数据 0x76-0x275

1.4 读取

    CFile fp(dibName, CFile::modeRead | CFile::typeBinary);
    BITMAPFILEHEADER bmfileHeader;
    BITMAPINFOHEADER bmHeader;
    ULONGLONG headpos;
    int paletteSize = 0;
    int ret, cbHeaderSize;
    headpos = fp.GetPosition(); // 获取文件指针的位置
    ret = fp.Read(&bmfileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER)); // 读取BMP文件头
    if (bmfileHeader.bfType != 0x4d42) //判断文件类型标头是不是x4d42，表示该文件为BMP类型文件
    {
        AfxMessageBox(_T("文件不是bmp!"));
        return;
    }
    //读取文件信息头
    ret = fp.Read(&bmHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER));
    // 计算RGBQUAD的大小
    switch (bmHeader.biBitCount)
    {
    case 1:
        paletteSize = 2;
        break;
    case 4:
        paletteSize = 16;
        break;
    case 8:
        paletteSize = 256;
        break;
    }
    // 为BITMAPINFO分配存储空间
    cbHeaderSize = sizeof(BITMAPINFOHEADER)+paletteSize * sizeof(RGBQUAD);
    m_dibInfo = (BITMAPINFO*) new char[cbHeaderSize];
    m_dibInfo->bmiHeader = bmHeader;
    if (paletteSize) //是否有调色板
    {
        ret = fp.Read(&(m_dibInfo->bmiColors[0]), paletteSize * sizeof(RGBQUAD));
        if (ret != int(paletteSize * sizeof(RGBQUAD) ) )
        {
            delete[] m_dibInfo;
            m_dibInfo = NULL;
            return;
        }
    }
    //为像素数组分配存储空间，大小由GetBodySize决定
    m_dibBits = (void*) new char[GetBodySize()];
    fp.Seek(headpos + bmfileHeader.bfOffBits, CFile::begin); // 将文件指针移动到DIB像素数组
    ret = fp.Read(m_dibBits, GetBodySize());
    if (ret != int(GetBodySize()))
    {
        delete[] m_dibInfo;
        delete[] m_dibBits;
        m_dibInfo = NULL;
        m_dibBits = NULL;
    }
    fp.Close();  

知道了DIB的文件结构后，读取其到内存还是挺简单的，需要注意的是DIB的像素数组的大小。由于DIB的宽度需要时4的倍数，不是的话需要填充0将其凑成4的倍数，所以其像素数组的大小不能简单的width * height * biBitCount / 8，其中biBitCount是每个像素占用的位数。其具体的计算方法如下

1. 首先计算一行所占用的字节数 bytesPerLine
   bytesPerLine = ((m_dibInfo->bmiHeader.biWidth * m_dibInfo->bmiHeader.biBitCount + 31) / 32 ) * 4
2. 将bytesPerLine乘以图像的高
   bytesPerLine * m_dibInfo->bmiHeader.biHeight

1.5 总结

本文主要对DIB的文件结构以及其对应的内存中的结构体做了一个总结，并对一个具体的DIB16进制数据结构进行分析，最后实现了如何将一个DIB数据读取到内存中。

一直对位图结构不是很了解，趁着在公司实习没有具体的工作安排，对DIB的结构作了个总结。至于如何将处理后的位图数据写回磁盘文件，在知道位图结构的情况下，只需要填充相应的结构字段就行了，需要注意的还是位图的宽需要是4的倍数，不是的话要用0补齐。本来想写个DEMO的但是太累，明天再说吧。